李震春，孫 瑤，楊 濤，張家琪

(1.桂林電子科技大學 材料科學與工程學院，廣西 桂林 541004; 2.重慶巴蜀中學，重慶 400013)

時代和科技的發(fā)展，對當代教育產生重大沖擊. 21世紀初，隨著計算機軟硬件技術和互聯網技術的快速發(fā)展，教育逐漸呈現出信息化趨勢. 教育部印發(fā)的《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》(教高[2019]8號)明確提出：“教學方法體現先進性與互動性，大力推進現代信息技術與教學深度融合[1]”. 運用適當的數字化教學工具，引導學生自主學習，增強課堂實效、互動性，是提高課堂教學效率和教學效果的有效途徑. 雨課堂的出現，為大學物理實驗教學注入了新元素[2]，雨課堂覆蓋物理實驗教學的“課前-課中-課后”每個環(huán)節(jié)[3-4]. 然而，物理實驗中，間接測量量需要基于多個直接測量量計算求得[5-9]，另外由于實驗儀器的差異，同一實驗室的多臺儀器待測物理量之間存在較大差異，很難通過1個或多個參量答案來檢測學生測量數據的正確性或合理性. 雨課堂測試功能無法實時檢測實驗數據的合理性，并難以對學生的實驗過程給出客觀、公正的評價，這是雨課堂平臺與實驗教學過程不能很好融合的關鍵之處.

為解決這一問題，本文開發(fā)了基于Python的實驗數據實時檢測分析系統(tǒng). 該系統(tǒng)借助雨課堂平臺，學生通過雨課堂公眾號向雨課堂服務器提交實驗測量數據；教師通過雨課堂的電腦端(Web版)實時接收學生實測數據，檢測分析學生實驗數據存在的問題, 對學生的實驗操作中存在的問題給予及時指導，對學生的實驗操作成績做出客觀評定，最終通過電子郵件的方式把每個學生實驗數據處理結果推送給學生，提高了學生實驗報告的質量、教師指導效率及課堂教學質量.

1 實驗數據實時檢測分析系統(tǒng)的設計

1.1 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

Python是面向對象的解釋型語言，具有豐富的擴展庫，能夠輕量級地完成各種復雜任務，成為最受歡迎的編程語言[10]. Selenium是Web應用程序的自動化測試工具[11]，借助Selenium庫，開發(fā)人員將用戶對瀏覽器的操作步驟編寫為代碼，從而實現瀏覽器登錄、輸入、查詢、切換頁面、下載等操作的自動化. Pandas和 NumPy是 Python的數據分析和探索工具，提供了高效操作大型數據集所需的工具. Pandas包含序列和數據幀2種數據結構，其中數據幀類似于Excel中的工作表，以二維表的形式存放數值、字符等. Pandas提供了計數、篩選、排序、分組、數據合并與重塑、數據透視、方差分析等常用的統(tǒng)計分析功能. NumPy提供了N維數組數據類型，支持多維數組與矩陣運算，此外針對數組運算也提供大量的數學函數庫. Matplotlib是Python的 2D繪圖庫，可以繪制直方圖、散點圖、功率譜、條形圖等. PyQt5是基于Qt的Python語言開發(fā)創(chuàng)建的GUI應用程序工具包，具有控件豐富、跨平臺體驗好、文檔完善等優(yōu)勢. 利用Python語言下的Selenium，Pandas，Matplotlib和PyQt5等工具包，既可以實現從瀏覽器自動下載數據，又可以對數據進行快速分析和作圖，最后把以上功能封裝，為用戶提供友好人機交互的圖形界面.

1.2 系統(tǒng)的實現流程

流程網絡拓撲如圖1 所示.

