基于微信小程序的實驗教學輔助平臺設計與實踐

關鍵詞：微信小程序；實驗教學輔助平臺；數字化學習資源；碎片化學習

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0001-04

0 引言

實驗教學是高校人才培養與教學創新的重要途徑。相對于理論教學，實驗教學更加有助于培養學生的創新意識，提高學生綜合科學素質。隨著互聯網的發展，移動學習已成為高校教育的新趨勢，將移動教學與實驗教學相結合，將為師生提供更加個性化、便捷化的學習與工作方式。其中，微信小程序自2017年上線以來，由于其無須安裝、適配程度高、即用即走等優點[1-2]，越來越多地被應用在實驗教學中。

西安理工大學信息與控制工程國家級實驗教學示范中心（下文簡稱實驗中心）于2013年獲批，并于2023年由陜西省教育廳驗收合格。在建設的10年期間，在實驗室建設、實驗教學方法、示范輻射等方面做了很多工作，并取得了優異的成績。然而，目前實驗中心所開設實驗課程，還少有借助現代的技術管理手段以及教學方法，同時在數據共享面也稍有欠缺。微信小程序作為一種新的技術和方法應用在高校實驗教學中，可以為學生提供更便利的學習環境，提高教師工作效率，激發學生學習積極性，提高實驗教學效果。因此，實驗中心也需要結合微信小程序來實現實驗教學方法的改進。

1 研究內容與應用場景

在“互聯網+”的教育背景下，微信小程序已經廣泛地應用在實驗教學中。合肥學院的李萌等構建了實驗預習程序，有效拓展了學生預習的時間和空間[3]。河海大學的秦淑芳等將微信小程序和二維碼技術應用于海岸動力學實驗教學，增加了師生在實驗操作過程中的互動性和學生的自主性[4]。北京科技大學的栗琳等提出了基于微信小程序的實驗室資源共享模式，為實驗室資源管理與開放的探索進行了有益的實踐[5]。因此，為了提升實驗效率與實驗質量，開發一個功能齊全、易操作、實用的微信小程序實驗教學輔助平臺具有較強的實際意義。

實驗中心承擔的實驗教學任務繁重，學生實驗課程安排緊密。由于實驗設備臺套數有限，在規定的課時內，學生做實驗的次數有限。然而，復雜的實驗內容要求學生重復多次實驗才能完全吃透知識點，若課前沒有深入預習，實驗收效甚微。通過問卷調查，學生希望梳理一些實驗重點信息，不限于圖片、文字、視頻，能有效地幫助他們做到課前預習，課后復習。因此，將實驗教學相關內容進行整合，并在平臺上進行資源共享，能方便快捷地為學生提供信息資源。本項目為師生提供一個基于微信小程序的實驗教學輔助工具，適用于各類軟、硬件實驗課程。平臺包括實驗管理、課堂管理、練習中心[6-7]等功能模塊。通過平臺的使用，能更好地調動學生的學習興趣，充分地利用數字化學習資源，不受時間、空間的限制進行碎片化學習[8]。

2 構建小程序實驗教學輔助平臺

根據實驗中心的需求，構建了基于微信小程序的實驗教學輔助平臺，圖1展示了平臺設計的總體框架。歸納總結，主要包含了以下幾方面：

2.1 整合數字化實驗教學資源，提高實驗效果

傳統的實驗預習方式是學生根據實驗指導書，了解實驗目的、實驗內容與實驗步驟。學生實驗預習報告完全抄寫實驗指導書，對實驗原理以及儀器設備沒有深入的理解，因此實驗教師課上需花費大量的時間講解實驗內容，留給學生動手實踐的時間少之更少。為了讓學生更加行之有效地預習，教師制作了豐富的數字化實驗教學資源，包括文字資料、圖片資料、視頻資料等。實驗前，教師將實驗內容以及相關實驗案例發布在微信小程序中，便于學生預習。教師將每一次的實驗錄制成視頻發布在小程序上，學生可在實驗前直觀地了解實驗器材，熟悉實驗內容，課前課后反復觀看。教師還上傳了課程PPT、課程學習資料等其他線上資源，建立學習資料庫，學生可根據需要下載，避免沒有針對性的學習[9]。

2.2 開發課后練習中心，進一步加強知識點理解

除了常規實驗要求外，希望學生利用課余時間進行線上練習。線上練習內容主要由教師主導把控，幫助學生精準、快速地掌握知識點。教師篩選題目并上傳系統，學生線上答題，平臺會自動評判，同時實時顯示得分排名。題目形式多樣，有單選、多選、填空、判斷等。學生提交答案，答題完畢后可查看結果以及學習數據。學習數據包括答題時間統計、答題類型統計、答題正確率等。排名結果可作為課程考核的一部分，以此激勵學生課后多動手，最終提高學習效果。

2.3 完善的實驗管理系統，為師生提供便利

平臺提供了實驗報告提交、實驗課表查詢、實驗成績查詢、實驗課程簽到、實驗室安全準入考試等功能。實驗報告線上提交，打破了傳統紙質版實驗報告提交模式，不僅使實驗報告的提交、批改、歸檔更加方便，同時也節約了資源。實驗課程安排通常是教師口頭通知學生，經常會出現學生記錯實驗時間或者實驗地點的現象。建立實驗課表學生可更直觀地查看實驗安排，并合理地安排實驗預習任務。傳統的實驗課程簽到一般是手簽，會出現實驗課程已開始，學生還在排隊簽到的現象。小程序會由教師每節課生成簽到二維碼[10]，學生掃碼簽到即可。同時，教師可登錄系統，查看學生簽到情況并導出簽到數據。學期末，學生可登錄小程序查看自己的實驗成績，有疑問可直接聯系老師進行反饋。實驗室安全一直是高校的重中之重，為了進一步保障實驗室安全，學生在進入實驗室之前須在小程序進行實驗室安全準入考試，只有答題合格者才能進入實驗室進行實驗，不僅加強了學生對實驗安全的認知，也避免了實驗室安全事故的發生[11]。

