“互聯網+”背景下儀器類專業機械設計課程教材轉型策略研究

王麗杰 殷金英 秦勇 劉博 羅中明

摘 ?要：研究“互聯網+”背景下基于移動終端的高等院校理工科儀器類專業機械設計課程教材轉型策略，探討O2O方式場景視域下測控技術與儀器專業精密機械設計基礎課程教材立體化方法。設計立體化教材移動終端系統，將線上教材知識如零部件或傳動機構的傳動過程視頻動畫以及工程背景知識等展示提供給學生，藉此滿足學生即時學習需求、拓展學習范圍及層次，并激發學習興趣及主動性等。

關鍵詞：儀器類專業;精密機械設計基礎;互聯網+;教材;移動終端App

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）13-0006-05

Abstract： This paper studies the transformation strategies of Mechanical Design course materials for Science and Engineering Instruments majors in colleges and universities based on mobile terminals under the "Internet+" background. The study discusses the three-dimensional methods of the teaching material "the basis of precision machine design" for measurement and control technology and instrument specialty under the scene view during the O2O way. The paper designs mobile terminal system of three-dimensional teaching material. We display the online textbook knowledge such as video or animation of the transmission process of parts or transmission mechanism， and engineering background knowledge etc. to the students. The above research work will meet the immediate learning needs of students， expand the scope and level of learning， and stimulate learning interest and initiative.

Keywords： instrument major; Fundamentals of Precision Machine Design; Internet+; teaching material; mobile terminal App

“十三五”期間，我國高等教育已基本完成由規模擴張向內涵建設的轉型，扎實的學科基礎、系統的人才培養模式、高層次的科研和師資隊伍、先進的實驗室以及精密的儀器設備等，都是大學進行內涵建設的核心要素，而藉此基礎上的軟手段建設，則更多聚焦于學科優勢的凝練、專業特色的凸顯、課程體系的不斷更新及優化等具體環節[1]。抓住“互聯網+”尚處于初級發展的現階段機遇，嘗試與探索“互聯網+高等理工科教育”，通過把“互聯網+”作為當前信息化發展的核心特征，將其與高等院校理工科儀器類專業機械課程的授課融合，通過創新可讓這個“+”更具價值及意義[2]。基于上述構想，本文研究探討精密機械設計基礎課程為代表的機械設計教材立體化（3D）編寫手段及實現策略，在教材撰寫過程中通過在線下紙質教材的公式圖表等必要位置設置二維碼，借助手機移動終端掃描，鏈接至網絡線上系統或移動終端App系統，最終將線上教材知識如零部件或傳動機構的傳動過程視頻動畫以及工程背景知識等展示給學生，由此增加學生感性認識，踐行線上線下O2O方式中場景視域下的測控技術與儀器專業精密機械設計基礎課程教材立體化目標，幫助學生建立相關工程概念，彌補其實際工程經驗不足等短板問題。

現階段，單獨從專業知識領域出發進行專業課程類學習的理工科機械類立體化教材幾近空白。從知識面拓展延伸的角度出發，研究儀器類專業機械設計教材網絡學習的移動終端開發設計手段將更適合學習者進行拓展性立體化學習。學習者可隨時隨地、利用碎片化時間進行有目的的教材拓展知識學習，不僅節約紙張成本、壓縮傳統教材實體版面、踐行綠色閱讀，而且方便利用現代信息技術及網絡技術提供的便利條件實現精密機械傳動等涉及的工程背景知識拾取，不僅可激發學生學習積極性和學習潛能，同時能夠滿足深淺適度，層次分明的教學需要，最終踐行工程教育專業認證格局下的產出導向、以學生為中心、持續改進等目標，并實現線上線下綜合教學與學習模式。

