一種在線通用物理實驗報告系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

白洪亮， 周漢杰， 惠 煌， 李雪春， 秦 穎， 吳興偉

(1.大連理工大學(xué) 基礎(chǔ)物理國家級實驗教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116024; 2.大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116600)

0 引 言

物理實驗是科學(xué)實驗的先驅(qū)。大學(xué)(基礎(chǔ))物理實驗(以下統(tǒng)稱大學(xué)物理實驗)是理工科學(xué)生進入大學(xué)后接受系統(tǒng)科學(xué)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端，具有其他課程無法替代的作用和地位[1]。實驗報告是反映學(xué)生實踐課程學(xué)習(xí)情況的最重要媒介之一，在大學(xué)物理實驗課程中穿插始終[2]。在網(wǎng)絡(luò)時代，很多實踐類課程已經(jīng)逐漸淘汰紙質(zhì)實驗報告，轉(zhuǎn)而采用無紙化報告[3-7]。與紙質(zhì)報告相比，無紙化報告有很多先天的優(yōu)勢，如傳遞效率高、重復(fù)勞動可由計算機代替、易于存儲、便于對報告內(nèi)容進行分析和挖掘等[8-11]。然而，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)高校中，大學(xué)物理實驗課程的實驗報告仍然以紙質(zhì)介質(zhì)為主，采用無紙化報告的情況僅限于個例[12]。這種情況的存在，有資金、技術(shù)方面的原因，也與授課教師和決策者的思維慣性和對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展了解程度不足有關(guān)。在使用無紙化報告的高校中，最常見的方式是針對具體的實驗項目進行量身定制[13]。這樣做的弊端是非常明顯的。由于實驗教學(xué)的項目和內(nèi)容每年都要進行更新和變動，在使用期內(nèi)系統(tǒng)始終處于動態(tài)修改狀態(tài)。這就要求開發(fā)者必須保持穩(wěn)定，而且有充足的經(jīng)費支持。對于大多數(shù)高校而言，這種路線幾乎是不可行的。采用此類方式開發(fā)的無紙化報告系統(tǒng)的生命力因而也會大打折扣。為了消除這些弊端，放棄了量身定制這一傳統(tǒng)做法，將通用性、易用性作為出發(fā)點，自行開發(fā)了一套具有通用特征的在線物理實驗報告撰寫和批閱系統(tǒng)(以下簡稱實驗報告系統(tǒng))，嘗試以一種新的設(shè)計思想改變無紙化報告在大學(xué)物理實驗這一課程中的困局。

1 無紙化系統(tǒng)設(shè)計思路及工作流程

實驗報告系統(tǒng)服務(wù)的對象是教師和學(xué)生，能否被他們接受和喜歡取決于這套系統(tǒng)能否解決好紙質(zhì)報告中大家遇到的共性問題，能否給他們帶來良好的體驗。而且，系統(tǒng)也要與現(xiàn)有的教學(xué)模式做好銜接，為未來的教學(xué)變革留出空間，這樣才能被決策者接納和采用，因為變革也需要一個循序漸進的過程，不能破壞正常的教學(xué)秩序。

1.1 保留紙質(zhì)報告的基本格式

在實踐類課程中要求學(xué)生撰寫實驗報告的目的主要是為了借此提高學(xué)生的科技寫作能力和數(shù)據(jù)記錄、分析能力。傳統(tǒng)的紙質(zhì)實驗報告通常包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗器材、實驗過程、實驗數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理、總結(jié)分析等不同欄目，基本包含了科學(xué)論文的主要元素[14]。可以說，一份成功的實驗報告就是一篇科學(xué)論文的雛形。因而，在設(shè)計實驗報告系統(tǒng)時，將這種已經(jīng)被廣泛認可和采用的形式保留了下來。

1.2 靈活、強大的欄目設(shè)計

雖然保留了紙質(zhì)報告的基本格式，但是在無紙化系統(tǒng)中，這些欄目的設(shè)立情況可以根據(jù)需要在后臺進行分類調(diào)整，并不是靜態(tài)的。而且，不同欄目的輸入功能和界面是完全一樣的，采用了同一套代碼。在這些欄目里，科技寫作中經(jīng)常涉及的文字、圖片、表格和公式等不同類型的對象都可以非常便利地被插入進來。這種做法適應(yīng)了不同類型、不同教學(xué)目標的實驗內(nèi)容的需要，并且可以有效地減少對網(wǎng)絡(luò)資源的浪費，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

1.3 分角色賦權(quán)