3 小程序實驗教學輔助平臺的實現

3.1 系統開發框架設計

小程序實驗教學輔助平臺開發分為三部分，如圖2所示，各接口描述如表1所示。第一部分為微信小程序端（下文簡稱端側），第二部分為Web網頁端，第三部分為獨立部署在云上的服務器側。

微信小程序端采用的是WXML、WXSS和JavaS?cript腳本。WXML是小程序框架設計的一套標簽語言，用來搭建頁面結構，類似于HTML。WXSS用來自定義頁面樣式，與CSS類似。小程序的主要開發語言是JavaScript，用來實現頁面的功能邏輯[12]，包括面向老師、學生、管理員的App端側能力。例如面向老師的課程管理、班級管理、作業管理等能力。面向學生的課程簽到、實驗預習、練習中心等能力。

Web網頁端主要是用Vue+JavaScript的Web技術棧，通過封裝服務端的Restful接口，面向教師、管理員提供課程管理，班級學生管理等能力。

云上業務系統面向端側提供HTTPS接口，接口采用以資源為中心的RestFul風格，主要提供實驗教學輔助系統的業務能力，包括實驗課程管理，實驗報告等業務能力。云上系統部署架構為分布式微服務架構，核心為實驗教學輔助平臺，部署在云上虛擬機上，為無狀態系統，支持橫向彈性擴張。該服務器對外提供RestFul接口，通過ELB反向代理以及DNS域名解析，對公網提供實驗室管理輔助平臺的服務器HTTPS 接口，保證系統的性能和安全性。

小程序實驗教學輔助平臺基于SpringBoot、MySQL、Redis、Kafka開源框架實現。MySQL主要用于存儲系統中產生的關系型數據，包括簽到表、成績表、角色表等數據存儲能力。Redis主要用于查詢加速，將熱點數據緩存在Redis中，可提升學生端、老師端側的課程與班級等查詢性能。而平臺提供的實驗資料、題庫等通過對象存儲提供存儲能力。分布式消息主要通過Kafka中間件實現，實現了實驗室管理輔助平臺各微服務之間異步協同處理，如提交實驗報告等耗時場景，避免用戶界面阻塞等體驗差的問題。

3.2 系統實現

小程序實驗教學輔助平臺主要實現三個身份的登錄與功能：教師端、學生端與管理員端。每個身份登錄后呈現的界面不同，這依據登錄時角色屬性而定，用戶首次登錄系統需根據各自角色進行注冊。

教師注冊成功后，可通過賬號與密碼登錄系統，登錄后可進行添加新課程操作，如圖3所示。同時給申請加入該門課程的學生進行授權，只有授權過的學生才能進入本課程進行學習。添加課程后，會顯示圖4界面，進而教師可進行添加實驗內容、生成簽到碼、上傳視頻、上傳實驗成績、上傳題庫、班級管理等操作。點擊相應按鈕即可進入下一步操作。小程序部分界面截圖如圖3-圖7所示。

學生注冊成功過后，通過賬號與密碼登錄。在搜索欄輸入并選擇需要加入的課程，點擊按鈕發送加入課程消息，待教師授權成功后，課程列表將顯示該門課程，如圖8所示。學生進入實驗課程后顯示課程信息界面，如圖9所示。課程信息界面顯示實驗安全測試、實驗內容、實驗簽到、資料列表、上傳實驗報告等小圖標，點擊相應小圖標即可進行下一步操作。點擊界面下方導航欄“練習中心”按鈕，即可進入練習中心。根據課程選擇進入不同課程的練習題界面，答題有時間記錄，點擊答題卡按鈕可查看答題情況。點擊導航欄“我的”按鈕，即可進入個人信息界面，在此界面可查看個人信息、我的課表以及簽到記錄。小程序部分界面截圖如圖8-圖12所示。

以管理員的身份登錄系統，可進行如下操作：1） 用戶管理：對用戶進行添加、修改、刪除、授權等操作。2） 課程管理：管理員與教師具有相同操作權限，可對課程進行管理。3） 題庫管理：教師也可定期將題庫交由管理員進行統一上傳。

4 結束語

基于信息與控制工程國家級實驗教學示范中心的需求，本文設計并實現了基于微信小程序的實驗教學輔助平臺。實驗前，學生可利用微信小程序豐富的實驗資源進行預習，提高學生實驗效果。實驗后，可以通過練習中心進一步對知識點進行鞏固。同時，實驗管理、課程簽到、實驗成績查詢等功能為師生提供了便利，提高了教師的工作效率。

系統開發完成后，進行了試用。通過調查問卷與用戶訪談的方式進行了效果跟蹤，師生均認為通過平臺的使用，能更好地調動學生的學習興趣，提高學生的學習效率。該平臺從師生的實際出發，具有一定的推廣與應用價值，后期會根據師生的反饋結果，在功能與界面上進一步優化與完善。