基于微信小程序的大學物理實驗數據處理系統(tǒng)

徐磊　董文靜

摘? 要： 介紹了一種輕便的實驗數據處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用現代互聯網基礎設施，能夠將學生從繁雜的數據處理中解放出來，集中精力關注核心物理內容和過程。應用該系統(tǒng)可進行大數據統(tǒng)計，及時反饋教學數據，為教師改進實驗教學提供決策支持。系統(tǒng)充分利用現有互聯網基礎設施，具有交互好、投入少和容易部署等優(yōu)點，可為各類理工科實驗教學提供參考。

關鍵詞： 數據處理; 微信小程序; 大學物理實驗

中圖分類號：G420.0? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

大學物理實驗是高等學校理工科學生進行科學實驗訓練的重要必修課程[1]，旨在培養(yǎng)學生科學研究的基礎能力，實驗課對于加深物理原理的理解，培養(yǎng)動手操作物理儀器的能力具有重要意義。

實驗數據處理是大學物理實驗課程的重要環(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驗數據，繪制圖表。利用微信平臺進行在線教學的研究和實踐不斷涌現[3]，移動學習、無紙化報告等成為大學物理實驗教學改革的趨勢。然而這些系統(tǒng)在易用性和實時性方面均存在一定的缺陷，需要成熟的解決方案。

1 現階段存在的問題

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

所有單機系統(tǒng)均缺乏實時處理能力，即學生只能在實驗課后處理數據。如果操作失誤造成數據偏差過大，在處理數據之前難以發(fā)現。此外，部分專業(yè)軟件操作復雜，對于普通理工科學生，特別是低年級學生來說，無法真正有效提升處理數據的效率。相對而言，在線系統(tǒng)具有較好的實時交互性，可以及時反饋實驗數據的有效性和可靠性，因此更適合大學物理實驗課程的教學。

現有的兩種在線系統(tǒng)也存在較大缺陷。從操作終端的角度而言，手機優(yōu)于PC機，而且大多數實驗室不可能給每位學生配備電腦。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)團隊來開發(fā)并維護系統(tǒng)，還需要學生在手機上安裝和更新軟件。作為使用頻次并不高的APP，在實際使用過程中還可能遇到手機操作系統(tǒng)兼容性的問題。綜合分析現有系統(tǒng)的優(yōu)缺點，本文提出基于微信小程序構建實驗數據處理系統(tǒng)。

2 基于小程序的實驗數據處理系統(tǒng)

2011年發(fā)布的微信，已經成為全民普及的手機APP，在日常生活中被廣泛使用。微信小程序作為微信功能擴展的重要接口，非常適合用來開發(fā)輕量級的手機應用。相比于普通APP，小程序具有許多優(yōu)點。①免安裝，使用方便。使用微信掃碼關注即可，無需下載，也無需更新。②適合所有智能手機，無兼容性問題。小程序通過微信打開，與手機操作系統(tǒng)無關，無論是安卓手機還是蘋果手機都可獲得一致的用戶體驗。③功能強大，可擴展性強。微信小程序通過調用服務器端的應用程序編程接口（API），可以實現各種復雜的數據處理過程，并將結果實時推送到用戶手機界面上。④部署成本低，適合各類中小型實驗室。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

基于小程序的實驗數據處理系統(tǒng)采用經典的MVC架構，主要由小程序端（操作界面）、服務器API和數據庫三部分，整體結構如圖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）。這一部分與普通網頁開發(fā)大致相當，由于微信底層對操作界面做了許多優(yōu)化，因此在大多數寫好的Web網頁可以很輕松地移植到微信平臺上。

服務器一般可租用云服務器，如騰訊云或阿里云。如果實驗室條件允許，也可以自行搭建服務器。本系統(tǒng)對服務器無特殊要求，任何架構、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)數據量不大，因此數據庫方面采用常見的MySQL數據庫，也可以根據系統(tǒng)環(huán)境不同選用其他數據庫系統(tǒng)，如SQL Server等。

總體而言，系統(tǒng)對互聯網基礎設施要求不高，一臺普通服務器即可滿足需求。如果租用云服務器，還可以免除人工維護成本。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能模塊如圖2所示。系統(tǒng)的所有功能設計緊貼大學物理實驗教學的實際需求。實驗開始前，學生查閱實驗講義等資料進行預習。實驗過程中，學生可以實時提交實驗數據。如果數據填寫有誤，可以反復修改。實驗數據提交之后，系統(tǒng)將自動計算實驗結果，并進行誤差分析。學生可以查詢結果了解實驗數據的有效性，如果數據出現較大偏差，則需分析原因并重新測量數據。