圖1 實現流程的網絡拓撲圖

數據的發(fā)送和接收采用校內實驗室的無線WiFi，也可使用手機的移動數據，由于大學生基本上都擁有智能手機，雨課堂支持安卓和蘋果操作系統(tǒng). 這樣做不僅大大節(jié)省了實驗項目配套硬件的建設成本，而且具有可靠、穩(wěn)定的數據通信保障. 實現實驗數據實時檢測分析的流程是：教師通過雨課堂公眾號向學生推送實驗數據發(fā)送端界面；學生在完成相應的數據測量后，通過雨課堂公眾號打開實驗數據發(fā)送端界面，提交實驗數據. 雨課堂手機端和電腦端通過服務器共享數據，利用Python的Selenium模塊，教師可通過雨課堂的電腦端(Web版)實時接收學生的實測數據. 接收到學生所提交的實驗數據后，利用Python的Pandas和Matplotlib等模塊對學生的實驗數據進行有效性識別、誤差計算、作圖等多種分析，從而讓教師能夠及時發(fā)現學生出現的問題，對學生實驗操作情況進行實時反饋. 實驗結束后，該學生的操作成績被自動登記到實驗成績登記表中；利用Python的Smtplib模塊，可以把學生的最終實驗操作成績、原始數據及數據處理結果通過電子郵件的方式自動推送給學生，為學生處理數據提供依據. 另外該系統(tǒng)支持一次性下載所有課程的學生實驗數據，并對實驗數據進行分析處理，期末時可將所有學生原始數據、處理后的數據保存到本地電腦進行存檔，這極大地推進了實驗課堂教學的信息化、智能化管理水平.

2 系統(tǒng)的功能模塊設計

設計性實驗是提高學生發(fā)現問題、分析問題和解決問題能力的重要實驗項目. “設計實驗電路測定微安表內阻”是經典的設計性實驗，也是理工科學生的必做實驗. 本實驗要求學生根據性能指標要求，選擇多種(至少2種)實驗方案，通過理論建模確定最佳電路參量和最佳測量條件，然后獨立對實驗方法、實驗裝置進行設計，對實驗過程和結果進行分析. 該實驗涉及多種儀器和儀表的使用和讀數以及等精度測量方法的操作等關鍵環(huán)節(jié)，能有效培養(yǎng)學生的動手操作、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維. 本文以“設計實驗電路測定微安表內阻”為例描述實驗數據實時檢查分析系統(tǒng)的具體使用方法.

2.1 學生實驗數據發(fā)送端界面設計

學生實驗數據發(fā)送端的界面如圖2所示，提供2種符合性能指標要求實驗方案的數據記錄表格及學生郵箱.

圖2 學生發(fā)送端的界面設計圖

學生發(fā)送端界面是在PPT雨課堂插件的“新建試卷”里編輯生成，通過PPT雨課堂插件的“上傳試卷/手機課件”上傳到教師賬號的試題庫中備用. 上課時，教師先創(chuàng)建雨課堂課程；學生通過微信掃碼的方式進入并簽到，第一次使用雨課堂的學生需要輸入姓名、學號等信息；教師通過雨課堂公眾號或Web端把試題庫中的“測定微安表的內阻實驗數據記錄”試題推送到該課程中；學生在雨課堂公眾號中打開教師推送的試題，然后在表格中輸入測量實驗數據，輸入完畢后點擊“提交”按鈕，即可完成實驗數據的提交. 由于雨課堂的試題不支持問題試卷“打回”功能，教師在推送試題時，可根據學生實驗數據出現異常的情況多推送2～3份，以便當學生實驗數據存在異?；虺鲥e時能多次提交實驗數據，后臺數據處理時以操作成績最高的為其最終實驗數據.

2.2 教師實驗數據接收界面設計

教師實驗數據接收端的界面設計如圖3 所示，主要包括學生實驗數據同步、自動生成教師實驗數據實時檢測分析報告、學生處理報告、查看學生處理報告、成績登記匯總、發(fā)送處理報告和系統(tǒng)信息等功能模塊.

1)學生實驗數據的同步. 當學生在數據發(fā)送端提交實驗數據以后，教師雨課堂公眾號可查看提交數據的學生名單. 教師可以在教師實驗數據接收界面點擊下載，學生的實驗數據會自動下載到教師的電腦，具體下載過程見圖3中的系統(tǒng)信息. 當N=M=1時，下載當前課程的學生實驗數據.另外，該系統(tǒng)還支持多門課程同步下載，例如當N=1,M=10時，下載從第1門到第10門課程的學生實驗數據.

