基于无线WiFi的实验数据实时检查分析系统的开发与实践

刘升光， 王艳辉， 牟宗信， 李雪春

(大连理工大学 物理与光电工程学院， 辽宁 大连 116024)

基于无线WiFi的实验数据实时检查分析系统的开发与实践

刘升光， 王艳辉， 牟宗信， 李雪春

(大连理工大学 物理与光电工程学院， 辽宁 大连 116024)

实验数据实时检查分析在实验教学中起着非常关键的作用。通过实时数据分析可以及时发现学生实验当中存在的问题，并且可以对学生的实验成绩进行客观的评定。开发了基于WiFi无线传输技术的实验数据实时检查分析系统，详细介绍了系统的搭建方法及数据发送界面、数据接收界面和数据分析界面的主要功能。该系统可以解决教师无法在实验课堂上实时检查分析学生实验数据的问题，能有效提高教师指导效率及课堂教学质量。

实验教学； WiFi技术； 数据发送； 数据接收； 误差分析

0 引 言

在实验教学当中，几乎每个实验都离不开对物理量的测量，一个实验的完成过程通常是学生通过对实验仪器的具体操作来测量一系列实验数据的过程。测量数据的质量可以反映出学生在实验过程中的许多信息，比如实验设计是否合理，仪器选择是否恰当，仪器调整、操作是否正确、读数是否科学等。因此，实时对学生测得的实验数据进行检查分析就显得尤为重要[1-4]，这不仅可以使教师及时发现问题并提供及时的指导，而且还能对学生的课堂表现给出客观、公正的评价。目前主流的上课方式是学生在课堂上操作实验仪器测量实验数据，教师检查最终测量结果并给出评价。这种方式存在两方面的弊端：一方面，由于多数待测物理量都属于间接测量量[5-8]，这需要对多个直接测量量进行多次测量求得。当教师在检查最终结果时发现问题，学生在课堂中已经基本没有时间改正；另一方面，教师根据测量结果对学生的操作进行评价时，只能定性的看出实验数据是否正确，很难定量的评定实验结果的质量，因此对学生课堂操作成绩的评价难免就会有主观因素的存在。为了解决这一问题，本文利用Visual C#[9-10]及Matlab[11-12]编程语言开发了基于WiFi无线传输技术[13]的实验数据实时检查分析系统，学生利用该系统可以直接把所测得的实验数据及图像随时发送到教师电脑上，并会在教师电脑上立刻给出该实验数据的误差分析结果，教师根据具体实验数据的检查分析，可以及时发现学生操作中的问题，轻松对学生的实验数据进行客观的评定，同时还能发现实验数据的主要误差来源。

1 实验数据实时检查分析系统的硬件搭建

为保证实验数据实时传输的快速性和稳定性，首先需要搭建良好的局域网环境。实验环境所采用的网络拓扑如图1所示，整个数据的接收过程采用的是WiFi无线传输技术，这样做既可以节省实验台的空间，同时还不会受实验室空间位置的限制。实验室内的无线WiFi信号是通过TL-WVR450G无线企业VPN路由器发射的，该路由器可以构建稳定良好的WiFi无线局域网环境，同时还可以对多种无线IP地址段和网卡地址进行监控和过滤，非常便于管理和使用。数据发送和接收采用的是TCP协议[13]，该协议能在IP环境下为应用程序提供可靠的通信连接，使一台计算机发出的字节流无差错地发往网络上的其他计算机，对于可靠性要求高的数据通信系统往往使用TCP协议传输数据。

图1 实验环境所采用的网络拓扑图

在数据发送端，采用搭载Windows系统的平板电脑，平板电脑都自带无线网卡和拍照功能，这极大方便了数据和图像的无线传输，并且平板电脑所占用的实验台空间较小，可以直接摆放在实验台上。数据接收端采用的是普通台式电脑，当数据接收端接收到学生所发送的实验数据以后，会立刻把学生的实验数据分析出来，给出实验数据点曲线分布、误差分析及主要误差点的来源等多种分析结果，从而能够让教师把学生出现的问题及时地反馈给学生，让学生知道自己哪里操作不规范。同时，数据接收端接收到的数据会自动备份到实验中心的服务器上，这样学生的原始数据可以保持多年不会丢失，而且可以对历届学生的原始数据进行分析对比，从而发现学生的主要问题所在。

2 实验数据实时检查分析系统的软件设计

对于操作性强、数据量大以及实验人数相对较多的实验项目来说，如何在短时间内对学生的实验数据进行客观快速的分析就显得尤为重要。因为可以通过对实验数据的实时分析及时发现学生在实验中所遇到的问题，并且可以对学生的实验结果有一个客观准确的评定。“光的等厚干涉实验”作为物理学中的经典实验具有操作性强、数据量相对较多的特点[14]，同时该实验也是理工科学生的必做实验，尤其该实验的自主搭建劈尖测细丝直径环节，非常考验学生的动手操作能力。因此，这里以 “光的等厚干涉实验”为例来描述实验数据实时检查分析系统的具体使用方法。

