徐磊　董文靜

摘? 要： 介紹了一種輕便的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)W(xué)生從繁雜的數(shù)據(jù)處理中解放出來，集中精力關(guān)注核心物理內(nèi)容和過程。應(yīng)用該系統(tǒng)可進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，及時(shí)反饋教學(xué)數(shù)據(jù)，為教師改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供決策支持。系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，具有交互好、投入少和容易部署等優(yōu)點(diǎn)，可為各類理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)處理; 微信小程序; 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G420.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）05-66-04

A data processing system of physics experiments based on Wechat applet

Xu Lei， Dong Wenjing

（

Abstract： In this papers， a light-weight system for processing experiment data is introduced， which is based on the WeChat applet. Making full use of modern Internet infrastructure， it can free students from complicated data processing， carry out big data statistics， feedback teaching data timely， and provide decision-making support for teachers to improve experimental teaching. The system makes full use of the existing Internet infrastructure， and has the advantages of good interaction， low investment and easy deployment. It can provide reference for various science and engineering experimental teaching.

Key words： data processing; Wechat applet; college physics experiment

引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校理工科學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的重要必修課程[1]，旨在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的基礎(chǔ)能力，實(shí)驗(yàn)課對于加深物理原理的理解，培養(yǎng)動(dòng)手操作物理儀器的能力具有重要意義。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的重要環(huán)節(jié)，常用方法有列表法、逐差法、圖解法、線性回歸法、最小二乘法等[2]。近年許多高校嘗試采用軟件輔助的手段處理并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制圖表。利用微信平臺進(jìn)行在線教學(xué)的研究和實(shí)踐不斷涌現(xiàn)[3]，移動(dòng)學(xué)習(xí)、無紙化報(bào)告等成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的趨勢。然而這些系統(tǒng)在易用性和實(shí)時(shí)性方面均存在一定的缺陷，需要成熟的解決方案。

1 現(xiàn)階段存在的問題

計(jì)算機(jī)輔助的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，大致可以分為單機(jī)系統(tǒng)和在線系統(tǒng)兩種，主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)是否在云端（服務(wù)器端）儲存。單機(jī)系統(tǒng)主要是使用各種數(shù)據(jù)處理軟件，如Origin、Matlab和Excel等[4]，其中Excel最為常見，尤其是其附帶的“宏”功能，可以極大提升數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度[5]。此外還有更加專業(yè)的統(tǒng)計(jì)軟件SPSS，可以與列表法、作圖法、逐差法和最小二乘法等基本數(shù)據(jù)處理方法相結(jié)合[6]，簡化數(shù)據(jù)處理過程。在線系統(tǒng)主要分為手機(jī)APP和Web兩種形式，文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[2]分別描述了使用手機(jī)和PC訪問的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)?，F(xiàn)有各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)見表1。

所有單機(jī)系統(tǒng)均缺乏實(shí)時(shí)處理能力，即學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)課后處理數(shù)據(jù)。如果操作失誤造成數(shù)據(jù)偏差過大，在處理數(shù)據(jù)之前難以發(fā)現(xiàn)。此外，部分專業(yè)軟件操作復(fù)雜，對于普通理工科學(xué)生，特別是低年級學(xué)生來說，無法真正有效提升處理數(shù)據(jù)的效率。相對而言，在線系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)交互性，可以及時(shí)反饋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，因此更適合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)。

現(xiàn)有的兩種在線系統(tǒng)也存在較大缺陷。從操作終端的角度而言，手機(jī)優(yōu)于PC機(jī)，而且大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室不可能給每位學(xué)生配備電腦。但是以APP的方式搭建系統(tǒng)顯然成本過高，不僅需要專業(yè)團(tuán)隊(duì)來開發(fā)并維護(hù)系統(tǒng)，還需要學(xué)生在手機(jī)上安裝和更新軟件。作為使用頻次并不高的APP，在實(shí)際使用過程中還可能遇到手機(jī)操作系統(tǒng)兼容性的問題。綜合分析現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出基于微信小程序構(gòu)建實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2 基于小程序的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

