視頻與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)在物理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用──以RLC串聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)為例

劉朝輝，吳先球

(華南師范大學(xué) a.物理與電信工程學(xué)院;b.物理學(xué)科基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣東 廣州 510006)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是理工類(lèi)大學(xué)生進(jìn)入大學(xué)必修的一門(mén)課程，該課程所講授的基本概念、基本理論和基本方法是構(gòu)成學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的物理領(lǐng)域知識(shí)和科學(xué)精神具有啟蒙和塑造作用. 目前對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的考核與評(píng)價(jià)通常是根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、期末的筆試測(cè)驗(yàn)和教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作觀察. 這種評(píng)價(jià)難以全面客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程，導(dǎo)致學(xué)生只關(guān)注實(shí)驗(yàn)的理論和結(jié)論，忽視實(shí)驗(yàn)過(guò)程. 物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程全局評(píng)價(jià)是促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的理想評(píng)價(jià)方式，但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁雜，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生眾多，難以對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全面客觀地記錄與評(píng)價(jià)，隨著技術(shù)進(jìn)步，本文設(shè)計(jì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程的視頻與數(shù)據(jù)同步記錄系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)記錄的分析和可視化顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的全局呈現(xiàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的數(shù)據(jù)波形和實(shí)驗(yàn)視頻的聯(lián)動(dòng)檢索，為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)提供全面、客觀的評(píng)價(jià)依據(jù)，提高實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的效率和科學(xué)性.

1 視頻與數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視頻與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)采集系統(tǒng)應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，視頻和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)提供評(píng)價(jià)依據(jù)，必須全面、精確、完整. 系統(tǒng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行過(guò)程性評(píng)價(jià)，通過(guò)數(shù)據(jù)變化點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)檢索實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的視頻和數(shù)據(jù)波形，提高評(píng)價(jià)效率.

系統(tǒng)硬件不僅要滿足實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)對(duì)視頻清晰度和數(shù)據(jù)精確完整度的要求，也要考慮成本、實(shí)施便捷，同時(shí)盡量不干擾學(xué)生做實(shí)驗(yàn). 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要包括3部分：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、數(shù)據(jù)與視頻記錄分析計(jì)算機(jī). 系統(tǒng)前端包含數(shù)據(jù)采集和視頻采集2個(gè)模塊，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡完成，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)主要包含力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)實(shí)驗(yàn)[2]，實(shí)驗(yàn)所涉及的物理量通過(guò)相關(guān)的力、熱、光、電傳感器轉(zhuǎn)換為可采集的電壓信號(hào)后傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸[3]. 實(shí)驗(yàn)視頻采集通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭完成. 考慮到成本和本系統(tǒng)在教學(xué)中的具體實(shí)施，采集到的實(shí)驗(yàn)視頻和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都采用同一IEEE 802.3 兼容的以太網(wǎng)傳輸，計(jì)算機(jī)接收到實(shí)驗(yàn)視頻和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與分析.

圖1 視頻與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

示波器是物理實(shí)驗(yàn)常用設(shè)備，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一些關(guān)鍵物理量可以通過(guò)示波器來(lái)觀察. 示波器顯示的關(guān)鍵物理量變化貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程可以通過(guò)關(guān)鍵物理量的變化和趨勢(shì)體現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)對(duì)示波器顯示數(shù)據(jù)波形的分析，可以對(duì)學(xué)生的認(rèn)知領(lǐng)域和操作領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行評(píng)價(jià)，示波器顯示的數(shù)據(jù)可以做為實(shí)驗(yàn)的主要評(píng)價(jià)依據(jù).

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)要滿足透明、兼容、實(shí)時(shí)、可靠、低成本5個(gè)條件. 透明是指數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)對(duì)于學(xué)生是透明的，不應(yīng)該影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作或者為學(xué)生實(shí)驗(yàn)帶來(lái)額外的操作負(fù)擔(dān). 兼容是指數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)該從數(shù)據(jù)采集通道數(shù)量、采樣精度、采樣速度方面都達(dá)到普通物理實(shí)驗(yàn)需要，技術(shù)指標(biāo)能夠滿足完整、實(shí)時(shí)、可靠地采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的需要. 同時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定和低成本是現(xiàn)實(shí)推廣需要.

基于以上要求，采用意法半導(dǎo)體出品的高性能、低成本、低功耗ARM Cortex-M內(nèi)核芯片STM32F103RBT6做為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡核心[4]，采用MicroChip公司SPI總線的ENC28J60以太網(wǎng)絡(luò)芯片，使用專(zhuān)為8 bit和16 bit的嵌入式微控制器設(shè)計(jì)的微型TCP/IP協(xié)議棧-uIP協(xié)議棧與計(jì)算機(jī)進(jìn)行TCP通信[5]，采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理. 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖2所示.

