基于Python的物理實驗數(shù)據(jù)實時檢測分析系統(tǒng)

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(chǎn)生重大沖擊. 21世紀初，隨著計算機軟硬件技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，教育逐漸呈現(xiàn)出信息化趨勢. 教育部印發(fā)的《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》(教高[2019]8號)明確提出：“教學方法體現(xiàn)先進性與互動性，大力推進現(xiàn)代信息技術(shù)與教學深度融合[1]”. 運用適當?shù)臄?shù)字化教學工具，引導(dǎo)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(xiàn)，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(shù)據(jù)的正確性或合理性. 雨課堂測試功能無法實時檢測實驗數(shù)據(jù)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(guān)鍵之處.

為解決這一問題，本文開發(fā)了基于Python的實驗數(shù)據(jù)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(wù)器提交實驗測量數(shù)據(jù)；教師通過雨課堂的電腦端(Web版)實時接收學生實測數(shù)據(jù)，檢測分析學生實驗數(shù)據(jù)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(dǎo)，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(shù)據(jù)處理結(jié)果推送給學生，提高了學生實驗報告的質(zhì)量、教師指導(dǎo)效率及課堂教學質(zhì)量.

1 實驗數(shù)據(jù)實時檢測分析系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

Python是面向?qū)ο蟮慕忉屝驼Z言，具有豐富的擴展庫，能夠輕量級地完成各種復(fù)雜任務(wù)，成為最受歡迎的編程語言[10]. Selenium是Web應(yīng)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(xiàn)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(shù)據(jù)分析和探索工具，提供了高效操作大型數(shù)據(jù)集所需的工具. Pandas包含序列和數(shù)據(jù)幀2種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中數(shù)據(jù)幀類似于Excel中的工作表，以二維表的形式存放數(shù)值、字符等. Pandas提供了計數(shù)、篩選、排序、分組、數(shù)據(jù)合并與重塑、數(shù)據(jù)透視、方差分析等常用的統(tǒng)計分析功能. NumPy提供了N維數(shù)組數(shù)據(jù)類型，支持多維數(shù)組與矩陣運算，此外針對數(shù)組運算也提供大量的數(shù)學函數(shù)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(yīng)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(xiàn)從瀏覽器自動下載數(shù)據(jù)，又可以對數(shù)據(jù)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(xiàn)流程

流程網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1 所示.

圖1 實現(xiàn)流程的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收采用校內(nèi)實驗室的無線WiFi，也可使用手機的移動數(shù)據(jù)，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(shè)成本，而且具有可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信保障. 實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)實時檢測分析的流程是：教師通過雨課堂公眾號向?qū)W生推送實驗數(shù)據(jù)發(fā)送端界面；學生在完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)測量后，通過雨課堂公眾號打開實驗數(shù)據(jù)發(fā)送端界面，提交實驗數(shù)據(jù). 雨課堂手機端和電腦端通過服務(wù)器共享數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù). 接收到學生所提交的實驗數(shù)據(jù)后，利用Python的Pandas和Matplotlib等模塊對學生的實驗數(shù)據(jù)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(xiàn)學生出現(xiàn)的問題，對學生實驗操作情況進行實時反饋. 實驗結(jié)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(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過電子郵件的方式自動推送給學生，為學生處理數(shù)據(jù)提供依據(jù). 另外該系統(tǒng)支持一次性下載所有課程的學生實驗數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，期末時可將所有學生原始數(shù)據(jù)、處理后的數(shù)據(jù)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(shè)計

設(shè)計性實驗是提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力的重要實驗項目. “設(shè)計實驗電路測定微安表內(nèi)阻”是經(jīng)典的設(shè)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(jù)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(shè)計，對實驗過程和結(jié)果進行分析. 該實驗涉及多種儀器和儀表的使用和讀數(shù)以及等精度測量方法的操作等關(guān)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(shè)計實驗電路測定微安表內(nèi)阻”為例描述實驗數(shù)據(jù)實時檢查分析系統(tǒng)的具體使用方法.

2.1 學生實驗數(shù)據(jù)發(fā)送端界面設(shè)計

學生實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄表格及學生郵箱.

圖2 學生發(fā)送端的界面設(shè)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(nèi)阻實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，輸入完畢后點擊“提交”按鈕，即可完成實驗數(shù)據(jù)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(jù)學生實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的情況多推送2～3份，以便當學生實驗數(shù)據(jù)存在異?；虺鲥e時能多次提交實驗數(shù)據(jù)，后臺數(shù)據(jù)處理時以操作成績最高的為其最終實驗數(shù)據(jù).

2.2 教師實驗數(shù)據(jù)接收界面設(shè)計

教師實驗數(shù)據(jù)接收端的界面設(shè)計如圖3 所示，主要包括學生實驗數(shù)據(jù)同步、自動生成教師實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的同步. 當學生在數(shù)據(jù)發(fā)送端提交實驗數(shù)據(jù)以后，教師雨課堂公眾號可查看提交數(shù)據(jù)的學生名單. 教師可以在教師實驗數(shù)據(jù)接收界面點擊下載，學生的實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù).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(shù)據(jù).

