基于無線WiFi的實驗數(shù)據(jù)實時檢查分析系統(tǒng)的開發(fā)與實踐

劉升光， 王艷輝， 牟宗信， 李雪春

(大連理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

基于無線WiFi的實驗數(shù)據(jù)實時檢查分析系統(tǒng)的開發(fā)與實踐

劉升光， 王艷輝， 牟宗信， 李雪春

(大連理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

實驗數(shù)據(jù)實時檢查分析在實驗教學(xué)中起著非常關(guān)鍵的作用。通過實時數(shù)據(jù)分析可以及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗當(dāng)中存在的問題，并且可以對學(xué)生的實驗成績進行客觀的評定。開發(fā)了基于WiFi無線傳輸技術(shù)的實驗數(shù)據(jù)實時檢查分析系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的搭建方法及數(shù)據(jù)發(fā)送界面、數(shù)據(jù)接收界面和數(shù)據(jù)分析界面的主要功能。該系統(tǒng)可以解決教師無法在實驗課堂上實時檢查分析學(xué)生實驗數(shù)據(jù)的問題，能有效提高教師指導(dǎo)效率及課堂教學(xué)質(zhì)量。

實驗教學(xué)； WiFi技術(shù)； 數(shù)據(jù)發(fā)送； 數(shù)據(jù)接收； 誤差分析

0 引 言

在實驗教學(xué)當(dāng)中，幾乎每個實驗都離不開對物理量的測量，一個實驗的完成過程通常是學(xué)生通過對實驗儀器的具體操作來測量一系列實驗數(shù)據(jù)的過程。測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量可以反映出學(xué)生在實驗過程中的許多信息，比如實驗設(shè)計是否合理，儀器選擇是否恰當(dāng)，儀器調(diào)整、操作是否正確、讀數(shù)是否科學(xué)等。因此，實時對學(xué)生測得的實驗數(shù)據(jù)進行檢查分析就顯得尤為重要[1-4]，這不僅可以使教師及時發(fā)現(xiàn)問題并提供及時的指導(dǎo)，而且還能對學(xué)生的課堂表現(xiàn)給出客觀、公正的評價。目前主流的上課方式是學(xué)生在課堂上操作實驗儀器測量實驗數(shù)據(jù)，教師檢查最終測量結(jié)果并給出評價。這種方式存在兩方面的弊端：一方面，由于多數(shù)待測物理量都屬于間接測量量[5-8]，這需要對多個直接測量量進行多次測量求得。當(dāng)教師在檢查最終結(jié)果時發(fā)現(xiàn)問題，學(xué)生在課堂中已經(jīng)基本沒有時間改正；另一方面，教師根據(jù)測量結(jié)果對學(xué)生的操作進行評價時，只能定性的看出實驗數(shù)據(jù)是否正確，很難定量的評定實驗結(jié)果的質(zhì)量，因此對學(xué)生課堂操作成績的評價難免就會有主觀因素的存在。為了解決這一問題，本文利用Visual C#[9-10]及Matlab[11-12]編程語言開發(fā)了基于WiFi無線傳輸技術(shù)[13]的實驗數(shù)據(jù)實時檢查分析系統(tǒng)，學(xué)生利用該系統(tǒng)可以直接把所測得的實驗數(shù)據(jù)及圖像隨時發(fā)送到教師電腦上，并會在教師電腦上立刻給出該實驗數(shù)據(jù)的誤差分析結(jié)果，教師根據(jù)具體實驗數(shù)據(jù)的檢查分析，可以及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生操作中的問題，輕松對學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)進行客觀的評定，同時還能發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的主要誤差來源。

