基本介紹
- 中文名：實驗數據處理系統
- 外文名：experimental data processing system
- 領域：教學、計算機
- 套用：大學物理實驗或其他類似實驗教學
- 作用：排除主觀因素影響、指出實驗錯誤
- 結構組成：一台教師機和若干台學生機
背景,國內高校物理實驗數據處理情況,意義,系統結構,教師機軟體,檔案和數據傳輸,檔案和數據封存,許可權和狀態設定,Excel文檔操作,學生機軟體,
背景
物理學是一門實驗科學。按照教學大綱的要求，物理實驗課的目的和任務包括以下幾個方面：
（1）通過對實驗現象的觀察、分析和對物理量的測量，學習物理知識，加深對物理學原理的理解。
（2）培養學生從事科學實驗的初步能力。這些能力包括能自行閱讀資料、儀器說明書或實驗教材，做好實驗前的準備能藉助說明書或教材，正確使用常用儀器能正確記錄原始數據和處理實驗數據學會設計表格和繪製曲線說明實驗結果能夠用物理學理論對實驗現象和結論進行分析學會撰寫合格的實驗報告能夠自行設計並完成簡單的設計性實驗。
（3）培養和提高學生的科學素養，理論聯繫實際和實事求是的科學作風，嚴肅認真的科學素質，主動學習和刻苦鑽研的學習精神，遵守紀律、團結協作的團隊精神，愛護公物的優良品德。
可以看出，在物理實驗課中，學生要根據實驗的要求，對相關物理量進行測量，並對實驗數據進行處理和評價是整個實驗過程中一個重要的環節。物理實驗要測量大量的原始數據，數學公式複雜，不確定度傳遞公式的推導和計算以及實驗圖線的繪製也很繁雜。比如“靜態拉伸法測量金屬絲的楊氏模量”、“用菲涅耳雙稜鏡測波長”等實驗，用人工作數據處理是相當煩瑣和複雜的，且易於發生錯誤。發生錯誤之後，又很難判斷是計算中的錯誤還是測量中的錯誤。為避免繁雜的手工計算和作圖，增加數據處理的準確性，提高學習效率，利用計算機強大的數據處理和繪圖功能，建立物理實驗數據處理系統是十分必要的。
國內高校物理實驗數據處理情況
為了解決物理實驗數據手工處理繁瑣這一問題，國內很多高校的物理實驗教師，利用一些軟體編制實驗數據處理系統。包括以下情況：
（1）手工處理物理實驗數據。這種實驗數據處理方法，效率極低，且無法保證數據的正確性。
（2）採用Word軟體進行物理實驗數據的處理。這種實驗數據處理方法的優點是：關於實驗數據的擬合直線、擬合直線的斜率、回歸方程、截距等可以快速得到。這種處理方法的缺點是：需要先在Word中畫出表格，在表格中輸入需要處理的數據，然後才能計算出待測物理量值，不能完整地處理實驗數據。
（3）採用Excel進行物理實驗數據的處理。這種實驗數據處理方法的優點是：可以計算出平均值、標準方差、實驗數據的擬合直線和回歸方程和相關係數R的值；缺點是：數據處理界面不夠友好，缺乏人機互動性。
（4）採用Matlab軟體進行物理實驗數據的處理。這種實驗數據處理方法的優點是：關於實驗數據的擬合直線、回歸方程、擬合直線的斜率、截距等需要通過編程才能夠得出。缺點是：若有新的實驗數據出現，學生需修改Matlab的編程語句才能得到新的實驗結果，對於毫無編程經驗的學生來說，使用起來不太方便，適用對象受到一定限制。
（5）採用Java、VB等語言開發的物理實驗數據處理系統進行物理實驗數據的處理。這種實驗數據處理方法的優點是：人機互動界面友好，操作方便，以文本框輸入數據輸出結果。缺點是：對異常數據的判斷、不確定度公式傳遞的推導、圖線的繪製等，存在不足的地方。
（6）利用Mathematica軟體編制大學物理實驗數據處理系統。這種實驗數據處理方法的優點是：能夠計算算術平均值及不確定度、對異常數據進行判斷，操作方便。缺點是：這些數據處理系統在有效數字取捨上採用的仍然是傳統四捨五入方式，沒有遵守“四捨六入五成雙”的數值修約規則，也無法實現自動評價，不方便教師及時查詢實驗結果。
