本科实验数据管理系统的研究

徐磊

摘  要： 实验室数据的管理与共享往往是实验室信息化的薄弱环节。针对传统实验数据处理过程中遇到的瓶颈问题，提出构建实验数据管理系统的设想。文章中的实验数据管理系统，充分发挥移动互联网方便快捷的特点，为提升实验教学效率和实验室管理水平提供了新的思路。

关键词： 实验室信息化; 本科实验教学; 数据管理; 教学改革

中图分类号：G647          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2021）05-127-03

Research on experiment data management system for undergraduates

Xu Lei

（Faculty of Physics and Electronic Science， Hubei University， Wuhan， Hubei 430062， China）

Abstract： The management and sharing of laboratory data is often the weak link of laboratory informatization. Aiming at the bottleneck encountered in the traditional experiment data processing， this paper proposes an idea of building an experiment data management system. The experiment data management system in this paper gives full play to the convenient and fast characteristics of the mobile Internet， and provides new ideas for improving the efficiency of experiment teaching and laboratory management.

Key words： laboratory informatization; undergraduate experiment teaching; data management; teaching reform

0 引言

在本科實验教学中，数据处理是非常关键的。数据处理的质量将决定实验的成败及实验教学的效果。然而长期以来，数据处理环节常被作为教学的次要内容而忽视。实验中获取的大量实验数据也仅停留在学生的实验报告上，成为无人问津的“死数据”。

如今的实验设备越来越多地通过互联网共享;实验室是开放式的，并采用实验室预约系统。实验室的管理除了空间与设备的管理，还应包括实验数据的信息化管理，而目前对实验数据的管理很薄弱。文献[1]提出了一种管理光学实验数据的系统，本文在此基础上推广到任意学科的本科实验内容，并引入微信小程序作为主要的操作入口。

当今移动互联网浪潮席卷全球。以微信为代表的超级APP，极大的方便了普通用户快速接入第三方应用。在此背景下，基于微信小程序的实验数据管理系统可以成为盘活实验数据的利器，更好推进实验室信息化管理，真正实现开放式实验室的全方位开放。

1 存在的主要问题

在当前的本科实验教学中，数据处理环节主要存在如下问题：

1.1 效率低下，数据处理不及时

传统的实验数据处理方法，是使用数据处理与绘图软件，如Excel和Origin。通常来说，使用Excel进行数据处理，使用Origin进行绘图[2]。大多数理工科本科实验原始数据都是手动记录在草稿纸上，由于通常实验室未配备电脑和处理软件，因此全面的数据处理通常都是在实验课事后进行，其结果无法当场反馈。而由于实验操作错误导致的实验数据出现重大偏差，往往也很难及时发现。

此外，实验数据需要手动输入到Excel等软件中，这个过程容易出现错漏且不易发现和校验。Excel中计算结果及误差的函数需学生自行编写，其结果是否可靠存在疑问。从录入数据到计算，最后绘图，整个过程往往费时费力。

1.2 容易造假和抄袭

本科实验教学面对的是大量理工科学生。许多实验的结果需要经过较复杂的计算才能验证真伪，因此部分学生可能在撰写实验报告时主观臆造数据，以求得结果的完美。或者干脆抄袭他人数据，敷衍实验课程。由于学生人数多，教师不可能一一人工查验。事后即使被发现，由于缺乏后续学时，造假学生可能也无法重做实验。这种现象严重影响了实验教学的质量和效率。

还有一种情况就是由于对真实的实验数据缺乏了解，学生在实验操作过程中，可能出现漏测、重复、多测或超范围测量数据等情况。这也降低了实验教学的效率。

1.3 无法检索，数据容易丢失

由于所有数据都是单机存储，甚至是纸质存储，实验指导教师调取实验数据时只能靠人工手动翻阅。大量数据无序存放，时间一长容易丢失和损坏。特别是传统的纸质实验报告，占用了实验室原本就不宽裕的空间[3]，长期积累以后基本都成为废纸，其中的实验数据也会一并流失掉。

