基于單片機(jī)的智慧教育課堂智能搶答系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王娟

(山東開放大學(xué),教務(wù)處,山東,濟(jì)南 250014)

0 引言

教育信息化為智慧教育課堂的發(fā)展提供了環(huán)境與契機(jī),相應(yīng)的智慧教育課堂也成為教育信息化改革重點(diǎn)研究課題之一。

智慧教育課堂能夠有效地調(diào)節(jié)課堂氛圍,突出教學(xué)重難點(diǎn),利用技術(shù)與智慧降低重難點(diǎn)理解難度,加強(qiáng)課堂互動(dòng),提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,為學(xué)生的個(gè)性化能力培養(yǎng)提供幫助[1]。在智慧教育課堂應(yīng)用過(guò)程中,最關(guān)鍵的是師生互動(dòng),該功能主要通過(guò)搶答系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。就現(xiàn)有研究成果來(lái)看,已有搶答系統(tǒng)存在著功能較為單一、成本較高、操作性較差、傳輸距離短等問(wèn)題,無(wú)法滿足目前高校教學(xué)需求,故提出基于單片機(jī)的智慧教育課堂智能搶答系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 智能搶答主控機(jī)設(shè)計(jì)單元

智能搶答主控機(jī)是智慧教育課堂中教師應(yīng)用設(shè)備,能夠?qū)W(xué)生搶答狀態(tài)進(jìn)行全面展示,并對(duì)搶答開始、結(jié)束時(shí)間、學(xué)生加分、減分等進(jìn)行自適應(yīng)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)智慧教育課堂師生互動(dòng)[2]。

基于上述需求,設(shè)計(jì)系統(tǒng)選取PC機(jī)作為智能搶答主控機(jī),示例如圖1所示。

圖1 智能搶答主控機(jī)示例圖

由圖1可知,智能搶答主控機(jī)電源顯示燈為綠色時(shí),表明主控機(jī)開啟;電源顯示燈為紅色時(shí),表明主控機(jī)關(guān)閉。顯示屏可以顯示學(xué)生的搶答狀態(tài)及其相關(guān)信息,鼠標(biāo)與鍵盤是智能搶答主控機(jī)的輸入與控制設(shè)備[3]。另外,智能搶答主控機(jī)內(nèi)部包含一個(gè)中央接收器,對(duì)智能搶答分機(jī)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行接收、處理及其顯示[4-5]。

1.2 智能搶答分機(jī)設(shè)計(jì)單元

智能搶答分機(jī)是智慧教育課堂中學(xué)生應(yīng)用設(shè)備,以89C2051型號(hào)單片機(jī)為核心,以按鍵、指示燈、數(shù)碼管等為輔助器件,共同實(shí)現(xiàn)智能搶答功能[6]。

89C2051單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 89C2051單片機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

為了獲得最優(yōu)質(zhì)的通信環(huán)境,將89C2051單片機(jī)晶振設(shè)置為11.0592 MHz。智能搶答分機(jī)中,89C2051單片機(jī)是數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)硬件,利用外圍電路對(duì)學(xué)生搶答狀態(tài)、時(shí)間、數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集與交換,具備學(xué)生搶答所需多種功能。

1.3 串口電路設(shè)計(jì)單元

串口電路是設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件連接的關(guān)鍵,主要包含電平轉(zhuǎn)換電路與一對(duì)多串行通信接口[7-8]。其中,電平轉(zhuǎn)換電路以MAX232芯片為核心,對(duì)輸出電平信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件之間的通信[9]。而一對(duì)多串行通信接口的設(shè)計(jì),主要是為了避免智能搶答分機(jī)串口信號(hào)輸出端的相互干擾,保障設(shè)計(jì)系統(tǒng)智能搶答主控機(jī)與多臺(tái)分機(jī)通信的穩(wěn)定。

串口電路示意圖如圖3所示。

(a) 電平轉(zhuǎn)換電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 智能搶答主控機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)模塊