1 實驗數(shù)據(jù)實時檢查分析系統(tǒng)的硬件搭建

為保證實驗數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)目焖傩院头€(wěn)定性，首先需要搭建良好的局域網(wǎng)環(huán)境。實驗環(huán)境所采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，整個數(shù)據(jù)的接收過程采用的是WiFi無線傳輸技術(shù)，這樣做既可以節(jié)省實驗臺的空間，同時還不會受實驗室空間位置的限制。實驗室內(nèi)的無線WiFi信號是通過TL-WVR450G無線企業(yè)VPN路由器發(fā)射的，該路由器可以構(gòu)建穩(wěn)定良好的WiFi無線局域網(wǎng)環(huán)境，同時還可以對多種無線IP地址段和網(wǎng)卡地址進行監(jiān)控和過濾，非常便于管理和使用。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收采用的是TCP協(xié)議[13]，該協(xié)議能在IP環(huán)境下為應(yīng)用程序提供可靠的通信連接，使一臺計算機發(fā)出的字節(jié)流無差錯地發(fā)往網(wǎng)絡(luò)上的其他計算機，對于可靠性要求高的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)往往使用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 實驗環(huán)境所采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在數(shù)據(jù)發(fā)送端，采用搭載Windows系統(tǒng)的平板電腦，平板電腦都自帶無線網(wǎng)卡和拍照功能，這極大方便了數(shù)據(jù)和圖像的無線傳輸，并且平板電腦所占用的實驗臺空間較小，可以直接擺放在實驗臺上。數(shù)據(jù)接收端采用的是普通臺式電腦，當(dāng)數(shù)據(jù)接收端接收到學(xué)生所發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)以后，會立刻把學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)分析出來，給出實驗數(shù)據(jù)點曲線分布、誤差分析及主要誤差點的來源等多種分析結(jié)果，從而能夠讓教師把學(xué)生出現(xiàn)的問題及時地反饋給學(xué)生，讓學(xué)生知道自己哪里操作不規(guī)范。同時，數(shù)據(jù)接收端接收到的數(shù)據(jù)會自動備份到實驗中心的服務(wù)器上，這樣學(xué)生的原始數(shù)據(jù)可以保持多年不會丟失，而且可以對歷屆學(xué)生的原始數(shù)據(jù)進行分析對比，從而發(fā)現(xiàn)學(xué)生的主要問題所在。

2 實驗數(shù)據(jù)實時檢查分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計

對于操作性強、數(shù)據(jù)量大以及實驗人數(shù)相對較多的實驗項目來說，如何在短時間內(nèi)對學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)進行客觀快速的分析就顯得尤為重要。因為可以通過對實驗數(shù)據(jù)的實時分析及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實驗中所遇到的問題，并且可以對學(xué)生的實驗結(jié)果有一個客觀準(zhǔn)確的評定。“光的等厚干涉實驗”作為物理學(xué)中的經(jīng)典實驗具有操作性強、數(shù)據(jù)量相對較多的特點[14]，同時該實驗也是理工科學(xué)生的必做實驗，尤其該實驗的自主搭建劈尖測細(xì)絲直徑環(huán)節(jié)，非常考驗學(xué)生的動手操作能力。因此，這里以 “光的等厚干涉實驗”為例來描述實驗數(shù)據(jù)實時檢查分析系統(tǒng)的具體使用方法。

2.1 學(xué)生實驗數(shù)據(jù)發(fā)送端界面設(shè)計

學(xué)生實驗數(shù)據(jù)發(fā)送端的界面設(shè)計如圖2所示，在數(shù)據(jù)發(fā)送端，學(xué)生需要先輸入姓名、學(xué)號、院系班級和實驗臺號信息，然后再在表格中輸入實驗過程當(dāng)中測量到的原始數(shù)據(jù)，該軟件可以對做實驗的學(xué)生進行圖像采集，當(dāng)必要的信息輸入完畢后，點擊SendData按鈕，在教師的數(shù)據(jù)接收端就會立刻接收到該生發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)，并給出相應(yīng)數(shù)據(jù)的誤差分析結(jié)果。同時，為鍛煉學(xué)生自主設(shè)計數(shù)據(jù)表格的能力，在軟件界面的發(fā)送端并沒有直接給出固定的數(shù)據(jù)表格格式，而是給出了空白的數(shù)據(jù)表格。這就需要學(xué)生在空白的數(shù)據(jù)表格中自主設(shè)計表格，以充分鍛煉學(xué)生自主設(shè)計數(shù)據(jù)表格的能力。由于不同的學(xué)生設(shè)計的數(shù)據(jù)表格形式多樣，所以在數(shù)據(jù)分析時，加入了大量的數(shù)據(jù)分析函數(shù)，經(jīng)過多次測試和改進，已完全可以智能地把需要的實驗數(shù)據(jù)正確提取出來，以便于數(shù)據(jù)的后續(xù)分析。而且，考慮到突發(fā)情況的發(fā)生，例如學(xué)生在輸入數(shù)據(jù)的過程中發(fā)生電腦死機，重啟電腦后學(xué)生先前輸入的實驗數(shù)據(jù)就會消失，為了避免學(xué)生重復(fù)輸入數(shù)據(jù)浪費時間，在軟件設(shè)計時，加入了數(shù)據(jù)自動實時保存的功能，這樣即使電腦重啟，學(xué)生都可以把先前輸入的數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入到軟件界面中進行數(shù)據(jù)發(fā)送，從而避免數(shù)據(jù)重復(fù)輸入。