圖3 實驗數據接收端軟件界面設計圖

2)生成教師實驗數據實時檢測分析報告和學生處理報告. 實驗數據實時檢測分析報告包括學生信息(包括課號、組號、學號和姓名)、活動加分、操作成績、2種方法的誤差分析結果和內阻分布曲線. 學生信息是學生掃碼簽到時自動錄入的，活動加分和操作成績是根據學生提交的原始數據，按表1的檢查項目和判定標準分別計算出來，2種方法的誤差分析結果和內阻分布曲線是根據學生提交的原始數據計算和繪制出來的.

表1 操作成績檢查項目及判定標準

點擊“生成檢測報告”，系統(tǒng)會根據下載的所有課程的實驗數據，自動生成教師實驗數據實時檢測分析報告和學生處理報告，支持多次接收同一學生發(fā)送的實驗數據. 教師實驗數據實時檢測分析報告如圖4所示，根據生成的教師實驗數據實時檢測分析報告，可以查看每位提交實驗數據且數據完整的學生的活動加分和操作成績得分情況；2種測定表頭內阻方法的誤差分析結果和內阻分布曲線，其中分布曲線可以拖動放大查看；還沒有提交實驗數據和提交實驗數據不完整的學生名單. 如果發(fā)現學生的實驗數據有明顯錯誤，則可以讓學生現場修改或補做實驗，然后重新提交實驗數據. 這樣的設計可以實時檢測學生實驗數據，避免學生在實驗完成后，因實驗數據有問題而不能及時補做，保證學生在規(guī)定的實驗時間內，順利完成所要求的實驗內容.

圖4 系統(tǒng)生成的教師檢測報告

學生處理報告是以學生學號為文件名的Excel文件和png圖片，其中Excel文件包括原始數據和每個實驗的誤差分析結果,見圖5(a)；png圖片為根據學生原始數據計算2種方法測定表頭內阻繪制的分布曲線，見圖5(b). 教師可通過點擊“查看實驗報告”查看每位學生的處理報告.

(a)學生處理報告Excel文件

3) 成績登記匯總和發(fā)送處理報告. 學生實驗結束后，點擊“查看成績登記”可以把每位學生的預習檢測成績、實驗操作成績自動匯總到實驗成績登記表中，教師無需手動登記學生的實驗操作成績. 點擊“發(fā)送學生Email”可以把每位學生的活動加分、操作成績和處理報告單獨推送到學生郵箱中，為學生進行數據處理提供依據.

2.3 系統(tǒng)的特點和創(chuàng)新之處

1)“實驗數據實時檢測分析系統(tǒng)”利用智慧教學工具雨課堂和Python語言下的Selenium、Pandas等工具構建了智能實驗系統(tǒng)，為教師的實驗課堂教學指導、操作成績評定和登記，以及后繼學生的數據處理帶來了方便，開創(chuàng)了校內實驗課堂教學方式的新模式.

2)學生通過雨課堂平臺在線提交測量數據，教師通過實驗數據實時檢測分析系統(tǒng)對實驗數據自動同步、計算分析和作圖，對提高教師指導效率,減少教師對實驗操作成績的誤判，保證學生實驗操作成績的公平、公證，提高學生實驗報告的整體質量等具有極大的促進作用，推進了學校實驗課堂教學的信息化、智能化水平.

3)與其他實現實驗數據實時檢測的方案[12-16]相比，該系統(tǒng)實驗設備不需做任何硬件升級，實驗室也無需配置服務器和數據庫支持，學生僅需要1部智能手機，教師只需1臺電腦即可，具有成本低的特點. 借助Python豐富的擴展庫，實現代碼高效、安全、簡潔.

4)該系統(tǒng)對于不同的實驗項目，只需更換數據處理模塊的程序，數據同步、成績登記及向學生發(fā)送處理報告模塊程序可通用，因此具有較強的移植性和擴展性.

