基于微信小程序的大学物理实验数据处理系统

徐磊　董文静

摘  要： 介绍了一种轻便的实验数据处理系统。该系统充分利用现代互联网基础设施，能够将学生从繁杂的数据处理中解放出来，集中精力关注核心物理内容和过程。应用该系统可进行大数据统计，及时反馈教学数据，为教师改进实验教学提供决策支持。系统充分利用现有互联网基础设施，具有交互好、投入少和容易部署等优点，可为各类理工科实验教学提供参考。

关键词： 数据处理; 微信小程序; 大学物理实验

中图分类号：G420.0          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2022）05-66-04

A data processing system of physics experiments based on Wechat applet

Xu Lei， Dong Wenjing

（

Abstract： In this papers， a light-weight system for processing experiment data is introduced， which is based on the WeChat applet. Making full use of modern Internet infrastructure， it can free students from complicated data processing， carry out big data statistics， feedback teaching data timely， and provide decision-making support for teachers to improve experimental teaching. The system makes full use of the existing Internet infrastructure， and has the advantages of good interaction， low investment and easy deployment. It can provide reference for various science and engineering experimental teaching.

Key words： data processing; Wechat applet; college physics experiment

引言

大學物理实验是高等学校理工科学生进行科学实验训练的重要必修课程[1]，旨在培养学生科学研究的基础能力，实验课对于加深物理原理的理解，培养动手操作物理仪器的能力具有重要意义。

实验数据处理是大学物理实验课程的重要环节，常用方法有列表法、逐差法、图解法、线性回归法、最小二乘法等[2]。近年许多高校尝试采用软件辅助的手段处理并分析实验数据，绘制图表。利用微信平台进行在线教学的研究和实践不断涌现[3]，移动学习、无纸化报告等成为大学物理实验教学改革的趋势。然而这些系统在易用性和实时性方面均存在一定的缺陷，需要成熟的解决方案。

1 现阶段存在的问题

计算机辅助的实验数据处理系统，大致可以分为单机系统和在线系统两种，主要区别在于数据是否在云端（服务器端）储存。单机系统主要是使用各种数据处理软件，如Origin、Matlab和Excel等[4]，其中Excel最为常见，尤其是其附带的“宏”功能，可以极大提升数据处理的自动化程度[5]。此外还有更加专业的统计软件SPSS，可以与列表法、作图法、逐差法和最小二乘法等基本数据处理方法相结合[6]，简化数据处理过程。在线系统主要分为手机APP和Web两种形式，文献[7]和文献[2]分别描述了使用手机和PC访问的数据处理系统。现有各种系统的优缺点总结见表1。

所有单机系统均缺乏实时处理能力，即学生只能在实验课后处理数据。如果操作失误造成数据偏差过大，在处理数据之前难以发现。此外，部分专业软件操作复杂，对于普通理工科学生，特别是低年级学生来说，无法真正有效提升处理数据的效率。相对而言，在线系统具有较好的实时交互性，可以及时反馈实验数据的有效性和可靠性，因此更适合大学物理实验课程的教学。

现有的两种在线系统也存在较大缺陷。从操作终端的角度而言，手机优于PC机，而且大多数实验室不可能给每位学生配备电脑。但是以APP的方式搭建系统显然成本过高，不仅需要专业团队来开发并维护系统，还需要学生在手机上安装和更新软件。作为使用频次并不高的APP，在实际使用过程中还可能遇到手机操作系统兼容性的问题。综合分析现有系统的优缺点，本文提出基于微信小程序构建实验数据处理系统。

2 基于小程序的实验数据处理系统

2011年发布的微信，已经成为全民普及的手机APP，在日常生活中被广泛使用。微信小程序作为微信功能扩展的重要接口，非常适合用来开发轻量级的手机应用。相比于普通APP，小程序具有许多优点。①免安装，使用方便。使用微信扫码关注即可，无需下载，也无需更新。②适合所有智能手机，无兼容性问题。小程序通过微信打开，与手机操作系统无关，无论是安卓手机还是苹果手机都可获得一致的用户体验。③功能强大，可扩展性强。微信小程序通过调用服务器端的应用程序编程接口（API），可以实现各种复杂的数据处理过程，并将结果实时推送到用户手机界面上。④部署成本低，适合各类中小型实验室。微信官方集成的开发工具和开发平台，使得系统部署成本大大降低，开发和迭代周期也大大缩短。一般理工科院校都可以部署使用。

