基于ZigBee的任務型語文課堂互動教學系統(tǒng)設計

齊瑛

（咸陽師范學院 附屬中學，陜西 咸陽712000）

1 引言

新課程標準強調(diào)語文課堂中不但要注重基礎知識教學，還要通過語文教育使學生得到全方位、綜合性的發(fā)展。因此，教師必須采取任務型教學模式，鼓勵學生積極思考、加強合作探究，從而提高學習效率。任務型教學方法就是在課堂中布置不同類型教學任務，使學生在不斷探索與合作過程中完成任務，得到較好的學習成果，有效提高各方面能力。但隨著教學目標的深化以及科技的進步，傳統(tǒng)任務型課堂已經(jīng)無法滿足高效教學的需求，亟需利用計算機技術設計一種高效的教學系統(tǒng)促使師生之間頻繁互動，使課堂具有現(xiàn)代化教學特點。

目前常用的教學系統(tǒng)有基于云計算技術的專業(yè)輔助教學系統(tǒng)[1]和基于深度學習的智能教學系統(tǒng)[2]。雖然上述兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)均對任務型教學課堂進行了一定程度的改進，加強了師生之間互動，但是教學效果與理想效果間依然存在較大差距。

基于此，本文在ZigBee 基礎上設計了一種新的任務型語文課堂互動教學系統(tǒng)?！癦igBee”一詞來自于蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花粉時，利用ZigZag 舞蹈來通知同伴，實現(xiàn)信息交換。因此，相關學者借助此名詞提出低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡通信技術，即ZigBee網(wǎng)絡。本研究在分配ZigBee網(wǎng)絡工作頻率與網(wǎng)絡分配機制的基礎上，確定教學系統(tǒng)整體架構(gòu)，分別設計系統(tǒng)軟硬件模塊，確保系統(tǒng)穩(wěn)定正常運行。

2 任務型語文課堂互動教學系統(tǒng)需求分析

在明確課堂任務設計原則后，確定互動教學系統(tǒng)功能與性能需求。在課堂教學過程中，教師通過PC 機，在投影與投影機上播放多媒體課件，學生每人一臺電腦等移動終端。因此，該系統(tǒng)中至少包含教師端與學生端兩部分[5]。

該系統(tǒng)主要功能是課堂輔助教學，在課堂上學生與教師之間通過移動終端進行文字、語言、文件等方面交流，實現(xiàn)學習合作與教師問答。系統(tǒng)功能如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能需求表

3 基于ZigBee的課堂互動教學系統(tǒng)設計

3.1 ZigBee的工作頻率與數(shù)據(jù)傳輸分析

ZigBee技術可以支持多種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其中包括星狀、樹狀以及網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。不同拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文為方便教師管控學生節(jié)點，采用樹狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 不同網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

在樹狀網(wǎng)絡拓撲中，利用IEEE 802．15．4 標準定義了2．4GH 與868/915MHz 兩個物理層標準，因此系統(tǒng)中會出現(xiàn)三個工作頻率。兩個物理層都在DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)基礎上采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式[6]。不同工作頻率會在不同地區(qū)使用，其調(diào)制手段與傳輸速度都不同。各頻段的頻率區(qū)間如表2所示。

表2 ZigBee的工作頻率表

4GHz頻段是全球統(tǒng)一頻段，該系統(tǒng)使用該頻段可以降低生產(chǎn)成本，避免與其它無線通信設備之間相互干擾。物理層共包含27個信道，信道組成情況如表3所示。

表3 ZigBee信道組成表

3.2 地址分配機制

ZigBee 網(wǎng)絡拓撲中存在兩種地址分配機制，分別為分布式與高層地址分配方式[7]。本研究使用的是分布式分配機制。在網(wǎng)絡中，任意一個設備都存在一個相關深度，表示設備到達協(xié)調(diào)器所需最少跳數(shù)。假設協(xié)調(diào)器深度是0，則其一級子節(jié)點深度表示為1。節(jié)點能夠利用最大簇樹深度Lm、最大子節(jié)點數(shù)量Cm與每節(jié)點最大路由節(jié)點數(shù)Rm進行表示。決定深度d的所有路由子節(jié)點地址大小Cskip(d)的計算公式如下：

