基于云开发的高校课程助手小程序的设计

2022-05-30曾水新黄日胜

电脑知识与技术 2022年28期

曾水新黄日胜

摘要：目前智慧校园平台不能满足细粒度的课程层面的信息化需求，高校课程助手是一款基于云开发的微信小程序，有签到、成绩管理、通知等功能。签到功能利用手机接收低功耗蓝牙信号计算距离，解决市面上大多数签到系统容易作弊的问题；成绩管理功能弥补了部分教务系统不能录入平时成绩、作业成绩的不足；通知功能是为教师发送课程通知、文章而设计的功能，添加了学生确认的环境，避免有学生漏看重要通知的问题。

关键词：微信小程序；云开发；教务系统；考勤系统；JavaScript

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）28-0034-04

1 引言

近年来，国内的教育信息化发展迅速，各高校建设的智慧校园平台，覆盖了OA、教务、图书、科研、资产、财务等领域，极大提高了办公效率。智慧校园是一个庞大的综合解决方案，投资大、周期长，可以满足学校的大部分的、共性的信息化需求，但无法满足学校部分个性化需求。信息系统精细化的管理，需要在智慧校园平台基础上，不断增加小的信息系统，形成“智慧校园+”的格局，即“大平台+小工具”，大平台解决稳定的、通用的需求，小工具系统作为补充，满足个性化的、临时性的、探索性的需求。

由于微信的覆盖率广、小程序开发成本低、且跨平台、云开发无须购买服务器，微信小程序是开发智慧校园平台小工具的理想载体。目前服务高校的小程序的研究已非常丰富，如：李海燕的教务助手小程序[1]、李霞的高校新生预报到系统[2]、闵慧的查寝打卡微信小程序[3]、张辰瑞的高校基层党建平台[4]、马延立的基于微信小程序的在线考试系统[5]、潘俊芳的图书馆座位预约系统[6]等。

高校课程助手小程序系统是智慧校园一个补充，使信息化服务下沉到课程层面，为学生提供便利，让教师集中精力在核心教学事务。

2 需求分析

2.1 基于室内定位的签到

为了杜绝安全隐患，一些高校要求教师每节课对学生考勤。点名是重复而烦琐的课堂活动，如果每节课由教师口头点名，会浪费宝贵的课堂时间，因此在高校考勤的信息化是十分必要的。

市面上有很多考勤系统，一般可分三类：一种为一键签到式的，教师发起点名后，学生在手机或电脑一键签到，这种方式无位置信息，无法保证学生是否在教室；二是动态签到，如二维码签到、手势签到，学生扫描动态变化的二维码，或输入与教师相同的手势，这种方式加入了随机信息，以保证学生在现场才能签到，但是学生可拍照发给不在场的学生，绕过限制；第三种是基于GPS的签到，学生手机获取定位，在允许的位置内才能签到，由于GPS定位的精度不够，经常会出现签到失败，而且容易被破解，如安装一个虚拟定位软件。

因此，需要一个可室内定位的、操作方便的考勤系统，确保在教室的学生才可签到。

2.2 平时成绩查询

教务系统一般都有成绩发布的功能，一般仅限于期末考试。高校的课程有作业成绩、平时测验成绩、考勤成绩，是形成性考核的组成部分，学生需要一个随时能查询并且知道加权后的成绩的系统。

2.3 可确认课程消息

专业教师经常需要发送消息给学生，如考试通知、调课通知、作业提醒、参考资料等，以往的做法是发到课程群或口头通知，教师无法确认学生是否收到，因此希望有一个类似钉钉消息、需本人确认的通知系统。

3 系统前端的设计与实现

3.1 微信小程序的架构

小程序是一种无须安装的“轻应用”，目前主流的互联网企业都发布了自己的小程序，微信小程序是腾讯公司在2017年推出的，2022年第一季度日活跃用户数超过5亿[7]，2022年H1微信、支付宝、抖音、快手等多个平台小程序数量超过750万，日活跃用户数量超过7.8亿[8]。

小程序无论是外在表现还是内部技术都与移动Web相似，Web前端开发人员很容易上手。传统Web前端的技术栈是JavaScript + HTML + CSS，而小程序是JavaScript + WXML + WXSS，JavaScript負责业务逻辑，WXML和WXSS负责界面，WXML与HTML有类似的思想，但有自己的一套标签，在WXSS里可以直接使用CSS的大多数语法。

微信小程序的架构如图1所示，由视图层、逻辑层组成，视图层用于渲染页面，逻辑层用于运行JS脚本，由两个独立的线程管理。视图层和逻辑层通过系统层的JSBridge进行通信，逻辑层把数据变化通知到视图层，触发视图层页面更新，视图层把触发的事件通知到逻辑层进行业务处理。

3.2 主页

系统有教师和学生两种角色。启动时，系统读取本地缓存，获取用户信息（userInfo）里的角色，根据角色显示对应的主页，图1（a）为教师主页。如果本地缓存读取失败，则向服务器发起请求拉取用户信息。

