一種在線通用物理實驗報告系統的設計與實現

白洪亮， 周漢杰， 惠 煌， 李雪春， 秦 穎， 吳興偉

(1.大連理工大學 基礎物理國家級實驗教學示范中心，遼寧 大連 116024; 2.大連理工大學 軟件學院，遼寧 大連 116600)

0 引 言

物理實驗是科學實驗的先驅。大學(基礎)物理實驗(以下統稱大學物理實驗)是理工科學生進入大學后接受系統科學實驗方法和實驗技能訓練的開端，具有其他課程無法替代的作用和地位[1]。實驗報告是反映學生實踐課程學習情況的最重要媒介之一，在大學物理實驗課程中穿插始終[2]。在網絡時代，很多實踐類課程已經逐漸淘汰紙質實驗報告，轉而采用無紙化報告[3-7]。與紙質報告相比，無紙化報告有很多先天的優勢，如傳遞效率高、重復勞動可由計算機代替、易于存儲、便于對報告內容進行分析和挖掘等[8-11]。然而，調研發現，在大多數高校中，大學物理實驗課程的實驗報告仍然以紙質介質為主，采用無紙化報告的情況僅限于個例[12]。這種情況的存在，有資金、技術方面的原因，也與授課教師和決策者的思維慣性和對網絡技術的發展了解程度不足有關。在使用無紙化報告的高校中，最常見的方式是針對具體的實驗項目進行量身定制[13]。這樣做的弊端是非常明顯的。由于實驗教學的項目和內容每年都要進行更新和變動，在使用期內系統始終處于動態修改狀態。這就要求開發者必須保持穩定，而且有充足的經費支持。對于大多數高校而言，這種路線幾乎是不可行的。采用此類方式開發的無紙化報告系統的生命力因而也會大打折扣。為了消除這些弊端，放棄了量身定制這一傳統做法，將通用性、易用性作為出發點，自行開發了一套具有通用特征的在線物理實驗報告撰寫和批閱系統(以下簡稱實驗報告系統)，嘗試以一種新的設計思想改變無紙化報告在大學物理實驗這一課程中的困局。

1 無紙化系統設計思路及工作流程

實驗報告系統服務的對象是教師和學生，能否被他們接受和喜歡取決于這套系統能否解決好紙質報告中大家遇到的共性問題，能否給他們帶來良好的體驗。而且，系統也要與現有的教學模式做好銜接，為未來的教學變革留出空間，這樣才能被決策者接納和采用，因為變革也需要一個循序漸進的過程，不能破壞正常的教學秩序。

1.1 保留紙質報告的基本格式

在實踐類課程中要求學生撰寫實驗報告的目的主要是為了借此提高學生的科技寫作能力和數據記錄、分析能力。傳統的紙質實驗報告通常包括實驗目的、實驗原理、實驗器材、實驗過程、實驗數據記錄、數據處理、總結分析等不同欄目，基本包含了科學論文的主要元素[14]。可以說，一份成功的實驗報告就是一篇科學論文的雛形。因而，在設計實驗報告系統時，將這種已經被廣泛認可和采用的形式保留了下來。

1.2 靈活、強大的欄目設計

雖然保留了紙質報告的基本格式，但是在無紙化系統中，這些欄目的設立情況可以根據需要在后臺進行分類調整，并不是靜態的。而且，不同欄目的輸入功能和界面是完全一樣的，采用了同一套代碼。在這些欄目里，科技寫作中經常涉及的文字、圖片、表格和公式等不同類型的對象都可以非常便利地被插入進來。這種做法適應了不同類型、不同教學目標的實驗內容的需要，并且可以有效地減少對網絡資源的浪費，提高系統響應速度。

1.3 分角色賦權

系統設定了學生、教師和系統管理員3個角色。學生和授課教師是主要被服務對象，而管理員是整個系統的管家。管理員承擔著課程信息和人員信息管理、學生和教師賬戶權限設定等職責。教師和學生角色都是圍繞實驗報告開展操作，不同的是學生對報告享有編輯權，而教師具有批閱權。在后續開發中，擬增設題長角色，負責具體實驗項目批閱工作的管理和監督。

1.4 工作流程

圖1顯示的是實驗報告系統的工作流程。首先由管理員在系統中批量導入課程安排，所有實驗項目的開課時間、節次、實驗地點、授課教師等課程基本信息都需要提前設定好供學生在撰寫報告前選擇入位；學生完成課上實驗后需要進入系統撰寫和提交實驗報告，寫好的報告需要通過系統直接推送給授課教師；授課教師可以對已提交的報告進行預審和批閱。預審是對提交的報告的基本情況進行審查，如果報告不完整或提交錯了，可以由教師退回給學生。學生收到退回的報告可以進行一些修改、完善和再次提交，也可以修改課程信息后轉投其他老師。批閱是教師對學生的報告進行點評和打分的環節，待教師確認批閱結束后系統會自動將批閱結果推送給學生，同時將成績匯總供教師查閱和導出。