公式(1)中，Cskip(d)表示d+1 層父節(jié)點之間地址偏移程度[8]。

若設備的Cskip(d)等于0，則此設備屬于網(wǎng)絡中終端節(jié)點，不可以繼續(xù)添加子節(jié)點。針對終端節(jié)點，地址分配方式取決于入網(wǎng)順序，則子節(jié)點網(wǎng)絡地址計算公式如下：

公式(2)中，n表示終端節(jié)點數(shù)量。

3.3 確定系統(tǒng)整體架構(gòu)

利用ZigBee 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)與地址分配機制，確定系統(tǒng)整體架構(gòu)。由于教師端屬于終端界面，而通常情況下PC沒有ZigBee模塊，因此，必須添加ZigBee模塊當作協(xié)調(diào)器和PC機交互。

學生端則包括控制模塊、LED顯示模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊以及電源模塊等。該系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

3.4 系統(tǒng)硬件方案設計

系統(tǒng)硬件整體功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件整體功能圖

在系統(tǒng)硬件中，學生使用的主控芯片是十六位單片機GPL1620003A，其CPU 內(nèi)核為SP2．0，此芯片主要優(yōu)勢為：時鐘頻率能夠達到96MHz；串行設備接口；具備多通道控制器與鍵盤掃描控制器等。ZigBee無線模塊和主控芯片相互連接，此外主控芯片還與小鍵盤、顯示屏等設備相連。

(1)數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫設計的主要工作是構(gòu)建E-R 模型，也稱為實體-聯(lián)系圖(Entity Relationship Diagram)。其能提供描述實體種類、屬性等信息。利用矩形代表實體，橢圓表示屬性，菱形描述實體之間的關系，同時利用無相線將相關實體連接在一起。E-R模型關系圖如圖4所示。

圖4 E-R模型關系圖

(2)服務器設計

服務器的業(yè)務邏輯用于處理用戶請求，結(jié)合用戶需要，將服務器功能分為用戶管理、課程管理、信息管理等模塊。

3.5 軟件功能實現(xiàn)

軟件設計中觸控整合器屬于系統(tǒng)各部分之間通信橋梁，不但要實現(xiàn)與移動終端之間通信，還要結(jié)合教師客戶端設置的學生分屏信息把觸控信號映射在不同屏幕上，因此系統(tǒng)軟件設計中最為主要的是制定好各部分通信協(xié)議。

(1)與移動終端通信

移動終端發(fā)送到觸控器的格式如表4所示。表4中，Computer Name 與User Name 分別代表設備名與用戶名，用其標識信息發(fā)送者；Action1～Action4 代表4個點的觸控動作，包括按下與彈起兩種類型；Point1～Point4為4個點坐標。

表4 觸控數(shù)據(jù)格式表

客戶端將觸控信號傳輸?shù)秸掀?，觸控點包括橫、縱坐標等信息。只要處理4個點同步觸控情況，即可實現(xiàn)與移動終端通信。

(2)與教師客戶端通信

整合器和教師端之間通信目的包括：告知教師端IP地址以及接收客戶端設置的分屏信息。例如教師在布置任務后讓兩名學生同時回答，此時可讓學生直接在自己的移動終端上給出答案，并在大屏幕上顯示。其中一個學生的答案在左半?yún)^(qū)，另一個學生答案映射到右半?yún)^(qū)，不會相互干擾。該功能實現(xiàn)過程如下：

步驟一：統(tǒng)一坐標，不同終端的分辨率與坐標范圍不一致，因此需要對其進行歸一化。本文根據(jù)觸控屏觸控范圍1920*1080 將全部移動終端的觸控坐標映射到該區(qū)間內(nèi)，計算公式如下。其中ScreenX，ScreenY表示坐標橫、縱最大值，Input．x與Input．y為初始觸控坐標。

步驟二：用戶編號

移動終端發(fā)送到整合器的數(shù)據(jù)包含用戶名，該信息是唯一的，可利用希哈表決準確判斷觸控數(shù)據(jù)中的坐標映射區(qū)域編號。

步驟三：坐標映射，若教師端沒有對分屏進行設置，則會出現(xiàn)多個學生共享同一觸控區(qū)域的情況。完成分屏設置后，能夠?qū)W生的觸控區(qū)域映射在PC 機觸屏某塊，此時多個學生同時觸控便不會發(fā)生干擾，計算公式如下：

