一种在线通用物理实验报告系统的设计与实现

白洪亮， 周汉杰， 惠 煌， 李雪春， 秦 颖， 吴兴伟

(1.大连理工大学 基础物理国家级实验教学示范中心，辽宁 大连 116024; 2.大连理工大学 软件学院，辽宁 大连 116600)

0 引 言

物理实验是科学实验的先驱。大学(基础)物理实验(以下统称大学物理实验)是理工科学生进入大学后接受系统科学实验方法和实验技能训练的开端，具有其他课程无法替代的作用和地位[1]。实验报告是反映学生实践课程学习情况的最重要媒介之一，在大学物理实验课程中穿插始终[2]。在网络时代，很多实践类课程已经逐渐淘汰纸质实验报告，转而采用无纸化报告[3-7]。与纸质报告相比，无纸化报告有很多先天的优势，如传递效率高、重复劳动可由计算机代替、易于存储、便于对报告内容进行分析和挖掘等[8-11]。然而，调研发现，在大多数高校中，大学物理实验课程的实验报告仍然以纸质介质为主，采用无纸化报告的情况仅限于个例[12]。这种情况的存在，有资金、技术方面的原因，也与授课教师和决策者的思维惯性和对网络技术的发展了解程度不足有关。在使用无纸化报告的高校中，最常见的方式是针对具体的实验项目进行量身定制[13]。这样做的弊端是非常明显的。由于实验教学的项目和内容每年都要进行更新和变动，在使用期内系统始终处于动态修改状态。这就要求开发者必须保持稳定，而且有充足的经费支持。对于大多数高校而言，这种路线几乎是不可行的。采用此类方式开发的无纸化报告系统的生命力因而也会大打折扣。为了消除这些弊端，放弃了量身定制这一传统做法，将通用性、易用性作为出发点，自行开发了一套具有通用特征的在线物理实验报告撰写和批阅系统(以下简称实验报告系统)，尝试以一种新的设计思想改变无纸化报告在大学物理实验这一课程中的困局。

1 无纸化系统设计思路及工作流程

实验报告系统服务的对象是教师和学生，能否被他们接受和喜欢取决于这套系统能否解决好纸质报告中大家遇到的共性问题，能否给他们带来良好的体验。而且，系统也要与现有的教学模式做好衔接，为未来的教学变革留出空间，这样才能被决策者接纳和采用，因为变革也需要一个循序渐进的过程，不能破坏正常的教学秩序。

1.1 保留纸质报告的基本格式

在实践类课程中要求学生撰写实验报告的目的主要是为了借此提高学生的科技写作能力和数据记录、分析能力。传统的纸质实验报告通常包括实验目的、实验原理、实验器材、实验过程、实验数据记录、数据处理、总结分析等不同栏目，基本包含了科学论文的主要元素[14]。可以说，一份成功的实验报告就是一篇科学论文的雏形。因而，在设计实验报告系统时，将这种已经被广泛认可和采用的形式保留了下来。

1.2 灵活、强大的栏目设计

虽然保留了纸质报告的基本格式，但是在无纸化系统中，这些栏目的设立情况可以根据需要在后台进行分类调整，并不是静态的。而且，不同栏目的输入功能和界面是完全一样的，采用了同一套代码。在这些栏目里，科技写作中经常涉及的文字、图片、表格和公式等不同类型的对象都可以非常便利地被插入进来。这种做法适应了不同类型、不同教学目标的实验内容的需要，并且可以有效地减少对网络资源的浪费，提高系统响应速度。

1.3 分角色赋权

系统设定了学生、教师和系统管理员3个角色。学生和授课教师是主要被服务对象，而管理员是整个系统的管家。管理员承担着课程信息和人员信息管理、学生和教师账户权限设定等职责。教师和学生角色都是围绕实验报告开展操作，不同的是学生对报告享有编辑权，而教师具有批阅权。在后续开发中，拟增设题长角色，负责具体实验项目批阅工作的管理和监督。

1.4 工作流程

图1显示的是实验报告系统的工作流程。首先由管理员在系统中批量导入课程安排，所有实验项目的开课时间、节次、实验地点、授课教师等课程基本信息都需要提前设定好供学生在撰写报告前选择入位；学生完成课上实验后需要进入系统撰写和提交实验报告，写好的报告需要通过系统直接推送给授课教师；授课教师可以对已提交的报告进行预审和批阅。预审是对提交的报告的基本情况进行审查，如果报告不完整或提交错了，可以由教师退回给学生。学生收到退回的报告可以进行一些修改、完善和再次提交，也可以修改课程信息后转投其他老师。批阅是教师对学生的报告进行点评和打分的环节，待教师确认批阅结束后系统会自动将批阅结果推送给学生，同时将成绩汇总供教师查阅和导出。