智能搶答主控機(jī)軟件程序是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵,也是智能搶答功能實(shí)現(xiàn)的重要程序。主控機(jī)軟件程序如圖4所示。

圖4 智能搶答主控機(jī)軟件程序示意圖

依據(jù)圖4所示軟件程序,結(jié)合主控機(jī)硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容,即可實(shí)現(xiàn)智能搶答主控機(jī)的全部功能,為智慧教育課堂的師生交互提供支撐。

2.2 智能搶答分機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)模塊

智能搶答分機(jī)是學(xué)生對(duì)教師提出問(wèn)題進(jìn)行搶答的主要設(shè)備,其軟件程序設(shè)計(jì)承擔(dān)著各個(gè)構(gòu)成部分的驅(qū)動(dòng)與通信任務(wù),保障搶答信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤的發(fā)出[10]。

智能搶答分機(jī)軟件程序如下。

步驟一:初始化配置。開啟時(shí)鐘、定時(shí)器、電源等硬件,轉(zhuǎn)換搶答分機(jī)模式為接收模式,清除全部中斷標(biāo)志位等。

步驟二:定時(shí)器配置[11]。設(shè)置定時(shí)器時(shí)間間隔為8 s,若是時(shí)間間隔內(nèi)程序跑死,定時(shí)器自動(dòng)復(fù)位,復(fù)位規(guī)則表達(dá)式為

(1)

式(1)中,tr與T*分別表示程序運(yùn)行時(shí)間與設(shè)置時(shí)間間隔。

步驟三:電源寄存器配置。實(shí)時(shí)獲取電源剩余儲(chǔ)量,并對(duì)其進(jìn)行展示,防止缺電搶答分機(jī)停止運(yùn)作事件的發(fā)生。

步驟四:功能選擇。依據(jù)學(xué)生選取的搶答模式,主控機(jī)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的頁(yè)面,獲取學(xué)生答題相關(guān)信息。

步驟五:標(biāo)志位是否置位判斷。若是判斷結(jié)果為未置位,程序返回步驟一處開始循環(huán);若是判斷結(jié)果為置位,表明學(xué)生有搶答信號(hào)要發(fā)送,在搶答信號(hào)發(fā)送后,將搶答分機(jī)調(diào)整至接收模式,以此做好教師反饋信息的接收準(zhǔn)備。

搶答信號(hào)在發(fā)送與傳輸過(guò)程中,由于多種因素的影響,致使搶答信號(hào)會(huì)存在損耗與噪聲,表達(dá)式為

(2)

為了保障智能搶答功能的實(shí)現(xiàn),對(duì)搶答信號(hào)進(jìn)行去噪處理,表達(dá)式為

(3)

式(3)中,yi表示去噪后搶答信號(hào),α與β*表示去噪因子,m表示搶答信號(hào)的總數(shù)量。

2.3 智能搶答功能設(shè)計(jì)模塊

智能搶答功能設(shè)計(jì)模塊主要承擔(dān)著用戶管理、題庫(kù)管理、搶答管理、搶答記錄以及數(shù)據(jù)表構(gòu)建等功能,是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵支撐模塊。

其中:用戶管理功能主要包括用戶信息注冊(cè)與修改、用戶分類、用戶登錄與退出等;題庫(kù)管理功能主要包括搶答題目發(fā)布、題目分類、題目答案存儲(chǔ)等;搶答管理功能主要包括教師發(fā)布與終止搶答、學(xué)生參與搶答等;搶答記錄功能主要包括搶答正確/錯(cuò)誤判斷、搶答時(shí)間記錄、學(xué)生積分計(jì)算等;數(shù)據(jù)表指的是對(duì)上述功能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的表結(jié)構(gòu),具體如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)表示例圖