2011年發(fā)布的微信，已經(jīng)成為全民普及的手機(jī)APP，在日常生活中被廣泛使用。微信小程序作為微信功能擴(kuò)展的重要接口，非常適合用來開發(fā)輕量級的手機(jī)應(yīng)用。相比于普通APP，小程序具有許多優(yōu)點(diǎn)。①免安裝，使用方便。使用微信掃碼關(guān)注即可，無需下載，也無需更新。②適合所有智能手機(jī)，無兼容性問題。小程序通過微信打開，與手機(jī)操作系統(tǒng)無關(guān)，無論是安卓手機(jī)還是蘋果手機(jī)都可獲得一致的用戶體驗(yàn)。③功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng)。微信小程序通過調(diào)用服務(wù)器端的應(yīng)用程序編程接口（API），可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過程，并將結(jié)果實(shí)時(shí)推送到用戶手機(jī)界面上。④部署成本低，適合各類中小型實(shí)驗(yàn)室。微信官方集成的開發(fā)工具和開發(fā)平臺，使得系統(tǒng)部署成本大大降低，開發(fā)和迭代周期也大大縮短。一般理工科院校都可以部署使用。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于小程序的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用經(jīng)典的MVC架構(gòu)，主要由小程序端（操作界面）、服務(wù)器API和數(shù)據(jù)庫三部分，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對于用戶來說，所有的操作都在小程序里完成，所有的結(jié)果也都在小程序里展示。小程序主要使用JavaScript來開發(fā)，輔之以HTML和CSS（在微信里分別叫WXML和WXSS）。這一部分與普通網(wǎng)頁開發(fā)大致相當(dāng)，由于微信底層對操作界面做了許多優(yōu)化，因此在大多數(shù)寫好的Web網(wǎng)頁可以很輕松地移植到微信平臺上。

服務(wù)器一般可租用云服務(wù)器，如騰訊云或阿里云。如果實(shí)驗(yàn)室條件允許，也可以自行搭建服務(wù)器。本系統(tǒng)對服務(wù)器無特殊要求，任何架構(gòu)、任何操作系統(tǒng)、任何編程語言均可，只需遵循RESTful API規(guī)范即可。本文代碼實(shí)例選用作者熟悉的PHP語言，但并不要求僅限此種語言。

由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)量不大，因此數(shù)據(jù)庫方面采用常見的MySQL數(shù)據(jù)庫，也可以根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境不同選用其他數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如SQL Server等。

總體而言，系統(tǒng)對互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施要求不高，一臺普通服務(wù)器即可滿足需求。如果租用云服務(wù)器，還可以免除人工維護(hù)成本。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能模塊如圖2所示。系統(tǒng)的所有功能設(shè)計(jì)緊貼大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際需求。實(shí)驗(yàn)開始前，學(xué)生查閱實(shí)驗(yàn)講義等資料進(jìn)行預(yù)習(xí)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以實(shí)時(shí)提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)填寫有誤，可以反復(fù)修改。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提交之后，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行誤差分析。學(xué)生可以查詢結(jié)果了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏差，則需分析原因并重新測量數(shù)據(jù)。

教師方面，實(shí)驗(yàn)課前可了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，并根據(jù)學(xué)生的反饋意見修改完善實(shí)驗(yàn)的講義材料。實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)學(xué)生數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果，幫助學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)操作和記錄數(shù)據(jù)的過程中可能出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課后，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做大數(shù)據(jù)分析，了解實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)，以便日后調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方案。

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的核心，以下簡要介紹系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)所包含的主要數(shù)據(jù)實(shí)體是實(shí)驗(yàn)講義和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)講義是對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作步驟的描述，屬普通圖文信息。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要是實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)記錄的原始數(shù)據(jù)，另外還包括經(jīng)數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算的結(jié)果。數(shù)據(jù)模型見圖3所示，其中帶“*”號的為JSON數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理示例

下面以經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“用牛頓環(huán)測定平凸透鏡的曲率半徑”為例，說明系統(tǒng)如何進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生測量第3至第22級干涉圓環(huán)的直徑，每個(gè)圓環(huán)直徑分別由左右兩個(gè)切點(diǎn)位置決定，因此該實(shí)驗(yàn)一共要記錄40個(gè)位置數(shù)據(jù)，分別記作Ln和Rn（n=3～22）。一個(gè)完整的原始數(shù)據(jù)示例如下：

{

"Ln"：[27.150，27.355，27.506，27.650，27.785，27.895，

28.017，28.144，28.220，28.320，28.440，28.532，28.662，27.710，28.778，28.862，28.952，29.020，29.110，29.180]，

