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1、 实验室信息化建设与研究实验室信息化建设与研究摘 要:本文以大学物理实验中典型实验项目数据实时现场采集、处理管理系统的设计为研究对象，利用 microsoft visual basic 6.0 语言及 access 数据库开发处理软件功能，对独立物理实验项目的实验原理、实验内容、实验数据等信息进行采集处理，同时对实验原始数据中各物理量之间所具有的物理含义、数据处理运算过程中数据之间的内部数学运算关系、数据处理结果的误差表达与分析等过程进行编程设计，并对系统设计程序进行在线仿真调试结果进行分析。关键词:大学物理实验 数据采集 管理系统 vb 编程在大学物理实验课程学习中，数据处理结果的优劣直接影
2、响实验效果和教学质量。在传统大学物理实验里，由于学时和实验要求内容的限制，学生对每个实验的学习，分为课前预习准备、到实验室进行实验操作、将观测到的实验现象与原始实验数据进行记录、回到寝室后按实验理论与实验数据处理要求进行数据整理和处理、最后填写实验报告等几个阶段进行的。在这样的实验课程学习模式下，靠课后再对实验数据进行整理和处理方式，对来自于实验系统，仪器组合、或操作环节中人为因素所附加的实验误差，会影响记录的数据。这一现象在课内是不能及时发现的，则要等到实验者离开实验室后，在进行数据处理和填写实验报告时才会反映出来。如果遇上实验仪器组合复杂、且有一定难度的综合设计性实验时，因时间原因实验者只
3、能进行单次或匆忙几次的观测记录数据。对于实验观测所获得的数据是否科学合理，对超出系统误差范围的数据正误的判断更是不能发现和作相应改进处理的。为了满足误差理论、数据处理和实验报告的要求，事后实验者往往会对不合理、误差大的测量数据、包括对数据处理结果和实验图线进行人为”改动处理” 。一、物理实验数据处理问题分析通过对上述传统物理实验学习中，在数据记录和处理过程里出现影响误差结果的突出问题进行深入研究，同时对国内现有物理实验教学管理方面的应用软件的功能进行调研后。我们认为，目前已有的物理实验数据处理软件，如 origin、matlab 和其它类型的实验仿真系统，虽然功能强大，但不适合于我校大学物理实
4、验教学实际；在处理某些实验项目涉及物理量多、数学函数关系复杂、处理量大的实验数据时受到软件的局限；有的实验数据处理系统利用 excel 来处理实验数据，虽然使用方便，函数功能丰富，但是在数据库管理上也存在不能处理较为复杂物理实验数据、和用多种误差处理方法去处理和输出数据的问题。我们感到，要有效地解决上述问题，首先要让实验者在快捷处理数据，其次要找到影响实验误差的原因，其三要通过改进教学方法，让实验者在有限学时内指导实验者改进实验方法，在现场通过多次测量记录和处理数据，将实验误差减小到容许的范围内。为此，我们利用计算机高速运算的功能，同时运用 microsoft visual basic6.0语
5、言及 access 数据库功能和所学的编程技术，提出面向大学物理实验室现场实验数据采集与自动处理的实时实验数据处理系统的编程设计，并对系统进行仿真测试。以解决实验者及时发现和处理误差的问题，从而提高实验室信息化管理的水平。二、实时物理实验数据处理系统结构总体设计围绕上述研究方向，我们在我校开设的大学物理（力学、热学、电磁学、光学、近代物理）各部分实验教学计划、教学大纲和教材的指导下，分别就该课程在实验项目内容、误差理论、实验操作技能、实验报告等方面的基本要求进行调研和相关文献资料的查阅，同时调阅了部分物理实验报告。在此基础上重点就该课程对数据记录与处理、误差理论与分析要求进行研究分析。在此基础