上述公式中，Loc表示屏幕序號，Wid與Hei分別表示劃分區(qū)域列數(shù)與行數(shù)，LocX、LocY表示學生觸控區(qū)域所處的行、列數(shù)，x1和y1表示歸一化處理后的橫縱坐標，Result．x和Result．y表示最終計算得出的觸控坐標。

完成上述步驟后，完成系統(tǒng)軟件模塊設計，從而實現(xiàn)了師生之間互動教學。

4 實驗研究

為驗證基于ZigBee的任務型語文課堂互動教學系統(tǒng)的實際應用性能，設計如下仿真實驗。

仿真實驗選用成都無線龍通訊公司推出的C5RF-3-CS系統(tǒng)。結(jié)合該系統(tǒng)軟硬件功能要求設置以下幾組仿真實驗。為避免實驗結(jié)果的單一性，將傳統(tǒng)的基于云計算技術的專業(yè)輔助教學系統(tǒng)[1]和基于深度學習的智能教學系統(tǒng)[2]作為對比，與本文系統(tǒng)共同完成性能驗證。

實驗(一)：移動終端與PC機數(shù)據(jù)傳輸實驗

利用一臺學生終端向PC機傳輸數(shù)據(jù)，以此驗證點對點通信能力以及軟件模塊功能是否符合要求。實驗環(huán)境如圖5所示。

圖5 學生終端與PC機數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境圖

以數(shù)據(jù)接收正確率為驗證指標，得到不同系統(tǒng)的對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收正確率

分析圖6可知，本文系統(tǒng)利用學生終端持續(xù)發(fā)送70次文件，在調(diào)試工具上顯示數(shù)據(jù)接收正確率始終保持在90%以上。由于該組實驗屬于單節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸，因此傳輸可靠性得到保證，證明本文系統(tǒng)傳輸能力滿足設計要求。

實驗(二)：組網(wǎng)穩(wěn)定性實驗

將一臺PC機連接模塊當作網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，添加30個學生節(jié)點。通過PC機上位軟件向無線模塊傳輸命令，并在軟件上呈現(xiàn)出節(jié)點狀況，觀察網(wǎng)絡穩(wěn)定程度。以節(jié)點故障率為指標，驗證不同系統(tǒng)的組網(wǎng)穩(wěn)定性，結(jié)果如圖7所示。

圖7 節(jié)點故障率圖

根據(jù)圖7中可以看出，隨著30個網(wǎng)絡節(jié)點不斷加入，本文系統(tǒng)下的節(jié)點故障率沒有明顯增加，始終處于較低水平，證明本文系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的組網(wǎng)穩(wěn)定性能。

實驗(三)：學習效果對比實驗

為對比本文系統(tǒng)、文獻[1]系統(tǒng)、文獻[2]系統(tǒng)下的任務型語文課堂互動教學效果，設計一節(jié)語文課程進行對比實驗，隨機抽取60 名學生分為三組作為測試樣本。在課程結(jié)束后通過問卷調(diào)查方式對這些學生進行調(diào)查，調(diào)查題目為：對這門課程的興趣有多少；是否可以輕松快樂的學習。此外每個問卷后都會添加針對該課程的知識點問答題。三種不同互動教學方式效果如圖8所示。

圖8 不同方法教學效果對比圖

根據(jù)圖8可知，使用本文系統(tǒng)進行教學的效果最佳，學生對課堂產(chǎn)生濃厚興趣，在輕松的環(huán)境下完成學習目標。通過與教師互動，使教師充分了解學生知識點掌握情況，因此對于知識點的測試，從而使用本文系統(tǒng)的學生得分最高。

5 結(jié)束語

為改善任務型語文課堂互動教學效果，本文利用Zig-Bee技術設計了互動式教學系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有文件管理、課堂溝通、權限管理等功能，充分激發(fā)學生課堂積極性。此外系統(tǒng)還具有組網(wǎng)穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)傳輸性能較強等優(yōu)勢。但是在設計過程中，因為時間與條件等因素限制，此系統(tǒng)還存在一些不足之處。今后的研究方向為：在文件傳輸方面做進一步改進，減少傳輸延時；此外開發(fā)其它網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，提高信道利用率。