“互联网+”背景下仪器类专业机械设计课程教材转型策略研究

王丽杰 殷金英 秦勇 刘博 罗中明

摘  要：研究“互联网+”背景下基于移动终端的高等院校理工科仪器类专业机械设计课程教材转型策略，探讨O2O方式场景视域下测控技术与仪器专业精密机械设计基础课程教材立体化方法。设计立体化教材移动终端系统，将线上教材知识如零部件或传动机构的传动过程视频动画以及工程背景知识等展示提供给学生，藉此满足学生即时学习需求、拓展学习范围及层次，并激发学习兴趣及主动性等。

关键词：仪器类专业;精密机械设计基础;互联网+;教材;移动终端App

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）13-0006-05

Abstract： This paper studies the transformation strategies of Mechanical Design course materials for Science and Engineering Instruments majors in colleges and universities based on mobile terminals under the "Internet+" background. The study discusses the three-dimensional methods of the teaching material "the basis of precision machine design" for measurement and control technology and instrument specialty under the scene view during the O2O way. The paper designs mobile terminal system of three-dimensional teaching material. We display the online textbook knowledge such as video or animation of the transmission process of parts or transmission mechanism， and engineering background knowledge etc. to the students. The above research work will meet the immediate learning needs of students， expand the scope and level of learning， and stimulate learning interest and initiative.

Keywords： instrument major; Fundamentals of Precision Machine Design; Internet+; teaching material; mobile terminal App

“十三五”期間，我国高等教育已基本完成由规模扩张向内涵建设的转型，扎实的学科基础、系统的人才培养模式、高层次的科研和师资队伍、先进的实验室以及精密的仪器设备等，都是大学进行内涵建设的核心要素，而藉此基础上的软手段建设，则更多聚焦于学科优势的凝练、专业特色的凸显、课程体系的不断更新及优化等具体环节[1]。抓住“互联网+”尚处于初级发展的现阶段机遇，尝试与探索“互联网+高等理工科教育”，通过把“互联网+”作为当前信息化发展的核心特征，将其与高等院校理工科仪器类专业机械课程的授课融合，通过创新可让这个“+”更具价值及意义[2]。基于上述构想，本文研究探讨精密机械设计基础课程为代表的机械设计教材立体化（3D）编写手段及实现策略，在教材撰写过程中通过在线下纸质教材的公式图表等必要位置设置二维码，借助手机移动终端扫描，链接至网络线上系统或移动终端App系统，最终将线上教材知识如零部件或传动机构的传动过程视频动画以及工程背景知识等展示给学生，由此增加学生感性认识，践行线上线下O2O方式中场景视域下的测控技术与仪器专业精密机械设计基础课程教材立体化目标，帮助学生建立相关工程概念，弥补其实际工程经验不足等短板问题。

现阶段，单独从专业知识领域出发进行专业课程类学习的理工科机械类立体化教材几近空白。从知识面拓展延伸的角度出发，研究仪器类专业机械设计教材网络学习的移动终端开发设计手段将更适合学习者进行拓展性立体化学习。学习者可随时随地、利用碎片化时间进行有目的的教材拓展知识学习，不仅节约纸张成本、压缩传统教材实体版面、践行绿色阅读，而且方便利用现代信息技术及网络技术提供的便利条件实现精密机械传动等涉及的工程背景知识拾取，不仅可激发学生学习积极性和学习潜能，同时能够满足深浅适度，层次分明的教学需要，最终践行工程教育专业认证格局下的产出导向、以学生为中心、持续改进等目标，并实现线上线下综合教学与学习模式。

一、存在问题与解决策略分析

追溯仪器类专业的发展历程，上世纪末，测控技术与仪器专业由精密仪器等11个仪器仪表类的专业调整构成。精密机械设计基础则是测控技术与仪器等仪器类专业的专业特色课程，也是专业的构建基础，隶属于机械系列;是由多门涉及到机械设计的课程压缩而成，具体包括精密机械零件、工程材料及热处理、机械原理及几何量公差与检测等。上述调整践行了“少而精”的高等教育指导原则，但也在一定程度上导致课程学时及内容很难铺开，几何量精密测量特色体现不足。同时，课程性质决定零件多、公式多，但学时有限，运用精密机械零件基础理论和方法进行机构的传动分析、运动学、动力学计算时，由于学生缺乏工程背景及实践经验，虽然教师讲解尽心尽力，但学生仍然存在一定程度上的理解不到位等问题。并且，由于课程涉及零部件工程背景的复杂性，导致学生学习缺乏耐性，感觉学习难度大。虽然设置有实验和课程设计等实践学时，且课程教学组也在对教学进行持续地改进，但由于仪器类专业学生的机械基础相对较差，其主动学习的意愿不强（呈现一定程度的“课堂冷漠”），课下预习、自主学习、课后复习及课程拓展等做得都很不够，学习活动还是主要依赖于教材课本知识，所以大部分学生尽管掌握了基本概念和原理，但是机械知识背景了解程度及相关分析计算能力均有待提高。所以，文中深入探讨高等院校理工科仪器类专业机械课程教材的立体化转型策略及构思途径，利用移动终端扫描教材插图二维码、链接至网络或移动终端的工程背景知识拓展资源，实现“互联网+”模式下的二维码教材的专业领域创新应用。基于“互联网+”的O2O方式中场景视域下测控专业精密机械设计基础课程教学与教材建设策略如图1所示。

