基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

代文江，王 強(qiáng)，李曉光，安文玉，梁忠華，遲健光

（黑龍江大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是筆者于2007開始構(gòu)思并逐步開發(fā)完善，用于教學(xué)實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置[1－2]。該裝置主要用于處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中起到代替計(jì)算器的作用，并能協(xié)助教師自動批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)處理部分，同時(shí)衍生出其他附帶的功能，具有可適用于不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)，不同于其他文獻(xiàn)中所述的利用計(jì)算機(jī)自動采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]，或只適用于某個(gè)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理模式[4]。在2011年春季學(xué)期開始，筆者又開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并于秋季學(xué)期使用其他院系機(jī)房淘汰的計(jì)算機(jī)做學(xué)生機(jī)，在“霍爾效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)中得以試用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。系統(tǒng)包括一臺教師機(jī)和若干臺學(xué)生機(jī)，通過集線器連接，組成局域網(wǎng)。在教師機(jī)和學(xué)生機(jī)中分別編入不同的應(yīng)用軟件。該軟件的主要功能就是實(shí)現(xiàn)教師機(jī)與學(xué)生機(jī)之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和評分結(jié)果的交換。與網(wǎng)絡(luò)共享、文件下載及電子郵件操作有所不同，這是直接在教師機(jī)與學(xué)生機(jī)之間已打開的Excel表格中的信息交換，因此能夠及時(shí)掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況。

1.1 教師機(jī)軟件界面及功能

教師機(jī)軟件具有操作Excel模版文件、文件及數(shù)據(jù)收發(fā)操作、系統(tǒng)及操作權(quán)限設(shè)置、打印、幫助幾項(xiàng)功能，軟件界面見圖2。通過圖2所示界面，可以對各實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行群體操作。

圖2 教師機(jī)軟件主界面

點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)臺控制欄中的圖標(biāo)，即出現(xiàn)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺的狀態(tài)信息和控制菜單，見圖3。在圖3所示的界面中，可以對單個(gè)實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行各種操作。

1.1.1 文件和數(shù)據(jù)傳輸

在教師機(jī)中存儲Excel格式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模版文件，實(shí)驗(yàn)操作的視頻文件，以及其他供學(xué)生參考、使用的文件。系統(tǒng)可傳輸?shù)奈募ㄓ糜谔钊雽?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的Excel模版文件，實(shí)驗(yàn)操作的視頻文件，以及其他文件，系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就是Excel模版文件中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些文件和數(shù)據(jù)可以從教師機(jī)發(fā)往學(xué)生機(jī)，也可以從學(xué)生機(jī)發(fā)往教師機(jī)。另外也可以把存放在教師機(jī)Excel表格中的學(xué)生數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)送給學(xué)生機(jī)，便于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。

圖3 對單個(gè)實(shí)驗(yàn)臺的操作界面

1.1.2 文件和數(shù)據(jù)封存

在教師機(jī)和學(xué)生機(jī)中均可設(shè)置學(xué)生上交文件和數(shù)據(jù)的封存狀態(tài)，這相當(dāng)于學(xué)生已提交了實(shí)驗(yàn)報(bào)告。封存后，學(xué)生不能再提交含有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的文件或直接提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只有在教師機(jī)上解除封存狀態(tài)，方能再提交。

1.1.3 權(quán)限和狀態(tài)設(shè)置

為防止學(xué)生隨意從教師機(jī)中讀取文件和數(shù)據(jù)，或隨意向教師機(jī)中發(fā)送文件和數(shù)據(jù)，在教師機(jī)安排了權(quán)限設(shè)置功能。只有在教師機(jī)中放開了相關(guān)權(quán)限，才能進(jìn)行文件和數(shù)據(jù)的讀取操作。

1.1.4 Excel文檔操作

用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱命名Excel模版文件，例如霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的Excel模版文件名為“霍爾效應(yīng).xls”。通過教師機(jī)軟件可以打開Excel模版文件，把從學(xué)生機(jī)中讀來的數(shù)據(jù)、字符串填入相應(yīng)的表格中，或把教師機(jī)表格中的信息讀出并傳給學(xué)生機(jī)。

教師機(jī)軟件中的打印功能用于打印學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)表格及處理結(jié)果部分。

1.1.5 Excel文檔格式

Excel文檔共設(shè)24個(gè)工作表，即sheet1～sheet24，代表學(xué)生實(shí)驗(yàn)臺1～24。每個(gè)工作表分為4個(gè)部分：學(xué)生數(shù)據(jù)區(qū)、學(xué)生數(shù)據(jù)處理結(jié)果區(qū)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)區(qū)、自動批閱結(jié)果區(qū)。這4個(gè)部分的格式基本一致。學(xué)生數(shù)據(jù)區(qū)用于存儲從學(xué)生機(jī)讀來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用藍(lán)色字體。學(xué)生數(shù)據(jù)處理結(jié)果區(qū)中存放按學(xué)生的原始數(shù)據(jù)處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用于檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程是否正確，使用黑色字體。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)區(qū)中存放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，在一定的誤差范圍內(nèi)，判定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果是否正確，使用黑色字體。在自動批閱結(jié)果區(qū)中，采用在學(xué)生數(shù)據(jù)后面綴“√”或“×”符號的方法，來表明正確和錯(cuò)誤[5]，并給出實(shí)驗(yàn)成績，該部分使用紅色字體，見表1。學(xué)生數(shù)據(jù)區(qū)的藍(lán)色字符串和自動批閱結(jié)果區(qū)的紅色字符串可以被學(xué)生機(jī)讀回。

