本科實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研究

徐磊

摘? 要： 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的管理與共享往往是實(shí)驗(yàn)室信息化的薄弱環(huán)節(jié)。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中遇到的瓶頸問題，提出構(gòu)建實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)想。文章中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)方便快捷的特點(diǎn)，為提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和實(shí)驗(yàn)室管理水平提供了新的思路。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)室信息化; 本科實(shí)驗(yàn)教學(xué); 數(shù)據(jù)管理; 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G647? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2021）05-127-03

Research on experiment data management system for undergraduates

Xu Lei

（Faculty of Physics and Electronic Science， Hubei University， Wuhan， Hubei 430062， China）

Abstract： The management and sharing of laboratory data is often the weak link of laboratory informatization. Aiming at the bottleneck encountered in the traditional experiment data processing， this paper proposes an idea of building an experiment data management system. The experiment data management system in this paper gives full play to the convenient and fast characteristics of the mobile Internet， and provides new ideas for improving the efficiency of experiment teaching and laboratory management.

Key words： laboratory informatization; undergraduate experiment teaching; data management; teaching reform

0 引言

在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，數(shù)據(jù)處理是非常關(guān)鍵的。數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量將決定實(shí)驗(yàn)的成敗及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。然而長(zhǎng)期以來，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)常被作為教學(xué)的次要內(nèi)容而忽視。實(shí)驗(yàn)中獲取的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也僅停留在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告上，成為無人問津的“死數(shù)據(jù)”。

如今的實(shí)驗(yàn)設(shè)備越來越多地通過互聯(lián)網(wǎng)共享;實(shí)驗(yàn)室是開放式的，并采用實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室的管理除了空間與設(shè)備的管理，還應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的信息化管理，而目前對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理很薄弱。文獻(xiàn)[1]提出了一種管理光學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，本文在此基礎(chǔ)上推廣到任意學(xué)科的本科實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并引入微信小程序作為主要的操作入口。

當(dāng)今移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)浪潮席卷全球。以微信為代表的超級(jí)APP，極大的方便了普通用戶快速接入第三方應(yīng)用。在此背景下，基于微信小程序的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以成為盤活實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的利器，更好推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室信息化管理，真正實(shí)現(xiàn)開放式實(shí)驗(yàn)室的全方位開放。

1 存在的主要問題

在當(dāng)前的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)主要存在如下問題：

1.1 效率低下，數(shù)據(jù)處理不及時(shí)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，是使用數(shù)據(jù)處理與繪圖軟件，如Excel和Origin。通常來說，使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用Origin進(jìn)行繪圖[2]。大多數(shù)理工科本科實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)都是手動(dòng)記錄在草稿紙上，由于通常實(shí)驗(yàn)室未配備電腦和處理軟件，因此全面的數(shù)據(jù)處理通常都是在實(shí)驗(yàn)課事后進(jìn)行，其結(jié)果無法當(dāng)場(chǎng)反饋。而由于實(shí)驗(yàn)操作錯(cuò)誤導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)重大偏差，往往也很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要手動(dòng)輸入到Excel等軟件中，這個(gè)過程容易出現(xiàn)錯(cuò)漏且不易發(fā)現(xiàn)和校驗(yàn)。Excel中計(jì)算結(jié)果及誤差的函數(shù)需學(xué)生自行編寫，其結(jié)果是否可靠存在疑問。從錄入數(shù)據(jù)到計(jì)算，最后繪圖，整個(gè)過程往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

1.2 容易造假和抄襲

本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)面對(duì)的是大量理工科學(xué)生。許多實(shí)驗(yàn)的結(jié)果需要經(jīng)過較復(fù)雜的計(jì)算才能驗(yàn)證真?zhèn)危虼瞬糠謱W(xué)生可能在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)主觀臆造數(shù)據(jù)，以求得結(jié)果的完美?；蛘吒纱喑u他人數(shù)據(jù)，敷衍實(shí)驗(yàn)課程。由于學(xué)生人數(shù)多，教師不可能一一人工查驗(yàn)。事后即使被發(fā)現(xiàn)，由于缺乏后續(xù)學(xué)時(shí)，造假學(xué)生可能也無法重做實(shí)驗(yàn)。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率。