圖3 實驗數(shù)據(jù)接收端軟件界面設(shè)計圖

2)生成教師實驗數(shù)據(jù)實時檢測分析報告和學生處理報告. 實驗數(shù)據(jù)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(jié)果和內(nèi)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(jù)學生提交的原始數(shù)據(jù)，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(jié)果和內(nèi)阻分布曲線是根據(jù)學生提交的原始數(shù)據(jù)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(jù)下載的所有課程的實驗數(shù)據(jù)，自動生成教師實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù). 教師實驗數(shù)據(jù)實時檢測分析報告如圖4所示，根據(jù)生成的教師實驗數(shù)據(jù)實時檢測分析報告，可以查看每位提交實驗數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)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(nèi)阻方法的誤差分析結(jié)果和內(nèi)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(shù)據(jù)和提交實驗數(shù)據(jù)不完整的學生名單. 如果發(fā)現(xiàn)學生的實驗數(shù)據(jù)有明顯錯誤，則可以讓學生現(xiàn)場修改或補做實驗，然后重新提交實驗數(shù)據(jù). 這樣的設(shè)計可以實時檢測學生實驗數(shù)據(jù)，避免學生在實驗完成后，因?qū)嶒灁?shù)據(jù)有問題而不能及時補做，保證學生在規(guī)定的實驗時間內(nèi)，順利完成所要求的實驗內(nèi)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(shù)據(jù)和每個實驗的誤差分析結(jié)果,見圖5(a)；png圖片為根據(jù)學生原始數(shù)據(jù)計算2種方法測定表頭內(nèi)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(jié)束后，點擊“查看成績登記”可以把每位學生的預(yù)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(shù)據(jù)處理提供依據(jù).

2.3 系統(tǒng)的特點和創(chuàng)新之處

1)“實驗數(shù)據(jù)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(gòu)建了智能實驗系統(tǒng)，為教師的實驗課堂教學指導(dǎo)、操作成績評定和登記，以及后繼學生的數(shù)據(jù)處理帶來了方便，開創(chuàng)了校內(nèi)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(shù)據(jù)，教師通過實驗數(shù)據(jù)實時檢測分析系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)自動同步、計算分析和作圖，對提高教師指導(dǎo)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(zhì)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(xiàn)實驗數(shù)據(jù)實時檢測的方案[12-16]相比，該系統(tǒng)實驗設(shè)備不需做任何硬件升級，實驗室也無需配置服務(wù)器和數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)處理模塊的程序，數(shù)據(jù)同步、成績登記及向?qū)W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(shù)據(jù)實時檢測分析系統(tǒng)已應(yīng)用在大學物理實驗課程教學中，具體實施的教學設(shè)計參見圖6. 實驗教學中，教師通過雨課堂推送預(yù)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(wù)，向?qū)W生推送實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù). 正確完成實驗任務(wù)的前3名學生將獲得課堂活躍加分，系統(tǒng)根據(jù)學生提交數(shù)據(jù)的用時和正確性自動排序，再通過雨課堂PPT向?qū)W生公示結(jié)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(shù)據(jù)，點擊“生成檢測報告”，對獲取的實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)將實時通知到學生，并分析出現(xiàn)異常的原因，要求學生重做后再次提交. 所有學生的實驗數(shù)據(jù)檢測均正常后，點擊成績登記，可將每位學生的該次實驗預(yù)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(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果，供學生完成實驗后撰寫總結(jié)報告.

圖6 系統(tǒng)與雨課堂相結(jié)合的教學設(shè)計

通過教學實踐，發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)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(dǎo)、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(zhì)量和速度有明顯的提高. 學生實驗環(huán)節(jié)設(shè)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(nèi)容. 每組學生20人，首次實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)檢測. 另據(jù)助教反饋情況：“實驗室開放時間，學生很少補做基礎(chǔ)實驗，大部分學生都在做擴展或探究實驗內(nèi)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(jié)合實施教學的設(shè)計實驗——電路測定微安表內(nèi)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(shù)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(chǔ)實驗高質(zhì)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)太方便了，直接打開微信即可輸入數(shù)據(jù)，無須重復(fù)輸入姓名、學號等信息，而且數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)還能檢測數(shù)據(jù)的合理性，提供數(shù)據(jù)處理結(jié)果，使得我們課后對數(shù)據(jù)處理的方法是否合理有判斷的依據(jù).” “此次實驗老師使用數(shù)據(jù)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(jié)束語

本系統(tǒng)結(jié)合雨課堂平臺的使用，能提高教師實驗課堂教學的指導(dǎo)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(zhì)量，試用2年，完全達到了預(yù)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(shè)備和實驗室均無需硬件升級，實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫打下基礎(chǔ). 在大數(shù)據(jù)的背景下，實驗報告自動批改系統(tǒng)的實現(xiàn)，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(jié)果的數(shù)據(jù)庫一方面可以為實驗教學改革和實驗理論研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)；另一方面也能為實驗儀器的開發(fā)和完善提供參考.