一、存在問題與解決策略分析

追溯儀器類專業的發展歷程，上世紀末，測控技術與儀器專業由精密儀器等11個儀器儀表類的專業調整構成。精密機械設計基礎則是測控技術與儀器等儀器類專業的專業特色課程，也是專業的構建基礎，隸屬于機械系列;是由多門涉及到機械設計的課程壓縮而成，具體包括精密機械零件、工程材料及熱處理、機械原理及幾何量公差與檢測等。上述調整踐行了“少而精”的高等教育指導原則，但也在一定程度上導致課程學時及內容很難鋪開，幾何量精密測量特色體現不足。同時，課程性質決定零件多、公式多，但學時有限，運用精密機械零件基礎理論和方法進行機構的傳動分析、運動學、動力學計算時，由于學生缺乏工程背景及實踐經驗，雖然教師講解盡心盡力，但學生仍然存在一定程度上的理解不到位等問題。并且，由于課程涉及零部件工程背景的復雜性，導致學生學習缺乏耐性，感覺學習難度大。雖然設置有實驗和課程設計等實踐學時，且課程教學組也在對教學進行持續地改進，但由于儀器類專業學生的機械基礎相對較差，其主動學習的意愿不強（呈現一定程度的“課堂冷漠”），課下預習、自主學習、課后復習及課程拓展等做得都很不夠，學習活動還是主要依賴于教材課本知識，所以大部分學生盡管掌握了基本概念和原理，但是機械知識背景了解程度及相關分析計算能力均有待提高。所以，文中深入探討高等院校理工科儀器類專業機械課程教材的立體化轉型策略及構思途徑，利用移動終端掃描教材插圖二維碼、鏈接至網絡或移動終端的工程背景知識拓展資源，實現“互聯網+”模式下的二維碼教材的專業領域創新應用。基于“互聯網+”的O2O方式中場景視域下測控專業精密機械設計基礎課程教學與教材建設策略如圖1所示。

從圖1方案可以看出，立體化教材的系統設計是一項需求明確、功能相對獨立的系統工程，下文將重點圍繞教材紙質內容規劃、網絡系統架構、移動終端APP設計等幾個部分展開論述。

二、教材紙質內容規劃

教材是教學內容及學生學習知識的主要源泉，所以在教材建設上需要注意專業方向與教材內容的匹配，并根據專業實際情況編寫教材。精密機械設計基礎教材編寫過程中，一方面保留必要基礎內容，一方面根據實際需要，刪除陳舊內容，調整不適合專業要求或者與其他課程重復的內容。教材紙質內容整體設置精密機械零件、工程材料及熱處理、機械原理、幾何量公差與檢測等相應知識點比例為24∶1∶1∶2，此外增設機械結構計算機輔助設計，作為教學自行選修內容，主要介紹機械結構計算機輔助設計常用軟件如AUTOCAD、SOLIDWORKS等的安裝、運行及操作指令等。

研究中，基于教材文本知識點的組織框架，根據內容編寫及論述需要，紙質教材仍采用文本闡述、公式編輯、圖表說明、舉例分析等形式進行系統安排。考慮到精密機械常用零部件或傳動機構的工程背景知識是引發學生理解障礙的主因之一，研究中，通過設置教材上的二維碼作為掃描鏈接媒介，利用手機移動終端掃描并鏈接至教材網絡系統拓展資源進行延拓展示，從而為學生隨時隨地網絡學習提供方便，促使學生深層次拓展學習，滿足對工程背景知識快捷便利學習的要求。

三、網絡系統架構

目前，市售精密機械設計基礎的圖書很多，但往往存在兩種傾向：一種偏重于精密機械零件設計;另一種是機械結構計算機輔助設計的繪制指導。總結其不足在于各種機械零部件、傳動機構所用工程材料及其熱處理工藝、材料應力分析及強度、剛度計算等方面由于教材篇幅限制而導致其涉及的相關分析計算等背景知識沒有系統論述及展示，而上述知識點的系統論述卻是開展精密零件機械結構設計的必要基礎。研究中擬將上述內容及傳動過程等工程背景以文本論述、公式推導、圖表展示、Flash動畫、視頻演示等網絡資源形式呈現給學生，目的是為學生提供學習便利，在紙質教材內容基礎上進行拓展學習，滿足分層學習、深度學習及其移動閱讀等需求[3]。