意義
（1）物理實驗數據處理系統能提高學生對物理實驗課興趣。
在物理實驗教學中，根據實驗大綱的要求，學生要能正確記錄原始數據和處理實驗數據，學會撰寫合格的實驗報告。由於實驗數據計算量大，計算公式繁雜，用手工計算不僅要浪費學生大量時間，計算結果的正確性也難以保證。任務難度過大將導致學生產生習得性無助感，使學生失去學習的興趣和熱情，達不到實驗教學課的目的。相反，如果套用物理實驗數據處理系統對學生的實驗數據進行直接快速的處理，使學生在短時間內得到實驗數據處理結果，不僅能讓學生及時判斷糾正實驗操作過程中出現的問題，也能夠增強學生實驗的成就感，從而提高學生對物理實驗課的興趣。
（2）物理實驗數據處理系統有利於物理實驗教師與學生的信息交流，提高實驗教學的效率。
高等學校物理實驗教學環節中學生實驗報告是學生做完實驗，離開實驗室後再完成的，這種做法存在著許多弊端。主要表現在實驗數據得不到及時處理，無法即時發現實驗數據是否正確教師批改實驗報告的工作量隨著學生數的增加而加大。實驗報告不能及時得到批改，也就無法及時將信息反饋給學生。教師和學生之間的溝通存在較大的時間差，不利於強化成功的反應或及時補救錯誤的反應。如果能利用物理實驗數據處理系統來快速準確地處理實驗數據，不僅能夠激發學生實驗的興趣和熱情，還可以讓學生通過系統的自動評價功能，及時得知自己的實驗成績同時，實驗教師可以通過系統的查詢功能，及時查詢學生實驗數據的處理結果，發現存在的問題從而及時將信息反饋給學生師生共同找到問題的原因和解決方法，從而提高實驗教學的效率。
系統結構
系統採用區域網路結構，圖1為系統結構拓撲圖。系統包括一台教師機和若干台學生機，通過集線器連線，組成區域網路。在教師機和學生機中分別編入不同的套用軟體。該軟體的主要功能就是實現教師機與學生機之間的實驗數據和評分結果的交換。與網路共享、檔案下載及電子郵件操作有所不同，這是直接在教師機與學生機之間已打開的Excel表格中的信息交換，因此能夠及時掌握學生的實驗情況。
圖1 系統結構
圖1 系統結構教師機軟體
教師機軟體具有操作Excel模版檔案、檔案及數據收發操作、系統及操作許可權設定、列印、幫助幾項功能。
檔案和數據傳輸
在教師機中存儲Excel格式的實驗數據模版檔案，實驗操作的視頻檔案，以及其他供學生參考、使用的檔案。系統可傳輸的檔案包括用於填入實驗數據的Excel模版檔案，實驗操作的視頻檔案，以及其他檔案，系統傳輸的數據就是Excel模版檔案中的實驗數據，這些檔案和數據可以從教師機發往學生機，也可以從學生機發往教師機。另外也可以把存放在教師機Excel表格中的學生數據檢驗結果傳送給學生機，便於學生對實驗結果進行總結。
檔案和數據封存
在教師機和學生機中均可設定學生上交檔案和數據的封存狀態，這相當於學生已提交了實驗報告。封存後，學生不能再提交含有實驗數據的檔案或直接提交實驗數據，只有在教師機上解除封存狀態，方能再提交。
許可權和狀態設定
為防止學生隨意從教師機中讀取檔案和數據，或隨意向教師機中傳送檔案和數據，在教師機安排了許可權設定功能。只有在教師機中放開了相關許可權，才能進行檔案和數據的讀取操作。
Excel文檔操作
用實驗項目名稱命名Excel模版檔案，例如霍爾效應實驗的Excel模版檔案名稱為“霍爾效應．xls'’。通過教師機軟體可以打開Excel模版檔案，把從學生機中讀來的數據、字元串填入相應的表格中，或把教師機表格中的信息讀出並傳給學生機。教師機軟體中的列印功能用於列印學生的實驗結果，形成實驗報告的數據表格及處理結果部分。
學生機軟體
學生機軟體主要用於完成檔案和數據傳輸功能。與教師機一樣，為了能把實驗數據上傳及把接收到的信息填人到Excel表格中，需要使用學生機軟體操作Excel檔案，包括Excel檔案的打開、關閉、保存，以及單元格讀寫等操作。
