新工科信息類專業(yè)開放式實(shí)踐教學(xué)平臺研究

任建強(qiáng) 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(shè)對培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越人才意義重大。實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提升是新工科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，但當(dāng)前很多院校普遍存在教學(xué)模式單調(diào)、實(shí)驗(yàn)時間受限等現(xiàn)實(shí)問題。對此，以信息類專業(yè)這一新工科重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)群為例，基于微信應(yīng)用號和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種開放式實(shí)踐教學(xué)平臺，進(jìn)行了教學(xué)視頻、文檔資源、開放實(shí)驗(yàn)管理、實(shí)踐報告及輔助功能等模塊的建設(shè)。試用測試結(jié)果表明，平臺為學(xué)生移動學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)預(yù)約及開放設(shè)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(diǎn)，能夠使學(xué)生隨時、隨地、隨需地全時空開放式學(xué)習(xí)、實(shí)踐及互動。

【關(guān)鍵詞】? ?高校;新工科;開放式;實(shí)踐教學(xué)

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(xiàn)標(biāo)識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）01- 0099 - 05

0? ? ?引言

當(dāng)今世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在加速，綜合國力的競爭愈加激烈。工程教育和產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系、相互支撐已是必然之勢。為推動工程教育改革，強(qiáng)化創(chuàng)新型卓越人才培養(yǎng)，新工科建設(shè)已成為我國高等教育改革發(fā)展的重要內(nèi)容。新工科建設(shè)的根本目標(biāo)是提升高等教育工程人才培養(yǎng)水平和質(zhì)量，適應(yīng)國家新經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求[1]。信息類專業(yè)作為新工科重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)群，尤為注重學(xué)生工程思維、實(shí)驗(yàn)動手能力及實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]。然而，目前很多高校普遍存在實(shí)踐教學(xué)模式單調(diào)、實(shí)驗(yàn)條件不足、實(shí)驗(yàn)課時間受限等現(xiàn)實(shí)問題。教師面授、學(xué)生實(shí)操的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方式受課時及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，不利于學(xué)生的思維拓展和實(shí)踐創(chuàng)新技能的深化訓(xùn)練，嚴(yán)重制約著人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。因此，對實(shí)踐教學(xué)方式進(jìn)行改革具有重要意義。

然而，單純的實(shí)驗(yàn)編排、內(nèi)容重構(gòu)及考核方式轉(zhuǎn)變等方面的改革很難從根本上解決上述問題。網(wǎng)絡(luò)與智慧信息技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用，為問題的解決提供了可行思路?；趯W(xué)習(xí)網(wǎng)站、移動學(xué)習(xí)APP、MOOC、微課等技術(shù)手段的教學(xué)方法得到了師生的廣泛關(guān)注，為提升人才培養(yǎng)質(zhì)量做出了積極貢獻(xiàn)[3-6]。但是，這些技術(shù)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(xué)習(xí)網(wǎng)站在實(shí)現(xiàn)師生實(shí)時交互效果上不夠理想;移動學(xué)習(xí)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(xué)改革方法得到應(yīng)用，然而微信群方式方便討論交流但不利于教學(xué)資源的存儲和教學(xué)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(xiàn)有研究成果對實(shí)驗(yàn)室開放設(shè)備的自動管理能力仍然不足。

作為一種免下載免安裝的應(yīng)用程序，微信應(yīng)用號（小程序）的推廣為基于微信平臺的去APP化應(yīng)用開發(fā)提供了支持[9-14]。鑒于此，本文提出了一種基于微信應(yīng)用號和嵌入式開發(fā)技術(shù)的開放式實(shí)踐教學(xué)平臺，基于應(yīng)用號API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口）編程和嵌入式單片機(jī)進(jìn)行了平臺實(shí)現(xiàn)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供隨時、隨地、隨需的全時空開放式學(xué)習(xí)實(shí)踐及互動支持，很好地解決了上述問題，取得了良好的教學(xué)效果。

1? ? ?系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

基于微信應(yīng)用號和嵌入式技術(shù)的開放式實(shí)踐教學(xué)平臺支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、筆記、作業(yè)練習(xí)及答疑交互，并能自動完成實(shí)驗(yàn)室預(yù)約開放設(shè)備的控制管理。平臺結(jié)構(gòu)如圖1，按功能主要劃分為教學(xué)、操作和輔助三大板塊。

