基于微信小程序的云計算學習平臺開發(fā)

丁曉進，朱曉榮

（南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）

0 引言

云計算課程作為操作系統(tǒng)原理、數據庫系統(tǒng)原理、Linux編程的后續(xù)課程，覆蓋的專業(yè)知識點主要包括Google文件系統(tǒng)GFS、分布式數據處理MapReduce、分布式鎖服務Chubby、分布式結構化數據表BigTable、Hadoop 開源云架構、虛擬化技術等［1-2］。然而，該課程授課學時僅為32 個學時，通常情況下需要授課教師引導學生自主學習，并及時掌握學生學習情況。

目前，由于缺乏專門針對云計算的學習平臺，學生課后主要利用教材進行學習，并輔以網頁、視頻APP 查詢資料，既使得學生難以有效評估自身學習效果，還難以激發(fā)學生學習興趣。此外，學生與授課教師間缺乏有效的交互，導致教師無法及時掌握學生學習情況。

由于設計云計算學習平臺既需要考慮學生利用Andriod、iOS、Windows 等系統(tǒng)進行學習的需求，又要基于Cordova［3-4］、Flutter［5-6］等跨系統(tǒng)開發(fā)框架，因此給平臺設計造成了一定的困難。在傳統(tǒng)小程序開發(fā)模式中，開發(fā)者不僅需要從小程序端額外引用軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）請求后端，還需關注彈性伸縮、異地容災、網絡防護、安全加固等問題，這種前后端分離的模式需要在物理機托管、云主機、容器等方面投入較多人力資源，嚴重影響小程序的開發(fā)效率。然而，微信小程序在支持跨系統(tǒng)的同時，具有無需安裝、在線升級維護等優(yōu)點［7-8］，極大降低了開發(fā)成本，使用者打開即用。云開發(fā)打通了微信生態(tài)，無需搭建服務器，提供了云數據庫、云存儲、云函數、云托管、云調用、微信支付、環(huán)境共享、內容管理等功能。

為此，本文利用云開發(fā)模式設計一個基于微信小程序的云計算學習平臺，旨在有效激發(fā)學生學習興趣、便于在生生、師生相互交互的同時提升學習平臺的開發(fā)效率。

1 微信小程序開發(fā)框架

微信小程序目錄結構包括小程序頁面pages 和小程序app相關配置［9］，如圖1所示。

Fig.1 WeChat Mini program directory structure圖1 微信小程序目錄結構

圖1 中，pages 包含.js 頁面邏輯、.json 頁面配置、.wxml頁面結構、.wxss頁面樣式和通過其他小程序框架編譯后的文件；app.js 為小程序的全局邏輯文件，可設置賬號環(huán)境、檢測更新、定義全局變量等功能；app.json 為小程序全局配置，不僅可定義相關pages 頁面保存后所生成的page 結構，還可定義全局組件及tabBar；app.wxss 為小程序公共樣式；utils 用于存放工具類；sitemap.json 配置是否允許被索引；project.config.json 為項目的配置文件。此外，還包括自定義的組件、引用的外部組件和云函數等。

Mpvue（Mini Program Vue）基于Vue.js 開發(fā)小程序前端框架，可在小程序環(huán)境中運行，形成了組件化開發(fā)能力，不僅能提升代碼復用性，還可利用Vuex 數據管理方案構建復雜應用或將H5代碼轉化成小程序目標代碼［10］。

2 基于微信小程序的云計算學習平臺

設計云計算學習平臺的核心是滿足師生教與學的真實需求，具備跨系統(tǒng)、易用性和低成本等特性。由于微信小程序具有跨系統(tǒng)、即開即用等優(yōu)點，本文基于微信小程序設計云計算學習平臺。

2.1 平臺功能

本文針對學習、答題和復習等環(huán)節(jié)的具體需求，基于微信小程序設計的云計算學習平臺包括登錄、答題、課件管理、教材管理、統(tǒng)計分析5 個主要模塊，開發(fā)工具包括微信開發(fā)者工具穩(wěn)定版1.05.2102020、TencentDB for MongoDB［11］、云數據庫［12］、Serverless Cloud Function、云函數、Cloud Object Storage、云存儲［13］、CloudBase CMS、內容管理系統(tǒng)、Vant-weapp、組件庫、Mpvue、小程序框架［14，15］，總體功能結構如圖2 所示。用戶登錄后可選擇教材、課件和答題模塊進行學習，學習后還可進一步選擇統(tǒng)計分析模塊查詢和分享自身學習情況，平臺具體操作流程如圖3所示。