教師方面，實驗課前可了解學生的預習情況，并根據學生的反饋意見修改完善實驗的講義材料。實驗過程中，根據學生數據計算的結果，幫助學生分析實驗操作和記錄數據的過程中可能出現的問題，指導學生順利完成實驗。實驗課后，對學生的實驗結果做大數據分析，了解實驗教學中的薄弱環(huán)節(jié)，以便日后調整教學內容與教學方案。

數據是系統(tǒng)的核心，以下簡要介紹系統(tǒng)的數據結構。系統(tǒng)所包含的主要數據實體是實驗講義和實驗數據。實驗講義是對實驗內容和操作步驟的描述，屬普通圖文信息。實驗數據主要是實驗過程中應記錄的原始數據，另外還包括經數據處理程序計算的結果。數據模型見圖3所示，其中帶“*”號的為JSON數據。

2.3 數據處理示例

下面以經典實驗“用牛頓環(huán)測定平凸透鏡的曲率半徑”為例，說明系統(tǒng)如何進行數據處理。牛頓環(huán)實驗要求學生測量第3至第22級干涉圓環(huán)的直徑，每個圓環(huán)直徑分別由左右兩個切點位置決定，因此該實驗一共要記錄40個位置數據，分別記作Ln和Rn（n=3～22）。一個完整的原始數據示例如下：

{

"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)左切點位置，Rn記錄圓環(huán)右切點位置，unit是數據單位.進入處理程序時，取第3個環(huán)和第13環(huán)的數據計算平凸透鏡的曲率半徑（以PHP為例）：

//第3個環(huán)的直徑

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

//第13個環(huán)的直徑

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

//鈉光波長，單位毫米

$lamda=589.3e-3;

//代入公式計算曲率，單位毫米

$r=（$d13*$d13-$d3*$d3）/（4*10*$lamda）;

循環(huán)遍歷原始數據，可以計算出十組曲率數據，存儲到計算結果數據示例如下：

{

"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是十組曲率數據，avg_r是十組值的平均值，stdev_r是十組值的標準偏差，u_err是相對不確定度。還可以根據實際需要設計其他字段。

由于各個實驗記錄的數據和計算公式不同，因此每個實驗需單獨設計原始數據結構和處理程序，同時有針對性設計計算結果的數據結構。

為方便計算，系統(tǒng)預先編寫好了常用的統(tǒng)計函數，如平均值的標準偏差函數（STDEVP）、幾何平均值函數（GEOMEAN）等。對于每一個間接測量的物理量，系統(tǒng)也預先編寫好了其合成不確定度的相關函數。

除基本的數據處理外，系統(tǒng)還可以進行學生的實驗數據進行大數據分析。統(tǒng)計每個實驗的失敗率和完成度等數據，可以反映學生對于物理實驗內容的掌握情況。對于難度較大、學生理解不透徹的實驗項目和內容，指導教師應在教學中重點講解?；蛘咄ㄟ^優(yōu)化實驗步驟和細節(jié)，針對本校學生的實際情況，開展個性化的物理實驗教學。通過收集信息，使用嚴格的和詳細的邏輯推理，大數據客觀地展示了學生的完整圖像。通過診斷性評價完成學生的學習過程評價[8]。

隨著實驗室信息化程度的不斷提升，大學物理實驗教學的各個環(huán)節(jié)都將產生大量的數據。這些數據將為全面綜合地分析和監(jiān)督實驗教學的質量和效果提供依據，有利于持續(xù)改進大學物理的本科教學。

3 結論

本文在充分研究各種大學物理實驗數據處理方法的基礎上，提出構建基于微信小程序的數據處理系統(tǒng)，具有簡單靈活、實時交互等特點，適用于各類理工科院?；蜷_設大學物理實驗的綜合院校，應用范圍和潛力巨大。本項目將在現有研究基礎上，在相關單位實驗室經行大規(guī)模推廣和實踐。

目前系統(tǒng)功能還比較簡單，未來可以考慮集成無紙化實驗報告、課程考核等功能，以滿足實際使用需要。

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物理實驗，2016，36（12）：26-30

收稿日期：2021-10-18

*基金項目：湖北大學教學改革與研究項目（202039）資助

作者簡介：徐磊（1985-），男，湖北孝感人，碩士，湖北大學物理學系實驗員，主要研究方向：大學物理實驗教學和信息化系統(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。