2.1 系统架构

基于小程序的实验数据处理系统采用经典的MVC架构，主要由小程序端（操作界面）、服务器API和数据库三部分，整体结构如图1所示。

对于用户来说，所有的操作都在小程序里完成，所有的结果也都在小程序里展示。小程序主要使用JavaScript来开发，辅之以HTML和CSS（在微信里分别叫WXML和WXSS）。这一部分与普通网页开发大致相当，由于微信底层对操作界面做了许多优化，因此在大多数写好的Web网页可以很轻松地移植到微信平台上。

服务器一般可租用云服务器，如腾讯云或阿里云。如果实验室条件允许，也可以自行搭建服务器。本系统对服务器无特殊要求，任何架构、任何操作系统、任何编程语言均可，只需遵循RESTful API规范即可。本文代码实例选用作者熟悉的PHP语言，但并不要求仅限此种语言。

由于本系统数据量不大，因此数据库方面采用常见的MySQL数据库，也可以根据系统环境不同选用其他数据库系统，如SQL Server等。

总体而言，系统对互联网基础设施要求不高，一台普通服务器即可满足需求。如果租用云服务器，还可以免除人工维护成本。

2.2 系统功能

系统主要功能模块如图2所示。系统的所有功能设计紧贴大学物理实验教学的实际需求。实验开始前，学生查阅实验讲义等资料进行预习。实验过程中，学生可以实时提交实验数据。如果数据填写有误，可以反复修改。实验数据提交之后，系统将自动计算实验结果，并进行误差分析。学生可以查询结果了解实验数据的有效性，如果数据出现较大偏差，则需分析原因并重新测量数据。

教师方面，实验课前可了解学生的预习情况，并根据学生的反馈意见修改完善实验的讲义材料。实验过程中，根据学生数据计算的结果，帮助学生分析实验操作和记录数据的过程中可能出现的问题，指导学生顺利完成实验。实验课后，对学生的实验结果做大数据分析，了解实验教学中的薄弱环节，以便日后调整教学内容与教学方案。

数据是系统的核心，以下简要介绍系统的数据结构。系统所包含的主要数据实体是实验讲义和实验数据。实验讲义是对实验内容和操作步骤的描述，属普通图文信息。实验数据主要是实验过程中应记录的原始数据，另外还包括经数据处理程序计算的结果。数据模型见图3所示，其中带“*”号的为JSON数据。

2.3 数据处理示例

下面以经典实验“用牛顿环测定平凸透镜的曲率半径”为例，说明系统如何进行数据处理。牛顿环实验要求学生测量第3至第22级干涉圆环的直径，每个圆环直径分别由左右两个切点位置决定，因此该实验一共要记录40个位置数据，分别记作Ln和Rn（n=3～22）。一个完整的原始数据示例如下：

{

"Ln"：[27.150，27.355，27.506，27.650，27.785，27.895，

28.017，28.144，28.220，28.320，28.440，28.532，28.662，27.710，28.778，28.862，28.952，29.020，29.110，29.180]，

"Rn"：[24.450，24.280，24.125，23.977，23.725，23.600，

23.491，23.491，23.389，23.283，23.180，23.075，22.995，22.910，22.824，22.742，22.659，22.580，22.502，22.430]，

"unit"："mm"

}

其中Ln记录圆环左切点位置，Rn记录圆环右切点位置，unit是数据单位.进入处理程序时，取第3个环和第13环的数据计算平凸透镜的曲率半径（以PHP为例）：

//第3个环的直径

$d3=$ln[2]-$rn[2];