圖2 實驗數(shù)據(jù)發(fā)送端軟件界面設(shè)計圖

2.2 教師實驗數(shù)據(jù)接收端界面設(shè)計

當(dāng)學(xué)生在數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)送實驗數(shù)據(jù)以后，在實驗室的無線局域網(wǎng)環(huán)境內(nèi)，接收端會立刻接收到該生發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)。教師實驗數(shù)據(jù)接收端的界面設(shè)計如圖3所示，當(dāng)收到某學(xué)生發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)后，對應(yīng)的實驗臺號就會由淺灰色變?yōu)榧t色，以提醒實驗教師有數(shù)據(jù)發(fā)送并且成功接收，同時學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)以及圖像信息會自動導(dǎo)入到接收端界面相應(yīng)的表格內(nèi)。此時，只要點擊已經(jīng)變?yōu)榧t色的實驗臺號，就會彈出對該生的實驗數(shù)據(jù)進行分析的界面。并且該接收端可以多次接收同一學(xué)生發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)，例如當(dāng)教師接收到學(xué)生發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)以后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)有明顯錯誤，則可以讓學(xué)生修改后重新發(fā)送，在接收狀態(tài)顯示框內(nèi)可以實時顯示哪個實驗臺又發(fā)送了數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)計可以讓學(xué)生在實驗過程當(dāng)中實時給教師發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)學(xué)生在實驗中獲得部分實驗數(shù)據(jù)以后，不確定所得的實驗數(shù)據(jù)是否合理，可以先輸入部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到教師接收端，待教師檢測無誤后再進行下一步的測量，通過實時的檢測學(xué)生實驗數(shù)據(jù)可以避免學(xué)生在實驗完成后，所得到的數(shù)據(jù)都是錯誤的后果，以保證學(xué)生在規(guī)定的實驗時間內(nèi)，順利的完成所要求的實驗內(nèi)容。

圖3 實驗數(shù)據(jù)接收端軟件界面設(shè)計圖

2.3 實驗數(shù)據(jù)誤差分析

當(dāng)教師接收端接收到學(xué)生發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)以后，點擊其對應(yīng)的實驗臺號，就會彈出實驗數(shù)據(jù)誤差分析的界面，界面圖如圖4所示。從圖中可以看出，實驗數(shù)據(jù)的誤差分析中不僅給出了實驗數(shù)據(jù)點的曲線分布，還給出了不同算法的對比結(jié)果以及對應(yīng)數(shù)據(jù)的不確定度分析。從實驗數(shù)據(jù)點的曲線分布圖中可以立刻看出數(shù)據(jù)點的分布情況并找出異常的數(shù)據(jù)點，以劈尖干涉的實驗數(shù)據(jù)為例，從分布圖中可以看出，在10級條紋長度的數(shù)據(jù)點中，隨著測量次數(shù)的增加，測量值呈遞減趨勢，這說明該生在操作過程中有不規(guī)范的因素存在，數(shù)據(jù)并沒有呈現(xiàn)隨機分布狀態(tài)，這會導(dǎo)致該組數(shù)據(jù)點的A類不確定度較大。在劈尖長度的數(shù)據(jù)點中，可以看出隨著測量次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)點呈隨機分布狀態(tài)，圖中第2個數(shù)據(jù)點和第4個數(shù)據(jù)點差別最大，在數(shù)據(jù)接收端的界面可以直接刪除差別大的數(shù)據(jù)點并對其余的實驗數(shù)據(jù)進行分析，從而判斷出導(dǎo)致誤差較大的主要數(shù)據(jù)點來源。在對實驗數(shù)據(jù)的不確定度分析中，給出了實驗數(shù)據(jù)的A類不確定度大小以及最終測量結(jié)果的不確定度大小和相對誤差的大小，通過這些數(shù)據(jù)結(jié)果可以很好的評估出學(xué)生所測量數(shù)據(jù)的精確度[15]。