1.1? ?教學(xué)板塊

提供視頻教學(xué)及文檔下載服務(wù)，具體包括教學(xué)視頻模塊和文檔資源模塊。（1）教學(xué)視頻模塊：提供課程理論教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)及綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)的視頻學(xué)習(xí)功能。學(xué)習(xí)中，點(diǎn)入播放時，可對視頻進(jìn)行隨時暫停緩沖。當(dāng)學(xué)習(xí)者當(dāng)前點(diǎn)擊與當(dāng)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(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)文檔以及實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)參考代碼等資源的存儲、瀏覽及下載。學(xué)生可通過課程目錄找到對應(yīng)資源，點(diǎn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備及報告管理服務(wù)，具體包括實(shí)驗(yàn)管理模塊和實(shí)踐報告模塊。（1）實(shí)驗(yàn)管理模塊：提供實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)室開放預(yù)約和開放設(shè)備控制管理功能，學(xué)生可根據(jù)自身時間預(yù)約兩周內(nèi)實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)室空閑時段進(jìn)行操作訓(xùn)練;如約進(jìn)行實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)時，本模塊自動對實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)施控制管理，具體功能由學(xué)生手機(jī)端和設(shè)備控制端配合完成，二者基于藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無線通信。設(shè)備控制端安裝于各臺實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源端，在手機(jī)端開啟藍(lán)牙，系統(tǒng)自動搜索可用設(shè)備，匹配和驗(yàn)證成功后，設(shè)備控制端自動接通電源，啟動設(shè)備，學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn);實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)完成后只需在手機(jī)端點(diǎn)擊完成按鈕，控制端便自動關(guān)閉設(shè)備并記錄使用信息。（2）實(shí)踐報告模塊：為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)報告的提交服務(wù)，為教師提供報告的批閱服務(wù)，并能自動將報告存入數(shù)據(jù)庫，完成檔案存留。

1.3? ?輔助板塊

提供學(xué)習(xí)輔助和用戶信息管理功能，包括學(xué)習(xí)筆記模塊、作業(yè)練習(xí)模塊和用戶管理模塊。（1）學(xué)習(xí)筆記模塊：提供在線筆記功能，方便學(xué)生在學(xué)習(xí)中記錄重要知識點(diǎn)或?qū)W習(xí)心得。學(xué)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(chuàng)建時間。（2）作業(yè)練習(xí)模塊：支持教師安排課后作業(yè)及練習(xí)題，促進(jìn)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐，加深對知識的理解和應(yīng)用，提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。（3）用戶管理模塊：實(shí)現(xiàn)對師生及管理人員的信息管理。當(dāng)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(shù)據(jù)庫中。

2? ? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

重點(diǎn)介紹平臺的UI、教學(xué)視頻模塊、文檔資源模塊、實(shí)驗(yàn)管理模塊和實(shí)踐報告模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。其他模塊的實(shí)現(xiàn)方法類似，不逐一贅述。

2.1? ?UI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

良好的UI（User Interface，用戶接口）設(shè)計(jì)能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率。本平臺從人機(jī)工程和視覺一致性原則出發(fā)，構(gòu)造了簡潔友好、方便實(shí)用的UI界面，設(shè)計(jì)及效果示例如圖2所示。

圖2（a）中，UI頁面采用三區(qū)一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中部設(shè)置板塊選擇功能區(qū)，默認(rèn)選中教學(xué)板塊，用戶可點(diǎn)選切換到操作板塊或輔助板塊;UI下部設(shè)計(jì)為陣列式模塊選擇功能區(qū)，對應(yīng)顯示當(dāng)前板塊下的各功能模塊，用戶可點(diǎn)選對應(yīng)功能;UI上部設(shè)置資源選擇功能區(qū)，采用主圖循環(huán)動態(tài)顯示方式展示當(dāng)前模塊下的資源。以平臺默認(rèn)顯示的教學(xué)板塊為例，其效果如圖2（b）。UI下部的模塊選擇功能區(qū)自上而下依次為教學(xué)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(diǎn)選課程后，UI上方的資源功能區(qū)以主圖循環(huán)動態(tài)顯示方式提供當(dāng)前課程下的章節(jié)/項(xiàng)目，支持用戶直接點(diǎn)擊訪問。在資源分類整合基礎(chǔ)上，將各資源地址數(shù)據(jù)化并綁定對應(yīng)主圖，在js的data數(shù)據(jù)中建立banner_list數(shù)組來存放各主圖地址，在wxml中利用wx：for-items獲取banner_list數(shù)組中的banner并在swiper組件中實(shí)現(xiàn)循環(huán)動態(tài)顯示。

2.2? ?教學(xué)視頻模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

每門實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)課程均支持多個教學(xué)視頻，為便于學(xué)生使用，以列表形式對各視頻資源進(jìn)行展現(xiàn)。各視頻按地址賦予唯一ID號來準(zhǔn)確索引，代碼示例如圖3。實(shí)現(xiàn)過程中，通過調(diào)用video控件完成教學(xué)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(shè)置是否自動播放。多個視頻同時播放時的防錯問題采用點(diǎn)擊判斷法解決，當(dāng)出現(xiàn)點(diǎn)擊和當(dāng)前播放不一致情況時，當(dāng)前視頻中止并改播點(diǎn)擊視頻。不同視頻的地址區(qū)分問題通過調(diào)用videolist的videoUrl解決。此外，學(xué)習(xí)中如有疑問，可隨時通過點(diǎn)擊播放界面上的“發(fā)表看法”按鈕進(jìn)行實(shí)時提問和交流，有效避免問題積壓，充分提升了學(xué)習(xí)效果。