Fig.2 Platform functional architecture圖2 平臺功能架構

Fig.3 Platform operation process圖3 平臺操作流程

2.2 數據庫設計

本文開發(fā)的學習平臺涉及的數據表包括學生集合（students）、用戶信息（profiles）、考試信息（exam）、考試內容（questions）、教材集合（textbook）、作業(yè)集合（homework）、學生答題記錄（historys）、學生作業(yè)作答信息（homeworkcomment）、學生錯題記錄（notes）共9 張表。具體開發(fā)時，可在云開發(fā)控制臺創(chuàng)建數據表集合，也可在CMS 內容管理系統(tǒng)中可視化創(chuàng)建［16，17］。例如，學生作業(yè)作答信息（homework-comment）表所需字段包括記錄id（系統(tǒng)自動生成）、用戶id、創(chuàng)建時間、更新時間、作業(yè)id、作業(yè)評分、作業(yè)內容、用戶名、作業(yè)對應章節(jié)等字段。

3 云計算學習平臺

3.1 登錄模塊

為了提升用戶體驗，讓用戶產生歸屬感，設計了主題明確的歡迎界面，并插入校驗功能，即非規(guī)定用戶名單內的用戶無法進入學習平臺。其中，歡迎界面獲取、校驗用戶的微信授權信息，合法用戶可直接進入小程序并提醒登錄用戶使用小程序，非法用戶進入將提醒管理員；登錄界面獲取用戶微信授權信息，用戶未登錄時提示用戶登錄，登錄后顯示用戶頭像、名字，已登錄過的用戶可自動登錄，系統(tǒng)將獲取用戶唯一標識并保存。

程序開發(fā)時，在微信開發(fā)者工具的Pages 中新建Start頁面，并在Start.wxml、Start.wxss 設計界面樣式。具體而言，在Start.js 生命周期onLoad 函數中調用onQuery（）、on-GetOpenid（）函數，并在用戶點擊立即進入按鈕后綁定go-Home（）函數。其中，onQuery 函數用于查詢Profiles 數據庫，并將結果按照Openid 和對應的userInfo 分組保存在全局變量中，以便后期生成排行榜時獲得用戶信息；onGetOpenid 函數用于調用登錄Login 云函數，以獲取用戶Openid并將其保存到全局變量中；goHome 函數用于獲取用戶授權信息，并根據授權名單校驗用戶信息并給予提示，合法用戶可進入小程序，否則無法進入。

3.2 答題模塊

答題模塊包括模擬考試和課后作業(yè)子模塊。模擬考試子模塊中，學生在規(guī)定時間內答題，一旦時間結束后系統(tǒng)自動交卷并記錄作答信息，以便學生后期尋找未作答的題目，交卷后學生可選擇查看分數排行榜、錯題或重做，還可將成績一鍵發(fā)送給授課教師；學生可在課后作業(yè)子模塊中完成課后作業(yè)。區(qū)別于常見的小程序，本文設計的學生答題模塊設計倒計時、答題自動批改和提交等功能，不僅能提升學生作題效率，還便于學生在答題后進行針對性復習，以激發(fā)學生學習興趣。倒計時功能實現邏輯如下：

輸入：倒計時數值，即總分鐘數minute。

答題自動批改和提交功能流程圖如圖4 所示，學生答題時可自動批改并統(tǒng)計答題情況，在學生完成答題后立即將大體情況呈現給學生，學生既可選擇查看錯題及解析，也可選擇重新作答。

Fig.4 Platform question answering process圖4 平臺答題流程

答題模塊具體開發(fā)時，在微信開發(fā)者工具Pages 中定義了Home、Exam、ExamHome、ExamResult 共4 個頁面。其中，Home 頁面中onLoad 生命周期函數獲取全局變量Openid，調用Query（）函數查詢試題信息，每道試題綁定Go（）函數跳轉到ExamHome 頁面；Exam 業(yè)面主要包括倒計時、單選、多選、自動滑動下一題、結果記錄、交卷等功能；ExamResult 頁面在微信公眾平臺訂閱消息模塊配置完善模板消息內容，將模板Id 配置到SendMessage 云函數和小程序對應字段，并聯(lián)調小程序和云函數對應的模板字段內容，一旦學生發(fā)送消息，授課教師將收到微信推送的模板消息。

