基于微信小程序的实验教学辅助平台设计与实践

关键词：微信小程序；实验教学辅助平台；数字化学习资源；碎片化学习

中图分类号：TP315 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）25-0001-04

0 引言

实验教学是高校人才培养与教学创新的重要途径。相对于理论教学，实验教学更加有助于培养学生的创新意识，提高学生综合科学素质。随着互联网的发展，移动学习已成为高校教育的新趋势，将移动教学与实验教学相结合，将为师生提供更加个性化、便捷化的学习与工作方式。其中，微信小程序自2017年上线以来，由于其无须安装、适配程度高、即用即走等优点[1-2]，越来越多地被应用在实验教学中。

西安理工大学信息与控制工程国家级实验教学示范中心（下文简称实验中心）于2013年获批，并于2023年由陕西省教育厅验收合格。在建设的10年期间，在实验室建设、实验教学方法、示范辐射等方面做了很多工作，并取得了优异的成绩。然而，目前实验中心所开设实验课程，还少有借助现代的技术管理手段以及教学方法，同时在数据共享面也稍有欠缺。微信小程序作为一种新的技术和方法应用在高校实验教学中，可以为学生提供更便利的学习环境，提高教师工作效率，激发学生学习积极性，提高实验教学效果。因此，实验中心也需要结合微信小程序来实现实验教学方法的改进。

1 研究内容与应用场景

在“互联网+”的教育背景下，微信小程序已经广泛地应用在实验教学中。合肥学院的李萌等构建了实验预习程序，有效拓展了学生预习的时间和空间[3]。河海大学的秦淑芳等将微信小程序和二维码技术应用于海岸动力学实验教学，增加了师生在实验操作过程中的互动性和学生的自主性[4]。北京科技大学的栗琳等提出了基于微信小程序的实验室资源共享模式，为实验室资源管理与开放的探索进行了有益的实践[5]。因此，为了提升实验效率与实验质量，开发一个功能齐全、易操作、实用的微信小程序实验教学辅助平台具有较强的实际意义。

实验中心承担的实验教学任务繁重，学生实验课程安排紧密。由于实验设备台套数有限，在规定的课时内，学生做实验的次数有限。然而，复杂的实验内容要求学生重复多次实验才能完全吃透知识点，若课前没有深入预习，实验收效甚微。通过问卷调查，学生希望梳理一些实验重点信息，不限于图片、文字、视频，能有效地帮助他们做到课前预习，课后复习。因此，将实验教学相关内容进行整合，并在平台上进行资源共享，能方便快捷地为学生提供信息资源。本项目为师生提供一个基于微信小程序的实验教学辅助工具，适用于各类软、硬件实验课程。平台包括实验管理、课堂管理、练习中心[6-7]等功能模块。通过平台的使用，能更好地调动学生的学习兴趣，充分地利用数字化学习资源，不受时间、空间的限制进行碎片化学习[8]。

2 构建小程序实验教学辅助平台

根据实验中心的需求，构建了基于微信小程序的实验教学辅助平台，图1展示了平台设计的总体框架。归纳总结，主要包含了以下几方面：

2.1 整合数字化实验教学资源，提高实验效果

传统的实验预习方式是学生根据实验指导书，了解实验目的、实验内容与实验步骤。学生实验预习报告完全抄写实验指导书，对实验原理以及仪器设备没有深入的理解，因此实验教师课上需花费大量的时间讲解实验内容，留给学生动手实践的时间少之更少。为了让学生更加行之有效地预习，教师制作了丰富的数字化实验教学资源，包括文字资料、图片资料、视频资料等。实验前，教师将实验内容以及相关实验案例发布在微信小程序中，便于学生预习。教师将每一次的实验录制成视频发布在小程序上，学生可在实验前直观地了解实验器材，熟悉实验内容，课前课后反复观看。教师还上传了课程PPT、课程学习资料等其他线上资源，建立学习资料库，学生可根据需要下载，避免没有针对性的学习[9]。

2.2 开发课后练习中心，进一步加强知识点理解

除了常规实验要求外，希望学生利用课余时间进行线上练习。线上练习内容主要由教师主导把控，帮助学生精准、快速地掌握知识点。教师筛选题目并上传系统，学生线上答题，平台会自动评判，同时实时显示得分排名。题目形式多样，有单选、多选、填空、判断等。学生提交答案，答题完毕后可查看结果以及学习数据。学习数据包括答题时间统计、答题类型统计、答题正确率等。排名结果可作为课程考核的一部分，以此激励学生课后多动手，最终提高学习效果。

2.3 完善的实验管理系统，为师生提供便利

平台提供了实验报告提交、实验课表查询、实验成绩查询、实验课程签到、实验室安全准入考试等功能。实验报告线上提交，打破了传统纸质版实验报告提交模式，不仅使实验报告的提交、批改、归档更加方便，同时也节约了资源。实验课程安排通常是教师口头通知学生，经常会出现学生记错实验时间或者实验地点的现象。建立实验课表学生可更直观地查看实验安排，并合理地安排实验预习任务。传统的实验课程签到一般是手签，会出现实验课程已开始，学生还在排队签到的现象。小程序会由教师每节课生成签到二维码[10]，学生扫码签到即可。同时，教师可登录系统，查看学生签到情况并导出签到数据。学期末，学生可登录小程序查看自己的实验成绩，有疑问可直接联系老师进行反馈。实验室安全一直是高校的重中之重，为了进一步保障实验室安全，学生在进入实验室之前须在小程序进行实验室安全准入考试，只有答题合格者才能进入实验室进行实验，不仅加强了学生对实验安全的认知，也避免了实验室安全事故的发生[11]。