对于开放式实验室来说，没有数据支撑的实验设备和实验项目也很难为培养创新型应用型人才服务。对于参与课外科研或学科竞赛的学生来说，这些实验数据也几乎是无法使用的。

1.4 课程资源很难积累

师生合作共建课程资源[2]已成为高等教育改革的重要方向，这一点特别适用于本科实验教学。大量的学生实验数据及其报告本该成为实验课程的重要资源，但由于信息化程度不够，导致其可用性非常差。长此以往，即便实验数据堆积如山，也无法形成有效的课程资源。

2 实验数据管理系统

鉴于目前实验教学在数据处理方面面临的种种困难，本文结合实验室信息化发展趋势，采用微信小程序这一新兴平台，提出建设一套实验数据管理系统。该系统服务于高校师生，可以有效地解决上述问题。

2.1 系统设计原则

从实验室管理的角度第一个原则是解放思想，从数据处理思维转换到数据管理思维。实验数据不是学生完成实验课程的“副产品”，而是实验室的重要资源，对于完善课程设计、优化实验项目和检验教学效果具有重大意义。从长远来看，实验数据的中心化是实验室开放的必由之路，也是实验室信息化管理的核心。

第二个原则是操作简便、交互迅速。許多专业软件功能强大，但操作复杂，学习成本高，往往很难在校园里推广使用。本系统要实现即学即用，在不经过专门培训的前提下便可使用。同时充分利用现有手机软件平台，不必单独安装APP，减少用户使用成本。系统中的数据都是实时生成与分析的，用户只需打开微信即可获取。

第三个原则是规范灵活。系统初期设计只能满足基本需求，通过采用规范的通用接口设计，保留了功能的可扩展性。同时允许各高校和各实验室进行二次开发，满足个性化需求。

2.2 系统架构与功能

实验数据管理系统基本架构如图1所示。

其特点为①兼容性强。本系统采用通用的API接口设计，适用于任意学科的任意内容的本科实验，可独立搭建，也可以与其他信息系统配合使用。②成本低。系统采用开源的MySQL或SQLite数据库，可满足不同规模和层次的高校使用。对于大多数学校来说，一台普通服务器即可搭建。③功能齐全。系统内置预习参考数据、实验数据记录、实验数据处理和数据可视化等功能模块，完整覆盖实验教学预习、实验操作和数据处理等环节。对有条件的学校，还可以添加一键生成实验报告等功能。④操作方便。系统日常操作使用采用微信小程序界面，用微信扫描二维码即可进入。此外还有PC端的网页界面，提供更加丰富的后台操作和数据批量导入导出功能。

系统主要是为日常实验教学服务。通常情况下，本科实验分为预习、操作和数据分析三个阶段。预习阶段，系统提供预习报告和参考数据，让学生了解实验内容，特别是实验数据的合理范围。实验操作时，学生可登录系统，直接在手机上记录实验数据，不必事后录入。提交数据后，系统将自动分析结果并反馈给学生。这个过程是实时的，如果偏差过大，可提示学生重新操作测量;如果数据存在造假和抄袭，可记录在案，并提示教师处理。由于系统对数据计算结果的实时反馈，学生可以在单位时间内进行多次反复测量，大大提高实验效率，并获得高质量的实验数据。数据分析阶段，学生可以复盘操作时测量的数据，并将重点放在误差分析上，特别是实验操作对测量精度的影响。可以看出，由于采用数据管理系统，实验教学的效率大大提高了，同时避免了造假和抄袭的可能。

对于开放式实验室，本系统也可以发挥重要作用。优秀的实验数据，可作为学生预习阶段的参考数据，也可以供学生课外科研和学科竞赛时参考。对于成熟经典的实验内容，学生不必来实验室重复测量就可以获取高质量数据。这有利于节约实验室设备资源，同时提高实验室利用效率。对于有条件的学校，还可以对校外师生开放权限，实现实验数据的全社会共享。

