基于ZigBee的音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張麗群

(寧夏藝術(shù)職業(yè)學(xué)院,音樂系理論教研室， 寧夏,銀川 750021)

0 引言

目前，學(xué)生不僅加強(qiáng)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，對(duì)于其他課外興趣愛好的學(xué)習(xí)也很重視。其中，音樂課程的學(xué)習(xí)較為廣泛。音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)對(duì)于教學(xué)交互感要求較高，如果系統(tǒng)硬件區(qū)域音卡傳感器以及其他器件的基礎(chǔ)配置較低，將導(dǎo)致學(xué)生和教師教學(xué)中出現(xiàn)隱形障礙，最終導(dǎo)致課程在線輔助效果不佳[1]。音樂教學(xué)輔助系統(tǒng)功能不能過度繁瑣，影響學(xué)生和教師的使用體驗(yàn)感，進(jìn)而從根本上增加學(xué)習(xí)者對(duì)于音樂課程在線輔助教學(xué)的抵觸情緒，影響系統(tǒng)功能體現(xiàn)[2]。為此，該領(lǐng)域研究人員對(duì)課程教學(xué)輔助系統(tǒng)進(jìn)行很多研究，并取得了一定成果。

文獻(xiàn)[3]提出設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)代化信息技術(shù)的音樂課程輔助教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體架構(gòu)為B/S架構(gòu)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入現(xiàn)代化信息技術(shù)。系統(tǒng)中包括課程數(shù)據(jù)庫、功能模塊等，并且優(yōu)化了學(xué)生、教師以及設(shè)備間的界面優(yōu)化，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)運(yùn)行良好，但對(duì)教學(xué)效率考慮較少，存在一定局限。文獻(xiàn)[4]提出設(shè)計(jì)基于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的數(shù)字化音樂課程教學(xué)輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先分析學(xué)生及教師的需求，針對(duì)其功能需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將具體教學(xué)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，并將其轉(zhuǎn)化為生動(dòng)的圖像數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)有效提升了教學(xué)效率，但其數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較少，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

針對(duì)上述系統(tǒng)中存在的不足，本文以音樂課程在線輔助教學(xué)涉及到的教學(xué)行為和教學(xué)任務(wù)作為設(shè)計(jì)目的，通過對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，解決傳統(tǒng)音樂課程輔助教學(xué)系統(tǒng)音質(zhì)存在音質(zhì)瑕疵等問題，解決學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的干擾問題。音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)不同于其他課程的輔助教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)功能的要求高，并且輔助方式與之不同。按照音樂課程輔助教學(xué)的功能要求，設(shè)計(jì)基于ZigBee的音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)，最后通過對(duì)比試驗(yàn)得出，此系統(tǒng)性能達(dá)到了音樂課程在線輔助教學(xué)要求。

1 基于ZigBee的音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 收發(fā)器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件區(qū)域中收發(fā)器的工作任務(wù)將學(xué)生端和教師端需要發(fā)送音頻或文字信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和接收，保證在線輔助教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行。采用HISJ-92型號(hào)的收發(fā)器，儀器遵循IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)無線通信協(xié)議和ZigBee的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，保證系統(tǒng)在線穩(wěn)定性[5]。收發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 收發(fā)器結(jié)構(gòu)

收發(fā)器采用單纖和雙纖2種SC類型接口，對(duì)4000 V范圍內(nèi)雷擊可進(jìn)行安全防護(hù)。TVS管具有8000 V電路靜電保護(hù)功能，內(nèi)置過流4.0 A保護(hù)模式，支持12-48 V的寬電壓輸入。收發(fā)器芯片采用雙層電路工業(yè)級(jí)別專用芯片，保證收發(fā)器運(yùn)行效果。收發(fā)器支持全雙工和半雙工模型的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，內(nèi)置10/1000 m的自適應(yīng)網(wǎng)口[6]。收發(fā)器電路圖如圖3所示。

圖3 收發(fā)器電路圖

1.2 芯片設(shè)計(jì)

芯片是音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)的核心，只有芯片性能達(dá)到要求，才可以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，快速解決系統(tǒng)出現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤。為了使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效果，本文采用CC2430型號(hào)的芯片，此芯片體積小，易安裝拆卸，并且芯片具有較高的性價(jià)比。

CC2430芯片信息發(fā)送頻率為2.4 MHz，芯片每個(gè)邊口設(shè)有5個(gè)并排串口，保證系統(tǒng)運(yùn)行反應(yīng)速度。芯片連接硬件區(qū)域網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、資源管理器和收發(fā)器，芯片最大輸出電流為90 mA，具有8個(gè)恒流源輸出電路，數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘為85 Hz，數(shù)據(jù)顯示刷新率為120 Hz[7]。本文系統(tǒng)中芯片特點(diǎn)為內(nèi)置音頻解碼功能，將學(xué)生端和教師端音質(zhì)百分百還原傳輸。此芯片具備限流以及過熱保護(hù)功能，保證輔助教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行安全[8]。CC2430 芯片內(nèi)部時(shí)鐘結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 CC2430芯片內(nèi)部時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

1.3 音質(zhì)傳感器設(shè)計(jì)

音質(zhì)傳感器是音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)硬件區(qū)域最關(guān)鍵器件，對(duì)音質(zhì)傳感器要求嚴(yán)格，傳感器任務(wù)是將學(xué)生端或教師端在線上輔助學(xué)習(xí)和教學(xué)所產(chǎn)生的音質(zhì)進(jìn)行聲音傳感，將教師端和學(xué)生端在線連接。音質(zhì)傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 音質(zhì)傳感器結(jié)構(gòu)圖