6、上确定选取大学物理力学实验中能集中体现上述要求和研究的一个典型实验项目，作为本数据处理系统编程设计的研究对象，旨在作为下一步深入研究的基础。1、系统基本结构的设计根据实时数据处理系统与编程设计技术要求，结合我校大学物理实验开设现状进行分析，同时综合考虑课程对实验原理、仪器组合、项目内容、实验操作观测的基本要求，以及数据处理系统需要采集和处理的数据内部的物理意义、数学运算函数关系等方面因素。我们认为，在作本数据处理系统结构设计时，不仅要考虑所要采集数据的类型、结构形式、数据之间内在逻辑关系，还需考虑 microsoft visual basic 6.0 语言及 access 软件对系统功能实现上
7、，在编程结构、程序运行方面的有机结合，以及可行性等方面的论证（包括系统访问、修改查询、界面的设计） ，从而设计出满足物理实验要求的数据采集处理系统。经过充分论证确定出大学物理实验数据处理系统结构如图 1 所示。图 1 大学物理实验数据处理系统结构模块图2、系统实现功能的设计针对本实验数据处理系统要完成实验者现场采集数据、实时处理和输出结果、重复录入与再处理输出数据的基本设计要求，并通过对上述系统结构设计，以及系统进行编程实现的技术论证和综合分析，确定本系统主要包括学生现场数据录入与实时修改、数据处理运行、误差分析、结果输出、单次与多次实验测量的数据录入运行结果的后台保存与删除、成绩的现场判决、
8、系统自动运行与实验基本信息资源查询等功能。并重点对在线实验数据信息内容录入的范围以及需调试实现的功能的设计，包括系统在自动处理记录数据的类型、原始数据的单次与多次采集、数据的自动刷新、基本实验信息资源查询等功能在编程中的可行性进行论证。3、系统设计编程语言的选择论证根据系统设计与功能要求，要使计算机自动完成实验数据的采集、运算处理，及时更新多次录入的数据、列表或以图线形式输出误差处理结果、对实验结束后统计个人和班级成绩等方面的管理工作，同时还要兼顾实验者近程或远程登录本系统进行在线预习实验、帮助教师进行单项实验结果与成绩的判定、课程成绩统计等扩展功能实现与编程技术的分析研究，我们认为本系统选择
9、通过 microsoft odbc 作驱动程序，sql 语言链接 access 数据库能很好的实现上述设计要求。同时由于 microsoft office 开发语言和 access2007 数据库中程序和数据库的交互应用都被 adodb 模块封装好了。visual basic 只要编写一定量的代码便可方便浏览数据库。采用这些语言编程既能使设计的系统科学地组织和处理数据，同时也便于系统的维护。三、实验数据处理系统模块的设计1、权限登录模块的设计系统登录权限分为教师、学生和管理员三种身份。学生登录后可以进行数据类型选择，分别从力学，热学，声学，光学，电磁学实验选择本次实验所属类型，进行实验，通过数
10、据处理模块得到实验结果。教师登录后可以进入信息查询模块，查询对应 id 学生的当前实验情况以及全部同学的实验成绩统计列表。管理员登录后可以对系统进行维护，添加帐号密码等。2、系统设置模块的设计系统设置包括账号管理和密码管理。管理员进入帐号管理后，可通过合理的数据库结构保存数据信息，并使用有效的程序支持各种数据操作执行。教师和学生只能进入密码管理模块，修改自己的密码，保护自己的信息安全。3、实验类型选择模块的设计学生根据提示，选择本次实验所属类型。如力学实验中的长度测量、杨氏弹性模量测定（伸长法）等；热学实验中的金属丝膨胀系数、良导体导系数的测定等；电磁学实验中的伏安法测二极管特性、惠斯通电桥测
11、电阻等；光学实验中的薄透镜焦距的测定、牛顿环与劈尖干涉、偏振现象的观察和分析等；近代物理实验中的塞曼效应、电子衍射等观测等。其中每个实验项目包括实验所需的基本实验信息数据，便于实验者进行预习时访问查询。4、数据处理模块的设计数据的科学有效处理是实验的要求和目的，该模块包括基本数据的单次录入、数据的多次录入修改、数据处理等，其中处理可选择列表法、作图法、逐差法和最小二乘法等多种处理形式。实验者还可通过不确定度的评定得出该实验数据的结果。5、信息查询模块的设计一个 id 对应一个信息，教师根据不同的 id 就可以查询到当前学生的实验情况，包括实验报告提交情况，实验进行情况，和未完成的实验。教师对成