小程序提供了wx.setStorage（）和wx.getStorage（）函数用于设置、读取缓存，这两个函数是没有时效管理的，因此封装了两个函数，分别为setTimedStorage（）和getTimedStorage（），存入的数据如果超出设置的时效，则返回空。使用getTimedStorage（）读取用户信息，隔一定的时间会“读取失败”，从而达到强制更新用户信息的效果。

主页除了界面渲染，还做初始化的工作：1）判定是否有新版本，如有则调用更新管理器wx.getUpdateManager（）下载并更新。2）判定用户的微信基础库是否达到最低要求，如过低则停止运行。3）异步下载图片、音频资源。4）获取班级列表。

3.3 用户管理

用户管理包括申请认证、审核身份、移除身份、学生名单，如图2（a）下方所示。

1）申请认证。用户未绑定时，导航到认证页，如图2（e）所示。用户信息表以学生学号、教师工号为索引，教师与学生信息提前导入数据库。超级管理员需手动绑定，教师、学生通过身份认证页面绑定微信账号。

服务器端检查用户表是否存在该学号、检测学号与姓名是否对应。“暗号”字段由教师随机设定、口头通知，因此只有在现场的人员才能填写正确，防止外部人员申请认证。校验通过后，将该用户设置为待认证状态。

2）审核身份。教师端列出将待认证的學生的信息，批量审核。

3）移除身份。移除身份是将微信账号与用户表解绑，并不会删除用户之前形成的签到、成绩单、通知等历史数据。这个功能允许学生或教师更换绑定的微信账号。

4）学生名单。用户名单允许教师根据行政班、审核状态、姓名等信息查询学生。

3.4 自主签到

本系统的一个特色是应用iBeacon技术实现了室内签到功能。iBeacon是苹果公司推出的一项室内定位技术，用于弥补卫星定位在室内无法接收信号、精度不足的缺陷。iBeacon的技术定位的原理是：iBeacon设备（蓝牙信标）按一定的时间间隔发出广播数据包，数据包的信息包含了可自定义的设备标志信息以及RSSI信号强度信息，客户端根据RSSI值计算与设备的距离。

iBeacon蓝牙信标发射的是BLE（Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙技术）信号，功耗极低，通常使用两三年才需要更换电池；微型iBeacon信标的直径仅比一个硬币稍大，便于携带，教师可以放入公文包或者随身放到裤兜里。

自主签到功能的流程如下：

1）教师新建点名。教师填写标题、节次、分钟，如图2（b）所示。为了便于在手机快速操作，加了常用的“签到”“签退”两个快捷链接；节次会根据系统时间自动显示，也允许教师手动点“-”“+”按钮进行修改，因为有可能因提前或延迟下课造成时间与节次不对应；分钟默认为5分钟，可通过“-”“+”按钮微调。

2）学生端从服务器获取点名信息，包括上个步骤的信息以及iBeacon信息。

3）学生端搜索iBeacon信号。如果有iBeacon信号，检测其uuid是否正确；遍历iBeacon对象列表，检测其major、minor字段是否正确；计算距离，如果在预置的范围外，则提示学生靠近教师，如果距离符合条件，则进入下一步骤。

4）将点名信息传给下一页面。

小程序页面间通信主要有三种方式：一是地址传参，规则与Web应用一样，即在URL后面加“？参数名称1=参数值1&参数名称2=参数值2……”，这种方式适合参数少的场景。二是EventChannel机制，即通过“派发事件”及“注册事件监听器”来实现基于事件的页面通信，EventChannel是双向的通信通道，但实现较烦琐。三是将消息保存在全局变量里，约定存取规则，这种方式综合了前两者的优点，本系统采用的就是这种方式，封装了一个传参管理器，可以方便地使用全局变量传参。

5）学生签到。签到页面读取上个步骤保存的信息，显示点名信息并倒计时，学生需在规定的时间内签到，页面如图2（c）所示。

3.5 扫码签到

扫码签到功能是后期迭代开发增加的功能，原因是发现有学生遇到自主签到失败的情况。由于自主签到需要手机的硬件支持，要求学生打开定位、蓝牙，接收iBeacon信号，有的配置低的手机，可能会发生无法接收iBeacon而造成签到失败的问题。

如果学生端扫教师端，教师端生成一个二维码供多个学生扫码，好处是效率高。但会有作弊漏洞，学生可拍下照片发给不在场的同学扫码签到。

如果教师端扫学生端，便可杜绝这种作弊方式，流程为：

1）学生端向服务器发出申请。

2）服务器根据学生的微信openid，检测数据库的scanApplication表是否有该学生的申请信息，如有则删除旧记录，然后新建一条申请记录，字段包括“_id”（自动生成的随机字符串）、姓名、学号、失效时间。