从图1方案可以看出，立体化教材的系统设计是一项需求明确、功能相对独立的系统工程，下文将重点围绕教材纸质内容规划、网络系统架构、移动终端APP设计等几个部分展开论述。

二、教材纸质内容规划

教材是教学内容及学生学习知识的主要源泉，所以在教材建设上需要注意专业方向与教材内容的匹配，并根据专业实际情况编写教材。精密机械设计基础教材编写过程中，一方面保留必要基础内容，一方面根据实际需要，删除陈旧内容，调整不适合专业要求或者与其他课程重复的内容。教材纸质内容整体设置精密机械零件、工程材料及热处理、机械原理、几何量公差与检测等相应知识点比例为24∶1∶1∶2，此外增设机械结构计算机辅助设计，作为教学自行选修内容，主要介绍机械结构计算机辅助设计常用软件如AUTOCAD、SOLIDWORKS等的安装、运行及操作指令等。

研究中，基于教材文本知识点的组织框架，根据内容编写及论述需要，纸质教材仍采用文本阐述、公式编辑、图表说明、举例分析等形式进行系统安排。考虑到精密机械常用零部件或传动机构的工程背景知识是引发学生理解障碍的主因之一，研究中，通过设置教材上的二维码作为扫描链接媒介，利用手机移动终端扫描并链接至教材网络系统拓展资源进行延拓展示，从而为学生随时随地网络学习提供方便，促使学生深层次拓展学习，满足对工程背景知识快捷便利学习的要求。

三、网络系统架构

目前，市售精密机械设计基础的图书很多，但往往存在两种倾向：一种偏重于精密机械零件设计;另一种是机械结构计算机辅助设计的绘制指导。总结其不足在于各种机械零部件、传动机构所用工程材料及其热处理工艺、材料应力分析及强度、刚度计算等方面由于教材篇幅限制而导致其涉及的相关分析计算等背景知识没有系统论述及展示，而上述知识点的系统论述却是开展精密零件机械结构设计的必要基础。研究中拟将上述内容及传动过程等工程背景以文本论述、公式推导、图表展示、Flash动画、视频演示等网络资源形式呈现给学生，目的是为学生提供学习便利，在纸质教材内容基础上进行拓展学习，满足分层学习、深度学习及其移动阅读等需求[3]。

研究中，网络资源设计采用微型化、图式化、模块化思想[4]。移动学习中的微型学习，通过在网络拓展资源中设置最小知识单元片段来体现，这样与情景关联性更强，很好满足学习者利用碎片化时间进行学习的想法。具体资源的组织按照目标、章节单元划分，根据目标结合学习内容选择基础知识中比较有代表性的内容作为初始概要，对初始概要进行细化，并保证细化过程符合教材设计思路。通过细化将教材扩展内容分割成小块的知识点进行分别呈现，这样方便学习者在移动的环境中随时随地进行学习。为了不破坏知识的整体性和系统性，引入概念图，把细化知识作为节点，通过线段链接形成概念图，从而直观表征知识之间的联系。

网络资源的链接，通过在教材公式、图、表等处增加QR二维码标签实现。二维码标签中保存了视频、音频、网页等学习资源的网络URL;使用手机等智能终端扫描二维码，经过视频处理和二值化处理后，将二维码转换为文本字符串的URL;然后根据URL中保存的信息，打开移动终端APP定位到相应章节网络拓展知识内容。

网络系统设计包括服务端和客户端两部分，设置两种基本功能：资源管理和资源展示。

考虑到现阶段大部分Android智能手机均具备基本网络、定位、蓝牙等功能，客户端的实现能够减轻开发者的工作量，用户能够方便地使用软件，人机交互友好，移动终端选择Android智能手机、利用4G或者wifi访问网络。考虑到网络系统开发的客户端主要是面向高校的学生，功能层面主要聚焦于纸质教材的网络拓展知识展示，以文本、图表、动画或者小视频等形式展现在相应章节界面。

客户端的资料阅读以及视频播放等通过使用第三方插件，进行二次开发后实现，网络的实现采用开源的OKhttp和retrofit。其他功能基于Android Studio實现。

