基于ZigBee技術的智慧課堂互動教學系統(tǒng)設計

基金項目：2022年度安徽省高等學校省級質(zhì)量工程項目；項目名稱：智慧教育視域下高職計算機公共課程教學改革研究與實踐；項目編號：2022jyxm319。

作者簡介：張進軍（1979— ），男，安徽泗縣人，講師，學士；研究方向：計算機教育，數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析。

摘要：受到信道通信干擾，智慧課堂互動教學的兼容性較弱，降低了互動教學效果。因此，文章設計基于ZigBee技術的智慧課堂互動教學系統(tǒng)。硬件方面設計DDR3 SDRAM芯片與觸控整合器。軟件方面基于ZigBee技術建立教學互動地址均衡分配機制，分析課堂互動數(shù)據(jù)的地址-位置對應關系，從而優(yōu)化教學系統(tǒng)交互性能。文章采用系統(tǒng)測試的方式，驗證了該系統(tǒng)的性能更佳，能夠應用于實際生活中。

關鍵詞：ZigBee技術；智慧課堂；互動教學

中圖分類號：TN915-34? 文獻標志碼：A

0? 引言

隨著多媒體技術的普及，教師利用多媒體取代黑板，播放各類教學短片、動畫資源，有效地激發(fā)了學生的興趣。針對課堂互動性差的問題，研究人員設計了多種互動教學系統(tǒng)。其中，基于事件記錄的智慧課堂互動教學系統(tǒng)采用3 s取樣的記錄方法，記錄課堂的互動數(shù)據(jù)［1］。此系統(tǒng)能夠滿足課堂互動數(shù)據(jù)觀察的需求，彌補系統(tǒng)動作編碼切換的缺陷，為課堂互動教學提供保障?；?G無線通信的智慧課堂互動教學系統(tǒng)采用5G無線通信技術上傳和下載教學互動資源，實時更新教學資源，為學生提供更便捷的教學環(huán)境［2］。以上兩個教學系統(tǒng)均以教學資源為主，教學資源互動地址存在不均衡性，影響互動教學效果［3］。因此，本文結合ZigBee技術的優(yōu)勢，設計智慧課堂互動教學系統(tǒng)。

1? 硬件設計

1.1? DDR3 SDRAM芯片

本文選用DDR3 SDRAM芯片作為課堂互動教學系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)傳輸芯片，其傳輸速率高達1 GHz，能夠滿足嚴格的時序要求［4］。DDR3 SDRAM芯片的差分信號設計為100 Ω的差分阻抗，在互動數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，不會受到阻抗不連續(xù)的干擾，達到減少共模干擾的目的。DDR3 SDRAM芯片的差分信號端接匹配情況如圖1所示。

差分信號受到的等效阻抗為電阻器R744與R745，二者串聯(lián)后再與R741并聯(lián)，使差分信號能夠與差分傳輸線阻抗實現(xiàn)匹配，從而降低互動數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓材８蓴_。

1.2? 觸控整合器

本文選擇觸控整合器作為互動教學系統(tǒng)的另一個硬件，該硬件采用較高配置的mini2440開發(fā)板，CPU采用的是Samsung的S3C2440。利用ARM9內(nèi)核，內(nèi)存為64M RAM+64M Nand Flash，使其具有良好的觸控性能［5］。觸控整合器的硬件參數(shù)如表1所示。

本文在該硬件中內(nèi)嵌DDR3 SDRAM芯片，通過RJ45硬件接口連接電阻器R744與R745，為程序的開發(fā)提供了極大的便利。

2? 軟件設計

ZigBee技術是短距離無線通信的方式，能夠大范圍地組網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集。本文利用ZigBee技術［6-7］，將教師教學資源、學生學習資源的互動地址進行均衡分配，從而提升系統(tǒng)的使用效率［8］。在ZigBee網(wǎng)絡中，互動資源能夠分配的最大地址為：

Aend=Cmax×1-RmaxLmax1-Rmax（1）

式（1）中，Aend為互動資源能夠分配的最大地址；Cmax為每層ZigBee網(wǎng)絡的最多節(jié)點數(shù)量；RLmaxmax為網(wǎng)絡最大深度Lmax的最多路由節(jié)點數(shù)量；Rmax為1層ZigBee網(wǎng)絡的最大路由節(jié)點數(shù)量。設Cmax_Rmax個節(jié)點同時申請地址均衡分配，則：

Cs（d）=1+Cmax×（Lmax-d-1），if? Rmax=1

1-Cmax×RmaxLmax-d-1+Cmax_Rmax1-Rmax，otherwise（2）

式（2）中，Cs（d）為處于d層ZigBee網(wǎng)絡的地址偏移量。ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)節(jié)點將每一個連接字節(jié)的路由節(jié)點從前面的Rmax塊中分配到一個地址；Cmax_Rmax個節(jié)點同時申請地址均衡分配，終端節(jié)點將不能得到互動地址［9］。當Cs（d）=0時，節(jié)點沒有地址偏移量［10］，說明智慧課堂互動資源沒有可用于再次分配的地址，此時的互動資源分配能力較強，互動資源地址分配得更加均衡。