2.3? ?文檔資源模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該模塊提供課件、教案、實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)文檔以及實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)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(shí)現(xiàn)，對文檔創(chuàng)建時間的記錄通過<view class=′txt′>{{item.year}}{{item.month}} {{item.date}}</view>完成。學(xué)生可通過列表找到對應(yīng)資源，點(diǎn)擊即可調(diào)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(shí)現(xiàn)方案中，文檔數(shù)據(jù)由data的value值初始化，通過主鍵id實(shí)現(xiàn)文件索引，進(jìn)而檢索到文件的保存路徑，對用戶操作做出響應(yīng)。

2.4? ?實(shí)驗(yàn)管理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)見圖4（a），分為學(xué)生手機(jī)端和設(shè)備控制端，配合完成管理功能。各控制端安裝在各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的電源處，基于藍(lán)牙與用戶手機(jī)平臺進(jìn)行通信，基于雙向可控硅對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行啟停控制。手機(jī)端通過調(diào)用wx.startBluetooth DevicesDiscovery （Object object）方法實(shí)現(xiàn)對設(shè)備控制端的搜索，基于wx.onBluetoothDeviceFound（）方法完成設(shè)備列表的回調(diào)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制端藍(lán)牙模塊廣播的名字來自動判斷其是否為預(yù)約設(shè)備，若是則調(diào)用wx.createBLEConnection（）方法與其建立藍(lán)牙連接。實(shí)驗(yàn)完成后，點(diǎn)擊平臺界面按鈕則程序自動調(diào)用wx.closeBLEConnection（）方法斷開與實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制端的連接，控制端自動完成設(shè)備關(guān)機(jī)。

設(shè)備控制端基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，電路原理見圖4（b），以單片機(jī)MCU為控制核心處理器，藍(lán)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(shù)據(jù)發(fā)送端TXD和接收端RXD交叉互聯(lián)，并將GND端共地來確保通信可靠。MCU對實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源的控制通過雙向可控硅實(shí)現(xiàn)，由GPIO引腳P1.0實(shí)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(shí)現(xiàn)與雙向可控硅VT的光電隔離觸發(fā)，并為雙向可控硅VT增加了阻容保護(hù)電路。

2.5? ?實(shí)踐報告模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

完成實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)操作后，可通過該模塊撰寫和提交對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)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(zhí)行存盤操作，自動存入數(shù)據(jù)庫。當(dāng)學(xué)生修改了報告內(nèi)容或者教師批閱了報告后，可通過點(diǎn)擊保存按鈕，完成內(nèi)容的更新存盤。該模塊的實(shí)現(xiàn)代碼示例如圖5，在實(shí)現(xiàn)方案中首先通過代碼item.value.title=event.detail. value.title獲取報告標(biāo)題，然后采用item.value.content =event.detail.value. content獲取編輯的內(nèi)容，最后調(diào)用this.saveData（）完成數(shù)據(jù)保存。

3? ? ?試用與測試分析

為驗(yàn)證平臺性能，進(jìn)行了系統(tǒng)的試用和測試分析。設(shè)備控制端的單片機(jī)MCU選用Atmel公司的低功耗、高性能CMOS 8位微控制器AT89S52，內(nèi)部集成有8KB系統(tǒng)可編程Flash 存儲器，充分保證了調(diào)試或升級的便捷性。控制端在兩款實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的安裝使用情況如圖6所示。

測試中，首先在微信開發(fā)者環(huán)境中基于模擬器測試運(yùn)行，各模塊運(yùn)行情況和預(yù)期效果無偏差。然后，進(jìn)行真機(jī)平臺測試，在開發(fā)者工具欄啟動真機(jī)調(diào)試，自動生成調(diào)試二維碼，手機(jī)微信號掃碼進(jìn)行平臺性能的真機(jī)調(diào)試測試。上位機(jī)顯示調(diào)試機(jī)型、微信版本、連接方式、系統(tǒng)狀態(tài)等信息以及所有數(shù)據(jù)，真機(jī)測試結(jié)果如圖7所示。綜合分析表明，該平臺系統(tǒng)界面友好、功能完備、運(yùn)行順暢，達(dá)到了預(yù)期效果。

4? ? ?結(jié)語

針對高校新工科建設(shè)背景下信息類專業(yè)對加強(qiáng)人才實(shí)踐能力培養(yǎng)的迫切需求，設(shè)計(jì)了一種開放式實(shí)踐教學(xué)平臺。從人機(jī)工程和視覺一致性原則出發(fā)，構(gòu)造了簡潔友好、方便實(shí)用的UI接口?；谖⑿艖?yīng)用號API編程和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了支持全時空開放式實(shí)踐學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)預(yù)約及開放設(shè)備自動管理的各項(xiàng)功能。試用測試驗(yàn)證了平臺性能的完備性、UI接口的友好性及系統(tǒng)運(yùn)行的順暢性。平臺的推廣使用將為高校專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式改革提供有力支持，有效促進(jìn)學(xué)生的思維拓展和實(shí)踐創(chuàng)新技能提升。

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