系統(tǒng)設(shè)定了學(xué)生、教師和系統(tǒng)管理員3個角色。學(xué)生和授課教師是主要被服務(wù)對象，而管理員是整個系統(tǒng)的管家。管理員承擔著課程信息和人員信息管理、學(xué)生和教師賬戶權(quán)限設(shè)定等職責。教師和學(xué)生角色都是圍繞實驗報告開展操作，不同的是學(xué)生對報告享有編輯權(quán)，而教師具有批閱權(quán)。在后續(xù)開發(fā)中，擬增設(shè)題長角色，負責具體實驗項目批閱工作的管理和監(jiān)督。

1.4 工作流程

圖1顯示的是實驗報告系統(tǒng)的工作流程。首先由管理員在系統(tǒng)中批量導(dǎo)入課程安排，所有實驗項目的開課時間、節(jié)次、實驗地點、授課教師等課程基本信息都需要提前設(shè)定好供學(xué)生在撰寫報告前選擇入位；學(xué)生完成課上實驗后需要進入系統(tǒng)撰寫和提交實驗報告，寫好的報告需要通過系統(tǒng)直接推送給授課教師；授課教師可以對已提交的報告進行預(yù)審和批閱。預(yù)審是對提交的報告的基本情況進行審查，如果報告不完整或提交錯了，可以由教師退回給學(xué)生。學(xué)生收到退回的報告可以進行一些修改、完善和再次提交，也可以修改課程信息后轉(zhuǎn)投其他老師。批閱是教師對學(xué)生的報告進行點評和打分的環(huán)節(jié)，待教師確認批閱結(jié)束后系統(tǒng)會自動將批閱結(jié)果推送給學(xué)生，同時將成績匯總供教師查閱和導(dǎo)出。

圖1 實驗報告系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)主要特色

2.1 操作簡單

對于教師和學(xué)生而言，友好的操作界面是提高使用體驗的重要因素。如圖2所示，實驗報告系統(tǒng)的工作界面采用了與微軟Office軟件和網(wǎng)絡(luò)論壇類似的功能菜單，學(xué)生和教師只需要掌握了Word和Excel的基本使用技巧就可以完成實驗報告的撰寫和批閱。這樣做的目的主要是考慮了大多數(shù)師生的使用習(xí)慣。學(xué)生在各個欄目中可以鍵入文字，插入圖片和表格，修改文字字體、字號、顏色，添加段落編號等。此外，為系統(tǒng)專門開發(fā)了公式編輯器，學(xué)生可以像使用Office公式編輯器和Mathtype插件一樣直接在頁面進行公式的輸入和編輯。這些功能是理工科學(xué)生使用Office軟件時最常用的一些功能，采用類似的設(shè)計不僅使得實驗報告系統(tǒng)更加易用，對于對Office軟件不熟悉的學(xué)生而言，也可以利用這套系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)的使用技巧。圖2(b)展示了一份學(xué)生利用本系統(tǒng)所撰寫的實驗報告的一部分內(nèi)容的截圖。在這份報告中，公式、表格、圖片等不同類型的對象都被展現(xiàn)了出來，說明物理實驗報告中常見的內(nèi)容都可以利用這個系統(tǒng)提供的功能進行實現(xiàn)。

(a)

2.2 在線表格輔助教師批閱報告

對于大學(xué)物理實驗課程教學(xué)而言，一個非常重要但是長期未能很好解決的問題是抄襲和偽造數(shù)據(jù)的現(xiàn)象屢禁不止[15]。實際教學(xué)中，由于批改量非常大，很少有教師親手去一一核驗學(xué)生實驗報告的計算結(jié)果正確與否。參考Excel和在線文檔的功能和模式，將在線電子表格引入到實驗報告系統(tǒng)中。在電子表格中，參考Excel編寫了大量的內(nèi)置函數(shù)，這樣使用者除了可以自由添加或者刪除行列，還可以直接在在線表格里引用表格內(nèi)的數(shù)據(jù)進行函數(shù)計算。這是一種非常便捷的方法，學(xué)生和教師無需借助于計算器和其他軟件就可以完成數(shù)據(jù)的計算和核驗。

為了徹底杜絕偽造數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，系統(tǒng)中專門安排了“原始數(shù)據(jù)”欄目。學(xué)生在撰寫實驗報告前需要先將帶有授課教師簽字的原始數(shù)據(jù)記錄照片上傳到該欄目中并同時將原始數(shù)據(jù)以電子表格的形式插入到其中。上傳簽字的原始數(shù)據(jù)照片是為了防止學(xué)生美化數(shù)據(jù)或另起爐灶重新編湊一套數(shù)據(jù)蒙混過關(guān)，原始數(shù)據(jù)電子化則有利于教師直接調(diào)用和計算。教師批閱時可以利用這些數(shù)據(jù)和內(nèi)置函數(shù)進行在線計算，核算效率和準確度都有了很大的提高。

