基于计算机网络技术的实验数据处理系统

代文江，王 强，李晓光，安文玉，梁忠华，迟健光

（黑龙江大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

实验数据处理系统是笔者于2007开始构思并逐步开发完善，用于教学实践的实验教学装置[1－2]。该装置主要用于处理实验数据，在学生实验中起到代替计算器的作用，并能协助教师自动批阅实验报告中的数据处理部分，同时衍生出其他附带的功能，具有可适用于不同实验项目的特点，不同于其他文献中所述的利用计算机自动采集实验数据[3]，或只适用于某个具体实验项目的数据处理模式[4]。在2011年春季学期开始，笔者又开发了基于计算机网络技术的实验数据处理系统，并于秋季学期使用其他院系机房淘汰的计算机做学生机，在“霍尔效应”实验中得以试用。

1 系统结构

图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。

1.1 教师机软件界面及功能

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，软件界面见图2。通过图2所示界面，可以对各实验台进行群体操作。

图2 教师机软件主界面

点击实验台控制栏中的图标，即出现相应实验台的状态信息和控制菜单，见图3。在图3所示的界面中，可以对单个实验台进行各种操作。

1.1.1 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。

图3 对单个实验台的操作界面

1.1.2 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。

1.1.3 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。

1.1.4 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。

1.1.5 Excel文档格式

Excel文档共设24个工作表，即sheet1～sheet24，代表学生实验台1～24。每个工作表分为4个部分：学生数据区、学生数据处理结果区、标准数据区、自动批阅结果区。这4个部分的格式基本一致。学生数据区用于存储从学生机读来的实验数据，使用蓝色字体。学生数据处理结果区中存放按学生的原始数据处理的实验结果，用于检验学生的实验数据处理过程是否正确，使用黑色字体。标准数据区中存放标准实验数据，以此数据作为标准，在一定的误差范围内，判定学生的实验数据及处理结果是否正确，使用黑色字体。在自动批阅结果区中，采用在学生数据后面缀“√”或“×”符号的方法，来表明正确和错误[5]，并给出实验成绩，该部分使用红色字体，见表1。学生数据区的蓝色字符串和自动批阅结果区的红色字符串可以被学生机读回。

表1 教师机中自动批阅结果表格

得分：

表2 霍尔电压的误差数据表

表中霍尔电压V1～V4的合理误差限定在±2% 以内，欧姆电压Vσ的合理误差限定在±6%以内，其他中间数据及结果按的误差根据计算公式按误差传递算法给出。

1.2 学生机软件

1.2.1 学生机软件界面及功能

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入到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。图4是学生机软件主界面。

图4 学生机软件主界面

在学生机软件的主菜单“工具”栏目中安排了向教师机上传实验数据、文件，从教师机中读回实验数据、检验结果和文件的功能按钮，以及封存实验数据和文件的功能按钮，一旦封存后，即相当于已交了实验报告，就不能再向教师机上传实验数据、文件了。这时学生可以从教师机中读取实验检验结果。

1.2.2 学生机Excel文档格式

学生机Excel文档有2个工作表，sheet1用于存放学生的实验数据和结果，与教师机中Excel文档的学生数据区一致。Sheet2用于存放从教师机中读来的实验数据检验结果，与教师机中Excel文档的自动批阅结果区一致，该读取操作只能在提交并封存实验数据后，才能进行。表3是用于存放学生的实验数据和结果的表格，在表格中用蓝色汉字提示了什么地方该填入什么数据或字符。表1及表3中V1～V4、d、B0、I、b的数值是直接测量的，其他数值通过Excel软件计算得出。

表2 学生机中用于存放学生的实验数据和结果的表格

A1＝数据 B1＝数据 r1＝数据

d＝数据 单位 B0＝数据 单位

RH1＝数据 单位 B＝数据 单位

（2）取IS＝0.20mA，测VAC（即Vσ）即Vσ＝数据 单位 其中：

l＝数据 单位 b＝数据 单位σ＝数据 单位

（3）引入修正因子，计算载流子浓度

n＝数据 单位

计算迁移率μ＝数据 单位

2 使用情况

本系统主要靠Excel软件来处理实验数据，数据及其单位是否正确也通过Excel软件来判断，因此要求学生较为熟练地掌握Excel软件。系统的教师机和学生机软件都与Excel文档有关联，要求在实验过程中，要使用教师机和学生机软件来打开和关闭Excel文档，否则会出现文件操作错误。所以在使用过程中出现的主要问题集中在教师机和学生机软件以及Excel软件的使用方法上，当多数实验项目采用此系统时，通过组织学生进行1个课时的培训，即可以解决这个问题。

图5 现场应用照片

3 总结与展望

随着技术的发展，在基础物理实验中使用计算机作为学生终端，即学生机，代替计算器处理实验数据是大势所趋。在物理实验课上使用Excel软件，即强化了计算机基础训练，又有利于提高学生对实验数据处理的能力[6]。如果在实验室推广使用实验数据处理系统，加强Excel软件的使用培训，会有利于增强实验效果，提高实验教学质量。

除上述功能外，还可以在实验数据处理系统中加入使用虚拟仪器预习功能；预习情况检查功能：进入实验室后，在自己的座位上首先在线回答思考题，机器自动评分，及格后方可做实验，实验后思考题回答也采用这种模式；实验数据存储功能：对于当时不能完成数据处理的实验，可以先把数据存在系统中，学生回去后，可在任何网络终端上完成数据处理。系统可以保证实验数据只能被读取，而不可被修改，保证实验数据的真实性。在计算机网络技术的支持下，这些功能都是不难实现的[7－9]。

[1]代文江，迟健光.实现物理实验自动监管[J].实验室研究与探索，2008，27（10）：61－63.

[2]代文江，迟健光，安文玉.实验数据处理系统[J].实验科学与技术，2009，7（1）：78－80.

[3]穆翠玲.光电效应实验的计算机采集与数据处理[J].实验室研究与探索，2010，29（8）：226－339.

[4]徐扬子，赵桂芳，汤小兰.大学物理实验计算机数据处理软件开发与应用[J.大学物理实验，2000，13（3）：75－77.

[5]代文江，安文玉，迟健光.基于Excel的学生实验成绩评定和错误分析[J].大学物理实验，2008，22（2）：94－97.

[6]龙卧云，李晶.巧用Excel处理大学物理实验数据[J].大学物理实验，2012（3）：107－108.

[7]边振林，刘进，杨志刚.计算机网络技术在物理实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2002，19（2）：47－49.

[8]谷中明.物理化学实验数据的网络化处理[J].内蒙古石油化工，2010，4：70－71.

[9]彭建，皮伟，师春梅.物理实验数据处理中的一些问题的探讨[J].大学物理实验，2012（5）：78－80.

[10]田凯，王宁.计算机在大学物理实验数据处理中的应用初探[J].科技信息，2010，3：508，519.