還有一種情況就是由于對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏了解，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中，可能出現(xiàn)漏測(cè)、重復(fù)、多測(cè)或超范圍測(cè)量數(shù)據(jù)等情況。這也降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

1.3 無法檢索，數(shù)據(jù)容易丟失

由于所有數(shù)據(jù)都是單機(jī)存儲(chǔ)，甚至是紙質(zhì)存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師調(diào)取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)只能靠人工手動(dòng)翻閱。大量數(shù)據(jù)無序存放，時(shí)間一長(zhǎng)容易丟失和損壞。特別是傳統(tǒng)的紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，占用了實(shí)驗(yàn)室原本就不寬裕的空間[3]，長(zhǎng)期積累以后基本都成為廢紙，其中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也會(huì)一并流失掉。

對(duì)于開放式實(shí)驗(yàn)室來說，沒有數(shù)據(jù)支撐的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也很難為培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才服務(wù)。對(duì)于參與課外科研或?qū)W科競(jìng)賽的學(xué)生來說，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也幾乎是無法使用的。

1.4 課程資源很難積累

師生合作共建課程資源[2]已成為高等教育改革的重要方向，這一點(diǎn)特別適用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。大量的學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其報(bào)告本該成為實(shí)驗(yàn)課程的重要資源，但由于信息化程度不夠，導(dǎo)致其可用性非常差。長(zhǎng)此以往，即便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)堆積如山，也無法形成有效的課程資源。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

鑒于目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)在數(shù)據(jù)處理方面面臨的種種困難，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室信息化發(fā)展趨勢(shì)，采用微信小程序這一新興平臺(tái)，提出建設(shè)一套實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)服務(wù)于高校師生，可以有效地解決上述問題。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

從實(shí)驗(yàn)室管理的角度第一個(gè)原則是解放思想，從數(shù)據(jù)處理思維轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)管理思維。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不是學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)課程的“副產(chǎn)品”，而是實(shí)驗(yàn)室的重要資源，對(duì)于完善課程設(shè)計(jì)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和檢驗(yàn)教學(xué)效果具有重大意義。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的中心化是實(shí)驗(yàn)室開放的必由之路，也是實(shí)驗(yàn)室信息化管理的核心。

第二個(gè)原則是操作簡(jiǎn)便、交互迅速。許多專業(yè)軟件功能強(qiáng)大，但操作復(fù)雜，學(xué)習(xí)成本高，往往很難在校園里推廣使用。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)即學(xué)即用，在不經(jīng)過專門培訓(xùn)的前提下便可使用。同時(shí)充分利用現(xiàn)有手機(jī)軟件平臺(tái)，不必單獨(dú)安裝APP，減少用戶使用成本。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)都是實(shí)時(shí)生成與分析的，用戶只需打開微信即可獲取。

第三個(gè)原則是規(guī)范靈活。系統(tǒng)初期設(shè)計(jì)只能滿足基本需求，通過采用規(guī)范的通用接口設(shè)計(jì)，保留了功能的可擴(kuò)展性。同時(shí)允許各高校和各實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行二次開發(fā)，滿足個(gè)性化需求。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)與功能