12、绩进行统计时，点击相应按钮就可以得到学生实验数据的列表排序，方便得对同学实验成绩记录，掌握完整成绩反馈。四、系统设计实例解析根据上述系统设计思想与方法，我们选择力学实验中的杨氏弹性模量的测定（伸长法） 这个典型实验为本系统设计的研究对象。下边以该实验中对各种数据信息进行实时采集过程进行编程设计与仿真运行为例，介绍本实验数据处理系统的设计与实现。ado 是 microsoft visual basic 6.0 最新推出的数据访问系统，本系统使用它作为数据库访问接口，在数据库访问设置中，引用ado 对象库，建立公共模块 module 调用子程序 connecttodb，根据返回值判断数据库连接情况
13、，若连接成功则显示登录界面，否则弹出消息框”数据库连接失败！” 。其部分程序代码如下：cn.open “provider=microsoft.jet.oledb.4.0;data source=f:vb 数据库8.11wx.mdb;persist security info=false”connecttodb = trueexit functionerr:connecttodb = false首先，对实验者进行访问时进行数据录入前的权限进行登录，其登录后可根据不同身份选择实验功能。系统登录界面如图 2 权限登录示意图所示。图 2 权限登录 图3 实验处理结果统计表第二，进入实验设置。分别有实验
14、原理、实验目的、实验内容、实验装置、数据录入与处理。第三，学生根据系统提示，依次将测量 6 次的钢丝直径 d 并录入数据表格里。第四，点击系统数据处理框，系统将自动完成算术平均值计算。第五，分别将光杠杆测量短臂末端的微小位移 l、长臂长 d、短臂长 b、6 次增、减法砝码时对应的金属丝的伸长测量值录入到系统设计的表格里，再点击数据处理按钮，此时系统将结束一次数据录入。第六，系统将在上一步点击数据处理按钮时根据设置的公式，自动计算 e 值，并将得出结果显示在数据输出窗口里。第七，学生点击保存，此成绩就上交成功。如果要与标称值进行比较，系统也会自动输出测量误差结果。第八，重复测量数据录入之前，可先
15、选择对以前数据进行刷新（或暂时保存等） ，再将重复实验数据录入到系统之中，再按上述处理方式进行数据处理和结果的输出。第九，教师在数成绩统计模块可以方便的查询学生得到的数据d、d、l、b、e 的值，并且根据实验成绩进行排序。系统将自动生成数据处理结果统计列表，如图 3 所示。五、实时实验数据处理系统特点根据上述实时物理实验数据处理系统的设计与仿真调试的实例，其系统基本达到了系统研究的功能和要求，并具有以下主要的创新特点：第一，系统使用方法与维护工作易于掌握。由于 microsoft visual basic 6.0 具有数据库连接和数据处理功能，作为本系统的开发环境，使用方法简单，而且可以方便的
16、链接数据库 access进行数据调用，能实时重复输入、更新和保存实验数据。第二，系统有较丰富资源信息提供实验者自主学习。实验者还可通过局域网登录系统，选择系统界面中的”实验类型” ，快捷浏览每个实验项目里设置的教学资源信息，尤其是在实验数据采集图标的引导下，可提前做好实验前的预习。第三，系统能方便实验者和教师的查询。系统不仅可以接受实验者查询自己的实验情况，同时还为教师设置了查询查询学生个人和班级学生实验情况，包括对实验成绩分类统计等功能，教师可通过成绩统计按钮实时查看实验报告提交、当前学生实验情况等。对于实验数据处理有错误时，系统会自动提示错误原因，同时弹出重做提示窗口。此外，本实验数据处理系统界面注意人性化的设计，界面脚本设计有温馨提示如离实验结束时间，该学生下一次实验日期，当前实验成绩等，可激发学习者的浓厚兴趣。六、结论通过本系统设计方案的论证、以及对系统各功能模块的编程设计和仿真调试，以及通过典型实例的设计研究，实现在线实验数据记录与处理、实时处理输出
