[科普中国]-实验数据处理系统

背景

物理学是一门实验科学。按照教学大纲的要求，物理实验课的目的和任务包括以下几个方面：

（1）通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理知识，加深对物理学原理的理解。

（2）培养学生从事科学实验的初步能力。这些能力包括能自行阅读资料、仪器说明书或实验教材，做好实验前的准备能借助说明书或教材，正确使用常用仪器能正确记录原始数据和处理实验数据学会设计表格和绘制曲线说明实验结果能够用物理学理论对实验现象和结论进行分析学会撰写合格的实验报告能够自行设计并完成简单的设计性实验。

（3）培养和提高学生的科学素养，理论联系实际和实事求是的科学作风，严肃认真的科学素质，主动学习和刻苦钻研的学习精神，遵守纪律、团结协作的团队精神，爱护公物的优良品德。

可以看出，在物理实验课中，学生要根据实验的要求，对相关物理量进行测量，并对实验数据进行处理和评价是整个实验过程中一个重要的环节。物理实验要测量大量的原始数据，数学公式复杂，不确定度传递公式的推导和计算以及实验图线的绘制也很繁杂。比如“静态拉伸法测量金属丝的杨氏模量”、“用菲涅耳双棱镜测波长”等实验，用人工作数据处理是相当烦琐和复杂的，且易于发生错误。发生错误之后，又很难判断是计算中的错误还是测量中的错误。为避免繁杂的手工计算和作图，增加数据处理的准确性，提高学习效率，利用计算机强大的数据处理和绘图功能，建立物理实验数据处理系统是十分必要的1。

国内高校物理实验数据处理情况为了解决物理实验数据手工处理繁琐这一问题，国内很多高校的物理实验教师，利用一些软件编制实验数据处理系统。包括以下情况：

（1）手工处理物理实验数据。这种实验数据处理方法，效率极低，且无法保证数据的正确性。

（2）采用Word软件进行物理实验数据的处理。这种实验数据处理方法的优点是：关于实验数据的拟合直线、拟合直线的斜率、回归方程、截距等可以快速得到。这种处理方法的缺点是：需要先在Word中画出表格，在表格中输入需要处理的数据，然后才能计算出待测物理量值，不能完整地处理实验数据。

（3）采用Excel进行物理实验数据的处理。这种实验数据处理方法的优点是：可以计算出平均值、标准方差、实验数据的拟合直线和回归方程和相关系数R的值；缺点是：数据处理界面不够友好，缺乏人机交互性。

（4）采用Matlab软件进行物理实验数据的处理。这种实验数据处理方法的优点是：关于实验数据的拟合直线、回归方程、拟合直线的斜率、截距等需要通过编程才能够得出。缺点是：若有新的实验数据出现，学生需修改Matlab的编程语句才能得到新的实验结果，对于毫无编程经验的学生来说，使用起来不太方便，适用对象受到一定限制。

（5）采用Java、VB等语言开发的物理实验数据处理系统进行物理实验数据的处理。这种实验数据处理方法的优点是：人机交互界面友好，操作方便，以文本框输入数据输出结果。缺点是：对异常数据的判断、不确定度公式传递的推导、图线的绘制等，存在不足的地方。

（6）利用Mathematica软件编制大学物理实验数据处理系统。这种实验数据处理方法的优点是：能够计算算术平均值及不确定度、对异常数据进行判断，操作方便。缺点是：这些数据处理系统在有效数字取舍上采用的仍然是传统四舍五入方式，没有遵守“四舍六入五成双”的数值修约规则，也无法实现自动评价，不方便教师及时查询实验结果1。

意义（1）物理实验数据处理系统能提高学生对物理实验课兴趣。

在物理实验教学中，根据实验大纲的要求，学生要能正确记录原始数据和处理实验数据，学会撰写合格的实验报告。由于实验数据计算量大，计算公式繁杂，用手工计算不仅要浪费学生大量时间，计算结果的正确性也难以保证。任务难度过大将导致学生产生习得性无助感，使学生失去学习的兴趣和热情，达不到实验教学课的目的。相反，如果应用物理实验数据处理系统对学生的实验数据进行直接快速的处理，使学生在短时间内得到实验数据处理结果，不仅能让学生及时判断纠正实验操作过程中出现的问题，也能够增强学生实验的成就感，从而提高学生对物理实验课的兴趣。

（2）物理实验数据处理系统有利于物理实验教师与学生的信息交流，提高实验教学的效率。

高等学校物理实验教学环节中学生实验报告是学生做完实验，离开实验室后再完成的，这种做法存在着许多弊端。主要表现在实验数据得不到及时处理，无法即时发现实验数据是否正确教师批改实验报告的工作量随着学生数的增加而加大。实验报告不能及时得到批改，也就无法及时将信息反馈给学生。教师和学生之间的沟通存在较大的时间差，不利于强化成功的反应或及时补救错误的反应。如果能利用物理实验数据处理系统来快速准确地处理实验数据，不仅能够激发学生实验的兴趣和热情，还可以让学生通过系统的自动评价功能，及时得知自己的实验成绩同时，实验教师可以通过系统的查询功能，及时查询学生实验数据的处理结果，发现存在的问题从而及时将信息反馈给学生师生共同找到问题的原因和解决方法，从而提高实验教学的效率1。

系统结构系统采用局域网络结构，图1为系统结构拓扑图。系统包括一台教师机和若干台学生机，通过集线器连接，组成局域网。在教师机和学生机中分别编入不同的应用软件。该软件的主要功能就是实现教师机与学生机之间的实验数据和评分结果的交换。与网络共享、文件下载及电子邮件操作有所不同，这是直接在教师机与学生机之间已打开的Excel表格中的信息交换，因此能够及时掌握学生的实验情况2。

教师机软件教师机软件具有操作Excel模版文件、文件及数据收发操作、系统及操作权限设置、打印、帮助几项功能。

文件和数据传输在教师机中存储Excel格式的实验数据模版文件，实验操作的视频文件，以及其他供学生参考、使用的文件。系统可传输的文件包括用于填入实验数据的Excel模版文件，实验操作的视频文件，以及其他文件，系统传输的数据就是Excel模版文件中的实验数据，这些文件和数据可以从教师机发往学生机，也可以从学生机发往教师机。另外也可以把存放在教师机Excel表格中的学生数据检验结果发送给学生机，便于学生对实验结果进行总结。

文件和数据封存在教师机和学生机中均可设置学生上交文件和数据的封存状态，这相当于学生已提交了实验报告。封存后，学生不能再提交含有实验数据的文件或直接提交实验数据，只有在教师机上解除封存状态，方能再提交。

权限和状态设置为防止学生随意从教师机中读取文件和数据，或随意向教师机中发送文件和数据，在教师机安排了权限设置功能。只有在教师机中放开了相关权限，才能进行文件和数据的读取操作。

Excel文档操作用实验项目名称命名Excel模版文件，例如霍尔效应实验的Excel模版文件名为“霍尔效应．xls'’。通过教师机软件可以打开Excel模版文件，把从学生机中读来的数据、字符串填入相应的表格中，或把教师机表格中的信息读出并传给学生机。教师机软件中的打印功能用于打印学生的实验结果，形成实验报告的数据表格及处理结果部分2。

学生机软件学生机软件主要用于完成文件和数据传输功能。与教师机一样，为了能把实验数据上传及把接收到的信息填人到Excel表格中，需要使用学生机软件操作Excel文件，包括Excel文件的打开、关闭、保存，以及单元格读写等操作2。