系统建设成型后，经过一定的时间积累，当数据足够丰富时，本系统还可以作为大数据分析平台。针对不同的需求，分析的内容也可以有不同的侧重。以物理实验室为例，大数据可以分析不同品牌的迈克尔逊干涉仪测量精度及稳定性，这个结果可以帮助实验室管理人员后续采购质量较好的设备。

2.3 系统开发与搭建

以下简述系统开发与搭建的具体过程。

第一步，设计并搭建数据库。根据不同用户和数据的规模，灵活选择数据库类型。从实际经验来看，建议用户在1000人以下的使用SQLite数据库，1000以上的采用MySQL数据库。数据库主要内容包括实验室、实验课程、实验项目、重点实验设备等信息以及学生实验数据、大数据分析等。

第二步，编写系统API。系统API是系统的业务逻辑核心，主要包括对数据库实体对象的添加、修改、删除和查找等操作。对编程语言没有限制，主流的服务器编程语言都可以使用，如Java、PHP、ASP.NET、node.js等。注意API要采用RESTful风格，以保证系统的可扩展性。

第三步，设计系统界面，包括微信小程序界面和PC网页界面。小程序要符合手机用户的操作习惯，主要面向学生用户;网页界面用于后台数据管理和系统管理，主要面向教师用户和管理员。

第四步，调试微信小程序。注册小程序开发帐号，按照微信小程序要求调试服务器。小程序的编程平台推荐使用腾讯公司官方提供的开发者工具[4]，该工具具备完整的设计、开发和测试功能。

第五步，开发网页界面。编写PC端的网页管理界面，主要使用HTML和CSS。开发工具推荐使用谷歌浏览器和Visual Studio Code。

第六步，测试上线。通过在手机端和PC端进行功能测试，保证系统各项功能都可以正常使用。小范围内开始进行压力测试，确保多人在线时系统的流畅性。最后正式上线，对外发布系统访问地址和二维码。

需要注意的是，信息系统开发过程往往需要进行迭代升级。发现前代错误和缺陷后，在后代版本中升级和补强，不断升级之后，系统才能变得稳定实用。

2.4 后续发展

尽管文本所研究的管理系统可以很好解决实验数据的管理问题，但由于面临越来越多的新情况，本系统在以下方面仍需继续改进。

当前基于传感器的本科实验越来越多，各种设备产生的测量数据天然就是数字化的。鉴于此，本系统未来可根据这些设备接口编写更多适配器，直接从设备获取测量数据。

对于大型数据管理系统而言，当今方兴未艾的人工智能技术可以帮助系统更好的识别造假数据[5]。这也是本项目未来研究的一种重点。

此外，文献[6]提供了一种使用区块链技术管理数据的方案。部分涉密实验室可以参考使用。对于数据安全要求较高的单位，本系统还需要进一步开发。

3 结束语

本文通过分析当前本科实验教学在数据处理环节中的种种问题，总结出建设实验数据管理系统的基本思路和方法。基于微信小程序的实验数据管理系统，可以有效地降低实验数据管理成本，提高实验数据记录和处理效率，为构建现代化开放型实验室打下良好基础。在此基础上，进一步提高实验室利用效率，充分发挥移动互联网对实验教学的支撑作用。本系统可为各类本科实验室的信息化提供参考。

参考文献（References）：

[1] 党婷婷，高文峰.一种光学实验数据管理系统的设计[J].计算机时代，2019.11.

[2] 易庆平，王劲松，朱德艳，胡永峰.基于创新能力培养的实验设计与数据处理课程改革与实践[J].高教学刊，2019.3.

[3] 徐强，杨玲珍.基于云存储的实验报告无纸化管理[J].实验室科学，2019.22（4）.

[4] 赵家伟，白花蒲，张恒瑞，苏智恩.基于微信小程序的实验室预约系统开发与实现[J].电脑知识与技术，2020.16（11）.

[5] 孙路明，张少敏，姬涛，李翠平，陈红.人工智能赋能的数据管理技术研究[J].软件学报，2020.31（3）：600-619

[6] 周艺华，李洪明.基于区块链的数据管理方案[J].信息安全研究，2020.1.