研究中，網絡資源設計采用微型化、圖式化、模塊化思想[4]。移動學習中的微型學習，通過在網絡拓展資源中設置最小知識單元片段來體現，這樣與情景關聯性更強，很好滿足學習者利用碎片化時間進行學習的想法。具體資源的組織按照目標、章節單元劃分，根據目標結合學習內容選擇基礎知識中比較有代表性的內容作為初始概要，對初始概要進行細化，并保證細化過程符合教材設計思路。通過細化將教材擴展內容分割成小塊的知識點進行分別呈現，這樣方便學習者在移動的環境中隨時隨地進行學習。為了不破壞知識的整體性和系統性，引入概念圖，把細化知識作為節點，通過線段鏈接形成概念圖，從而直觀表征知識之間的聯系。

網絡資源的鏈接，通過在教材公式、圖、表等處增加QR二維碼標簽實現。二維碼標簽中保存了視頻、音頻、網頁等學習資源的網絡URL;使用手機等智能終端掃描二維碼，經過視頻處理和二值化處理后，將二維碼轉換為文本字符串的URL;然后根據URL中保存的信息，打開移動終端APP定位到相應章節網絡拓展知識內容。

網絡系統設計包括服務端和客戶端兩部分，設置兩種基本功能：資源管理和資源展示。

考慮到現階段大部分Android智能手機均具備基本網絡、定位、藍牙等功能，客戶端的實現能夠減輕開發者的工作量，用戶能夠方便地使用軟件，人機交互友好，移動終端選擇Android智能手機、利用4G或者wifi訪問網絡。考慮到網絡系統開發的客戶端主要是面向高校的學生，功能層面主要聚焦于紙質教材的網絡拓展知識展示，以文本、圖表、動畫或者小視頻等形式展現在相應章節界面。

客戶端的資料閱讀以及視頻播放等通過使用第三方插件，進行二次開發后實現，網絡的實現采用開源的OKhttp和retrofit。其他功能基于Android Studio實現。

Android系統中SQLite數據庫，是遵守ACID的關系型數據庫管理系統，包含在一個相對小的C庫中，內存和資源占用比較小，處理速度快，適用移動APP設計，系統設計中采用本地SQLite數據庫。服務端主要實現后臺系統管理、維護正常使用。Android的SQLite數據庫需上傳服務器，進行更新保存。

系統設置兩種角色，分別是管理員/教師、用戶/學生。管理員/教師掌控信息管理系統，包括用戶管理、教材網絡資源拓展編輯。系統可添加資源包括視頻資源、音頻資源、圖片及網頁鏈接資源，添加資源時生成包含資源相應信息的QR碼。學生作為學習者使用客戶端，功能包括掃碼、搜索資源、獲取紙質教材相應章節網絡拓展資源等。

四、移動終端APP

（一）開發手段

1. Android 體系結構

作為新一代移動操作系統，Android平臺能支持強大的硬件配置和多種無線通信方式，其體系結構包括四層：Linux內核、系統運行庫（Libraries）、應用程序框架（Application Framework）、應用程序（Application）。應用程序框架和應用程序由Java語言編寫，系統運行庫采用C和C++語言編寫，Android Runtime是運行Java程序所需的Dalvik虛擬機，Linux Kernel是Linux內核和相關驅動[5]。

利用Android平臺自身一些簡單的布局，可實現簡單的用戶界面設計。而且，Android平臺的各層系統框架承接不同的功能和模塊，下層應用模塊會為上層的功能提供支持和服務，其中，應用程序層與應用軟件客戶端相關性最大。Android系統中，應用程序層的View視圖和Activity組合，可用來作為大多數Widget控件的父類，用其創建一個新的用戶界面并進行設置、調試和裝飾。布局管理器可用來控制各子控件的位置和排列組合。利用XML文件可用來進行資源定義和數據存儲，可簡化應用程序資源調用過程，提高系統反應速度。

