新工科信息類專業開放式實踐教學平臺研究

任建強 張玲娟 馮越 張春紅 王順曄 趙金生 朱得華

【摘? ?要】? ?高校新工科建設對培養創新型卓越人才意義重大。實踐教學質量的提升是新工科人才培養的關鍵，但當前很多院校普遍存在教學模式單調、實驗時間受限等現實問題。對此，以信息類專業這一新工科重點建設專業群為例，基于微信應用號和嵌入式系統開發技術設計實現了一種開放式實踐教學平臺，進行了教學視頻、文檔資源、開放實驗管理、實踐報告及輔助功能等模塊的建設。試用測試結果表明，平臺為學生移動學習、實驗預約及開放設備自動管理提供了良好支持，具有使用更方便、功能更完備的特點，能夠使學生隨時、隨地、隨需地全時空開放式學習、實踐及互動。

【關鍵詞】? ?高校;新工科;開放式;實踐教學

Research on Open Experimental Teaching

Platform for Information Major of New Engineering Disciplines

Ren Jianqiang， Zhang Lingjuan*， Feng Yue， Zhang Chunhong， Wang Shunye，

Zhao Jinsheng， Zhu Dehua

（Langfang Normal University， Langfang 065000， China）

【Abstract】? ? Construction of new engineering disciplines has great significance to cultivating innovative excellence talents. Practical teaching quality is a key safeguard， but the monotonous teaching model， the limited experimental time， and so on are the widespread problems in current universities. Thus， take the information majors as an example， the paper designed an open experimental teaching platform based on WeChat application program and embedded system technology， where a teaching video module， document resource module， opening experiment management module， practice report and auxiliary function module are implemented. Trial testing results show that the platform provided good supports for mobile learning， experiment reservation and automatic management of open equipment， with more convenient use and more complete functions， and can support full time and space open learning practice and interaction whenever and wherever needed.

【Key words】? ? ?colleges and universities; new engineering disciplines; open; experimental teaching

〔中圖分類號〕? G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）01- 0099 - 05

0? ? ?引言

當今世界新一輪科技革命和產業變革正在加速，綜合國力的競爭愈加激烈。工程教育和產業發展緊密聯系、相互支撐已是必然之勢。為推動工程教育改革，強化創新型卓越人才培養，新工科建設已成為我國高等教育改革發展的重要內容。新工科建設的根本目標是提升高等教育工程人才培養水平和質量，適應國家新經濟發展需求[1]。信息類專業作為新工科重點建設專業群，尤為注重學生工程思維、實驗動手能力及實踐創新能力的培養[2]。然而，目前很多高校普遍存在實踐教學模式單調、實驗條件不足、實驗課時間受限等現實問題。教師面授、學生實操的實驗室教學方式受課時及實驗環境的限制，不利于學生的思維拓展和實踐創新技能的深化訓練，嚴重制約著人才培養質量的提升。因此，對實踐教學方式進行改革具有重要意義。

然而，單純的實驗編排、內容重構及考核方式轉變等方面的改革很難從根本上解決上述問題。網絡與智慧信息技術在教育教學中的應用，為問題的解決提供了可行思路。基于學習網站、移動學習APP、MOOC、微課等技術手段的教學方法得到了師生的廣泛關注，為提升人才培養質量做出了積極貢獻[3-6]。但是，這些技術在功能的完備性、使用的便捷性等方面依然存在不足。其中，MOOC、微課、學習網站在實現師生實時交互效果上不夠理想;移動學習APP需要用戶先安裝后使用不夠便捷。這些弊端為用戶帶來了不便。隨著微信的普遍使用[7-8]，基于微信群、微信公眾號的教學改革方法得到應用，然而微信群方式方便討論交流但不利于教學資源的存儲和教學過程的組織，微信公眾號方式對師生互動支持方面效果不佳。此外，現有研究成果對實驗室開放設備的自動管理能力仍然不足。

作為一種免下載免安裝的應用程序，微信應用號（小程序）的推廣為基于微信平臺的去APP化應用開發提供了支持[9-14]。鑒于此，本文提出了一種基于微信應用號和嵌入式開發技術的開放式實踐教學平臺，基于應用號API（Application Programming Interface，應用程序接口）編程和嵌入式單片機進行了平臺實現，能夠為學生提供隨時、隨地、隨需的全時空開放式學習實踐及互動支持，很好地解決了上述問題，取得了良好的教學效果。