圖4 實驗數(shù)據(jù)誤差分析界面圖

3 使用效果及學(xué)生反饋

該系統(tǒng)已在實驗教學(xué)中進行了應(yīng)用，圖5為學(xué)生課堂上使用該數(shù)據(jù)檢查分析系統(tǒng)的情景以及整個實驗室的場景圖。通過教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)不僅給教師的課堂指導(dǎo)和成績評定帶來了很大方便，而且也非常受學(xué)生的歡迎。一些學(xué)生在實驗體會中寫到 “運用了較為先進的數(shù)據(jù)錄入分析系統(tǒng)，可以方便快捷地在短時間內(nèi)判斷自己的實驗誤差大小，如誤差很大可以馬上調(diào)節(jié)儀器想辦法解決。” “新的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入到平板中，在終端會有結(jié)果示意，保證了結(jié)果的公正性，更方便老師打分并找出問題所在，防止數(shù)據(jù)有問題，回頭沒法處理的情況發(fā)生。” “此次實驗的數(shù)據(jù)處理引入了一種新的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，使我們大開眼界，同時檢驗了實驗數(shù)據(jù)質(zhì)量，也使我們的實驗打分公平公正”。為了進一步了解學(xué)生對于使用該系統(tǒng)的體會和評價，我們還針對該系統(tǒng)設(shè)計了調(diào)查問卷。通過對將近300名學(xué)生的調(diào)查問卷統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)98%的學(xué)生對該系統(tǒng)的反饋都特別好，希望在實驗中使用該數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，認(rèn)為這是一種非常好的實驗課堂教學(xué)方式，并建議推廣到所有的實驗項目上去。

4 結(jié) 語

實驗課程的教學(xué)離不開實驗數(shù)據(jù)的測量。因此，如何在有限的課堂實驗時間內(nèi)對學(xué)生測得的實驗數(shù)據(jù)進行快速科學(xué)的分析就顯得至關(guān)重要。本文建立了基于WiFi無線傳輸技術(shù)的實驗數(shù)據(jù)實時檢查分析系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以對學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)進行實時快速科學(xué)的分析，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實驗當(dāng)中出現(xiàn)的問題，避免學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完不成所要求的實驗內(nèi)容。同時還可以對學(xué)生的實驗結(jié)果進行客觀準(zhǔn)確的評定，通過對實驗數(shù)據(jù)的不確定度分析，可以讓學(xué)生明白自己實驗數(shù)據(jù)的主要誤差來源，提高了學(xué)生做實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性。并且，該系統(tǒng)會自動把學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)備份到服務(wù)器上長久保存，這樣既避免了學(xué)生實驗數(shù)據(jù)丟失，無法完成實驗報告的風(fēng)險，還便于對不同院系學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)進行分析比較，從而針對不同院系的學(xué)生特點進行有的放矢地教學(xué)。而且，由于該系統(tǒng)搭載的是目前主流Windows平臺，因此也很容易將該系統(tǒng)推廣移植到其他實驗項目上去。

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Development and Application of Real-time Examination and Analysis System of Experimental Data Based on WiFi Wireless Technology

LIUShengguang，WANGYanhui，MUZongxin，LIXuechun

(School of Physics and Optoelectronic Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)

Real-time examination and analysis of experimental data plays an important role in experimental teaching. The problem can be discovered immediately via real-time data analysis, and the student's grade performance can be objectively assessed in experiment. Therefore, a real-time examination and analysis system of experimental data is developed based on WiFi wireless technology. The methods of constructing the system and the primary functions of sending data interface, receiving data interface and error analysis interface are introduced detailedly. The problem that experimental data cannot be real-time examined and analyzed in experimental classroom is solved, and the teachers' work efficiency and teaching quality are improved with the system.

experimental teaching; WiFi technology; data transmission; data receiving; error analysis

2016-06-13

大連理工大學(xué)教育教學(xué)改革基金項目(MS2014082)

劉升光(1981-)，男，河北邯鄲人，博士，工程師，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)工作和聚變裝置中等離子體與壁材料相互作用的研究工作。

Tel.: 15542616629; E-mail：sgliu@dlut.edu.cn

TP 393; G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0127-04