3）学生端接收服务器返回的“_id”字段，并在canvas（画布）组件上绘出二维码。

微信小程序官方并未提供绘制二维码的功能，本系统使用的是第三方提供的JS库weapp-qrcode（官方地址：https：//github.com/yingye/weapp-qrcode），使用weapp-qrcode绘制二维码非常简便，调用它的drawQrcode（）方法，提供二维码的宽高、画布id、文本内容即可。

4）教师端扫描二维码，读取申请id。

5）教师端将申请id发送到服务器校验。如scanApplication不存在此id，提示“申请记录不存在”；如超出失效时间，提示“二维码已失效”；读取该学生的签到表的记录，如果签到表的状态字段为“已签”，则不允许扫码签到。

6）教师端显示被扫码学生的信息。

7）教师点击“代签”按钮，服务器更新该学生该课次的签到记录，将状态设置为“代签”、签到时间设置为当前时间。

3.6 点名列表/历史签到

“点名列表”是教师端的菜单，显示以往的点名列表，包含标题、周次、日期等摘要信息，点击后显示该次点名的详情。

“历史签到”是学生端的菜单，以Tab菜单过滤显示以往各个状态的签到情况。

3.7 统计

统计页面显示签到、考试成绩的详细情况。教师端提供了“行政班”“姓名”“时间”等查询条件；学生端只显示本人的统计结果。

3.8 通知管理

通知管理是一个有确认状态的新闻发布模块。教师发布了通知，学生可在小程序里点击确认按钮，以防止重要的通知被疏忽，教师端可查看未确认的名单。通知的属性有标题、发布时间、内容、状态。教师端提供了查看、发布、修改、删除功能，学生端仅可查看、确认。通知管理使用了rich-text（富文本）组件，rich-text可以渲染部分html标签支持class和style属性，可令文本有更丰富的表现方式，弥补了text组件在文本渲染上的不足。

3.9 成绩管理

成绩管理是教师端用于设置成绩比例的工具。由于加权后的成绩保存在用户表里以加快速度，因此每次更新了成绩或重新设置了比例，都需要重新计算所有学生的成绩并更新用户表。

4 系统后端的设计与实现

系统的后端采用了小程序的云开发技术。

4.1 微信小程序云开发简介

微信小程序的云开发是Serverless的開发理念，开发者无须搭建服务器即可使用云端功能。云开发为开发者提供完整的原生云端支持和微信服务支持，弱化后端和运维概念，无须搭建服务器，使用平台提供的API进行核心业务开发，即可实现快速上线和迭代，同时这一能力，同开发者已经使用的云服务相互兼容，并不互斥。

云开发提供了几大基础能力支持：

1）云函数。开发者无须自建服务器，在云端运行的代码，微信私有协议天然鉴权，开发者只须编写自身业务逻辑代码。

2）数据库。无须自建数据库，一个既可在小程序前端操作，也能在云函数中读写的JSON数据库。

3）存储。无须自建存储和CDN，在小程序前端直接上传/下载云端文件，在云开发控制台可视化管理。

4）云调用。原生微信服务集成，基于云函数免鉴权使用小程序开放接口的能力，包括服务端调用、获取开放数据等能力。

4.2 数据库设计

云开发提供了一个JSON数据库，数据库中的每条记录都是一个JSON对象。JSON数据库里的“集合”（collection）对应于关系型数据库的“表”（table），集合可看作一个JSON数组，数组中的每个对象就是一条记录，记录的格式是JSON对象。

4.3 后端业务处理

后端业务使用小程序的云函数编写，小程序的云函数是一段运行在云端的代码，它实际上是一个node.js的环境。使用云函数的优势是：1）无须管理服务器。2）后端代码与前端一起在微信开发者工具内编写，就跟写本地代码一样，一键上传部署即可运行后端代码。3）获取用户的openid非常方便，无须维护复杂的鉴权机制。

云函数之间不能相互调用，如果写多个云函数，通用的逻辑处理如数据库查询不能复用，会造成代码管理维护上的不便。可以通过第三方库tcb-router管理路由解决这个问题：所有的业务处理放在单个云函数里实现，将每一个请求处理函数分解到tcb-router的路由处理函数里。小程序向后端服务器发送请求时，需多加一个url作为路由标志。

将需要复用的函数，定义为云函数的内部函数，通过此方式达到了代码复用的效果，项目中可复用的内部函数有：

loaduser（）：加载用户信息；

loadStuclasses（）：加载学生的班级

loadTeacherClasses（）：加载教师的班级

queryAll（）：查询所有记录

pageQuery（）：分页查询

update（）：更新表

del（）：删除记录

myCount（）：个人统计摘要

getOpenid（）：获取用户的openid

5 结束语

本系统已经稳定运行了一年多，其间根据反馈进行了多次迭代升级，目前已经基本满足师生的要求。系统的意义在于：一是大量减少了教师的工作量，让教师有更多的时间投入在更有意义的课堂讲授上；二是学生可查询自己的平时成绩，提高了便利性；三是杜绝了签到的作弊情况；四是确保了课程通知的可靠性。