王娟

(山东开放大学,教务处,山东,济南 250014)

0 引言

教育信息化为智慧教育课堂的发展提供了环境与契机,相应的智慧教育课堂也成为教育信息化改革重点研究课题之一。

智慧教育课堂能够有效地调节课堂氛围,突出教学重难点,利用技术与智慧降低重难点理解难度,加强课堂互动,提升学生学习兴趣,为学生的个性化能力培养提供帮助[1]。在智慧教育课堂应用过程中,最关键的是师生互动,该功能主要通过抢答系统实现。就现有研究成果来看,已有抢答系统存在着功能较为单一、成本较高、操作性较差、传输距离短等问题,无法满足目前高校教学需求,故提出基于单片机的智慧教育课堂智能抢答系统设计研究。

1 系统硬件设计

1.1 智能抢答主控机设计单元

智能抢答主控机是智慧教育课堂中教师应用设备,能够对学生抢答状态进行全面展示,并对抢答开始、结束时间、学生加分、减分等进行自适应设置,实现智慧教育课堂师生互动[2]。

基于上述需求,设计系统选取PC机作为智能抢答主控机,示例如图1所示。

图1 智能抢答主控机示例图

由图1可知,智能抢答主控机电源显示灯为绿色时,表明主控机开启;电源显示灯为红色时,表明主控机关闭。显示屏可以显示学生的抢答状态及其相关信息,鼠标与键盘是智能抢答主控机的输入与控制设备[3]。另外,智能抢答主控机内部包含一个中央接收器,对智能抢答分机发出的信号进行接收、处理及其显示[4-5]。

1.2 智能抢答分机设计单元

智能抢答分机是智慧教育课堂中学生应用设备,以89C2051型号单片机为核心,以按键、指示灯、数码管等为辅助器件,共同实现智能抢答功能[6]。

89C2051单片机结构如图2所示。

图2 89C2051单片机结构示意图

为了获得最优质的通信环境,将89C2051单片机晶振设置为11.0592 MHz。智能抢答分机中,89C2051单片机是数码管的驱动硬件,利用外围电路对学生抢答状态、时间、数据等进行采集与交换,具备学生抢答所需多种功能。

1.3 串口电路设计单元

串口电路是设计系统硬件连接的关键,主要包含电平转换电路与一对多串行通信接口[7-8]。其中,电平转换电路以MAX232芯片为核心,对输出电平信号进行相互转换,以此来实现设计系统硬件之间的通信[9]。而一对多串行通信接口的设计,主要是为了避免智能抢答分机串口信号输出端的相互干扰,保障设计系统智能抢答主控机与多台分机通信的稳定。

串口电路示意图如图3所示。

(a) 电平转换电路

2 软件设计

2.1 智能抢答主控机软件程序设计模块

智能抢答主控机软件程序是设计系统的关键,也是智能抢答功能实现的重要程序。主控机软件程序如图4所示。

图4 智能抢答主控机软件程序示意图

依据图4所示软件程序,结合主控机硬件设计内容,即可实现智能抢答主控机的全部功能,为智慧教育课堂的师生交互提供支撑。

2.2 智能抢答分机软件程序设计模块

智能抢答分机是学生对教师提出问题进行抢答的主要设备,其软件程序设计承担着各个构成部分的驱动与通信任务,保障抢答信号准确无误的发出[10]。

智能抢答分机软件程序如下。

步骤一:初始化配置。开启时钟、定时器、电源等硬件,转换抢答分机模式为接收模式,清除全部中断标志位等。

步骤二:定时器配置[11]。设置定时器时间间隔为8 s,若是时间间隔内程序跑死,定时器自动复位,复位规则表达式为

(1)

式(1)中,tr与T*分别表示程序运行时间与设置时间间隔。

步骤三:电源寄存器配置。实时获取电源剩余储量,并对其进行展示,防止缺电抢答分机停止运作事件的发生。

步骤四:功能选择。依据学生选取的抢答模式,主控机进入对应的页面,获取学生答题相关信息。

步骤五:标志位是否置位判断。若是判断结果为未置位,程序返回步骤一处开始循环;若是判断结果为置位,表明学生有抢答信号要发送,在抢答信号发送后,将抢答分机调整至接收模式,以此做好教师反馈信息的接收准备。