3 小程序实验教学辅助平台的实现

3.1 系统开发框架设计

小程序实验教学辅助平台开发分为三部分，如图2所示，各接口描述如表1所示。第一部分为微信小程序端（下文简称端侧），第二部分为Web网页端，第三部分为独立部署在云上的服务器侧。

微信小程序端采用的是WXML、WXSS和JavaS⁃cript脚本。WXML是小程序框架设计的一套标签语言，用来搭建页面结构，类似于HTML。WXSS用来自定义页面样式，与CSS类似。小程序的主要开发语言是JavaScript，用来实现页面的功能逻辑[12]，包括面向老师、学生、管理员的App端侧能力。例如面向老师的课程管理、班级管理、作业管理等能力。面向学生的课程签到、实验预习、练习中心等能力。

Web网页端主要是用Vue+JavaScript的Web技术栈，通过封装服务端的Restful接口，面向教师、管理员提供课程管理，班级学生管理等能力。

云上业务系统面向端侧提供HTTPS接口，接口采用以资源为中心的RestFul风格，主要提供实验教学辅助系统的业务能力，包括实验课程管理，实验报告等业务能力。云上系统部署架构为分布式微服务架构，核心为实验教学辅助平台，部署在云上虚拟机上，为无状态系统，支持横向弹性扩张。该服务器对外提供RestFul接口，通过ELB反向代理以及DNS域名解析，对公网提供实验室管理辅助平台的服务器HTTPS 接口，保证系统的性能和安全性。

小程序实验教学辅助平台基于SpringBoot、MySQL、Redis、Kafka开源框架实现。MySQL主要用于存储系统中产生的关系型数据，包括签到表、成绩表、角色表等数据存储能力。Redis主要用于查询加速，将热点数据缓存在Redis中，可提升学生端、老师端侧的课程与班级等查询性能。而平台提供的实验资料、题库等通过对象存储提供存储能力。分布式消息主要通过Kafka中间件实现，实现了实验室管理辅助平台各微服务之间异步协同处理，如提交实验报告等耗时场景，避免用户界面阻塞等体验差的问题。

3.2 系统实现

小程序实验教学辅助平台主要实现三个身份的登录与功能：教师端、学生端与管理员端。每个身份登录后呈现的界面不同，这依据登录时角色属性而定，用户首次登录系统需根据各自角色进行注册。

教师注册成功后，可通过账号与密码登录系统，登录后可进行添加新课程操作，如图3所示。同时给申请加入该门课程的学生进行授权，只有授权过的学生才能进入本课程进行学习。添加课程后，会显示图4界面，进而教师可进行添加实验内容、生成签到码、上传视频、上传实验成绩、上传题库、班级管理等操作。点击相应按钮即可进入下一步操作。小程序部分界面截图如图3-图7所示。

学生注册成功过后，通过账号与密码登录。在搜索栏输入并选择需要加入的课程，点击按钮发送加入课程消息，待教师授权成功后，课程列表将显示该门课程，如图8所示。学生进入实验课程后显示课程信息界面，如图9所示。课程信息界面显示实验安全测试、实验内容、实验签到、资料列表、上传实验报告等小图标，点击相应小图标即可进行下一步操作。点击界面下方导航栏“练习中心”按钮，即可进入练习中心。根据课程选择进入不同课程的练习题界面，答题有时间记录，点击答题卡按钮可查看答题情况。点击导航栏“我的”按钮，即可进入个人信息界面，在此界面可查看个人信息、我的课表以及签到记录。小程序部分界面截图如图8-图12所示。

以管理员的身份登录系统，可进行如下操作：1） 用户管理：对用户进行添加、修改、删除、授权等操作。2） 课程管理：管理员与教师具有相同操作权限，可对课程进行管理。3） 题库管理：教师也可定期将题库交由管理员进行统一上传。

4 结束语

基于信息与控制工程国家级实验教学示范中心的需求，本文设计并实现了基于微信小程序的实验教学辅助平台。实验前，学生可利用微信小程序丰富的实验资源进行预习，提高学生实验效果。实验后，可以通过练习中心进一步对知识点进行巩固。同时，实验管理、课程签到、实验成绩查询等功能为师生提供了便利，提高了教师的工作效率。

系统开发完成后，进行了试用。通过调查问卷与用户访谈的方式进行了效果跟踪，师生均认为通过平台的使用，能更好地调动学生的学习兴趣，提高学生的学习效率。该平台从师生的实际出发，具有一定的推广与应用价值，后期会根据师生的反馈结果，在功能与界面上进一步优化与完善。