3.3 課件管理模塊

目前，高校課件通常為各學科代表收集后發(fā)布在班級群，很少分類、章節(jié)、目錄的管理課件，造成學生搜尋課件的時間成本較高、體驗較差。本文設計的學習平臺利用云存儲方法存儲、管理課件，教師可通過CMS 內容管理系統(tǒng)上傳、下架課件，以便于學生在小程序端實時查看每章節(jié)對應的課件，文件類型支持WORD、PDF、PPT 等多種格式。

具體開發(fā)時，在Pages文件夾新建BookShelf頁面，主要功能為打開、查看文件，核心代碼如下：

3.4 教材管理模塊

本文設計的學習平臺提供了教材管理，學生上課或課后均可打開平臺中的教材進行學習，便于學生日常學習。相類似的，教材管理也通過CMS 內容管理系統(tǒng)進行小程序的數據交互，支持文件類型也一致。開發(fā)時，在Pages 文件夾新建Book 頁面，主要功能與課件管理一致，但采用的布局和查詢數據庫不同，具體差異如下：

3.5 統(tǒng)計分析模塊

為了讓教師更好的掌握學生學習狀況或讓學生了解自身學習情況，本文設計的學習平臺基于數據庫記錄的答題、作業(yè)信息實現了統(tǒng)計分析模塊。通過該模塊教師可發(fā)現學生學習中存在的問題，方便因材施教和針對性地調整教學內容；學生也可查看錯題和排名，將學習情況分享到朋友圈。

具體開發(fā)時，需在Pages 文件下新建History、Note 頁面，分別對應成績記錄和錯題記錄。成績記錄包含答題時間、答題得分和答題用時，點擊記錄將顯示本次答題中錯誤的題目列表，若無錯題則提示返回。錯題記錄中分為答題模式和背題模式，復用了答題模塊組件。

4 實施效果

學習平臺開發(fā)完成后，可在微信開發(fā)者工具中點擊上傳按鈕，填寫版本號和項目備注即可完成上傳，待官方人員審核通過后即可進行發(fā)布。為驗證平臺運行的穩(wěn)定性，在選修本課程的2021-2022 學年第1 學期184 名學生中試用所設計的學習平臺，經測試各項功能均正常。

為進一步評估學習平臺在學生學習云計算課程方面的實際效果，將2020-2021 學年第1 學期選修本課程的149名學生的學習效果作為對照組進行比較。具體的，通過問卷調查2020-2021 學年第1 學期、2021-2022 學年第1 學期學生的課堂、課后學習興趣，并結合期末考試不及格率進行深入分析。

調查結果表明，該課程的學生學習興趣由45%提升到84%，原因是學習平臺的教材學習、課件學習、在線習題和錯題查看等模塊為學生學習提供了極大的便利。此外，師生間快速交互、學習排行榜查看、朋友圈分享等功能模塊能顯著提升學生學習興趣。一旦學生學習興趣提升，不僅會在課程學習中投入更多時間，還能明顯提升學習效率。實驗表明，該課程的及格率由22%降到4%左右。

綜上，實踐結果證實了所設計的平臺能切實提升學生學習興趣和效果，降低學生的不及格率。

5 結語

本文基于熱門的微信小程序開發(fā)了一個云計算學習平臺，并將其應用于云計算課程的學習過程中，支持學生通過安卓手機、蘋果手機、電腦等工具進行訪問，既讓學生能夠課后自主學習、完成相關答題，還生成了相關排行榜，允許學生將學習記錄分享到朋友圈。通過這些功能為生生、師生之間營造出良好的互動交流氛圍。

實踐結果表明，分析學生學習記錄可有效指導云計算授課教師進行更具針對性的教學安排，一方面能提升學生學習質量，另一方面改善了學生學習體驗，對提升教學質量具有一定的積極作用。

然而，平臺設計還在不斷更新迭代中，技術領域還有許多內容亟待革新。總體而言，平臺后期應用范圍將逐步擴大，功能也會逐步健全，具有更加廣闊的發(fā)展空間。