1? ? ?系統功能與結構

基于微信應用號和嵌入式技術的開放式實踐教學平臺支持學生自主學習、實驗、筆記、作業練習及答疑交互，并能自動完成實驗室預約開放設備的控制管理。平臺結構如圖1，按功能主要劃分為教學、操作和輔助三大板塊。

1.1? ?教學板塊

提供視頻教學及文檔下載服務，具體包括教學視頻模塊和文檔資源模塊。（1）教學視頻模塊：提供課程理論教學、課程實驗教學及綜合實訓教學的視頻學習功能。學習中，點入播放時，可對視頻進行隨時暫停緩沖。當學習者當前點擊與當前播放不一致時，自動切換資源。同時，該模塊還支持師生在線答疑互動。（2）文檔資源模塊：支持課件文檔、教案文檔、實驗/實訓指導文檔以及實驗/實訓參考代碼等資源的存儲、瀏覽及下載。學生可通過課程目錄找到對應資源，點擊即可在線瀏覽，無須安裝專用閱讀器。

1.2? ?操作板塊

提供實驗設備及報告管理服務，具體包括實驗管理模塊和實踐報告模塊。（1）實驗管理模塊：提供實驗/實訓室開放預約和開放設備控制管理功能，學生可根據自身時間預約兩周內實驗/實訓室空閑時段進行操作訓練;如約進行實驗/實訓時，本模塊自動對實驗/實訓設備實施控制管理，具體功能由學生手機端和設備控制端配合完成，二者基于藍牙實現無線通信。設備控制端安裝于各臺實驗設備電源端，在手機端開啟藍牙，系統自動搜索可用設備，匹配和驗證成功后，設備控制端自動接通電源，啟動設備，學生開始實驗/實訓;實驗/實訓完成后只需在手機端點擊完成按鈕，控制端便自動關閉設備并記錄使用信息。（2）實踐報告模塊：為學生提供實驗/實訓報告的提交服務，為教師提供報告的批閱服務，并能自動將報告存入數據庫，完成檔案存留。

1.3? ?輔助板塊

提供學習輔助和用戶信息管理功能，包括學習筆記模塊、作業練習模塊和用戶管理模塊。（1）學習筆記模塊：提供在線筆記功能，方便學生在學習中記錄重要知識點或學習心得。學生可隨時新建筆記，也可隨時編輯或刪除筆記，筆記首次保存時自動記錄創建時間。（2）作業練習模塊：支持教師安排課后作業及練習題，促進學生理論聯系實踐，加深對知識的理解和應用，提升應用型人才培養質量。（3）用戶管理模塊：實現對師生及管理人員的信息管理。當用戶登錄時，自動獲取和保存用戶微信昵稱及頭像等信息。同時，模塊允許用戶隨時完善個人信息，并同步到數據庫中。

2? ? ?系統設計與實現

重點介紹平臺的UI、教學視頻模塊、文檔資源模塊、實驗管理模塊和實踐報告模塊的設計與實現方法。其他模塊的實現方法類似，不逐一贅述。

2.1? ?UI設計與實現

良好的UI（User Interface，用戶接口）設計能夠提高學生的學習興趣和效率。本平臺從人機工程和視覺一致性原則出發，構造了簡潔友好、方便實用的UI界面，設計及效果示例如圖2所示。

圖2（a）中，UI頁面采用三區一體式結構設計，中部設置板塊選擇功能區，默認選中教學板塊，用戶可點選切換到操作板塊或輔助板塊;UI下部設計為陣列式模塊選擇功能區，對應顯示當前板塊下的各功能模塊，用戶可點選對應功能;UI上部設置資源選擇功能區，采用主圖循環動態顯示方式展示當前模塊下的資源。以平臺默認顯示的教學板塊為例，其效果如圖2（b）。UI下部的模塊選擇功能區自上而下依次為教學視頻模塊和文檔資源模塊，分別以陣列形式組織課程，用戶點選課程后，UI上方的資源功能區以主圖循環動態顯示方式提供當前課程下的章節/項目，支持用戶直接點擊訪問。在資源分類整合基礎上，將各資源地址數據化并綁定對應主圖，在js的data數據中建立banner_list數組來存放各主圖地址，在wxml中利用wx：for-items獲取banner_list數組中的banner并在swiper組件中實現循環動態顯示。