圖2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)

1.2.2 視頻記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)視頻記錄是實(shí)驗(yàn)考核重要的依據(jù)，實(shí)驗(yàn)儀器的操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象、操作者的操作熟練程度等實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)相關(guān)動(dòng)作和現(xiàn)象都要通過(guò)視頻來(lái)體現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)者需要對(duì)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)操作動(dòng)作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，視頻記錄的清晰度要達(dá)到評(píng)價(jià)要求，同時(shí)要兼顧視頻傳輸帶寬和視頻存儲(chǔ)的系統(tǒng)要求，為方便視頻錄制，攝像頭應(yīng)具備視頻屬性設(shè)置和云臺(tái)控制功能. 本系統(tǒng)采用聯(lián)視威PNP T系列網(wǎng)絡(luò)攝像頭，該攝像頭具有廣角3.6 mm鏡頭，支持640×480分辨率，自帶云臺(tái)，具有低照度補(bǔ)光功能，網(wǎng)絡(luò)攝像頭帶軟件開(kāi)發(fā)包，滿足實(shí)驗(yàn)視頻記錄要求.

視頻與數(shù)據(jù)記錄軟件采用虛擬儀器軟件LabVIEW2013編寫(xiě). LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)，具有類(lèi)似于C和Basic開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序采用框圖形式，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，利用軟件即是儀器的思想設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大的儀器. 軟件內(nèi)置大量諸如波形顯示、數(shù)字表頭、數(shù)字信號(hào)處理、波形分析、硬件讀寫(xiě)等子程序和控件[6]，以這些成熟的子程序和控件為基礎(chǔ)，可以在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出界面友好，性能優(yōu)良的虛擬儀器. 針對(duì)不同的物理實(shí)驗(yàn)，無(wú)需對(duì)硬件進(jìn)行大規(guī)模修改，只要進(jìn)行相關(guān)控件和程序的增加或修改就可完成不同物理量的采集和分析. 軟件以ActiveX方式調(diào)用攝像頭的軟件開(kāi)發(fā)包，開(kāi)發(fā)包建立在數(shù)據(jù)通訊和視頻處理軟件上層，提供調(diào)用接口，利用攝像頭開(kāi)發(fā)包的指令集，無(wú)需進(jìn)行底層編程就可以完成云臺(tái)控制、視頻屬性設(shè)置、錄像等功能. 該視頻記錄系統(tǒng)錄制的視頻格式為AVI格式，10M以太網(wǎng)可以流暢傳輸，30 min的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程占用存儲(chǔ)空間300 M左右，滿足實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)要求，成本較低實(shí)施便捷.

視頻與數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)界面如圖3所示，可在計(jì)算機(jī)端通過(guò)軟件遠(yuǎn)程調(diào)整網(wǎng)絡(luò)攝像頭云臺(tái)和視頻錄制參量，根據(jù)不同物理實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集卡采樣率. 為監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過(guò)程的錄制，對(duì)實(shí)時(shí)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)軟件界面下方的虛擬示波器顯示[7]，該示波器與真實(shí)的示波器功能和調(diào)節(jié)方法一致,顯示的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)同步.

1.2.3 實(shí)驗(yàn)視頻與數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)

軟件要完成的任務(wù)有2個(gè)：第一是對(duì)全局實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的可視化呈現(xiàn)，分析和挖掘出實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，便于評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作的合理性. 第二是根據(jù)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)檢索相關(guān)實(shí)驗(yàn)視頻和具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯示關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)視頻和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形，這是提高實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)效率的關(guān)鍵.

