信息技术在批阅实验报告数据处理中的应用*

邵宇飞

(辽宁工程技术大学基础教学部 辽宁 葫芦岛 1250105)

1 引言

大学物理实验是我国广大理工类高等院校普遍开设的一门重要必修基础课.它与大学物理理论课紧密衔接，互为支撑和补充，对本科大学生理解物理基本原理有很好的促进作用，更重要的是大学物理实验在培养科学素养、提高创新思维能力以及奠定良好的科学研究习惯等方面具有不可替代的基础性作用.当前很多高校，特别是地方院校，大学物理实验教学陷入较大的困局，同时也迎来了难得的发展机遇.

对于大学物理实验期末成绩的给定，实验报告的撰写是重头戏，其中实验数据的处理是重点考核内容之一，这也是大学物理实验与中学物理实验的一个显著区别.大学物理实验数据处理环节主要考核计算结果的准确性和格式的规范性，后者包括有效数字位数是否正确、不确定度是否只进不舍以及结果表达式是否末位对齐等内容.教师在批阅报告过程中既要核算学生计算结果是否准确，同时还要检查学生计算结果的格式是否规范，然后逐项打分，非常耗时耗力，并且容易发生误判.特别值得注意的是，这种传统批阅方式存在很大的主观性，加之很多学校大学物理实验课师生比例严重失衡，教师疲于应对，时常发生学生同组不同分的现象，一些学生也往往因为这种情况影响了奖学金的评定而抱怨教师不认真或不公正，久而久之教与学两方面容易流于表面，变成“走过场”，从而影响了高校人才的培养质量.

近年来，为了适应信息时代教育教学的新规律、贴近现代大学生成长的新特点，众多高校尝试通过校园网、互联网乃至云平台推进大学物理实验课程的信息化教学改革，期望摆脱传统教学模式的羁绊[1,2].很明显，对于大学物理实验考核的重要内容——实验数据的处理，计算机可以充分发挥它的快速计算功能，代替教师实现数据准确性的自动批阅，但若要实现数据格式规范性的自动批阅，则会遇到相当大的困难.

下面展示的工作经过近3年的设计与实践，成功实现了上述目标，开发出的系统可以顺利完成实验数据处理结果准确性和规范性的全自动批阅，最新版本系统的运行结果表明,对于1 300位学生提交的实验报告，仅需半个小时即可完成批阅任务并将批阅结果和成绩汇总至数据库，教师仅需将带有批阅详情和成绩的批阅报告输出成电子版或纸质版加以保存即可，批阅过程的自动化运行极大提高了教师的工作效率，同时客观公正统一透明的成绩评定方式有力地促进了学生的学习积极性.

2 系统详情

2.1 系统原理

图1显示了系统运行原理：学生首先通过数据库将原始测量数据和课后数据处理结果通过网络提交给系统，系统则以字符串的形式接收数据，其目的是将原始数值结果“冻住”，避免传递过程中有效数字等属性发生改变.然后复制全部数据并转为数值型，系统根据学生的原始测量数据逐项计算数据处理结果，并以此计算结果为标准考察学生数据处理结果的准确程度.例如，张三利用米尺测量一个铜棒的高度结果分别为h1=31.84 cm，h2=32.06 cm,h3=31.72 cm，h4=31.67 cm,h5=31.82 cm，h6=31.86 cm, 系统根据其测量结果计算得出高度算术平均值为31.828 cm，而张三提交的算术平均值为31.928，比正确结果大0.3%，则可以考虑是否应该扣去一定分数.

图1 系统架构示意图

一方面，计算机在逐项计算的过程中，按照有效数字四舍五入或不确定度传递的原则，对每个数据处理结果进行格式规范性处理，然后系统将以字符串形式“冻住”的数据处理结果按字符逐个分解，获取学生数据的有效数字个数、末位位数等信息，并将其与上述计算机处理的格式进行比较，完成规范性检查.仍取上例, 不妨令仪器误差为0.05 cm，A类不确定度简化为标准差，B类不确定度简化为仪器误差，则系统最终算出不确定度Uh=0.15 cm=0.2 cm，并根据末位对齐原则列出结果表达式(31.8±0.2) cm.如果学生提交的不确定度Uh为0.15 cm、结果表达式为(31.83±0.15) cm，则数据处理格式与正确结果不符，规范性有错误，需要扣去一定分数.

