基于微信小程序的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)刷題系統(tǒng)的研究

劉 偉，陳勝華

（大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116000）

0 緒論

自2019年特殊時(shí)期的到來(lái)，許多高校在教育理論、教育管理、高校與在職教育人才培養(yǎng)模式等方面對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了研究。張永策、姜文鳳、孟長(zhǎng)功針對(duì)移動(dòng)端化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建方法進(jìn)行了研究，提出了化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建理念、功能框架、技術(shù)手段及教學(xué)應(yīng)用，通過(guò)將傳統(tǒng)插件模式和新型移動(dòng)端進(jìn)行對(duì)比，明確了移動(dòng)端的顯著優(yōu)勢(shì)[1]。張凱以CNKI收錄的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”方面的文獻(xiàn)為數(shù)據(jù)源，發(fā)現(xiàn)我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”在2015-2019年理論研究處于迅速發(fā)展階段，由于特殊時(shí)期居家辦公，更促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)在教育方面的研究及在線教育與課程教學(xué)模式的構(gòu)建[2]。張杰、周偉、朱珺針對(duì)應(yīng)用型高校的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建模式及應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出我國(guó)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室存在建設(shè)內(nèi)容單一，開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)成本較高，教學(xué)資源匱乏等問(wèn)題。強(qiáng)調(diào)開(kāi)發(fā)適應(yīng)新時(shí)代的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的必要性，并設(shè)計(jì)了“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建框架[3]。李萌萌、李帆、姜鳳珍基于裝配式建筑復(fù)雜性、長(zhǎng)期性，一次性及管理人才方面的需要，提出將BIM和VR的融合模式應(yīng)用到裝配式建筑構(gòu)造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，生動(dòng)形象地向?qū)W生呈現(xiàn)裝配式建筑從設(shè)計(jì)、場(chǎng)地布局、現(xiàn)場(chǎng)施工等過(guò)程，豐富了課程體系內(nèi)容，促進(jìn)了裝配式建筑構(gòu)造進(jìn)一步向信息化方向發(fā)展[4]。

以上研究均基于虛擬仿真系統(tǒng)在課堂進(jìn)行階段的應(yīng)用，未涉及課前準(zhǔn)備階段。而混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程包含的實(shí)驗(yàn)多，設(shè)備操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)原理公式難以理解，故交互式教學(xué)及教學(xué)內(nèi)容前置尤為必要。但目前針對(duì)課前學(xué)習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)的研究不足，因此，擬通過(guò)整合優(yōu)秀教育資源，建立基于微信小程序的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)課程體系，為推進(jìn)實(shí)驗(yàn)完成度及高效度提供先決條件。

1 微信小程序在課程預(yù)習(xí)程序中應(yīng)用的可行性分析

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》是高校土木工程專業(yè)一門(mén)重要的專業(yè)課。理論課程包括（鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力）結(jié)構(gòu)的概念及力學(xué)性能、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，受彎構(gòu)件（正截面、斜截面）承載力計(jì)算、受扭構(gòu)件承載力計(jì)算，（軸心、偏心）受壓構(gòu)件正截面承載力計(jì)算等。是一門(mén)知識(shí)點(diǎn)多，且難以理解的基本課程。因此學(xué)生如果想要完全掌握，實(shí)驗(yàn)必不可少。以混凝土局部承壓和破壞形態(tài)實(shí)驗(yàn)為例，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)構(gòu)件一般由工人澆筑，教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程和加載方案，學(xué)生只參與構(gòu)件加載和破壞過(guò)程的觀察，無(wú)法全面深刻的理解破壞形式。并且完成實(shí)驗(yàn)需要的設(shè)備和混凝土構(gòu)件體積大，成本高，操作難。若想提高學(xué)習(xí)效率往往需要學(xué)生課前自行預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)與流程。

以微信小程序?yàn)槠脚_(tái)開(kāi)發(fā)一款混凝土實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)程序能很好解決上述問(wèn)題。微信小程序是一種即時(shí)的小程序，用戶僅需掃一掃即可打開(kāi)應(yīng)用，在省去了傳統(tǒng)軟件的煩瑣的加載過(guò)程的同時(shí)，有著齊全的功能。體現(xiàn)了流暢、高效、功能齊全的特點(diǎn)。學(xué)生只需要一個(gè)小程序，便不受時(shí)間、空間的約束，進(jìn)行學(xué)習(xí)，與教師溝通，從設(shè)計(jì)構(gòu)件，混凝土澆筑，構(gòu)件加載，觀察破壞過(guò)程，到得出結(jié)論，學(xué)生通過(guò)一個(gè)小程序即可全程參與。充分利用了學(xué)生的碎片時(shí)間，提高了學(xué)習(xí)效率，豐富了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，打破了實(shí)驗(yàn)條件的限制，開(kāi)拓了現(xiàn)代化的仿真模擬實(shí)驗(yàn)方式。對(duì)于教師而言，可通過(guò)小程序進(jìn)行教學(xué)管理，通過(guò)提取后臺(tái)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，了解學(xué)習(xí)情況，下達(dá)教學(xué)任務(wù)，減輕了教師的教學(xué)壓力。