圖3 視頻與數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)界面

對(duì)全局實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的可視化呈現(xiàn)、分析和挖掘通過(guò)LabVIEW完成. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以LabVIEW的Waveform數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，該格式可記錄多通道數(shù)據(jù)的絕對(duì)時(shí)間、采樣率、幅度值. 軟件對(duì)存儲(chǔ)的各通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并按照相關(guān)實(shí)驗(yàn)物理量的定標(biāo)進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換，根據(jù)數(shù)據(jù)記錄起始時(shí)間、采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)物理量數(shù)據(jù)還原，通過(guò)LabVIEW的Waveform Graph顯示控件顯示數(shù)據(jù)波形. 對(duì)于不同的物理實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，可以為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)提供更為直觀有效的參考依據(jù). 視頻與數(shù)據(jù)記錄分析界面如圖4所示，界面的下半部分4個(gè)物理量軸顯示的是實(shí)驗(yàn)過(guò)程全局物理量變化趨勢(shì)，分為信號(hào)頻率軸、直流電壓軸、電壓幅度軸、按鍵軸4個(gè)以實(shí)驗(yàn)時(shí)間索引的主軸. 界面上半部分顯示的是物理量軸上游標(biāo)所在時(shí)刻對(duì)應(yīng)的具體實(shí)驗(yàn)視頻和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形. 頻率軸、直流軸、幅度軸整體數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可以反映出學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的操作行為導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)響應(yīng)，按鍵軸記錄學(xué)生在每次完成自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟后按下的按鍵，和學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的記錄相對(duì)應(yīng). 可視化數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖中以實(shí)驗(yàn)物理量數(shù)值做為縱軸，實(shí)驗(yàn)時(shí)間做為橫軸，橫軸上設(shè)有可以自由拖動(dòng)的游標(biāo)，當(dāng)游標(biāo)移動(dòng)到不同數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，在界面上方顯示游標(biāo)所在時(shí)刻的實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)視頻和數(shù)據(jù)波形.

對(duì)于實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)者，利用實(shí)驗(yàn)全局的物理量變化趨勢(shì)圖像可以對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程整體操作的合理性做出判斷，對(duì)于實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，從頭至尾完整地觀看整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的效率很低，也難以甄選有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)視頻做為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)依據(jù)，對(duì)于人數(shù)眾多的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)更顯得不切實(shí)際. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)檢索相關(guān)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)視頻和具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)是提高實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)效率的關(guān)鍵.

視頻記錄和數(shù)據(jù)記錄是2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，視頻數(shù)據(jù)以AVI格式存儲(chǔ)，以時(shí)間做為檢索量. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以Waveform數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，記錄了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的絕對(duì)時(shí)間、采樣率，也可以通過(guò)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索. 通過(guò)時(shí)間值可以將視頻和數(shù)據(jù)記錄聯(lián)動(dòng)起來(lái). 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)者在數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖像上拖動(dòng)游標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)查找到游標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，時(shí)間是數(shù)據(jù)記錄和視頻記錄共有的索引值，利用該時(shí)間值反向檢索對(duì)應(yīng)時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)視頻和具體數(shù)據(jù)波形，進(jìn)行讀取后顯示出該時(shí)刻實(shí)時(shí)視頻和數(shù)據(jù)波形. 視頻與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)檢索的工作流程如圖5所示. 具體應(yīng)用時(shí)，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)者結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)原理，在峰峰值、直流、頻率、階段碼4條軸上找到和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)和跳變點(diǎn)，將游標(biāo)移動(dòng)到相應(yīng)位置，軟件界面上半部分就會(huì)聯(lián)動(dòng)顯示出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的具體實(shí)驗(yàn)操作視頻和數(shù)據(jù)波形，便于評(píng)價(jià)者進(jìn)行深入實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià).

圖4 視頻與數(shù)據(jù)記錄分析界面

圖5 視頻與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)檢索流程

2 視頻與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)采集系統(tǒng)的應(yīng)用

RLC串聯(lián)電路的幅頻特性實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中比較典型的實(shí)驗(yàn)，本文選取該實(shí)驗(yàn)作為應(yīng)用實(shí)例. 該實(shí)驗(yàn)中最為關(guān)鍵的變量是信號(hào)源頻率和電路中電阻R兩端的電壓信號(hào)幅度，當(dāng)RLC串聯(lián)電路諧振時(shí)，電路中電阻R兩端的電壓達(dá)到最大，正確的電路應(yīng)該體現(xiàn)出和理論相符的諧振曲線[9]. 信號(hào)頻率、信號(hào)電壓和按鍵值的可視化呈現(xiàn)可為實(shí)驗(yàn)提供有效評(píng)價(jià)依據(jù).

實(shí)驗(yàn)儀器包含信號(hào)源、電阻、電感、電容、示波器、電壓表，其中最為關(guān)鍵的信號(hào)源頻率變化和RLC電路響應(yīng)都通過(guò)示波器顯示，實(shí)驗(yàn)前將數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入接口通過(guò)信號(hào)三通連接器并聯(lián)于實(shí)驗(yàn)中所用示波器的2個(gè)輸入通道端，其他儀器不需做任何改動(dòng). 這樣可在不影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)的情況下，同步記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程. 本文以某學(xué)生實(shí)驗(yàn)視頻與數(shù)據(jù)的記錄進(jìn)行討論分析.