2.2 运行平台

系统采取B/S模式，Web前端由php语言编写[3]，提供人机交互页面以方便学生和教师管理实验数据等信息，服务器端利用mysql数据库存储Web前端传输过来的实验数据、批阅后的正确结果、教师评语以及成绩等信息，自动批阅模块基于Matlab编程语言[4]，整个系统运行在Windows server 2008 R2上，通过校园网向本校师生提供服务.

3 运行结果

下面以“利用光栅测量可见光波长”实验为例，展示系统运行效果.该实验以汞灯为光源，利用分光计和衍射光栅测量黄色、绿色等光谱线的波长，测量原理为光栅方程dsinθ=λ，其中d表示光栅常数，θ为衍射角.

3.1 提交数据

学生可以通过手机或电脑登陆系统，然后进入图2所示的提交页面，提交原始测量数据和数据处理结果.

(a)原始测量数据

3.2 存储数据

学生提交的实验数据存储于mysql数据库.如图3所示，数据库中方框部分依次展示出序号、学号、黄1谱线衍射角、黄2谱线衍射角、紫蓝谱线衍射角、光栅常数、光栅常数不确定度以及黄1波长等信息.

图3 数据库信息

3.3 自动批阅系统核心代码

系统接入数据库后，读出各项信息，完成自动批阅.其中代表性核心代码如下所示：

function [ss] =mylength(str1) %返回待测字符串的有效数字个数

strchangdu=length(str1); %获取字符串长度

itagnonzero=1;

for i=1:strchangdu %从第一个字符开始查询

if str1(i)～='0'&&str1(i)～='.' %舍去第一个有效数字前面的全部0和小数点

itagnonzero=i; %记录第一个有效数字在字符串中的位置

break; %一旦找到第一个有效数字则停止查询，跳出循环

end

end

dotflag=0;

for i=itagnonzero:strchangdu %从第一个有效数字开始到最后一个有效数字为止

if str1(i)=='.' %查找是否包含小数点，即是否有3.154 这样的数字

dotflag=1; %如果有，则设置标识码为1

end

end

if dotflag==1 %如果截取的有效数字字符串中含有小数点，则有效数字个数为长度减一

ss=length(str1(itagnonzero:strchangdu))-1;

else %否则即为长度本身

ss=length(str1(itagnonzero:strchangdu));

end

程序由Matlab编程语言实现.由以上编排可以看出，程序重点在于将学生提交的数据转为字符串类型，然后逐个字符甄别，提取有效数字个数以及所处位数等信息，然后才能与正确结果进行对比.批阅结束后，系统将成绩、正确结果以及扣分说明发送至数据库保存.

3.4 批阅报告

图4展示了系统自动批阅后的实验报告详情，数据取自图3的方框部分.该批阅报告首先显示出学生姓名、学号和所在班级等基本信息，然后给出了预习、课堂操作以及数据处理等环节的成绩和总成绩，接着提供了3个环节的具体情况，最后给出了教师批语，即扣分说明.

图4 批阅报告

4 总结

以上介绍的系统可以顺利完成实验数据处理结果准确性和规范性的全自动批阅，目前已经顺利应用于“拉伸法测量钢丝的杨氏模量”“利用牛顿环测量玻璃曲率半径”“光干涉法测量固体热膨胀系数”“声速的测量”“利用电位差计测量电动势”“固体密度”“液体表面张力的测量”以及上述“利用光栅测量可见光波长”等实验.需要指出的是，该系统目前仅限于客观性实验报告的全自动批阅.尽管如此，考虑到有作图等主观性任务的实验仅占全部实验课程的较小部分，系统仍可以极大提高任课教师的工作效率和教学质量.

以辽宁工程技术大学葫芦岛校区为例，每一个实验项目学生上课人数达1 300人，假如教师手工批阅，即使每30 s便能完成一份实验报告的打分、圈记错误以及撰写批语等任务，仍需要11 h才能结束一个实验项目，此外教师还要负责核对上交的实验报告纸张是否有缺失现象、实验成绩是否登记正确，这种传统手工模式低效易出错的缺点几乎不可避免.而该系统则可以在30 min内准确地完成1 300份学生报告的批阅任务，并自动登记成绩和形成批阅报告，高效便捷且成绩标准客观统一.下一阶段该系统将尝试推广至主观性实验.这里的工作可为广大兄弟院校的大学物理实验信息化教学改革提供有益参考.