视频与数据联动系统在物理实验评价中的应用──以RLC串联电路实验为例

刘朝辉，吴先球

(华南师范大学 a.物理与电信工程学院;b.物理学科基础课实验教学示范中心，广东 广州 510006)

大学物理实验课程是理工类大学生进入大学必修的一门课程，该课程所讲授的基本概念、基本理论和基本方法是构成学生科学素养的重要组成部分，对培养大学生的物理领域知识和科学精神具有启蒙和塑造作用. 目前对学生实验的考核与评价通常是根据实验报告、期末的笔试测验和教师对学生的实验操作观察. 这种评价难以全面客观地评价学生实验过程，导致学生只关注实验的理论和结论，忽视实验过程. 物理实验过程全局评价是促进学生实验学习的理想评价方式，但是实验过程繁杂，进行实验的学生众多，难以对实验过程进行全面客观地记录与评价，随着技术进步，本文设计大学物理实验过程的视频与数据同步记录系统，通过对数据记录的分析和可视化显示，实现对整个实验过程的全局呈现，并根据实验数据变化实现实验细节的数据波形和实验视频的联动检索，为大学物理实验评价提供全面、客观的评价依据，提高实验评价的效率和科学性.

1 视频与数据同步采集系统设计与实现

1.1 系统设计

视频与数据联动采集系统应用于大学物理实验评价，视频和实验数据记录为实验评价提供评价依据，必须全面、精确、完整. 系统通过实验数据分析对实验操作进行过程性评价，通过数据变化点和实验关键点检索实验细节的视频和数据波形，提高评价效率.

系统硬件不仅要满足实验评价对视频清晰度和数据精确完整度的要求，也要考虑成本、实施便捷，同时尽量不干扰学生做实验. 系统设计结构见图1，主要包括3部分：网络数据采集器、网络摄像头、数据与视频记录分析计算机. 系统前端包含数据采集和视频采集2个模块，实验数据的采集通过网络数据采集卡完成，大学物理实验主要包含力学、热学、光学、电学实验[2]，实验所涉及的物理量通过相关的力、热、光、电传感器转换为可采集的电压信号后传输到网络数据采集卡进行数据采集和数据传输[3]. 实验视频采集通过网络摄像头完成. 考虑到成本和本系统在教学中的具体实施，采集到的实验视频和实验数据都采用同一IEEE 802.3 兼容的以太网传输，计算机接收到实验视频和实验数据后进行数据记录与分析.

图1 视频与数据联动采集系统结构

1.2 系统实现

1.2.1 网络数据采集卡的设计与实现

示波器是物理实验常用设备，实验过程中的一些关键物理量可以通过示波器来观察. 示波器显示的关键物理量变化贯穿整个实验，学生的实验操作过程可以通过关键物理量的变化和趋势体现出来，通过对示波器显示数据波形的分析，可以对学生的认知领域和操作领域的实验能力进行评价，示波器显示的数据可以做为实验的主要评价依据.

实验数据记录系统要满足透明、兼容、实时、可靠、低成本5个条件. 透明是指数据记录系统对于学生是透明的，不应该影响学生的实验操作或者为学生实验带来额外的操作负担. 兼容是指数据采集卡应该从数据采集通道数量、采样精度、采样速度方面都达到普通物理实验需要，技术指标能够满足完整、实时、可靠地采集实验数据的需要. 同时，系统稳定和低成本是现实推广需要.

基于以上要求，采用意法半导体出品的高性能、低成本、低功耗ARM Cortex-M内核芯片STM32F103RBT6做为网络数据采集卡核心[4]，采用MicroChip公司SPI总线的ENC28J60以太网络芯片，使用专为8 bit和16 bit的嵌入式微控制器设计的微型TCP/IP协议栈-uIP协议栈与计算机进行TCP通信[5]，采集到的实验数据传输到计算机进行处理. 网络数据采集系统的设计框架如图2所示.

图2 网络数据采集卡结构

1.2.2 视频记录系统设计与实现

实验视频记录是实验考核重要的依据，实验仪器的操作、实验现场现象、操作者的操作熟练程度等实验评价相关动作和现象都要通过视频来体现，实验评价者需要对关键的实验操作动作和实验现象进行分析，视频记录的清晰度要达到评价要求，同时要兼顾视频传输带宽和视频存储的系统要求，为方便视频录制，摄像头应具备视频属性设置和云台控制功能. 本系统采用联视威PNP T系列网络摄像头，该摄像头具有广角3.6 mm镜头，支持640×480分辨率，自带云台，具有低照度补光功能，网络摄像头带软件开发包，满足实验视频记录要求.