//第13个环的直径

$d13=$ln[12]-$rn[12];

//钠光波长，单位毫米

$lamda=589.3e-3;

//代入公式计算曲率，单位毫米

$r=（$d13*$d13-$d3*$d3）/（4*10*$lamda）;

循环遍历原始数据，可以计算出十组曲率数据，存储到计算结果数据示例如下：

{

"r"：[864.48，862.18，877.47，854.79，845.35，851.24，

852.37，840.96，862.34，856.57]，

"avg_r"：856.78，

"stdev_r"：10.448，

"u_err"：0.0122，

"unit"："mm"

}

其中r是十組曲率数据，avg_r是十组值的平均值，stdev_r是十组值的标准偏差，u_err是相对不确定度。还可以根据实际需要设计其他字段。

由于各个实验记录的数据和计算公式不同，因此每个实验需单独设计原始数据结构和处理程序，同时有针对性设计计算结果的数据结构。

为方便计算，系统预先编写好了常用的统计函数，如平均值的标准偏差函数（STDEVP）、几何平均值函数（GEOMEAN）等。对于每一个间接测量的物理量，系统也预先编写好了其合成不确定度的相关函数。

除基本的数据处理外，系统还可以进行学生的实验数据进行大数据分析。统计每个实验的失败率和完成度等数据，可以反映学生对于物理实验内容的掌握情况。对于难度较大、学生理解不透彻的实验项目和内容，指导教师应在教学中重点讲解。或者通过优化实验步骤和细节，针对本校学生的实际情况，开展个性化的物理实验教学。通过收集信息，使用严格的和详细的逻辑推理，大数据客观地展示了学生的完整图像。通过诊断性评价完成学生的学习过程评价[8]。

随着实验室信息化程度的不断提升，大学物理实验教学的各个环节都将产生大量的数据。这些数据将为全面综合地分析和监督实验教学的质量和效果提供依据，有利于持续改进大学物理的本科教学。

3 结论

本文在充分研究各种大学物理实验数据处理方法的基础上，提出构建基于微信小程序的数据处理系统，具有简单灵活、实时交互等特点，适用于各类理工科院校或开设大学物理实验的综合院校，应用范围和潜力巨大。本项目将在现有研究基础上，在相关单位实验室经行大规模推广和实践。

目前系统功能还比较简单，未来可以考虑集成无纸化实验报告、课程考核等功能，以满足实际使用需要。

参考文献（References）：

[1] 姬晓旭，王爱华微课在大学物理实验教学中的研究与实践[J].

物理实验，2018，38（1）：49-52

[2] 周政，宁辉，许诺.基于Web的大学物理实验数据处理系统[J].

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[3] 白亮，马成举.基于微信结合H5技术的大学物理实验教学

创新研究[J].大学物理，2019，38（12）：40-43

[4] 翟照伟，陶欣茹，黄兰，等.WPS软件在物理实验数据处理中

的应用[J].大学物理实验，2018，31（4）：85-88

[5] 于红，郭梓骞，宫礼坤，等.基于“宏”的大学物理实验数据处理

方法[J].实验室研究与探索，2020，39（9）：142-147

[6] 袁琳，孙敬姝，杨命超，等.浅谈基于SPSS环境的大学物理实

验数据处理方法[J].第九届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集（中），2020，39（9）：151-155

[7] 童宇轩，田泽安，邓辉球.基于Android的大学物理移动学习

平台设计及应用研究[J].大学物理，2020，39（4）：48-52

[8] 马宁生，吕军，方恺.大数据背景下的大学物理实验教学改革[J].

物理实验，2016，36（12）：26-30

收稿日期：2021-10-18

*基金项目：湖北大学教学改革与研究项目（202039）资助

作者简介：徐磊（1985-），男，湖北孝感人，硕士，湖北大学物理学系实验员，主要研究方向：大学物理实验教學和信息化系统研究。

通讯作者：董文静（1986-），女，湖北咸宁人，博士，副教授，主要研究方向：新能源材料与器件。