基于微信小程序的混凝土结构设计原理虚拟仿真实验刷题系统的研究

刘 伟，陈胜华

（大连海洋大学，辽宁 大连 116000）

0 绪论

自2019年特殊时期的到来，许多高校在教育理论、教育管理、高校与在职教育人才培养模式等方面对虚拟仿真实验室进行了研究。张永策、姜文凤、孟长功针对移动端化学虚拟实验室构建方法进行了研究，提出了化学虚拟实验室构建理念、功能框架、技术手段及教学应用，通过将传统插件模式和新型移动端进行对比，明确了移动端的显著优势[1]。张凯以CNKI收录的“互联网+教育”方面的文献为数据源，发现我国“互联网+教育”在2015-2019年理论研究处于迅速发展阶段，由于特殊时期居家办公，更促进了互联网在教育方面的研究及在线教育与课程教学模式的构建[2]。张杰、周伟、朱珺针对应用型高校的虚拟实验室构建模式及应用进行了研究，提出我国虚拟仿真实验室存在建设内容单一，开发运营成本较高，教学资源匮乏等问题。强调开发适应新时代的虚拟实验系统的必要性，并设计了“互联网+”环境下虚拟实验室的构建框架[3]。李萌萌、李帆、姜凤珍基于装配式建筑复杂性、长期性，一次性及管理人才方面的需要，提出将BIM和VR的融合模式应用到装配式建筑构造虚拟仿真实验教学中，生动形象地向学生呈现装配式建筑从设计、场地布局、现场施工等过程，丰富了课程体系内容，促进了装配式建筑构造进一步向信息化方向发展[4]。

以上研究均基于虚拟仿真系统在课堂进行阶段的应用，未涉及课前准备阶段。而混凝土结构设计原理课程包含的实验多，设备操作复杂，实验原理公式难以理解，故交互式教学及教学内容前置尤为必要。但目前针对课前学习虚拟仿真系统的研究不足，因此，拟通过整合优秀教育资源，建立基于微信小程序的《混凝土结构设计原理》实验预习课程体系，为推进实验完成度及高效度提供先决条件。

1 微信小程序在课程预习程序中应用的可行性分析

《混凝土结构设计原理》是高校土木工程专业一门重要的专业课。理论课程包括（钢筋混凝土、预应力）结构的概念及力学性能、极限状态设计计算方法，受弯构件（正截面、斜截面）承载力计算、受扭构件承载力计算，（轴心、偏心）受压构件正截面承载力计算等。是一门知识点多，且难以理解的基本课程。因此学生如果想要完全掌握，实验必不可少。以混凝土局部承压和破坏形态实验为例，传统的实验过程的实验构件一般由工人浇筑，教师设计实验流程和加载方案，学生只参与构件加载和破坏过程的观察，无法全面深刻的理解破坏形式。并且完成实验需要的设备和混凝土构件体积大，成本高，操作难。若想提高学习效率往往需要学生课前自行预习实验知识点与流程。

以微信小程序为平台开发一款混凝土实验预习程序能很好解决上述问题。微信小程序是一种即时的小程序，用户仅需扫一扫即可打开应用，在省去了传统软件的烦琐的加载过程的同时，有着齐全的功能。体现了流畅、高效、功能齐全的特点。学生只需要一个小程序，便不受时间、空间的约束，进行学习，与教师沟通，从设计构件，混凝土浇筑，构件加载，观察破坏过程，到得出结论，学生通过一个小程序即可全程参与。充分利用了学生的碎片时间，提高了学习效率，丰富了实验场景，打破了实验条件的限制，开拓了现代化的仿真模拟实验方式。对于教师而言，可通过小程序进行教学管理，通过提取后台学生学习数据，了解学习情况，下达教学任务，减轻了教师的教学压力。

通过小程序进行学习，具有碎片式学习的特点，即知识学习存在零散性。由于《混凝土结构设计原理》这门课程知识点繁多，难以理解。因此联合各高校、企业打造一套系统性的《混凝土结构设计原理》教育资源十分必要。一方面能加强高校间的合作，另一方面能提升教育资源的利用率，解决教育资源不平衡的问题，改变国内高校教育资源共享意识不强、共享机制不完善的局面。

2 基于微信小程序的《混凝土结构设计原理》课程仿真实验室预习程序设计

2.1 用户分类及权限分配

虚拟仿真预习程序用户主要分为三类，分别是管理员、教师、学生。其中管理员权限最高，主要负责管理用户信息的增加或删除、程序的维护升级。教师则通过小程序下达学习任务，并通过后台数据查看学生学习情况，必要时还可通过小程序一对一实时互动指导。学生在收到学习任务后，自主安排学习时间，通过观看视频，做习题，模拟仿真实验等方式，针对实验原理，实验设备，实验步骤，实验结论，全面对整个实验流程进行预习。以下是实验人员权限分配图。

图1 角色权限分配图

学生通过微信一键登录小程序，可在小程序自主进行知识点小视频学习，并通过题目练习熟练掌握实验原理，设备等知识点，达到预习的效果之后，进行实验模拟，完成实验。教师通过后台数据学生学习情况，适当安排复习训练，问题答疑。直至完全掌握知识点。最后给予综合评分。

2.2 程序框架

微信小程序的开发，需要用到JS（JavaScript）、HTML、CSS等开发语言，借助微信开发者工具对前端页面进行开发，数据库采用云端数据库。在Django和Drf框架下，借助Pycharm平台，使用Python语言开发API接口，使得客户端、微信开发者工具及相关网站能够通过API来进行连接，视图层（View）、逻辑层（Service）、系统层是小程序基本架构，主要文件类型为四种，分别为 js、json、wxml、wxss。首先，由用户在视图层发出请求，通过网络传至系统层、逻辑层，随后系统层根据逻辑层里反馈的数据，返回给视图层，基于此种框架，开发出《混凝土结构设计原理》虚拟仿真实验预习小程序。

图2 程序框架图

3 结论

在特殊时期的大背景下，“互联网+教育”一直是当前高等教育改革发展的主基调。此款小程序是基于互联网的《混凝土结构设计原理》虚拟仿真实验课程预习体系，目的是帮助学生加深理解《混凝土结构设计原理》课程知识，是“互联网+教育+虚拟仿真实验”教学方式的全新探索[5]。此次研究在促进校校交流、校企交流的同时，一方面有利于开辟教学方式的新路子，符合学生碎片化学习的需求，另一方面，体现了国内优质教育资源整合优势，也为新形势下高等教育的改革发展打下了坚实的基础。