任建强 张玲娟 冯越 张春红 王顺晔 赵金生 朱得华
【摘 要】 高校新工科建设对培养创新型卓越人才意义重大。实践教学质量的提升是新工科人才培养的关键，但当前很多院校普遍存在教学模式单调、实验时间受限等现实问题。对此，以信息类专业这一新工科重点建设专业群为例，基于微信应用号和嵌入式系统开发技术设计实现了一种开放式实践教学平台，进行了教学视频、文档资源、开放实验管理、实践报告及辅助功能等模块的建设。试用测试结果表明，平台为学生移动学习、实验预约及开放设备自动管理提供了良好支持，具有使用更方便、功能更完备的特点，能够使学生随时、随地、随需地全时空开放式学习、实践及互动。
【关键词】 高校;新工科;开放式;实践教学
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
〔中圖分类号〕 G642.0 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1674 - 3229（2022）01- 0099 - 05
0 引言
当今世界新一轮科技革命和产业变革正在加速，综合国力的竞争愈加激烈。工程教育和产业发展紧密联系、相互支撑已是必然之势。为推动工程教育改革，强化创新型卓越人才培养，新工科建设已成为我国高等教育改革发展的重要内容。新工科建设的根本目标是提升高等教育工程人才培养水平和质量，适应国家新经济发展需求[1]。信息类专业作为新工科重点建设专业群，尤为注重学生工程思维、实验动手能力及实践创新能力的培养[2]。然而，目前很多高校普遍存在实践教学模式单调、实验条件不足、实验课时间受限等现实问题。教师面授、学生实操的实验室教学方式受课时及实验环境的限制，不利于学生的思维拓展和实践创新技能的深化训练，严重制约着人才培养质量的提升。因此，对实践教学方式进行改革具有重要意义。
然而，单纯的实验编排、内容重构及考核方式转变等方面的改革很难从根本上解决上述问题。网络与智慧信息技术在教育教学中的应用，为问题的解决提供了可行思路。基于学习网站、移动学习APP、MOOC、微课等技术手段的教学方法得到了师生的广泛关注，为提升人才培养质量做出了积极贡献[3-6]。但是，这些技术在功能的完备性、使用的便捷性等方面依然存在不足。其中，MOOC、微课、学习网站在实现师生实时交互效果上不够理想;移动学习APP需要用户先安装后使用不够便捷。这些弊端为用户带来了不便。随着微信的普遍使用[7-8]，基于微信群、微信公众号的教学改革方法得到应用，然而微信群方式方便讨论交流但不利于教学资源的存储和教学过程的组织，微信公众号方式对师生互动支持方面效果不佳。此外，现有研究成果对实验室开放设备的自动管理能力仍然不足。
作为一种免下载免安装的应用程序，微信应用号（小程序）的推广为基于微信平台的去APP化应用开发提供了支持[9-14]。鉴于此，本文提出了一种基于微信应用号和嵌入式开发技术的开放式实践教学平台，基于应用号API（Application Programming Interface，应用程序接口）编程和嵌入式单片机进行了平台实现，能够为学生提供随时、随地、随需的全时空开放式学习实践及互动支持，很好地解决了上述问题，取得了良好的教学效果。
1 系统功能与结构
基于微信应用号和嵌入式技术的开放式实践教学平台支持学生自主学习、实验、笔记、作业练习及答疑交互，并能自动完成实验室预约开放设备的控制管理。平台结构如图1，按功能主要划分为教学、操作和辅助三大板块。
1.1 教学板块
提供视频教学及文档下载服务，具体包括教学视频模块和文档资源模块。（1）教学视频模块：提供课程理论教学、课程实验教学及综合实训教学的视频学习功能。学习中，点入播放时，可对视频进行随时暂停缓冲。当学习者当前点击与当前播放不一致时，自动切换资源。同时，该模块还支持师生在线答疑互动。（2）文档资源模块：支持课件文档、教案文档、实验/实训指导文档以及实验/实训参考代码等资源的存储、浏览及下载。学生可通过课程目录找到对应资源，点击即可在线浏览，无须安装专用阅读器。