Android系统中SQLite数据库，是遵守ACID的关系型数据库管理系统，包含在一个相对小的C库中，内存和资源占用比较小，处理速度快，适用移动APP设计，系统设计中采用本地SQLite数据库。服务端主要实现后台系统管理、维护正常使用。Android的SQLite数据库需上传服务器，进行更新保存。

系统设置两种角色，分别是管理员/教师、用户/学生。管理员/教师掌控信息管理系统，包括用户管理、教材网络资源拓展编辑。系统可添加资源包括视频资源、音频资源、图片及网页链接资源，添加资源时生成包含资源相应信息的QR码。学生作为学习者使用客户端，功能包括扫码、搜索资源、获取纸质教材相应章节网络拓展资源等。

四、移动终端APP

（一）开发手段

1. Android 体系结构

作为新一代移动操作系统，Android平台能支持强大的硬件配置和多种无线通信方式，其体系结构包括四层：Linux内核、系统运行库（Libraries）、应用程序框架（Application Framework）、应用程序（Application）。应用程序框架和应用程序由Java语言编写，系统运行库采用C和C++语言编写，Android Runtime是运行Java程序所需的Dalvik虚拟机，Linux Kernel是Linux内核和相关驱动[5]。

利用Android平台自身一些简单的布局，可实现简单的用户界面设计。而且，Android平台的各层系统框架承接不同的功能和模块，下层应用模块会为上层的功能提供支持和服务，其中，应用程序层与应用软件客户端相关性最大。Android系统中，应用程序层的View视图和Activity组合，可用来作为大多数Widget控件的父类，用其创建一个新的用户界面并进行设置、调试和装饰。布局管理器可用来控制各子控件的位置和排列组合。利用XML文件可用来进行资源定义和数据存储，可简化应用程序资源调用过程，提高系统反应速度。

Android系统是开源的系统，其常用组件中的Context工具包，本质上是一个接口，是组件调用的必需工具。APP应用过程中所有交互性的操作，可用Activity组件实现。Service组件属于一个程序的后台，不在前台运行的未关闭程序，可放入Service继续运行。

2. 开发环境

构建Android开发环境所需必备工具包括JDK、Android SDK和Android Studio。

（1）JDK是进行Java 语言开发必备的软件工具包，在Oracle公司官网下载，并进行环境变量JAVA_HOME等配置。

（2）Android SDK是Google提供给开发者的Android开发工具包，程序开发时，通过引入该工具包来使用Android的相关API。

（3）Android APP开发工具，可选Eclipse和Android Studio两种，考虑到使用Android Studio开发APP程序界面更便捷、编辑历史更详细、智能识别更强大，资源文件可在代码中预览，能提供超过10个不同视图等优势，尤其着眼于Android Studio只面向手机、足够专注，研究中选择Android Studio集成开发环境[6]。

（二）移动客户端APP设计

移动客户端APP设计中，考虑到精密机械结构零件多、结构复杂，涉及自开发部分的工程背景繁杂多样，动态、仿真且趣味等知识点的展现形式设置存在一定难度。研究中，根据精密机械设计基础的课程特征，采用 SolidWorks软件设计相应机构立体模型图，采用Flash软件制作动画素材。通过代表性工程示例及相应素材收集集成，制作对应APP拓展知识。考虑到移动设备支持AAC、mp3、m4a、WMA等格式，其中mp3格式兼容性最强，采用mp3作为移动设备音频资源格式。考虑到移动设备图片资源常用格式，研究中采用jpg、png、jpeg、bmp等图片格式。

1. 客户端界面设计

客户端界面设计结合功能设置展开，采用系统中自带控件进行，力求便捷全面。客户端安装在使用 Android 系统的移动智能终端上，初次启动时会出现欢迎界面。注册进入系统后，会呈现目录界面，对应教材目录章节标题。点击具体的章节目录后，会进入教材相应知识点对应拓展内容。当然，如果在阅读纸质教材时，通过相应图表或者公式位置处的二维码扫描，也可直接关联进入移动终端APP相应章节拓展知识点表述界面。界面中设置相应文本、公式推导、图表、动画及短视频等一种或多种表述形式，学习者可通过这些网络拓展知识点的学习加深对纸质教材内容的理解，省去了额外查找资料或变换时间地点等所耗费的时间，既节省了时间成本，又方便知识串联梳理，达到事半功倍的学习效果及深层次学习理解的学习目标。

2. 客户端登录与管理任务执行模块设计

只有用户名和登录密码信息验证正确，才能进入系统进行操作。如果验证不正确，则无法成功登录。登录界面主要包括编辑文本、检查盒、按钮等控件，用户登录成功后，会进入目录界面。目录界面分为左右两部分，左侧为目录章节直接定位模块，右侧设置个人中心、搜索定位、网络链接等其他任务执行模块。根据用户或学习者操作要求，系统执行相应指令，定位到网络系统相应章节呈现拓展知识内容。