Android系統是開源的系統，其常用組件中的Context工具包，本質上是一個接口，是組件調用的必需工具。APP應用過程中所有交互性的操作，可用Activity組件實現。Service組件屬于一個程序的后臺，不在前臺運行的未關閉程序，可放入Service繼續運行。

2. 開發環境

構建Android開發環境所需必備工具包括JDK、Android SDK和Android Studio。

（1）JDK是進行Java 語言開發必備的軟件工具包，在Oracle公司官網下載，并進行環境變量JAVA_HOME等配置。

（2）Android SDK是Google提供給開發者的Android開發工具包，程序開發時，通過引入該工具包來使用Android的相關API。

（3）Android APP開發工具，可選Eclipse和Android Studio兩種，考慮到使用Android Studio開發APP程序界面更便捷、編輯歷史更詳細、智能識別更強大，資源文件可在代碼中預覽，能提供超過10個不同視圖等優勢，尤其著眼于Android Studio只面向手機、足夠專注，研究中選擇Android Studio集成開發環境[6]。

（二）移動客戶端APP設計

移動客戶端APP設計中，考慮到精密機械結構零件多、結構復雜，涉及自開發部分的工程背景繁雜多樣，動態、仿真且趣味等知識點的展現形式設置存在一定難度。研究中，根據精密機械設計基礎的課程特征，采用 SolidWorks軟件設計相應機構立體模型圖，采用Flash軟件制作動畫素材。通過代表性工程示例及相應素材收集集成，制作對應APP拓展知識。考慮到移動設備支持AAC、mp3、m4a、WMA等格式，其中mp3格式兼容性最強，采用mp3作為移動設備音頻資源格式。考慮到移動設備圖片資源常用格式，研究中采用jpg、png、jpeg、bmp等圖片格式。

1. 客戶端界面設計

客戶端界面設計結合功能設置展開，采用系統中自帶控件進行，力求便捷全面。客戶端安裝在使用 Android 系統的移動智能終端上，初次啟動時會出現歡迎界面。注冊進入系統后，會呈現目錄界面，對應教材目錄章節標題。點擊具體的章節目錄后，會進入教材相應知識點對應拓展內容。當然，如果在閱讀紙質教材時，通過相應圖表或者公式位置處的二維碼掃描，也可直接關聯進入移動終端APP相應章節拓展知識點表述界面。界面中設置相應文本、公式推導、圖表、動畫及短視頻等一種或多種表述形式，學習者可通過這些網絡拓展知識點的學習加深對紙質教材內容的理解，省去了額外查找資料或變換時間地點等所耗費的時間，既節省了時間成本，又方便知識串聯梳理，達到事半功倍的學習效果及深層次學習理解的學習目標。

2. 客戶端登錄與管理任務執行模塊設計

只有用戶名和登錄密碼信息驗證正確，才能進入系統進行操作。如果驗證不正確，則無法成功登錄。登錄界面主要包括編輯文本、檢查盒、按鈕等控件，用戶登錄成功后，會進入目錄界面。目錄界面分為左右兩部分，左側為目錄章節直接定位模塊，右側設置個人中心、搜索定位、網絡鏈接等其他任務執行模塊。根據用戶或學習者操作要求，系統執行相應指令，定位到網絡系統相應章節呈現拓展知識內容。

3. 客戶端結構設計

（1）UI控制界面

Android應用程序包含多個Activity，其可進行相互通信和跳轉。其他組件可在Activity上顯示。設計UI界面時，先完成View設計并利用set Content View將其在屏幕上顯示，View載入可通過XML文件設置或Java代碼編寫方式實現。

（2）人機交互設計

現階段，終端軟件控制的方式比較多元，常見的有按鍵控制、觸屏控制、手勢控制等。研究中，考慮到屬于理工科專業知識學習，因此設置按鍵控制和觸屏控制。

（3）通信模塊

服務器端指定端口號，創建Server Socket，然后處于偵聽狀態。用戶創建Socket對象，并與服務器建立連接，在此基礎上，服務器會返回客戶端的Socket對象，從而完成建立通信機制的任務，并進行數據傳輸。