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。

其特點(diǎn)為①兼容性強(qiáng)。本系統(tǒng)采用通用的API接口設(shè)計(jì)，適用于任意學(xué)科的任意內(nèi)容的本科實(shí)驗(yàn)，可獨(dú)立搭建，也可以與其他信息系統(tǒng)配合使用。②成本低。系統(tǒng)采用開源的MySQL或SQLite數(shù)據(jù)庫，可滿足不同規(guī)模和層次的高校使用。對(duì)于大多數(shù)學(xué)校來說，一臺(tái)普通服務(wù)器即可搭建。③功能齊全。系統(tǒng)內(nèi)置預(yù)習(xí)參考數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)可視化等功能模塊，完整覆蓋實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)。對(duì)有條件的學(xué)校，還可以添加一鍵生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等功能。④操作方便。系統(tǒng)日常操作使用采用微信小程序界面，用微信掃描二維碼即可進(jìn)入。此外還有PC端的網(wǎng)頁界面，提供更加豐富的后臺(tái)操作和數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入導(dǎo)出功能。

系統(tǒng)主要是為日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。通常情況下，本科實(shí)驗(yàn)分為預(yù)習(xí)、操作和數(shù)據(jù)分析三個(gè)階段。預(yù)習(xí)階段，系統(tǒng)提供預(yù)習(xí)報(bào)告和參考數(shù)據(jù)，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，特別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理范圍。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，學(xué)生可登錄系統(tǒng)，直接在手機(jī)上記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不必事后錄入。提交數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將自動(dòng)分析結(jié)果并反饋給學(xué)生。這個(gè)過程是實(shí)時(shí)的，如果偏差過大，可提示學(xué)生重新操作測(cè)量;如果數(shù)據(jù)存在造假和抄襲，可記錄在案，并提示教師處理。由于系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的實(shí)時(shí)反饋，學(xué)生可以在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次反復(fù)測(cè)量，大大提高實(shí)驗(yàn)效率，并獲得高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析階段，學(xué)生可以復(fù)盤操作時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)，并將重點(diǎn)放在誤差分析上，特別是實(shí)驗(yàn)操作對(duì)測(cè)量精度的影響?？梢钥闯?，由于采用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率大大提高了，同時(shí)避免了造假和抄襲的可能。

對(duì)于開放式實(shí)驗(yàn)室，本系統(tǒng)也可以發(fā)揮重要作用。優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可作為學(xué)生預(yù)習(xí)階段的參考數(shù)據(jù)，也可以供學(xué)生課外科研和學(xué)科競(jìng)賽時(shí)參考。對(duì)于成熟經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生不必來實(shí)驗(yàn)室重復(fù)測(cè)量就可以獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)。這有利于節(jié)約實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)室利用效率。對(duì)于有條件的學(xué)校，還可以對(duì)校外師生開放權(quán)限，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的全社會(huì)共享。

系統(tǒng)建設(shè)成型后，經(jīng)過一定的時(shí)間積累，當(dāng)數(shù)據(jù)足夠豐富時(shí)，本系統(tǒng)還可以作為大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。針對(duì)不同的需求，分析的內(nèi)容也可以有不同的側(cè)重。以物理實(shí)驗(yàn)室為例，大數(shù)據(jù)可以分析不同品牌的邁克爾遜干涉儀測(cè)量精度及穩(wěn)定性，這個(gè)結(jié)果可以幫助實(shí)驗(yàn)室管理人員后續(xù)采購質(zhì)量較好的設(shè)備。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)與搭建

以下簡(jiǎn)述系統(tǒng)開發(fā)與搭建的具體過程。

第一步，設(shè)計(jì)并搭建數(shù)據(jù)庫。根據(jù)不同用戶和數(shù)據(jù)的規(guī)模，靈活選擇數(shù)據(jù)庫類型。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，建議用戶在1000人以下的使用SQLite數(shù)據(jù)庫，1000以上的采用MySQL數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備等信息以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)分析等。

第二步，編寫系統(tǒng)API。系統(tǒng)API是系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯核心，主要包括對(duì)數(shù)據(jù)庫實(shí)體對(duì)象的添加、修改、刪除和查找等操作。對(duì)編程語言沒有限制，主流的服務(wù)器編程語言都可以使用，如Java、PHP、ASP.NET、node.js等。注意API要采用RESTful風(fēng)格，以保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