3. 客户端结构设计

（1）UI控制界面

Android应用程序包含多个Activity，其可进行相互通信和跳转。其他组件可在Activity上显示。设计UI界面时，先完成View设计并利用set Content View将其在屏幕上显示，View载入可通过XML文件设置或Java代码编写方式实现。

（2）人机交互设计

现阶段，终端软件控制的方式比较多元，常见的有按键控制、触屏控制、手势控制等。研究中，考虑到属于理工科专业知识学习，因此设置按键控制和触屏控制。

（3）通信模块

服务器端指定端口号，创建Server Socket，然后处于侦听状态。用户创建Socket对象，并与服务器建立连接，在此基础上，服务器会返回客户端的Socket对象，从而完成建立通信机制的任务，并进行数据传输。

（4）数据库设计

SQLite数据库所有数据存放在同一文件中跨平台，利用C、Java语言能对其进行快速控制，系统开发中使用SQLite时，用户只需在项目中包含SQLite的源码和相关库文件，就可创建数据库句柄，从而可以创建、连接和操作数据库中的数据。考虑到教材网络拓展资源均已确定、更新频率不是很高，本地SQlite中存储、读取的话，不会因网络问题而降低效率和成功率，因此AndroidAPP开发采用本地SQLite数据库。

SQLite包含SQL编译器、内核、后端以及附件等组件，体系结构具有精致和模块化特点，同时还采用大量特殊的方法进行关系型数据管理。它的整个体系结构可分为前端解析系统和后端引擎两个部分。前端解析系统包含三个模块，分别为分词器、解析器、代码生成器，主要负责的工作是对应用程序传递过来的字符串进行处理，对其中包含的SQL语句和命令进行分析、优化和转换，最终将其变为虚拟机能够执行的内部编码。后端引擎由虚拟机、B-Tree、页缓存和操作系统接口构成。虚拟机位于核心位置，为SQLite的引擎，用來解释执行前端解析系统生成的内部编码，SQLite通过利用虚拟机和虚拟数据库引擎（VDBE），使调试、修改和扩展SQLite的内核变得更加方便。

SQLite的整个体系结构将一次数据库数据查询过程分割为几个不连续的阶段，在体系的顶端对查询语句进行编译，中间阶段去解释执行，最终的底部则是处理数据在操作系统中的存储。考虑到SQLite基本上符合SQL-92标准，Android运行时（run-time）环境包含完整的SQLite，每个Android应用程序都可使用SQLite数据库。

Android提供API使用SQLite数据库，开发时可在应用中创建和操作数据库来存储数据，实现对数据输入、查询、删除、修改等操作。创建数据库并对数据操作设置完成后，由于APP检索操作的数据源为Android的SQLite，检索时SQLite需要与服务器同步更新，研究中设置通过网络、Socket进行数据传输。

五、结束语

利用二维码技术在商业应用中的成熟性和移动智能手持终端的便捷性，顺应手机网民规模大幅增长趋势以及二维码扫码使用习惯等的普及，通过二维码教材图书功能定位，将教材内容与网络结合实现书网融合实现即时学习，这是本文开展研究的核心及未来预期。适应数字信息时代理工科机械类专业课程的O2O等模式的开发及发展趋势，基于国际工程认证体系的OBE理念及产出成果导向评价，对面向测控专业的精密机械设计基础专业课程教材进行立体化架构设计，势必会对高校理工科机械类立体化教材的开发起到积极的促进作用。

当然，事物的出现和发展都具有两面性，理工科机械类教材通过扫码关联到网络化的同时，也会存在影响学生视力、容易分散学习注意力、学习者容易产生媒介依赖而不利于训练思维等消极影响。但从科学发展的角度而言，这将是社会向前发展必然所产生的，应客观看待，相信随着数字信息技术的不断发展，立体化数字教材体系也将不断完善，从而满足创新型人才培养对教材发展不断提出的新要求。

参考文献：

[1]马廷奇.“双万计划”与高等教育内涵式发展[J].江苏高教，2019（9）：15-20.

[2]互联网+[EB/OL].https：//baike.so.com/doc/7869991-8144086.html

[3]粟君则.基于Android的高校学术期刊移动增强型APP研究与设计[D].长春：吉林大学，2019.

[4]李亚楠.基于Android系统的移动学习APP设计研究[D].金华：浙江师范大学，2017.

[5]韩晓燕.基于Android平台的移动APP开发方法与应用研究[J].电脑知识与技术，2017，13（18）：71-72.

[6]沈攀.水面清洁机器人远程监控系统的设计与实现[D].杭州：杭州电子科技大学，2019.