图1 实验报告系统工作流程图

2 系统主要特色

2.1 操作简单

对于教师和学生而言，友好的操作界面是提高使用体验的重要因素。如图2所示，实验报告系统的工作界面采用了与微软Office软件和网络论坛类似的功能菜单，学生和教师只需要掌握了Word和Excel的基本使用技巧就可以完成实验报告的撰写和批阅。这样做的目的主要是考虑了大多数师生的使用习惯。学生在各个栏目中可以键入文字，插入图片和表格，修改文字字体、字号、颜色，添加段落编号等。此外，为系统专门开发了公式编辑器，学生可以像使用Office公式编辑器和Mathtype插件一样直接在页面进行公式的输入和编辑。这些功能是理工科学生使用Office软件时最常用的一些功能，采用类似的设计不仅使得实验报告系统更加易用，对于对Office软件不熟悉的学生而言，也可以利用这套系统学习相关的使用技巧。图2(b)展示了一份学生利用本系统所撰写的实验报告的一部分内容的截图。在这份报告中，公式、表格、图片等不同类型的对象都被展现了出来，说明物理实验报告中常见的内容都可以利用这个系统提供的功能进行实现。

(a)

2.2 在线表格辅助教师批阅报告

对于大学物理实验课程教学而言，一个非常重要但是长期未能很好解决的问题是抄袭和伪造数据的现象屡禁不止[15]。实际教学中，由于批改量非常大，很少有教师亲手去一一核验学生实验报告的计算结果正确与否。参考Excel和在线文档的功能和模式，将在线电子表格引入到实验报告系统中。在电子表格中，参考Excel编写了大量的内置函数，这样使用者除了可以自由添加或者删除行列，还可以直接在在线表格里引用表格内的数据进行函数计算。这是一种非常便捷的方法，学生和教师无需借助于计算器和其他软件就可以完成数据的计算和核验。

为了彻底杜绝伪造数据的现象，系统中专门安排了“原始数据”栏目。学生在撰写实验报告前需要先将带有授课教师签字的原始数据记录照片上传到该栏目中并同时将原始数据以电子表格的形式插入到其中。上传签字的原始数据照片是为了防止学生美化数据或另起炉灶重新编凑一套数据蒙混过关，原始数据电子化则有利于教师直接调用和计算。教师批阅时可以利用这些数据和内置函数进行在线计算，核算效率和准确度都有了很大的提高。

2.3 浮动批阅标签

批改纸质报告时，传统的做法是教师直接在出现问题或者值得肯定的地方用笔进行标注和打分。这种做法的好处是学生看到批注就可以知道问题所在。这种做法的弊端也非常明显。例如，其中包含着大量的重复性劳动，教师统计分数麻烦且极易出现错误等。吸收了手工批注的优点，将这一功能引进到了无纸化报告系统中。在这里，教师对报告进行批注和评分时不再借助于笔，而是采用了浮动标签形式。浮动标签的内容包括提示文本和扣分分值，可以由教师输入并在使用一次后被重复调用(如图3(a)所示)。浮动标签可以在栏目内被任意拖到需要的位置，并且在教师确认批阅结束后固定下来。这样学生在查看自己的报告时可以像纸质报告一样在出现问题的地方查看批阅信息和了解扣分情况(如图3(b)所示)。浮动标签的添加和移动同时支持鼠标和触摸屏操作，系统界面会根据所使用的设备和系统进行一些必要的调整，在PC、笔记本电脑、平板电脑和智能手机上都可以进行批阅。这样，教师可以将出差、课间等零散时间充分利用起来，不受空间和平台的限制开展批阅工作。除此之外，教师的工作界面还设计了画笔功能，打开该功能后教师可以利用鼠标或者手指直接在报告上任意圈点，使得系统的易用性进一步提高。在系统界面的边栏部分，学生信息、批注内容、扣分情况、最终得分以及整体得分分布情况都会实时集中显示，有助于教师实时了解批阅情况。

(a) 批阅标签的添加

(b) 批阅结果的显示

2.4 双报告分栏对比功能

除了抄袭和伪造数据，机械模仿是另一种普遍出现的不良行为。这种行为主要体现在照搬别人的过程和算法处理自己的数据和撰写报告而不进行任何思考和修正。这种行为实际上也是一种抄袭，理应坚决打击。然而，在纸质报告时代，教师面对这种行为往往是心里清楚但是取证困难，因为报告在批改完后都得返还给学生。借鉴一些网站的对比功能，实验报告系统开发了单双栏切换功能。在单栏模式下，教师每次只能查看和批阅一份报告；在双栏模式下，可以一次调阅、批改两份不同的报告，而且每份报告还可以通过翻页系统切换到其他的报告。这个功能可以帮助教师对不同实验报告的内容进行对比，十分有利于查找报告中存在的各种问题。图4给出了分栏对比模式下的教师批阅界面的截图。来自两名不同学生的实验数据表格完整的被显示在栏目中。实践证明分栏对比模式使得批改效率较单栏模式提高了至少1/3以上。

图4 教师工作界面的分栏对比批阅功能展示

3 结 语

在大学物理实验这一基础实践类课程中，无纸化报告的发展遇到了各种困难。基于纸质实验报告的基本范式并参考商业办公软件和网站系统的形式和功能，尝试开发了一套具有通用特征的在线物理实验报告系统。该系统将在线电子表格、分栏对比、浮动标签等在商业网站上深受欢迎的功能吸收进来，较好地解决了类似系统适用性差、易用性低的问题。由于没有相似体系的系统供参考，商业系统的代码也不对外公开，由授课教师和学生组成的开发者的经验和技术水平也有限，导致系统还有诸多不完善的地方。但是，作为一项有益的尝试，系统的设计目标已经初步得到了实现并在实际教学中予以体现，这为未来进一步开发打下了坚实的基础，也为同类系统的开发提供了一种新的设计思路。