1.2 操作板块
提供实验设备及报告管理服务，具体包括实验管理模块和实践报告模块。（1）实验管理模块：提供实验/实训室开放预约和开放设备控制管理功能，学生可根据自身时间预约两周内实验/实训室空闲时段进行操作训练;如约进行实验/实训时，本模块自动对实验/实训设备实施控制管理，具体功能由学生手机端和设备控制端配合完成，二者基于蓝牙实现无线通信。设备控制端安装于各台实验设备电源端，在手机端开启蓝牙，系统自动搜索可用设备，匹配和验证成功后，设备控制端自动接通电源，启动设备，学生开始实验/实训;实验/实训完成后只需在手机端点击完成按钮，控制端便自动关闭设备并记录使用信息。（2）实践报告模块：为学生提供实验/实训报告的提交服务，为教师提供报告的批阅服务，并能自动将报告存入数据库，完成档案存留。
1.3 辅助板块
提供学习辅助和用户信息管理功能，包括学习笔记模块、作业练习模块和用户管理模块。（1）学习笔记模块：提供在线笔记功能，方便学生在学习中记录重要知识点或学习心得。学生可随时新建笔记，也可随时编辑或删除笔记，笔记首次保存时自动记录创建时间。（2）作业练习模块：支持教师安排课后作业及练习题，促进学生理论联系实践，加深对知识的理解和应用，提升应用型人才培养质量。（3）用户管理模块：实现对师生及管理人员的信息管理。当用户登录时，自动获取和保存用户微信昵称及头像等信息。同时，模块允许用户随时完善个人信息，并同步到数据库中。
2 系统设计与实现
重點介绍平台的UI、教学视频模块、文档资源模块、实验管理模块和实践报告模块的设计与实现方法。其他模块的实现方法类似，不逐一赘述。
2.1 UI设计与实现
良好的UI（User Interface，用户接口）设计能够提高学生的学习兴趣和效率。本平台从人机工程和视觉一致性原则出发，构造了简洁友好、方便实用的UI界面，设计及效果示例如图2所示。
图2（a）中，UI页面采用三区一体式结构设计，中部设置板块选择功能区，默认选中教学板块，用户可点选切换到操作板块或辅助板块;UI下部设计为阵列式模块选择功能区，对应显示当前板块下的各功能模块，用户可点选对应功能;UI上部设置资源选择功能区，采用主图循环动态显示方式展示当前模块下的资源。以平台默认显示的教学板块为例，其效果如图2（b）。UI下部的模块选择功能区自上而下依次为教学视频模块和文档资源模块，分别以阵列形式组织课程，用户点选课程后，UI上方的资源功能区以主图循环动态显示方式提供当前课程下的章节/项目，支持用户直接点击访问。在资源分类整合基础上，将各资源地址数据化并绑定对应主图，在js的data数据中建立banner_list数组来存放各主图地址，在wxml中利用wx：for-items获取banner_list数组中的banner并在swiper组件中实现循环动态显示。
2.2 教学视频模块的设计与实现
每门实验/实训课程均支持多个教学视频，为便于学生使用，以列表形式对各视频资源进行展现。各视频按地址赋予唯一ID号来准确索引，代码示例如图3。实现过程中，通过调用video控件完成教学视频的播放，资源地址由src属性控制，视频时长由duration属性存放，并由autoplay属性设置是否自动播放。多个视频同时播放时的防错问题采用点击判断法解决，当出现点击和当前播放不一致情况时，当前视频中止并改播点击视频。不同视频的地址区分问题通过调用videolist的videoUrl解决。此外，学习中如有疑问，可随时通过点击播放界面上的“发表看法”按钮进行实时提问和交流，有效避免问题积压，充分提升了学习效果。
2.3 文档资源模块的设计与实现