2.1 操作過(guò)程的可視化呈現(xiàn)與評(píng)價(jià)

RLC串聯(lián)電路的幅頻特性實(shí)驗(yàn)的自變量是信號(hào)源的頻率，因變量是電阻R兩端的電壓. 數(shù)據(jù)采集卡采集到的2路信號(hào)是電路中電阻R兩端的電壓信號(hào)和信號(hào)源輸出信號(hào)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)如圖6所示，通過(guò)圖6上方的滑塊可以瀏覽全局?jǐn)?shù)據(jù)變化趨勢(shì)，通過(guò)游標(biāo)可以定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)鍵點(diǎn). 針對(duì)本實(shí)驗(yàn)，信號(hào)源頻率變化可以反映學(xué)生調(diào)節(jié)信號(hào)源的過(guò)程，電阻R兩端電壓幅度值可以反映實(shí)驗(yàn)電路的響應(yīng). 這些有效的實(shí)驗(yàn)判斷依據(jù)可以評(píng)價(jià)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟和操作過(guò)程是否正確合理，頻率變化范圍和變化方向是否合理. 此外結(jié)合學(xué)生自己的書(shū)面實(shí)驗(yàn)記錄、階段碼記錄可以判斷學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的準(zhǔn)確性和合理性，整個(gè)操作過(guò)程是否與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)記錄相符.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形和階段碼的跳變點(diǎn)反映出學(xué)生進(jìn)行了儀器調(diào)節(jié)操作，通過(guò)拖動(dòng)頻率、電壓、直流、電壓峰峰值4條全局物理量記錄軸的游標(biāo)，可以迅速定位并顯示數(shù)據(jù)跳變時(shí)刻具體的視頻和數(shù)據(jù)波形，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)原理可以對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行客觀全面的過(guò)程性評(píng)價(jià)的目的.

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖像

2.2 實(shí)驗(yàn)自變量和因變量關(guān)系的可視化呈現(xiàn)與評(píng)價(jià)

RLC串聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)中信號(hào)頻率與電路中的電阻R兩端的電壓這2個(gè)自變量與因變量的關(guān)系可以體現(xiàn)電路的幅頻響應(yīng)，是快速直觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的重要依據(jù)，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)，利用LabVIEW的XY Plot功能將頻率變化和電壓變化描繪圖像，圖7為信號(hào)源頻率與電阻R兩端電壓的關(guān)系圖.

圖7 電阻R兩端電壓與信號(hào)源頻率的關(guān)系圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作者的記錄和系統(tǒng)呈現(xiàn)的電阻R兩端電壓與信號(hào)源頻率的關(guān)系圖，不僅能判斷實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄的結(jié)果是否正確，也能判斷實(shí)驗(yàn)過(guò)程是否合理及電路設(shè)計(jì)是否正確、是否和理論值相符. 設(shè)計(jì)正確、操作完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程應(yīng)該體現(xiàn)出正確的RLC電路的諧振曲線. 從圖7可以看出，數(shù)據(jù)電阻R兩端的電壓在1 750 Hz附近達(dá)到諧振電壓最大值，可以結(jié)合電路中電感和電容的參量推算出理論值，判斷實(shí)驗(yàn)操作者設(shè)計(jì)的RLC電路是否正確，電路的連接和工作狀況是否和理論相符.

2.3 全局快速回放自變量和因變量的變化過(guò)程

實(shí)驗(yàn)操作者會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中遇到的問(wèn)題重復(fù)實(shí)驗(yàn)和修正實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，靜態(tài)的全局趨勢(shì)圖不足以直觀地反映實(shí)驗(yàn)者的動(dòng)態(tài)操作過(guò)程. 利用LabVIEW的3D Graph中的3D comet繪圖功能，將自變量和因變量按記錄序列順序依次逐個(gè)顯示，快速回放整個(gè)自變量和因變量的變化過(guò)程,這個(gè)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)操作者的實(shí)際操作流程對(duì)應(yīng)，通過(guò)觀察快速數(shù)據(jù)回放，可以評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)操作者的基本操作技能、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃貫徹情況. 也可以評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的困難和周折、實(shí)驗(yàn)操作者的應(yīng)變與糾錯(cuò)能力、實(shí)驗(yàn)全局的合理性，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容的多元化.

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程評(píng)價(jià)要求，設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)視頻與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)采集系統(tǒng)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)視頻的同步采集和數(shù)據(jù)分析，為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)提供客觀、全面、科學(xué)的評(píng)價(jià)依據(jù). 通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)記錄的分析和可視化，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的全局呈現(xiàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化和實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)檢索實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)視頻和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)提供客觀依據(jù)，提高實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)效率和科學(xué)性.