"Rn"：[24.450，24.280，24.125，23.977，23.725，23.600，

23.491，23.491，23.389，23.283，23.180，23.075，22.995，22.910，22.824，22.742，22.659，22.580，22.502，22.430]，

"unit"："mm"

}

其中Ln記錄圓環(huán)左切點(diǎn)位置，Rn記錄圓環(huán)右切點(diǎn)位置，unit是數(shù)據(jù)單位.進(jìn)入處理程序時(shí)，取第3個(gè)環(huán)和第13環(huán)的數(shù)據(jù)計(jì)算平凸透鏡的曲率半徑（以PHP為例）：

//第3個(gè)環(huán)的直徑

$d3=$ln[2]-$rn[2];

//第13個(gè)環(huán)的直徑

$d13=$ln[12]-$rn[12];

//鈉光波長，單位毫米

$lamda=589.3e-3;

//代入公式計(jì)算曲率，單位毫米

$r=（$d13*$d13-$d3*$d3）/（4*10*$lamda）;

循環(huán)遍歷原始數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出十組曲率數(shù)據(jù)，存儲到計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)示例如下：

{

"r"：[864.48，862.18，877.47，854.79，845.35，851.24，

852.37，840.96，862.34，856.57]，

"avg_r"：856.78，

"stdev_r"：10.448，

"u_err"：0.0122，

"unit"："mm"

}

其中r是十組曲率數(shù)據(jù)，avg_r是十組值的平均值，stdev_r是十組值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，u_err是相對不確定度。還可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)其他字段。

由于各個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)和計(jì)算公式不同，因此每個(gè)實(shí)驗(yàn)需單獨(dú)設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和處理程序，同時(shí)有針對性設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

為方便計(jì)算，系統(tǒng)預(yù)先編寫好了常用的統(tǒng)計(jì)函數(shù)，如平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差函數(shù)（STDEVP）、幾何平均值函數(shù)（GEOMEAN）等。對于每一個(gè)間接測量的物理量，系統(tǒng)也預(yù)先編寫好了其合成不確定度的相關(guān)函數(shù)。

除基本的數(shù)據(jù)處理外，系統(tǒng)還可以進(jìn)行學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。統(tǒng)計(jì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗率和完成度等數(shù)據(jù)，可以反映學(xué)生對于物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握情況。對于難度較大、學(xué)生理解不透徹的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，指導(dǎo)教師應(yīng)在教學(xué)中重點(diǎn)講解?；蛘咄ㄟ^優(yōu)化實(shí)驗(yàn)步驟和細(xì)節(jié)，針對本校學(xué)生的實(shí)際情況，開展個(gè)性化的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過收集信息，使用嚴(yán)格的和詳細(xì)的邏輯推理，大數(shù)據(jù)客觀地展示了學(xué)生的完整圖像。通過診斷性評價(jià)完成學(xué)生的學(xué)習(xí)過程評價(jià)[8]。

隨著實(shí)驗(yàn)室信息化程度的不斷提升，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)都將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將為全面綜合地分析和監(jiān)督實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果提供依據(jù)，有利于持續(xù)改進(jìn)大學(xué)物理的本科教學(xué)。

3 結(jié)論

本文在充分研究各種大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上，提出構(gòu)建基于微信小程序的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有簡單靈活、實(shí)時(shí)交互等特點(diǎn)，適用于各類理工科院?；蜷_設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的綜合院校，應(yīng)用范圍和潛力巨大。本項(xiàng)目將在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，在相關(guān)單位實(shí)驗(yàn)室經(jīng)行大規(guī)模推廣和實(shí)踐。

目前系統(tǒng)功能還比較簡單，未來可以考慮集成無紙化實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課程考核等功能，以滿足實(shí)際使用需要。

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收稿日期：2021-10-18

*基金項(xiàng)目：湖北大學(xué)教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（202039）資助

作者簡介：徐磊（1985-），男，湖北孝感人，碩士，湖北大學(xué)物理學(xué)系實(shí)驗(yàn)員，主要研究方向：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和信息化系統(tǒng)研究。

通訊作者：董文靜（1986-），女，湖北咸寧人，博士，副教授，主要研究方向：新能源材料與器件。