该模块提供课件、教案、实验/实训指导文档以及实验/实训参考代码等资源的存储、浏览及下载功能，采用列表形式显示所有文档资源的title和date。其中对title的显示支持通过<view class=′txt′>{{item. value.title}}</view>实现，对文档创建时间的记录通过<view class=′txt′>{{item.year}}{{item.month}} {{item.date}}</view>完成。学生可通过列表找到对应资源，点击即可调用wx.openDocument（）方法完成文档的在线浏览，无须安装专用阅读器。平台支持的在线浏览文档类型主要包括pdf、word、ppt、txt等。在实现方案中，文档数据由data的value值初始化，通过主键id实现文件索引，进而检索到文件的保存路径，对用户操作做出响应。
2.4 实验管理模块的设计与实现
该模块的实现结构见图4（a），分为学生手机端和设备控制端，配合完成管理功能。各控制端安装在各实验设备的电源处，基于蓝牙与用户手机平台进行通信，基于双向可控硅对实验设备进行启停控制。手机端通过调用wx.startBluetooth DevicesDiscovery （Object object）方法实现对设备控制端的搜索，基于wx.onBluetoothDeviceFound（）方法完成设备列表的回调，然后根据实验设备控制端蓝牙模块广播的名字来自动判断其是否为预约设备，若是则调用wx.createBLEConnection（）方法与其建立蓝牙连接。实验完成后，点击平台界面按钮则程序自动调用wx.closeBLEConnection（）方法断开与实验设备控制端的连接，控制端自动完成设备关机。
设备控制端基于嵌入式系统开发技术设计实现，电路原理见图4（b），以单片机MCU为控制核心处理器，蓝牙电路选用CC2540芯片[15]并基于UART接口与MCU连接，双方的串口数据发送端TXD和接收端RXD交叉互联，并将GND端共地来确保通信可靠。MCU对实验设备电源的控制通过双向可控硅实现，由GPIO引脚P1.0实施控制。为确保电路安全，引入可控硅输出型光电耦合器MOC3021[16]实现与双向可控硅VT的光电隔离触发，并为双向可控硅VT增加了阻容保护电路。
2.5 实践报告模块的设计与实现
完成实验/实训操作后，可通过该模块撰写和提交对应的实验/实训报告。教师则可通过该模块完成报告批阅。报告编辑过程中，可随时执行存盘操作，自动存入数据库。当学生修改了报告内容或者教师批阅了报告后，可通过点击保存按钮，完成内容的更新存盘。该模块的实现代码示例如图5，在实现方案中首先通过代码item.value.title=event.detail. value.title获取报告标题，然后采用item.value.content =event.detail.value. content获取编辑的内容，最后调用this.saveData（）完成数据保存。
3 试用与测试分析
为验证平台性能，进行了系统的试用和测试分析。设备控制端的单片机MCU选用Atmel公司的低功耗、高性能CMOS 8位微控制器AT89S52，内部集成有8KB系统可编程Flash 存储器，充分保证了调试或升级的便捷性。控制端在两款实验设备上的安装使用情况如图6所示。
测试中，首先在微信开发者环境中基于模拟器测试运行，各模块运行情况和预期效果无偏差。然后，进行真机平台测试，在开发者工具栏启动真机调试，自动生成调试二维码，手机微信号扫码进行平台性能的真机调试测试。上位机显示调试机型、微信版本、连接方式、系统状态等信息以及所有数据，真机测试结果如图7所示。综合分析表明，该平台系统界面友好、功能完备、运行顺畅，达到了预期效果。
4 结语
针对高校新工科建设背景下信息类专业对加强人才实践能力培养的迫切需求，设计了一种开放式实践教学平台。从人机工程和视觉一致性原则出发，构造了简洁友好、方便实用的UI接口。基于微信应用号API编程和嵌入式系统开发技术实现了支持全时空开放式实践学习、实验预约及开放设备自动管理的各项功能。试用测试验证了平台性能的完备性、UI接口的友好性及系统运行的顺畅性。平台的推广使用将为高校专业实践教学模式改革提供有力支持，有效促进学生的思维拓展和实践创新技能提升。
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