通過(guò)上述硬件單元與軟件模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā),實(shí)現(xiàn)了智慧教育課堂智能搶答系統(tǒng)的運(yùn)行與應(yīng)用,為智慧教育課堂的發(fā)展與應(yīng)用提供更加有力的支撐,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與效果。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用性能,選取基于FPGA的多路搶答器作為對(duì)比系統(tǒng),設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段是智慧教育課堂智能搶答系統(tǒng)應(yīng)用性能測(cè)試的關(guān)鍵。此研究實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段主要承擔(dān)著實(shí)驗(yàn)工具的選取任務(wù),根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用性能測(cè)試需求,選取LabVIEW作為實(shí)驗(yàn)編程工具,其具有交互性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、開發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì),并能夠適應(yīng)多種平臺(tái)。LabVIEW環(huán)境如圖6所示。

應(yīng)用LabVIEW編程工具將準(zhǔn)備好的搶答題目進(jìn)行編程,并將其輸入至智能搶答主控機(jī)中存儲(chǔ),方便后續(xù)教師在智慧教育課堂中的應(yīng)用與操作。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了清晰顯示本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用效果,選取系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、搶答主控機(jī)與分機(jī)最大間隔距離與搶答信號(hào)傳輸損耗作為系統(tǒng)應(yīng)用性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過(guò)程如下。

3.2.1 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間分析

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間指搶答題目發(fā)布到搶答題目回答完畢所用的時(shí)間,計(jì)算公式為

(4)

式(4)中,n表示實(shí)驗(yàn)次數(shù),ti1表示搶答題目發(fā)布到搶答分機(jī)接收任務(wù)的時(shí)間間隔,ti2表示搶答分機(jī)發(fā)出搶答信號(hào)到主控機(jī)反饋選擇回答分機(jī)編號(hào)的時(shí)間間隔,ti3表示學(xué)生回答搶答題目耗費(fèi)的時(shí)間。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)表

由表1可以看出,與對(duì)比系統(tǒng)相比較,應(yīng)用本文系統(tǒng)獲得的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間更短,主要是因?yàn)?9C2051型號(hào)單片機(jī)的應(yīng)用,縮短了搶答分機(jī)的接收時(shí)間與傳輸時(shí)間,說(shuō)明設(shè)計(jì)系統(tǒng)響應(yīng)性能更好。

3.2.2 搶答主控機(jī)與分機(jī)最大間隔距離分析

搶答主控機(jī)與分機(jī)最大間隔距離反映著智能搶答系統(tǒng)覆蓋的范圍。常規(guī)情況下,搶答主控機(jī)與分機(jī)最大間隔距離越大,系統(tǒng)覆蓋范圍越廣,對(duì)課堂場(chǎng)地的限制也越小。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得搶答主控機(jī)與分機(jī)最大間隔距離如圖7所示。

圖7 搶答主控機(jī)與分機(jī)最大間隔距離示意圖

由圖7可以看出,與對(duì)比系統(tǒng)相比較,應(yīng)用本文系統(tǒng)獲得的搶答主控機(jī)與分機(jī)最大間隔距離更大,表明本文系統(tǒng)覆蓋范圍更廣泛。

3.2.3 搶答信號(hào)傳輸損耗分析

一般情況下,搶答信號(hào)傳輸損耗越低,表明智能搶答系統(tǒng)性能越佳。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得搶答信號(hào)傳輸損耗如圖8所示。

圖8 搶答信號(hào)傳輸損耗示意圖

由圖8可以看出,與對(duì)比系統(tǒng)相比較,應(yīng)用本文系統(tǒng)獲得的搶答信號(hào)傳輸損耗更低,表明本文系統(tǒng)信號(hào)傳輸性能更好。

4 總結(jié)

應(yīng)用89C2051型號(hào)單片機(jī)設(shè)計(jì)了新的智慧教育課堂智能搶答系統(tǒng),極大地縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間,加大了搶答主控機(jī)與分機(jī)最大間隔距離,降低了搶答信號(hào)傳輸損耗,為課堂搶答提供更加有效的系統(tǒng)支撐,也為智慧教育課堂的發(fā)展與應(yīng)用研究提供一定的參考與借鑒。