基于微信小程序的网络操作系统移动实验平台的设计与实现

姜卓 滕怀江 姜希超

摘要：针对Windows网络操作系统传统实验环境搭建烦琐，实验操作耗时等问题，设计并开发了基于“微信小程序”的移动实验平台，学生可通过“微信”进行实验。结合实验案例，展示了实验操作、实验结果反馈、数据统计、平台管理等运行效果。系统界面友好、实验内容设置灵活、实验数据统计全面，在混合模式教学的初步应用中系统获得了良好的教学效果。

关键词：网络操作系统；移动实验平台；微信小程序；云开发

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）27-0005-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 背景

信息技术和数据资源的充分利用是互联网产业的全新业态，我国正需要大量的网络技术人才以适应当前信息化发展的重大变革。在国务院印发的《国务院关于促进云计算创新发展培育信息产业新业态的意见》中指出，要积极发展基于云计算的信息存储、在线工具、学习娱乐等服务和应用软件开发部署平台服务[1]。云计算服务需要构建在先进的互联网技术基础之上，因此我国需要大量的平台技术人员提供网络基础设施服务、网络平台服务和网络软件服务。目前，各院校计算机网络技术专业都开设了网络操作系统课程以培养互联网技术相关人才，同时加强学校教育与产业发展的有效衔接。

《Windows网络操作系统》作为计算机网络技术专业的平台技术课程以计算机网络基本概念为基础，结合实验项目逐步深入系统管理、活动目录管理和网络服务管理等教学内容，着重培养学生的实践技能 [2]。面对不同规模的网络环境管理和不同需求的网络服务配置，学生需结合大量的实践练习以掌握众多的系统服务选项及复杂的功能配置流程。

由于依赖计算机实验室的硬件条件，传统的实验环境容易出现系统响应时间长，虚拟磁盘存储空间不足等问题从而影响教学效果，因此借助成熟的移动应用环境和云服务进行实验环境的扩展可以为高校教学改革和计算机实验室建设提供的新探索的方向。

本文设计并开发了基于“微信小程序”的《Windows网络操作系统》移动实验平台。该平台对于移动终端兼容性好，响应速度快，扩展灵活，交互操作与真实系统相似度高[3]。学生可利用碎片化时间在手机端快捷地进行实验练习，同时任课教师可以快速跟进学生实验进度、掌握学生在知识理解上的偏差并进行具有针对性的实验设计[4]。与其他形式的实验系统相比，该系统具有开发成本低，开发难度低、易于广泛应用等优势[5]。

2 微信小程序的优势

2.1用户基础大

微信（WeChat）是一个为智能移动终端提供即时通信服务的免费应用程序，2020年微信全球月活跃用户数超过12亿。2019年，一项面向大学生的调查研究表明， 89.8% 的大学生使用微信，其中86%的学生有使用微信学习的经历，69.5% 的学生认为相比传统教学模式，借助微信平台开展教学能够极大提升自己的学习兴趣[6]。所以，基于庞大的用户基础、良好的用户黏性，利用微信开展混合模式教学有较好的发展前景[7]。

2.2平台选择灵活

微信小程序是无须安装的微信内部应用程序，不受终端操作系统限制，是一种全新的连接用户与服务的方式。用户可以通过搜索微信小程序名称或扫描小程序码快速运行微信小程序[8]。微信小程序可以在微信移动端运行（ios、Android），也可以在微信PC端、MAC端和企业微信中运行。

2.3易于开发

微信小程序提供了简单、高效的应用开发框架和丰富的组件及应用程序接口，帮助开发者在微信中开发具有原生移动应用体验的服务[9]。依托云存储、云数据库和云函数三种云服务，开发者无须额外配置服务器、域名等服务，只需具备基本的前端开发技术即可通过微信 Web 开发者工具或者第三方开发工具进行微信小程序的开发[10]。

3 移动实验平台设计

3.1移动实验平台整体功能结构

发布在微信小程序的移动实验平台由学生模块、教师模块和管理员模块三个功能模块构成，系统功能模块结构设计如图1所示[11]。

3.2系统功能模块设计

1）学生模块。学生通过消息公告查看实验任务的发布状态，结合个人学习进度和知识需求进入模拟实验模块进行实验练习[12]。实验模块提供了模拟Windows Server系统的配置界面，让学生在实验操作时对于真实系统环境有较高的认知关联。

2）教师模块。教师登录系统时，系统会根据微信唯一身份标识openid识别教师角色用户并显示教师页面。任课教师可以即时查看学生实验进度，了解学生的学习进展。通过实验结果分析模块，教师能够掌握学生对操作系统配置的掌握程度以及对知识理解的偏差进而灵活修改实验内容和实验评分机制并进行有针对性的教学调整[13]。

3）管理员模块。管理員可以发布和下线实验任务，并将实验任务上线动态发布在学生模块的消息公告中。依托云数据库，管理员可以为用户配置角色类型（教师角色、管理员角色），并监控每个实验任务的访问量，为系统管理和教学分析提供支持。

4 移动实验平台实现

4.1系统架构

《Windows网络操作系统》移动实验平台使用搭载云服务的微信开发者工具进行开发。微信小程序的开发与网页开发类似，工程中WXML文件类似 HTML 的角色，用来描述当前页面的结构；WXSS文件具有 CSS 大部分的特性，用来描述页面的样式；JS脚本文件用来处理页面和用户的交互，开发者可以在 JS 中调用小程序提供的应用程序接口。小程序的逻辑层和渲染层分别运行在不同的线程中，其中 WXML模板和 WXSS 样式运行于渲染层，JS 脚本运行于逻辑层。本实验系统采用三层架构的设计，除渲染层及逻辑层外还依托腾讯云提供的云服务构建云服务层，系统整体架构如图2所示。