第三步，設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面，包括微信小程序界面和PC網(wǎng)頁界面。小程序要符合手機(jī)用戶的操作習(xí)慣，主要面向?qū)W生用戶;網(wǎng)頁界面用于后臺(tái)數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理，主要面向教師用戶和管理員。

第四步，調(diào)試微信小程序。注冊(cè)小程序開發(fā)帳號(hào)，按照微信小程序要求調(diào)試服務(wù)器。小程序的編程平臺(tái)推薦使用騰訊公司官方提供的開發(fā)者工具[4]，該工具具備完整的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試功能。

第五步，開發(fā)網(wǎng)頁界面。編寫PC端的網(wǎng)頁管理界面，主要使用HTML和CSS。開發(fā)工具推薦使用谷歌瀏覽器和Visual Studio Code。

第六步，測(cè)試上線。通過在手機(jī)端和PC端進(jìn)行功能測(cè)試，保證系統(tǒng)各項(xiàng)功能都可以正常使用。小范圍內(nèi)開始進(jìn)行壓力測(cè)試，確保多人在線時(shí)系統(tǒng)的流暢性。最后正式上線，對(duì)外發(fā)布系統(tǒng)訪問地址和二維碼。

需要注意的是，信息系統(tǒng)開發(fā)過程往往需要進(jìn)行迭代升級(jí)。發(fā)現(xiàn)前代錯(cuò)誤和缺陷后，在后代版本中升級(jí)和補(bǔ)強(qiáng)，不斷升級(jí)之后，系統(tǒng)才能變得穩(wěn)定實(shí)用。

2.4 后續(xù)發(fā)展

盡管文本所研究的管理系統(tǒng)可以很好解決實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理問題，但由于面臨越來越多的新情況，本系統(tǒng)在以下方面仍需繼續(xù)改進(jìn)。

當(dāng)前基于傳感器的本科實(shí)驗(yàn)越來越多，各種設(shè)備產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)天然就是數(shù)字化的。鑒于此，本系統(tǒng)未來可根據(jù)這些設(shè)備接口編寫更多適配器，直接從設(shè)備獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。

對(duì)于大型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)而言，當(dāng)今方興未艾的人工智能技術(shù)可以幫助系統(tǒng)更好的識(shí)別造假數(shù)據(jù)[5]。這也是本項(xiàng)目未來研究的一種重點(diǎn)。

此外，文獻(xiàn)[6]提供了一種使用區(qū)塊鏈技術(shù)管理數(shù)據(jù)的方案。部分涉密實(shí)驗(yàn)室可以參考使用。對(duì)于數(shù)據(jù)安全要求較高的單位，本系統(tǒng)還需要進(jìn)一步開發(fā)。

3 結(jié)束語

本文通過分析當(dāng)前本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中的種種問題，總結(jié)出建設(shè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的基本思路和方法?；谖⑿判〕绦虻膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以有效地降低實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理成本，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理效率，為構(gòu)建現(xiàn)代化開放型實(shí)驗(yàn)室打下良好基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室利用效率，充分發(fā)揮移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的支撐作用。本系統(tǒng)可為各類本科實(shí)驗(yàn)室的信息化提供參考。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 黨婷婷，高文峰.一種光學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2019.11.

[2] 易慶平，王勁松，朱德艷，胡永峰.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理課程改革與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2019.3.

[3] 徐強(qiáng)，楊玲珍.基于云存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告無紙化管理[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2019.22（4）.

[4] 趙家偉，白花蒲，張恒瑞，蘇智恩.基于微信小程序的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020.16（11）.

[5] 孫路明，張少敏，姬濤，李翠平，陳紅.人工智能賦能的數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究[J].軟件學(xué)報(bào)，2020.31（3）：600-619

[6] 周藝華，李洪明.基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)管理方案[J].信息安全研究，2020.1.