2.2? ?教學視頻模塊的設計與實現

每門實驗/實訓課程均支持多個教學視頻，為便于學生使用，以列表形式對各視頻資源進行展現。各視頻按地址賦予唯一ID號來準確索引，代碼示例如圖3。實現過程中，通過調用video控件完成教學視頻的播放，資源地址由src屬性控制，視頻時長由duration屬性存放，并由autoplay屬性設置是否自動播放。多個視頻同時播放時的防錯問題采用點擊判斷法解決，當出現點擊和當前播放不一致情況時，當前視頻中止并改播點擊視頻。不同視頻的地址區分問題通過調用videolist的videoUrl解決。此外，學習中如有疑問，可隨時通過點擊播放界面上的“發表看法”按鈕進行實時提問和交流，有效避免問題積壓，充分提升了學習效果。

2.3? ?文檔資源模塊的設計與實現

該模塊提供課件、教案、實驗/實訓指導文檔以及實驗/實訓參考代碼等資源的存儲、瀏覽及下載功能，采用列表形式顯示所有文檔資源的title和date。其中對title的顯示支持通過<view class=′txt′>{{item. value.title}}</view>實現，對文檔創建時間的記錄通過<view class=′txt′>{{item.year}}{{item.month}} {{item.date}}</view>完成。學生可通過列表找到對應資源，點擊即可調用wx.openDocument（）方法完成文檔的在線瀏覽，無須安裝專用閱讀器。平臺支持的在線瀏覽文檔類型主要包括pdf、word、ppt、txt等。在實現方案中，文檔數據由data的value值初始化，通過主鍵id實現文件索引，進而檢索到文件的保存路徑，對用戶操作做出響應。

2.4? ?實驗管理模塊的設計與實現

該模塊的實現結構見圖4（a），分為學生手機端和設備控制端，配合完成管理功能。各控制端安裝在各實驗設備的電源處，基于藍牙與用戶手機平臺進行通信，基于雙向可控硅對實驗設備進行啟停控制。手機端通過調用wx.startBluetooth DevicesDiscovery （Object object）方法實現對設備控制端的搜索，基于wx.onBluetoothDeviceFound（）方法完成設備列表的回調，然后根據實驗設備控制端藍牙模塊廣播的名字來自動判斷其是否為預約設備，若是則調用wx.createBLEConnection（）方法與其建立藍牙連接。實驗完成后，點擊平臺界面按鈕則程序自動調用wx.closeBLEConnection（）方法斷開與實驗設備控制端的連接，控制端自動完成設備關機。

設備控制端基于嵌入式系統開發技術設計實現，電路原理見圖4（b），以單片機MCU為控制核心處理器，藍牙電路選用CC2540芯片[15]并基于UART接口與MCU連接，雙方的串口數據發送端TXD和接收端RXD交叉互聯，并將GND端共地來確保通信可靠。MCU對實驗設備電源的控制通過雙向可控硅實現，由GPIO引腳P1.0實施控制。為確保電路安全，引入可控硅輸出型光電耦合器MOC3021[16]實現與雙向可控硅VT的光電隔離觸發，并為雙向可控硅VT增加了阻容保護電路。

2.5? ?實踐報告模塊的設計與實現

完成實驗/實訓操作后，可通過該模塊撰寫和提交對應的實驗/實訓報告。教師則可通過該模塊完成報告批閱。報告編輯過程中，可隨時執行存盤操作，自動存入數據庫。當學生修改了報告內容或者教師批閱了報告后，可通過點擊保存按鈕，完成內容的更新存盤。該模塊的實現代碼示例如圖5，在實現方案中首先通過代碼item.value.title=event.detail. value.title獲取報告標題，然后采用item.value.content =event.detail.value. content獲取編輯的內容，最后調用this.saveData（）完成數據保存。