音質(zhì)傳感器自振頻率為10 Hz，傳感器外形尺寸的標(biāo)準(zhǔn)為φ35×75 mm，重量約為350 g[9]。本文采用傳感器生產(chǎn)成本低，系統(tǒng)硬件區(qū)域傳感器出現(xiàn)功能故障時(shí)，可直接換新。音質(zhì)傳感器聲音傳感精度為±1.5 dB，頻率響應(yīng)范圍在31.5 Hz-8.5 kHz，采用A權(quán)頻率計(jì)權(quán)模式，傳感器工作響應(yīng)等級(jí)為FAST。音質(zhì)傳感器麥克風(fēng)采用6 mm的電容式麥克風(fēng)，音質(zhì)解析度為0.1 dB。此傳感器在傳輸時(shí)可自動(dòng)對(duì)音頻進(jìn)行降噪處理，提高在線輔助教學(xué)的真實(shí)性。

1.4 資源管理器

系統(tǒng)硬件區(qū)域資源管理器的工作任務(wù)是管理學(xué)生端提交任務(wù)、教師端布置教學(xué)任務(wù)、系統(tǒng)內(nèi)部教師和學(xué)習(xí)者信息以及輔助系統(tǒng)運(yùn)行配置文件，任何文件出現(xiàn)丟失或者格式化都會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，設(shè)計(jì)資源管理器進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)。

資源管理器內(nèi)存充足，一旦系統(tǒng)存儲(chǔ)空間不足時(shí)，進(jìn)行及時(shí)的供給，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息，為保證系統(tǒng)運(yùn)行速度，此資源管理器定期會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部無效數(shù)據(jù)信息進(jìn)行清理。管理器工作最大功率消耗為5 W，由3個(gè)以太網(wǎng)接口，資源的調(diào)用速度為1 000 Mbps。

2 音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，此局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通常用于星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中[10]。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適用的工作領(lǐng)域不同，本文采用ZigBee技術(shù)的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)軟件。音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)軟件區(qū)域分別設(shè)計(jì)了音樂鑒賞模塊、資源共享模塊以及在線解惑模塊，共同集成智能化的音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)軟件區(qū)域。

2.1 音樂鑒賞模塊設(shè)計(jì)

音樂鑒賞模塊中教師在線輔助教學(xué)過程中，如果任意一方想要分析課堂上音樂音頻內(nèi)容，可申請?jiān)诰€頁面鑒賞模塊即可，鑒賞內(nèi)容定期存儲(chǔ)在學(xué)生端數(shù)據(jù)庫內(nèi)。此時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)在學(xué)生端的音樂學(xué)習(xí)資料按照一定要求進(jìn)行篩選和檢索，完成音樂的鑒賞。其音樂鑒賞流程如圖6所示。

圖6 音樂鑒賞實(shí)現(xiàn)流程

2.2 資源共享模塊設(shè)計(jì)

資源共享模塊通過一定邏輯存儲(chǔ)音樂教學(xué)資源信息，將上傳到系統(tǒng)內(nèi)部的音樂課程信息共享，輔助在線課程教學(xué)。資源共享時(shí)設(shè)置一定權(quán)限，只有被公認(rèn)接收雙方具有查看權(quán)限，其他系統(tǒng)內(nèi)用戶不具有接收權(quán)限。其中，雙方在資源共享時(shí)模塊注冊部分關(guān)鍵代碼如下所示。

MyPanel(){

newJLabel(*學(xué)生在線*);

newJLabel(*教師在線*);

newButton1(*用戶名稱*);

newButton2(*用戶名稱*);

……

New JPasswordField(20);

setAction Command(*entry*);

2.3 在線解惑模塊設(shè)計(jì)

在線解惑模塊在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在授課進(jìn)度達(dá)到要求基礎(chǔ)上，在線輔助教學(xué)頁面出現(xiàn)在線解惑觸點(diǎn)，學(xué)習(xí)者通過在線提供疑惑內(nèi)容，教師端解答解惑請求，形成良好的教學(xué)循環(huán)過程。其在線解惑流程如圖7所示：

圖7 在線解惑實(shí)現(xiàn)流程

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能和教學(xué)效果，本文進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)在MATLAB平臺(tái)中進(jìn)行，操作系統(tǒng)為Windows XP，運(yùn)行內(nèi)存為16 GB。實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)比所提系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的教學(xué)效率，驗(yàn)證所提系統(tǒng)的有效性。

實(shí)驗(yàn)中選取3組學(xué)習(xí)背景和知識(shí)存儲(chǔ)相似的小學(xué)生作為學(xué)習(xí)者，通過同一個(gè)老師采用相同教學(xué)資料向3組學(xué)生分別通過不同系統(tǒng)完成知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，測試每一組學(xué)習(xí)者對(duì)于此課程知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)效率對(duì)比

析圖8中數(shù)據(jù)可以看出，隨著學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)長的改變，采用3種系統(tǒng)對(duì)教師教學(xué)效率進(jìn)行測試的結(jié)果存在一定差異。其中，所提系統(tǒng)的教學(xué)效率均在90%以上，而其他2種系統(tǒng)的教學(xué)效率雖然呈現(xiàn)上升趨勢，但相比之下所提系統(tǒng)的教學(xué)效率較高，具有一定可行性。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的音樂課程在線輔助教學(xué)系統(tǒng)，在硬件中設(shè)計(jì)了音頻傳感器、資源管理器、芯片以及收發(fā)器，并根據(jù)一定規(guī)則設(shè)計(jì)軟件流程，完成了輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提系統(tǒng)不僅可以完成音樂課程在線輔助教學(xué)任務(wù)，還有效提升了音樂課程教學(xué)效率。