视频与数据记录软件采用虚拟仪器软件LabVIEW2013编写. LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司研制开发，具有类似于C和Basic开发环境，但是LabVIEW使用的是图形化编辑语言编写程序，产生的程序采用框图形式，有强大的数据处理功能，可充分发挥计算机的数据处理能力，利用软件即是仪器的思想设计功能强大的仪器. 软件内置大量诸如波形显示、数字表头、数字信号处理、波形分析、硬件读写等子程序和控件[6]，以这些成熟的子程序和控件为基础，可以在短时间内开发出界面友好，性能优良的虚拟仪器. 针对不同的物理实验，无需对硬件进行大规模修改，只要进行相关控件和程序的增加或修改就可完成不同物理量的采集和分析. 软件以ActiveX方式调用摄像头的软件开发包，开发包建立在数据通讯和视频处理软件上层，提供调用接口，利用摄像头开发包的指令集，无需进行底层编程就可以完成云台控制、视频属性设置、录像等功能. 该视频记录系统录制的视频格式为AVI格式，10M以太网可以流畅传输，30 min的实验操作过程占用存储空间300 M左右，满足实验评价要求，成本较低实施便捷.

视频与数据记录系统界面如图3所示，可在计算机端通过软件远程调整网络摄像头云台和视频录制参量，根据不同物理实验调节数据采集卡采样率. 为监控实验过程的录制，对实时采集到的实验数据通过软件界面下方的虚拟示波器显示[7]，该示波器与真实的示波器功能和调节方法一致,显示的数据和实验现场同步.

1.2.3 实验视频与数据分析软件设计

软件要完成的任务有2个：第一是对全局实验数据变化趋势的可视化呈现，分析和挖掘出实验关键数据点，便于评价实验原理、实验设计、实验操作的合理性. 第二是根据实验关键数据检索相关实验视频和具体实验数据，显示关键的实验细节视频和实验数据波形，这是提高实验评价效率的关键.

图3 视频与数据记录系统界面

对全局实验数据变化趋势的可视化呈现、分析和挖掘通过LabVIEW完成. 实验数据以LabVIEW的Waveform数据格式存储，该格式可记录多通道数据的绝对时间、采样率、幅度值. 软件对存储的各通道的数据进行读取，并按照相关实验物理量的定标进行幅值转换，根据数据记录起始时间、采样率和采样点数实现实验物理量数据还原，通过LabVIEW的Waveform Graph显示控件显示数据波形. 对于不同的物理实验，进行数据的进一步分析，可以为实验评价提供更为直观有效的参考依据. 视频与数据记录分析界面如图4所示，界面的下半部分4个物理量轴显示的是实验过程全局物理量变化趋势，分为信号频率轴、直流电压轴、电压幅度轴、按键轴4个以实验时间索引的主轴. 界面上半部分显示的是物理量轴上游标所在时刻对应的具体实验视频和实验数据波形. 频率轴、直流轴、幅度轴整体数据变化趋势可以反映出学生实验操作过程的操作行为导致的实验响应，按键轴记录学生在每次完成自己设计的实验步骤后按下的按键，和学生实验报告的记录相对应. 可视化数据变化趋势图中以实验物理量数值做为纵轴，实验时间做为横轴，横轴上设有可以自由拖动的游标，当游标移动到不同数据点时，在界面上方显示游标所在时刻的实时实验视频和数据波形.

对于实验评价者，利用实验全局的物理量变化趋势图像可以对学生实验过程整体操作的合理性做出判断，对于实验细节，从头至尾完整地观看整个实验过程记录进行实验评价的效率很低，也难以甄选有效实验数据和实验视频做为实验评价依据，对于人数众多的大学物理实验评价更显得不切实际. 根据实验关键数据检索相关实验细节视频和具体实验数据，对实验关键点进行评价是提高实验评价效率的关键.

视频记录和数据记录是2个独立的系统，视频数据以AVI格式存储，以时间做为检索量. 实验数据以Waveform数据格式存储，记录了实验数据的绝对时间、采样率，也可以通过时间进行数据检索. 通过时间值可以将视频和数据记录联动起来. 实验评价者在数据变化趋势图像上拖动游标时，系统查找到游标位置对应的实验时间，时间是数据记录和视频记录共有的索引值，利用该时间值反向检索对应时刻的实验视频和具体数据波形，进行读取后显示出该时刻实时视频和数据波形. 视频与数据联动检索的工作流程如图5所示. 具体应用时，实验评价者结合具体实验原理，在峰峰值、直流、频率、阶段码4条轴上找到和实验评价相关的实验关键点和跳变点，将游标移动到相应位置，软件界面上半部分就会联动显示出对应时刻的具体实验操作视频和数据波形，便于评价者进行深入实验评价.