3 實施與效果

實驗數據實時檢測分析系統(tǒng)已應用在大學物理實驗課程教學中，具體實施的教學設計參見圖6. 實驗教學中，教師通過雨課堂推送預習檢測題，要求學生限時作答. 接著教師通過雨課堂PPT同步授課，給出實驗任務，向學生推送實驗數據檢測試題. 要求學生限時完成，并告知學生實驗完成后須在雨課堂提交實驗數據. 正確完成實驗任務的前3名學生將獲得課堂活躍加分，系統(tǒng)根據學生提交數據的用時和正確性自動排序，再通過雨課堂PPT向學生公示結果. 教師登陸該系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的“刷新”命令，實時獲取學生提交的實驗數據，點擊“生成檢測報告”，對獲取的實驗數據進行處理并自動生成教師檢測報告，實時監(jiān)測學生的實驗完成進度和反饋意見，有問題的數據將實時通知到學生，并分析出現異常的原因，要求學生重做后再次提交. 所有學生的實驗數據檢測均正常后，點擊成績登記，可將每位學生的該次實驗預習檢測成績、課堂活躍加分和操作成績匯總到本學期的成績登記表中，點擊“發(fā)送學生Email”，可向每位學生發(fā)送原始數據及數據處理結果，供學生完成實驗后撰寫總結報告.

圖6 系統(tǒng)與雨課堂相結合的教學設計

通過教學實踐，發(fā)現實驗數據實時檢測分析是大學物理實驗課程中有效的教學方法，不僅給教師的課堂指導、成績評定和成績登記帶來很大方便，而且學生完成實驗的質量和速度有明顯的提高. 學生實驗環(huán)節(jié)設計50 min完成，但不少學生30 min左右即可完成，大部分學生利用剩余時間繼續(xù)完成該實驗的擴展和探究內容. 每組學生20人，首次實驗數據檢測通過率高達85%，需重做實驗的學生不足15%，極少學生可能重做2次才能通過系統(tǒng)數據檢測. 另據助教反饋情況：“實驗室開放時間，學生很少補做基礎實驗，大部分學生都在做擴展或探究實驗內容. ”

2020-2021學年第一學期免試報告和加分報告評選活動中， 10個實驗項目共評出35份免試報告和128份加分報告. 使用該系統(tǒng)與雨課堂相結合實施教學的設計實驗——電路測定微安表內阻實驗，共評出7份免試報告和16份加分報告，遠高于其他不使用該系統(tǒng)的實驗項目評選數量，其主要原因為：獲得免試報告和加分報告資格的條件是，除了基礎實驗高質量完成外，還須至少完成1～2個擴展或探究實驗項目. 同時，該系統(tǒng)也非常受學生的歡迎. 一些學生在實驗體會中寫到：“此次實驗的數據檢測分析系統(tǒng)，可以及時知道自己的實驗誤差大小，有問題時能夠及時改錯.”“使用雨課堂微信公眾號輸入實驗數據太方便了，直接打開微信即可輸入數據，無須重復輸入姓名、學號等信息，而且數據檢測系統(tǒng)還能檢測數據的合理性，提供數據處理結果，使得我們課后對數據處理的方法是否合理有判斷的依據.” “此次實驗老師使用數據檢測分析系統(tǒng)對我們實驗操作成績進行評定，使我們大開眼界，真希望所有的實驗都能使用該系統(tǒng).”

4 結束語

本系統(tǒng)結合雨課堂平臺的使用，能提高教師實驗課堂教學的指導效率，保證學生實驗操作成績的公平、公證，提高學生實驗報告的整體質量，試用2年，完全達到了預期的實驗教學效果，推進了實驗課堂教學的信息化、智能化水平[12]. 本系統(tǒng)對實驗設備和實驗室均無需硬件升級，實現成本低，代碼高效、安全、遷移性強. 本系統(tǒng)的開發(fā)為后續(xù)建立實驗報告自動批改和學生實驗數據庫打下基礎. 在大數據的背景下，實驗報告自動批改系統(tǒng)的實現，能大大提高實驗報告評分的精確性和一致性，減輕教師的工作量. 學生實驗結果的數據庫一方面可以為實驗教學改革和實驗理論研究提供數據依據；另一方面也能為實驗儀器的開發(fā)和完善提供參考.