3? ? ?試用與測試分析

為驗證平臺性能，進行了系統的試用和測試分析。設備控制端的單片機MCU選用Atmel公司的低功耗、高性能CMOS 8位微控制器AT89S52，內部集成有8KB系統可編程Flash 存儲器，充分保證了調試或升級的便捷性。控制端在兩款實驗設備上的安裝使用情況如圖6所示。

測試中，首先在微信開發者環境中基于模擬器測試運行，各模塊運行情況和預期效果無偏差。然后，進行真機平臺測試，在開發者工具欄啟動真機調試，自動生成調試二維碼，手機微信號掃碼進行平臺性能的真機調試測試。上位機顯示調試機型、微信版本、連接方式、系統狀態等信息以及所有數據，真機測試結果如圖7所示。綜合分析表明，該平臺系統界面友好、功能完備、運行順暢，達到了預期效果。

4? ? ?結語

針對高校新工科建設背景下信息類專業對加強人才實踐能力培養的迫切需求，設計了一種開放式實踐教學平臺。從人機工程和視覺一致性原則出發，構造了簡潔友好、方便實用的UI接口。基于微信應用號API編程和嵌入式系統開發技術實現了支持全時空開放式實踐學習、實驗預約及開放設備自動管理的各項功能。試用測試驗證了平臺性能的完備性、UI接口的友好性及系統運行的順暢性。平臺的推廣使用將為高校專業實踐教學模式改革提供有力支持，有效促進學生的思維拓展和實踐創新技能提升。

[參考文獻]

[1] 田萍， 徐志剛， 張立成， 等. 面向IT類新工科人才培養需求的高校開放實驗室管理[J]. 實驗室研究與探索，2020，39（8）： 258-262+303.

[2] 郭永春. 新工科課程體系中的工程設計思維[J]. 高等工程教育研究，2021（1）： 39-43+55.

[3] 李永鋒. 基于慕課的混合式教學在IT技術類課程中的應用[J]. 計算機教育， 2019（10）： 155-158.

[4] 胡曉輝. 移動學習APP科學開發與教學效果提升策略研究[J]. 高教學刊， 2020（33）： 68-70+74.

[5] 姚志通. 微課在高校教學改革中的探索與實踐[J]. 教育現代化， 2019， 6（1）： 151-152.

[6] 宋潔華， 王平， 李少偉， 等. 微課知識結構和教學模式設計[J]. 實驗室研究與探索， 2020， 39（6）：190-192+202.

[7] 彭學軍. 微信公眾號+翻轉課堂的創新型教學模式研究[J]. 職教論壇， 2017（15）： 77-80.

[8] 周黎明. 從微信公眾平臺創新運用探討計算機翻轉課堂教學模式變革[J]. 教育現代化， 2018， 5（25）： 63-64.

[9] 梁軍. 微信應用號到底什么樣[J].計算機與網絡，2017， 43（1）： 41-42.

[10] 騰訊云. 認清微信小程序（應用號）的本質[DB/OL]. https： // cloud. tencent. com / developer / article /1056567，2021-01-10.

[11] 尹昊龍， 沈瑤， 趙彥珍，等. 基于微信小程序的結點電壓法智能計算及界面設計實踐[J]. 中國教育信息化， 2020（24）： 92-96.

[12] 陳靜嫻. 基于二維碼技術·微信小程序技術的實驗室設備管理的設計與實現[J]. 計算機科學，2020， 47（S2）： 673-677.

[13] 李旭， 王巖松， 孫莉焰， 等.基于微信小程序的開放實驗室管理模式探索[J].實驗技術與管理，2018， 35（3）： 248-255.

[14] 倪紅軍， 李霞， 周巧扣， 等. 基于微信小程序的高校實驗室安全教育平臺構建[J].實驗室研究與探索，2020， 39（12）： 280-284.

[15] 余建華， 李有文. 基于CC2540藍牙4.0的雙向尋物報警器設計[J]. 機械工程與自動化， 2018（4）： 180-182.

[16] 虞文鵬， 羅招賢， 余順琴，等. 基于ZigBee無線網絡的電源監控系統設計[J]. 電源技術， 2018， 42（2）： 126-128.