（4）數據庫設計

SQLite數據庫所有數據存放在同一文件中跨平臺，利用C、Java語言能對其進行快速控制，系統開發中使用SQLite時，用戶只需在項目中包含SQLite的源碼和相關庫文件，就可創建數據庫句柄，從而可以創建、連接和操作數據庫中的數據。考慮到教材網絡拓展資源均已確定、更新頻率不是很高，本地SQlite中存儲、讀取的話，不會因網絡問題而降低效率和成功率，因此AndroidAPP開發采用本地SQLite數據庫。

SQLite包含SQL編譯器、內核、后端以及附件等組件，體系結構具有精致和模塊化特點，同時還采用大量特殊的方法進行關系型數據管理。它的整個體系結構可分為前端解析系統和后端引擎兩個部分。前端解析系統包含三個模塊，分別為分詞器、解析器、代碼生成器，主要負責的工作是對應用程序傳遞過來的字符串進行處理，對其中包含的SQL語句和命令進行分析、優化和轉換，最終將其變為虛擬機能夠執行的內部編碼。后端引擎由虛擬機、B-Tree、頁緩存和操作系統接口構成。虛擬機位于核心位置，為SQLite的引擎，用來解釋執行前端解析系統生成的內部編碼，SQLite通過利用虛擬機和虛擬數據庫引擎（VDBE），使調試、修改和擴展SQLite的內核變得更加方便。

SQLite的整個體系結構將一次數據庫數據查詢過程分割為幾個不連續的階段，在體系的頂端對查詢語句進行編譯，中間階段去解釋執行，最終的底部則是處理數據在操作系統中的存儲。考慮到SQLite基本上符合SQL-92標準，Android運行時（run-time）環境包含完整的SQLite，每個Android應用程序都可使用SQLite數據庫。

Android提供API使用SQLite數據庫，開發時可在應用中創建和操作數據庫來存儲數據，實現對數據輸入、查詢、刪除、修改等操作。創建數據庫并對數據操作設置完成后，由于APP檢索操作的數據源為Android的SQLite，檢索時SQLite需要與服務器同步更新，研究中設置通過網絡、Socket進行數據傳輸。

五、結束語

利用二維碼技術在商業應用中的成熟性和移動智能手持終端的便捷性，順應手機網民規模大幅增長趨勢以及二維碼掃碼使用習慣等的普及，通過二維碼教材圖書功能定位，將教材內容與網絡結合實現書網融合實現即時學習，這是本文開展研究的核心及未來預期。適應數字信息時代理工科機械類專業課程的O2O等模式的開發及發展趨勢，基于國際工程認證體系的OBE理念及產出成果導向評價，對面向測控專業的精密機械設計基礎專業課程教材進行立體化架構設計，勢必會對高校理工科機械類立體化教材的開發起到積極的促進作用。

當然，事物的出現和發展都具有兩面性，理工科機械類教材通過掃碼關聯到網絡化的同時，也會存在影響學生視力、容易分散學習注意力、學習者容易產生媒介依賴而不利于訓練思維等消極影響。但從科學發展的角度而言，這將是社會向前發展必然所產生的，應客觀看待，相信隨著數字信息技術的不斷發展，立體化數字教材體系也將不斷完善，從而滿足創新型人才培養對教材發展不斷提出的新要求。

參考文獻：

[1]馬廷奇.“雙萬計劃”與高等教育內涵式發展[J].江蘇高教，2019（9）：15-20.

[2]互聯網+[EB/OL].https：//baike.so.com/doc/7869991-8144086.html

[3]粟君則.基于Android的高校學術期刊移動增強型APP研究與設計[D].長春：吉林大學，2019.

[4]李亞楠.基于Android系統的移動學習APP設計研究[D].金華：浙江師范大學，2017.

[5]韓曉燕.基于Android平臺的移動APP開發方法與應用研究[J].電腦知識與技術，2017，13（18）：71-72.

[6]沈攀.水面清潔機器人遠程監控系統的設計與實現[D].杭州：杭州電子科技大學，2019.