圖1 實驗報告系統工作流程圖

2 系統主要特色

2.1 操作簡單

對于教師和學生而言，友好的操作界面是提高使用體驗的重要因素。如圖2所示，實驗報告系統的工作界面采用了與微軟Office軟件和網絡論壇類似的功能菜單，學生和教師只需要掌握了Word和Excel的基本使用技巧就可以完成實驗報告的撰寫和批閱。這樣做的目的主要是考慮了大多數師生的使用習慣。學生在各個欄目中可以鍵入文字，插入圖片和表格，修改文字字體、字號、顏色，添加段落編號等。此外，為系統專門開發了公式編輯器，學生可以像使用Office公式編輯器和Mathtype插件一樣直接在頁面進行公式的輸入和編輯。這些功能是理工科學生使用Office軟件時最常用的一些功能，采用類似的設計不僅使得實驗報告系統更加易用，對于對Office軟件不熟悉的學生而言，也可以利用這套系統學習相關的使用技巧。圖2(b)展示了一份學生利用本系統所撰寫的實驗報告的一部分內容的截圖。在這份報告中，公式、表格、圖片等不同類型的對象都被展現了出來，說明物理實驗報告中常見的內容都可以利用這個系統提供的功能進行實現。

(a)

2.2 在線表格輔助教師批閱報告

對于大學物理實驗課程教學而言，一個非常重要但是長期未能很好解決的問題是抄襲和偽造數據的現象屢禁不止[15]。實際教學中，由于批改量非常大，很少有教師親手去一一核驗學生實驗報告的計算結果正確與否。參考Excel和在線文檔的功能和模式，將在線電子表格引入到實驗報告系統中。在電子表格中，參考Excel編寫了大量的內置函數，這樣使用者除了可以自由添加或者刪除行列，還可以直接在在線表格里引用表格內的數據進行函數計算。這是一種非常便捷的方法，學生和教師無需借助于計算器和其他軟件就可以完成數據的計算和核驗。

為了徹底杜絕偽造數據的現象，系統中專門安排了“原始數據”欄目。學生在撰寫實驗報告前需要先將帶有授課教師簽字的原始數據記錄照片上傳到該欄目中并同時將原始數據以電子表格的形式插入到其中。上傳簽字的原始數據照片是為了防止學生美化數據或另起爐灶重新編湊一套數據蒙混過關，原始數據電子化則有利于教師直接調用和計算。教師批閱時可以利用這些數據和內置函數進行在線計算，核算效率和準確度都有了很大的提高。

2.3 浮動批閱標簽

批改紙質報告時，傳統的做法是教師直接在出現問題或者值得肯定的地方用筆進行標注和打分。這種做法的好處是學生看到批注就可以知道問題所在。這種做法的弊端也非常明顯。例如，其中包含著大量的重復性勞動，教師統計分數麻煩且極易出現錯誤等。吸收了手工批注的優點，將這一功能引進到了無紙化報告系統中。在這里，教師對報告進行批注和評分時不再借助于筆，而是采用了浮動標簽形式。浮動標簽的內容包括提示文本和扣分分值，可以由教師輸入并在使用一次后被重復調用(如圖3(a)所示)。浮動標簽可以在欄目內被任意拖到需要的位置，并且在教師確認批閱結束后固定下來。這樣學生在查看自己的報告時可以像紙質報告一樣在出現問題的地方查看批閱信息和了解扣分情況(如圖3(b)所示)。浮動標簽的添加和移動同時支持鼠標和觸摸屏操作，系統界面會根據所使用的設備和系統進行一些必要的調整，在PC、筆記本電腦、平板電腦和智能手機上都可以進行批閱。這樣，教師可以將出差、課間等零散時間充分利用起來，不受空間和平臺的限制開展批閱工作。除此之外，教師的工作界面還設計了畫筆功能，打開該功能后教師可以利用鼠標或者手指直接在報告上任意圈點，使得系統的易用性進一步提高。在系統界面的邊欄部分，學生信息、批注內容、扣分情況、最終得分以及整體得分分布情況都會實時集中顯示，有助于教師實時了解批閱情況。

(a) 批閱標簽的添加

(b) 批閱結果的顯示

2.4 雙報告分欄對比功能

除了抄襲和偽造數據，機械模仿是另一種普遍出現的不良行為。這種行為主要體現在照搬別人的過程和算法處理自己的數據和撰寫報告而不進行任何思考和修正。這種行為實際上也是一種抄襲，理應堅決打擊。然而，在紙質報告時代，教師面對這種行為往往是心里清楚但是取證困難，因為報告在批改完后都得返還給學生。借鑒一些網站的對比功能，實驗報告系統開發了單雙欄切換功能。在單欄模式下，教師每次只能查看和批閱一份報告；在雙欄模式下，可以一次調閱、批改兩份不同的報告，而且每份報告還可以通過翻頁系統切換到其他的報告。這個功能可以幫助教師對不同實驗報告的內容進行對比，十分有利于查找報告中存在的各種問題。圖4給出了分欄對比模式下的教師批閱界面的截圖。來自兩名不同學生的實驗數據表格完整的被顯示在欄目中。實踐證明分欄對比模式使得批改效率較單欄模式提高了至少1/3以上。

圖4 教師工作界面的分欄對比批閱功能展示

3 結 語

在大學物理實驗這一基礎實踐類課程中，無紙化報告的發展遇到了各種困難。基于紙質實驗報告的基本范式并參考商業辦公軟件和網站系統的形式和功能，嘗試開發了一套具有通用特征的在線物理實驗報告系統。該系統將在線電子表格、分欄對比、浮動標簽等在商業網站上深受歡迎的功能吸收進來，較好地解決了類似系統適用性差、易用性低的問題。由于沒有相似體系的系統供參考，商業系統的代碼也不對外公開，由授課教師和學生組成的開發者的經驗和技術水平也有限，導致系統還有諸多不完善的地方。但是，作為一項有益的嘗試，系統的設計目標已經初步得到了實現并在實際教學中予以體現，這為未來進一步開發打下了堅實的基礎，也為同類系統的開發提供了一種新的設計思路。