2.3 浮動批閱標簽

批改紙質(zhì)報告時，傳統(tǒng)的做法是教師直接在出現(xiàn)問題或者值得肯定的地方用筆進行標注和打分。這種做法的好處是學(xué)生看到批注就可以知道問題所在。這種做法的弊端也非常明顯。例如，其中包含著大量的重復(fù)性勞動，教師統(tǒng)計分數(shù)麻煩且極易出現(xiàn)錯誤等。吸收了手工批注的優(yōu)點，將這一功能引進到了無紙化報告系統(tǒng)中。在這里，教師對報告進行批注和評分時不再借助于筆，而是采用了浮動標簽形式。浮動標簽的內(nèi)容包括提示文本和扣分分值，可以由教師輸入并在使用一次后被重復(fù)調(diào)用(如圖3(a)所示)。浮動標簽可以在欄目內(nèi)被任意拖到需要的位置，并且在教師確認批閱結(jié)束后固定下來。這樣學(xué)生在查看自己的報告時可以像紙質(zhì)報告一樣在出現(xiàn)問題的地方查看批閱信息和了解扣分情況(如圖3(b)所示)。浮動標簽的添加和移動同時支持鼠標和觸摸屏操作，系統(tǒng)界面會根據(jù)所使用的設(shè)備和系統(tǒng)進行一些必要的調(diào)整，在PC、筆記本電腦、平板電腦和智能手機上都可以進行批閱。這樣，教師可以將出差、課間等零散時間充分利用起來，不受空間和平臺的限制開展批閱工作。除此之外，教師的工作界面還設(shè)計了畫筆功能，打開該功能后教師可以利用鼠標或者手指直接在報告上任意圈點，使得系統(tǒng)的易用性進一步提高。在系統(tǒng)界面的邊欄部分，學(xué)生信息、批注內(nèi)容、扣分情況、最終得分以及整體得分分布情況都會實時集中顯示，有助于教師實時了解批閱情況。

(a) 批閱標簽的添加

(b) 批閱結(jié)果的顯示

2.4 雙報告分欄對比功能

除了抄襲和偽造數(shù)據(jù)，機械模仿是另一種普遍出現(xiàn)的不良行為。這種行為主要體現(xiàn)在照搬別人的過程和算法處理自己的數(shù)據(jù)和撰寫報告而不進行任何思考和修正。這種行為實際上也是一種抄襲，理應(yīng)堅決打擊。然而，在紙質(zhì)報告時代，教師面對這種行為往往是心里清楚但是取證困難，因為報告在批改完后都得返還給學(xué)生。借鑒一些網(wǎng)站的對比功能，實驗報告系統(tǒng)開發(fā)了單雙欄切換功能。在單欄模式下，教師每次只能查看和批閱一份報告；在雙欄模式下，可以一次調(diào)閱、批改兩份不同的報告，而且每份報告還可以通過翻頁系統(tǒng)切換到其他的報告。這個功能可以幫助教師對不同實驗報告的內(nèi)容進行對比，十分有利于查找報告中存在的各種問題。圖4給出了分欄對比模式下的教師批閱界面的截圖。來自兩名不同學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)表格完整的被顯示在欄目中。實踐證明分欄對比模式使得批改效率較單欄模式提高了至少1/3以上。

圖4 教師工作界面的分欄對比批閱功能展示

3 結(jié) 語

在大學(xué)物理實驗這一基礎(chǔ)實踐類課程中，無紙化報告的發(fā)展遇到了各種困難。基于紙質(zhì)實驗報告的基本范式并參考商業(yè)辦公軟件和網(wǎng)站系統(tǒng)的形式和功能，嘗試開發(fā)了一套具有通用特征的在線物理實驗報告系統(tǒng)。該系統(tǒng)將在線電子表格、分欄對比、浮動標簽等在商業(yè)網(wǎng)站上深受歡迎的功能吸收進來，較好地解決了類似系統(tǒng)適用性差、易用性低的問題。由于沒有相似體系的系統(tǒng)供參考，商業(yè)系統(tǒng)的代碼也不對外公開，由授課教師和學(xué)生組成的開發(fā)者的經(jīng)驗和技術(shù)水平也有限，導(dǎo)致系統(tǒng)還有諸多不完善的地方。但是，作為一項有益的嘗試，系統(tǒng)的設(shè)計目標已經(jīng)初步得到了實現(xiàn)并在實際教學(xué)中予以體現(xiàn)，這為未來進一步開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)，也為同類系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種新的設(shè)計思路。