图4 视频与数据记录分析界面

图5 视频与数据联动检索流程

2 视频与数据联动采集系统的应用

RLC串联电路的幅频特性实验是大学物理实验课程中比较典型的实验，本文选取该实验作为应用实例. 该实验中最为关键的变量是信号源频率和电路中电阻R两端的电压信号幅度，当RLC串联电路谐振时，电路中电阻R两端的电压达到最大，正确的电路应该体现出和理论相符的谐振曲线[9]. 信号频率、信号电压和按键值的可视化呈现可为实验提供有效评价依据.

实验仪器包含信号源、电阻、电感、电容、示波器、电压表，其中最为关键的信号源频率变化和RLC电路响应都通过示波器显示，实验前将数据采集卡的模拟输入接口通过信号三通连接器并联于实验中所用示波器的2个输入通道端，其他仪器不需做任何改动. 这样可在不影响学生实验的情况下，同步记录学生实验操作过程. 本文以某学生实验视频与数据的记录进行讨论分析.

2.1 操作过程的可视化呈现与评价

RLC串联电路的幅频特性实验的自变量是信号源的频率，因变量是电阻R两端的电压. 数据采集卡采集到的2路信号是电路中电阻R两端的电压信号和信号源输出信号，学生的实验数据变化趋势如图6所示，通过图6上方的滑块可以浏览全局数据变化趋势，通过游标可以定位实验数据关键点. 针对本实验，信号源频率变化可以反映学生调节信号源的过程，电阻R两端电压幅度值可以反映实验电路的响应. 这些有效的实验判断依据可以评价学生的电路设计、实验步骤和操作过程是否正确合理，频率变化范围和变化方向是否合理. 此外结合学生自己的书面实验记录、阶段码记录可以判断学生的实验设计和实验过程的准确性和合理性，整个操作过程是否与实验设计和实验记录相符.

实验数据波形和阶段码的跳变点反映出学生进行了仪器调节操作，通过拖动频率、电压、直流、电压峰峰值4条全局物理量记录轴的游标，可以迅速定位并显示数据跳变时刻具体的视频和数据波形，结合具体实验原理可以对具体的实验设计、实验设备操作、实验结果进行评价，达到对实验进行客观全面的过程性评价的目的.

图6 实验数据变化趋势图像

2.2 实验自变量和因变量关系的可视化呈现与评价

RLC串联电路实验中信号频率与电路中的电阻R两端的电压这2个自变量与因变量的关系可以体现电路的幅频响应，是快速直观评价实验过程的重要依据，针对本实验，利用LabVIEW的XY Plot功能将频率变化和电压变化描绘图像，图7为信号源频率与电阻R两端电压的关系图.

图7 电阻R两端电压与信号源频率的关系图

根据实验操作者的记录和系统呈现的电阻R两端电压与信号源频率的关系图，不仅能判断实验报告记录的结果是否正确，也能判断实验过程是否合理及电路设计是否正确、是否和理论值相符. 设计正确、操作完整的实验过程应该体现出正确的RLC电路的谐振曲线. 从图7可以看出，数据电阻R两端的电压在1 750 Hz附近达到谐振电压最大值，可以结合电路中电感和电容的参量推算出理论值，判断实验操作者设计的RLC电路是否正确，电路的连接和工作状况是否和理论相符.

2.3 全局快速回放自变量和因变量的变化过程

实验操作者会根据实验进程中遇到的问题重复实验和修正实验计划，静态的全局趋势图不足以直观地反映实验者的动态操作过程. 利用LabVIEW的3D Graph中的3D comet绘图功能，将自变量和因变量按记录序列顺序依次逐个显示，快速回放整个自变量和因变量的变化过程,这个过程和实验操作者的实际操作流程对应，通过观察快速数据回放，可以评价实验操作者的基本操作技能、实验方法和实验计划贯彻情况. 也可以评价实验过程中遇到的困难和周折、实验操作者的应变与纠错能力、实验全局的合理性，实现实验评价内容的多元化.

3 结束语

根据大学物理实验过程评价要求，设计完成实验视频与数据联动采集系统，利用实验数据和实验视频的同步采集和数据分析，为大学物理实验评价提供客观、全面、科学的评价依据. 通过对数据记录的分析和可视化，实现对整个实验过程的全局呈现，并根据实验数据变化和实验关键点检索实验细节视频和实验数据，为实验评价提供客观依据，提高实验评价效率和科学性.