2.1 学生实验数据发送端界面设计

学生实验数据发送端的界面设计如图2所示，在数据发送端，学生需要先输入姓名、学号、院系班级和实验台号信息，然后再在表格中输入实验过程当中测量到的原始数据，该软件可以对做实验的学生进行图像采集，当必要的信息输入完毕后，点击SendData按钮，在教师的数据接收端就会立刻接收到该生发送的实验数据，并给出相应数据的误差分析结果。同时，为锻炼学生自主设计数据表格的能力，在软件界面的发送端并没有直接给出固定的数据表格格式，而是给出了空白的数据表格。这就需要学生在空白的数据表格中自主设计表格，以充分锻炼学生自主设计数据表格的能力。由于不同的学生设计的数据表格形式多样，所以在数据分析时，加入了大量的数据分析函数，经过多次测试和改进，已完全可以智能地把需要的实验数据正确提取出来，以便于数据的后续分析。而且，考虑到突发情况的发生，例如学生在输入数据的过程中发生电脑死机，重启电脑后学生先前输入的实验数据就会消失，为了避免学生重复输入数据浪费时间，在软件设计时，加入了数据自动实时保存的功能，这样即使电脑重启，学生都可以把先前输入的数据重新导入到软件界面中进行数据发送，从而避免数据重复输入。

图2 实验数据发送端软件界面设计图

2.2 教师实验数据接收端界面设计

当学生在数据发送端发送实验数据以后，在实验室的无线局域网环境内，接收端会立刻接收到该生发送的实验数据。教师实验数据接收端的界面设计如图3所示，当收到某学生发送的实验数据后，对应的实验台号就会由浅灰色变为红色，以提醒实验教师有数据发送并且成功接收，同时学生的实验数据以及图像信息会自动导入到接收端界面相应的表格内。此时，只要点击已经变为红色的实验台号，就会弹出对该生的实验数据进行分析的界面。并且该接收端可以多次接收同一学生发送的实验数据，例如当教师接收到学生发送的实验数据以后，发现学生的实验数据有明显错误，则可以让学生修改后重新发送，在接收状态显示框内可以实时显示哪个实验台又发送了数据。这样的设计可以让学生在实验过程当中实时给教师发送数据，当学生在实验中获得部分实验数据以后，不确定所得的实验数据是否合理，可以先输入部分数据发送到教师接收端，待教师检测无误后再进行下一步的测量，通过实时的检测学生实验数据可以避免学生在实验完成后，所得到的数据都是错误的后果，以保证学生在规定的实验时间内，顺利的完成所要求的实验内容。

图3 实验数据接收端软件界面设计图

2.3 实验数据误差分析

当教师接收端接收到学生发送的实验数据以后，点击其对应的实验台号，就会弹出实验数据误差分析的界面，界面图如图4所示。从图中可以看出，实验数据的误差分析中不仅给出了实验数据点的曲线分布，还给出了不同算法的对比结果以及对应数据的不确定度分析。从实验数据点的曲线分布图中可以立刻看出数据点的分布情况并找出异常的数据点，以劈尖干涉的实验数据为例，从分布图中可以看出，在10级条纹长度的数据点中，随着测量次数的增加，测量值呈递减趋势，这说明该生在操作过程中有不规范的因素存在，数据并没有呈现随机分布状态，这会导致该组数据点的A类不确定度较大。在劈尖长度的数据点中，可以看出随着测量次数的增加，数据点呈随机分布状态，图中第2个数据点和第4个数据点差别最大，在数据接收端的界面可以直接删除差别大的数据点并对其余的实验数据进行分析，从而判断出导致误差较大的主要数据点来源。在对实验数据的不确定度分析中，给出了实验数据的A类不确定度大小以及最终测量结果的不确定度大小和相对误差的大小，通过这些数据结果可以很好的评估出学生所测量数据的精确度[15]。

图4 实验数据误差分析界面图

3 使用效果及学生反馈

该系统已在实验教学中进行了应用，图5为学生课堂上使用该数据检查分析系统的情景以及整个实验室的场景图。通过教学实践，发现此系统不仅给教师的课堂指导和成绩评定带来了很大方便，而且也非常受学生的欢迎。一些学生在实验体会中写到 “运用了较为先进的数据录入分析系统，可以方便快捷地在短时间内判断自己的实验误差大小，如误差很大可以马上调节仪器想办法解决。” “新的数据处理系统将数据输入到平板中，在终端会有结果示意，保证了结果的公正性，更方便老师打分并找出问题所在，防止数据有问题，回头没法处理的情况发生。” “此次实验的数据处理引入了一种新的数据分析系统，使我们大开眼界，同时检验了实验数据质量，也使我们的实验打分公平公正”。为了进一步了解学生对于使用该系统的体会和评价，我们还针对该系统设计了调查问卷。通过对将近300名学生的调查问卷统计，发现98%的学生对该系统的反馈都特别好，希望在实验中使用该数据分析系统，认为这是一种非常好的实验课堂教学方式，并建议推广到所有的实验项目上去。

4 结 语

实验课程的教学离不开实验数据的测量。因此，如何在有限的课堂实验时间内对学生测得的实验数据进行快速科学的分析就显得至关重要。本文建立了基于WiFi无线传输技术的实验数据实时检查分析系统，利用该系统可以对学生的实验数据进行实时快速科学的分析，及时发现学生在实验当中出现的问题，避免学生在规定的时间内完不成所要求的实验内容。同时还可以对学生的实验结果进行客观准确的评定，通过对实验数据的不确定度分析，可以让学生明白自己实验数据的主要误差来源，提高了学生做实验的严谨性和规范性。并且，该系统会自动把学生的实验数据备份到服务器上长久保存，这样既避免了学生实验数据丢失，无法完成实验报告的风险，还便于对不同院系学生的实验数据进行分析比较，从而针对不同院系的学生特点进行有的放矢地教学。而且，由于该系统搭载的是目前主流Windows平台，因此也很容易将该系统推广移植到其他实验项目上去。

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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

大连理工大学教育教学改革基金项目(MS2014082)

刘升光(1981-)，男，河北邯郸人，博士，工程师，主要从事大学物理实验教学工作和聚变装置中等离子体与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