表1 教師機(jī)中自動批閱結(jié)果表格

得分：

表2 霍爾電壓的誤差數(shù)據(jù)表

表中霍爾電壓V1～V4的合理誤差限定在±2% 以內(nèi)，歐姆電壓Vσ的合理誤差限定在±6%以內(nèi)，其他中間數(shù)據(jù)及結(jié)果按的誤差根據(jù)計(jì)算公式按誤差傳遞算法給出。

1.2 學(xué)生機(jī)軟件

1.2.1 學(xué)生機(jī)軟件界面及功能

學(xué)生機(jī)軟件主要用于完成文件和數(shù)據(jù)傳輸功能。與教師機(jī)一樣，為了能把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳及把接收到的信息填入到Excel表格中，需要使用學(xué)生機(jī)軟件操作Excel文件，包括Excel文件的打開、關(guān)閉、保存，以及單元格讀寫等操作。圖4是學(xué)生機(jī)軟件主界面。

圖4 學(xué)生機(jī)軟件主界面

在學(xué)生機(jī)軟件的主菜單“工具”欄目中安排了向教師機(jī)上傳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、文件，從教師機(jī)中讀回實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)結(jié)果和文件的功能按鈕，以及封存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文件的功能按鈕，一旦封存后，即相當(dāng)于已交了實(shí)驗(yàn)報(bào)告，就不能再向教師機(jī)上傳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、文件了。這時(shí)學(xué)生可以從教師機(jī)中讀取實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果。

1.2.2 學(xué)生機(jī)Excel文檔格式

學(xué)生機(jī)Excel文檔有2個(gè)工作表，sheet1用于存放學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，與教師機(jī)中Excel文檔的學(xué)生數(shù)據(jù)區(qū)一致。Sheet2用于存放從教師機(jī)中讀來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，與教師機(jī)中Excel文檔的自動批閱結(jié)果區(qū)一致，該讀取操作只能在提交并封存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，才能進(jìn)行。表3是用于存放學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的表格，在表格中用藍(lán)色漢字提示了什么地方該填入什么數(shù)據(jù)或字符。表1及表3中V1～V4、d、B0、I、b的數(shù)值是直接測量的，其他數(shù)值通過Excel軟件計(jì)算得出。

表2 學(xué)生機(jī)中用于存放學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的表格

A1＝數(shù)據(jù) B1＝數(shù)據(jù) r1＝數(shù)據(jù)

d＝數(shù)據(jù) 單位 B0＝數(shù)據(jù) 單位

RH1＝數(shù)據(jù) 單位 B＝數(shù)據(jù) 單位

（2）取IS＝0.20mA，測VAC（即Vσ）即Vσ＝數(shù)據(jù) 單位 其中：

l＝數(shù)據(jù) 單位 b＝數(shù)據(jù) 單位σ＝數(shù)據(jù) 單位

（3）引入修正因子，計(jì)算載流子濃度

n＝數(shù)據(jù) 單位

計(jì)算遷移率μ＝數(shù)據(jù) 單位

2 使用情況

本系統(tǒng)主要靠Excel軟件來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)及其單位是否正確也通過Excel軟件來判斷，因此要求學(xué)生較為熟練地掌握Excel軟件。系統(tǒng)的教師機(jī)和學(xué)生機(jī)軟件都與Excel文檔有關(guān)聯(lián)，要求在實(shí)驗(yàn)過程中，要使用教師機(jī)和學(xué)生機(jī)軟件來打開和關(guān)閉Excel文檔，否則會出現(xiàn)文件操作錯(cuò)誤。所以在使用過程中出現(xiàn)的主要問題集中在教師機(jī)和學(xué)生機(jī)軟件以及Excel軟件的使用方法上，當(dāng)多數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用此系統(tǒng)時(shí)，通過組織學(xué)生進(jìn)行1個(gè)課時(shí)的培訓(xùn)，即可以解決這個(gè)問題。

圖5 現(xiàn)場應(yīng)用照片

3 總結(jié)與展望

隨著技術(shù)的發(fā)展，在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中使用計(jì)算機(jī)作為學(xué)生終端，即學(xué)生機(jī)，代替計(jì)算器處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是大勢所趨。在物理實(shí)驗(yàn)課上使用Excel軟件，即強(qiáng)化了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)訓(xùn)練，又有利于提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的能力[6]。如果在實(shí)驗(yàn)室推廣使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，加強(qiáng)Excel軟件的使用培訓(xùn)，會有利于增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

除上述功能外，還可以在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中加入使用虛擬儀器預(yù)習(xí)功能；預(yù)習(xí)情況檢查功能：進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，在自己的座位上首先在線回答思考題，機(jī)器自動評分，及格后方可做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后思考題回答也采用這種模式；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲功能：對于當(dāng)時(shí)不能完成數(shù)據(jù)處理的實(shí)驗(yàn)，可以先把數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)中，學(xué)生回去后，可在任何網(wǎng)絡(luò)終端上完成數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)可以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只能被讀取，而不可被修改，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，這些功能都是不難實(shí)現(xiàn)的[7－9]。

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