抢答信号在发送与传输过程中,由于多种因素的影响,致使抢答信号会存在损耗与噪声,表达式为

(2)

为了保障智能抢答功能的实现,对抢答信号进行去噪处理,表达式为

(3)

式(3)中,yi表示去噪后抢答信号,α与β*表示去噪因子,m表示抢答信号的总数量。

2.3 智能抢答功能设计模块

智能抢答功能设计模块主要承担着用户管理、题库管理、抢答管理、抢答记录以及数据表构建等功能,是设计系统稳定运行的关键支撑模块。

其中:用户管理功能主要包括用户信息注册与修改、用户分类、用户登录与退出等;题库管理功能主要包括抢答题目发布、题目分类、题目答案存储等;抢答管理功能主要包括教师发布与终止抢答、学生参与抢答等;抢答记录功能主要包括抢答正确/错误判断、抢答时间记录、学生积分计算等;数据表指的是对上述功能产生的数据进行记录的表结构,具体如图5所示。

图5 数据表示例图

通过上述硬件单元与软件模块的设计与开发,实现了智慧教育课堂智能抢答系统的运行与应用,为智慧教育课堂的发展与应用提供更加有力的支撑,提升学生的学习兴趣与效果。

3 实验与结果分析

为了验证设计系统的应用性能,选取基于FPGA的多路抢答器作为对比系统,设计对比实验,具体实验过程如下。

3.1 实验准备阶段

实验准备阶段是智慧教育课堂智能抢答系统应用性能测试的关键。此研究实验准备阶段主要承担着实验工具的选取任务,根据设计系统应用性能测试需求,选取LabVIEW作为实验编程工具,其具有交互性强、扩展性好、开发周期短等优势,并能够适应多种平台。LabVIEW环境如图6所示。

应用LabVIEW编程工具将准备好的抢答题目进行编程,并将其输入至智能抢答主控机中存储,方便后续教师在智慧教育课堂中的应用与操作。

3.2 实验结果分析

为了清晰显示本文设计系统的应用效果,选取系统响应时间、抢答主控机与分机最大间隔距离与抢答信号传输损耗作为系统应用性能的评价指标,具体实验结果分析过程如下。

3.2.1 系统响应时间分析

系统响应时间指抢答题目发布到抢答题目回答完毕所用的时间,计算公式为

(4)

式(4)中,n表示实验次数,ti1表示抢答题目发布到抢答分机接收任务的时间间隔,ti2表示抢答分机发出抢答信号到主控机反馈选择回答分机编号的时间间隔,ti3表示学生回答抢答题目耗费的时间。

通过实验获得系统响应时间数据如表1所示。

表1 系统响应时间数据表

由表1可以看出,与对比系统相比较,应用本文系统获得的系统响应时间更短,主要是因为89C2051型号单片机的应用,缩短了抢答分机的接收时间与传输时间,说明设计系统响应性能更好。

3.2.2 抢答主控机与分机最大间隔距离分析

抢答主控机与分机最大间隔距离反映着智能抢答系统覆盖的范围。常规情况下,抢答主控机与分机最大间隔距离越大,系统覆盖范围越广,对课堂场地的限制也越小。

通过实验获得抢答主控机与分机最大间隔距离如图7所示。

图7 抢答主控机与分机最大间隔距离示意图

由图7可以看出,与对比系统相比较,应用本文系统获得的抢答主控机与分机最大间隔距离更大,表明本文系统覆盖范围更广泛。

3.2.3 抢答信号传输损耗分析

一般情况下,抢答信号传输损耗越低,表明智能抢答系统性能越佳。通过实验获得抢答信号传输损耗如图8所示。

图8 抢答信号传输损耗示意图

由图8可以看出,与对比系统相比较,应用本文系统获得的抢答信号传输损耗更低,表明本文系统信号传输性能更好。

4 总结

应用89C2051型号单片机设计了新的智慧教育课堂智能抢答系统,极大地缩短了系统响应时间,加大了抢答主控机与分机最大间隔距离,降低了抢答信号传输损耗,为课堂抢答提供更加有效的系统支撑,也为智慧教育课堂的发展与应用研究提供一定的参考与借鉴。