通過(guò)小程序進(jìn)行學(xué)習(xí)，具有碎片式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，即知識(shí)學(xué)習(xí)存在零散性。由于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》這門(mén)課程知識(shí)點(diǎn)繁多，難以理解。因此聯(lián)合各高校、企業(yè)打造一套系統(tǒng)性的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》教育資源十分必要。一方面能加強(qiáng)高校間的合作，另一方面能提升教育資源的利用率，解決教育資源不平衡的問(wèn)題，改變國(guó)內(nèi)高校教育資源共享意識(shí)不強(qiáng)、共享機(jī)制不完善的局面。

2 基于微信小程序的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》課程仿真實(shí)驗(yàn)室預(yù)習(xí)程序設(shè)計(jì)

2.1 用戶分類及權(quán)限分配

虛擬仿真預(yù)習(xí)程序用戶主要分為三類，分別是管理員、教師、學(xué)生。其中管理員權(quán)限最高，主要負(fù)責(zé)管理用戶信息的增加或刪除、程序的維護(hù)升級(jí)。教師則通過(guò)小程序下達(dá)學(xué)習(xí)任務(wù)，并通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)查看學(xué)生學(xué)習(xí)情況，必要時(shí)還可通過(guò)小程序一對(duì)一實(shí)時(shí)互動(dòng)指導(dǎo)。學(xué)生在收到學(xué)習(xí)任務(wù)后，自主安排學(xué)習(xí)時(shí)間，通過(guò)觀看視頻，做習(xí)題，模擬仿真實(shí)驗(yàn)等方式，針對(duì)實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)結(jié)論，全面對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行預(yù)習(xí)。以下是實(shí)驗(yàn)人員權(quán)限分配圖。

圖1 角色權(quán)限分配圖

學(xué)生通過(guò)微信一鍵登錄小程序，可在小程序自主進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)小視頻學(xué)習(xí)，并通過(guò)題目練習(xí)熟練掌握實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)備等知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到預(yù)習(xí)的效果之后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，完成實(shí)驗(yàn)。教師通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，適當(dāng)安排復(fù)習(xí)訓(xùn)練，問(wèn)題答疑。直至完全掌握知識(shí)點(diǎn)。最后給予綜合評(píng)分。

2.2 程序框架

微信小程序的開(kāi)發(fā)，需要用到JS（JavaScript）、HTML、CSS等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，借助微信開(kāi)發(fā)者工具對(duì)前端頁(yè)面進(jìn)行開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用云端數(shù)據(jù)庫(kù)。在Django和Drf框架下，借助Pycharm平臺(tái)，使用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)API接口，使得客戶端、微信開(kāi)發(fā)者工具及相關(guān)網(wǎng)站能夠通過(guò)API來(lái)進(jìn)行連接，視圖層（View）、邏輯層（Service）、系統(tǒng)層是小程序基本架構(gòu)，主要文件類型為四種，分別為 js、json、wxml、wxss。首先，由用戶在視圖層發(fā)出請(qǐng)求，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳至系統(tǒng)層、邏輯層，隨后系統(tǒng)層根據(jù)邏輯層里反饋的數(shù)據(jù)，返回給視圖層，基于此種框架，開(kāi)發(fā)出《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)小程序。

圖2 程序框架圖

3 結(jié)論

在特殊時(shí)期的大背景下，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”一直是當(dāng)前高等教育改革發(fā)展的主基調(diào)。此款小程序是基于互聯(lián)網(wǎng)的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程預(yù)習(xí)體系，目的是幫助學(xué)生加深理解《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》課程知識(shí)，是“互聯(lián)網(wǎng)+教育+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方式的全新探索[5]。此次研究在促進(jìn)校校交流、校企交流的同時(shí)，一方面有利于開(kāi)辟教學(xué)方式的新路子，符合學(xué)生碎片化學(xué)習(xí)的需求，另一方面，體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)教育資源整合優(yōu)勢(shì)，也為新形勢(shì)下高等教育的改革發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。