1）渲染层

WXML 模板和 WXSS 样式工作在渲染层，由WebView负责多线程渲染，渲染出的页面面向不同角色类型的用户。该移动实验平台通过校验用户身份信息分别面向学生、教师、管理员三种类型角色的用户，系统主要页面运行效果如图3所示。

2）逻辑层

逻辑层JS脚本由JsCore线程运行，当事件对象从渲染层传递到逻辑层时，逻辑层中的事件处理函数被执行，从而实现业务逻辑。业务逻辑代码是该系统的核心内容，实现的重要功能主要包括：学生模块中判断实验操作是否正确，结算实验得分，反馈实验结果分析以及个人数据的增改查等业务流程[14]。

3）云服务层

小程序云开发为开发者提供完备的原生云端支持服务，弱化后端和运维的概念，无须搭建服务器。该系统的开发使用了云开发提供的三种基础能力：

云函数。云函数是在云端运行的逻辑代码，在开发工具中进行编写并上传部署即可运行。小程序内提供了云函数专用的应用程序接口。该系统通过调用云函数实现用户微信唯一身份信息openid的获取进而建立个人用户信息记录。在教师模块及管理员模块中，系统通过云函数获取数据库集合并返回客户端进行实验数据统计。

云存储。云开发提供了存储空间，提供了携带权限属性的上传、下载文件到云端的能力，开发者可以在小程序端和云函数端通过应用程序接口使用云存储功能。该系统渲染层中的图片元素均存储在云端，为加快小程序响应速度提供了轻量化支持。

云数据库。云开发提供了一个 JSON 数据库，数据库由多个集合构成，集合可视为 JSON 数组。数据库中的每条记录都是一个 JSON 格式的对象。该系统的用户信息及实验属性信息存储在云数据库中。该系统根据业务需求设计了userlist和tasklist两个集合，并根据业务流程需求列出所需数据，各集合设计如下：

用户信息集合userlist如表1所示，用来实现用户角色登录，基本信息修改，保存实验进度，保存实验得分等功能[15]。

实验任务信息集合tasklist如表2所示，用来保存实验的错误操作总次数，节点操作错误次数，实验完成人数、完成次数等重要数据。

4.2实验案例设计与实现

以下以 “安装子域控制器”实验为例，演示实验设计、实验操作、实验结果反馈及实验结果分析等功能的运行效果。

该实验设置10个操作节点以考查学生对安装子域控制器的掌握程度：（1）计算机重命名；（2）IP配置；（3）执行“服务器管理器”命令；（4）添加Active Directory域服务；（5）选择部署配置；（6）输入FQDN及子域单标签DNS名称；（7）输入域NetBIOS名称；（8）选择域功能級别；（9）选择域控其他选项；（10）选择源域控制器。每个节点配置正确时系统累计1分，完成实验时系统结算得分，实验总分为10分时系统将云数据库中该名学生的此项实验进度修改为“已完成”，实验得分不足10分时，系统将返回实验结果分析。

1）系统初始化设置

该系统的模拟桌面提供了“系统属性”命令和“网络和共享中心”命令，以考查学生对系统初始化设置的掌握。该系统的模拟桌面（左）与真实系统界面（右）对比如图4所示。

2）子域控制器安装向导

该系统模拟子域控制器的安装向导界面设置了6个配置步骤，以考查学生对安装子域控制器过程中6个关键选择的掌握。该系统的模拟安装向导与真实系统界面对比如图5所示。

3）实验结果反馈与分析

实验结束后逻辑层中的评分方法将返回实验得分并允许学生查看实验结果分析。学生在了解系统配置过程中发生的错误之后可以重新开始实验任务。运行效果如图6所示。

4）实验进度统计与实验结果分析

在教师模块中，任课教师可以查看完成实验的人数及实验完成度，并通过学生进度统计即时跟进学生的学习进度。在“实验结果分析”子模块中，教师可以通过实验节点的错误操作量占比分析学生操作过程中和知识理解上出现的问题，进而灵活设计实验环节和调整教学重点，实验进度和实验结果的统计分析如图7所示。

5 实验数据统计及系统运营分析

根据实验数据统计，班级中83.1%的学生使用了该系统，该统计数据十分接近《大学生微信使用报告》中86%的使用学习率，其中40.8%的学生完成了全部实验任务 [16]。

目前该系统共上线10个实验任务，其中完成度最高的实验为“实验准备任务”，约63%的用户完成了该任务，各实验任务完成度统计如表3所示。

以实验任务“安装子域控制器”为例，实验节点错误操作次数统计如表4所示，实验节点“选择林及域”的错误操作频率最高，达到461次，占该实验错误操作总量的30%。因此，在教学环节中可以将“域”“域树”及“域林”的理论概念和系统配置过程作为重点为学生做详细梳理。

该系统于2021年春季学期结合校内《Windows服务器管理》课程开展混合式实验教学[17]，根据微信小程序云开发运营分析的统计数据，共有183名用户使用本实验系统，其中本课程学生163人，活跃用户124人，77人完成了全部实验任务，该移动实验平台在教学过程中的初步应用获得了良好的使用效果。

6 结语

本文设计并开发了基于微信小程序的《Windows网络操作系统》移动实验平台，为学生提供了便捷高效的实验平台[18]。使用受众覆盖广泛的网络通讯工具，该实验系统利用社交资源优势和用户黏性进行实验发布和师生联动，激发学生的实验兴趣，增强学生社交同时也为教师的教学扩展和教学分析提供了工具和数据支持[19]。在一个学期的混合式教学的初步应用中，该系统获得了良好的使用效果，同时也完成了一次对“互联网+”实验教学模式的探索。

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【通联编辑：王力】