3? 系統(tǒng)測試

3.1? 測試過程

本次測試在運行的SQL Server數(shù)據(jù)庫中配置管理功能模塊，并將Windows Server 2008服務器操作系統(tǒng)的IP地址預先設置，啟用校園網(wǎng)絡支持，確保整個測試環(huán)境與課堂互動教學環(huán)境一致。在準備工作完成之后，將DDR3 SDRAM芯片與觸控整合器等硬件，按照使用說明安裝完畢。DDR3 SDRAM芯片在運行狀態(tài)下，測試該硬件各個線路的電源電壓，最大值為1.95 V，最小值為1.65 V，可以滿足系統(tǒng)的電壓運行需求。觸控整合器在運行狀態(tài)下，在系統(tǒng)Web頁面進行觸控測試，能夠在觸控用戶信息的基礎上，利用觸控整合器對學生終端的數(shù)據(jù)進行解析，解析情況如圖2所示。

經(jīng)過數(shù)據(jù)解析之后，判斷學生端與教師端之間的互動通信是否正常。在通信正常的條件下，將硬件與軟件相互連接，系統(tǒng)出現(xiàn)如圖3所示的界面。

輸入正確的用戶名與密碼后，點擊登錄按鈕出現(xiàn)課前預習功能、課堂互動功能、課后練習功能、后臺管理功能等。點擊課堂互動功能即可進入課堂互動程序。教師在PC端選擇相應的課程上課，發(fā)送教學資料之后，學生能夠?qū)⑵湎螺d到移動終端上進行課前預習。教師出題與學生答題均在課堂互動部分完成，通過文字聊天功能，學生與教師之間進行互動。由此可見，系統(tǒng)當前運行狀態(tài)正常。對此時的系統(tǒng)進行性能測試，分析系統(tǒng)的運行效果。

3.2? 測試結果

在上述測試條件下，本文隨機選取出專用工作集占用內(nèi)存、工作集占用內(nèi)存、CPU占用率、系統(tǒng)啟動時間、打開課程窗口的用時、打開互動窗口用時等客戶端性能，與服務器的網(wǎng)絡帶寬、上傳/下載文件的操作用時等網(wǎng)絡性能進行綜合測試。在其他條件均一致的情況下，將3種方法進行對比，測試結果如表2所示。

如表2所示，1 000與5 000是系統(tǒng)的并發(fā)用戶數(shù)量；A為專用工作集占用內(nèi)存；B為工作集占用內(nèi)存；C為系統(tǒng)運行過程中CPU占用率；D為系統(tǒng)啟動時間；E為打開課程窗口的用時；F為打開互動窗口用時；G為服務器的網(wǎng)絡帶寬；H為上傳/下載文件的操作用時。在互動教學系統(tǒng)運行的過程中，并發(fā)用戶數(shù)越多，系統(tǒng)互動數(shù)據(jù)占用內(nèi)存越高，打開各類課程的時間越長，影響系統(tǒng)的有效運行。使用文獻［1］系統(tǒng)后，專用工作集占用內(nèi)存較大，工作集占用內(nèi)存同樣較大，在沒有其他程序打開的前提下，系統(tǒng)CPU占用率仍然較高，學生打開課程窗口的時間延長，不利于互動系統(tǒng)的運行。使用文獻［2］系統(tǒng)后，專用工作集、工作集占用內(nèi)存有所減小，較之文獻［1］存在一定程度的提升。但是，該方法服務器的網(wǎng)絡帶寬較大，上傳/下載文件的操作用時相對較長，學生進行課堂互動的網(wǎng)絡性能不佳，亟須對其作出進一步優(yōu)化。而使用本文設計系統(tǒng)后，A、B、C、D、E、F、G、H等系統(tǒng)性能均大幅度地下降。其中，工作集占用內(nèi)存在20M左右浮動，CPU占用率在16%以下，上傳/下載文件的時間在3 500ms以內(nèi)。由此可見，學生向系統(tǒng)發(fā)送互動文本信息的帶寬與延時較小，系統(tǒng)服務器的并發(fā)性能良好。而客戶端的課程窗口打開時間、學生窗口打開時間均大幅度地下降，甚至低于5s，有效地提升了學生在課堂上的互動學習效果，符合本文研究目的。

4? 結語

為了更進一步優(yōu)化課堂互動教學系統(tǒng)的性能，本文利用ZigBee技術設計了智慧課堂互動教學系統(tǒng)。從功能框架、互動地址分配等方面，本系統(tǒng)提升智慧課堂的互動靈活性，并縮短打開系統(tǒng)界面的時間，為學生與教師的學習、教學效率提供保障。

參考文獻

［1］熊旭萍，楊昊，任山章.基于事件記錄的弗蘭德斯互動分析系統(tǒng)設計——以高中生物《光合作用》課堂觀察為例［J］.中國教育信息化，2021（2）：24-29.

［2］呂鑫，劉芳芳，王麗麗.基于5G無線通信的高等院校立體課堂互動教學系統(tǒng)設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2021（12）：21-24.

［3］朱涵，汪甜甜，鄧猛，等.培智學校數(shù)學課堂教學師生言語行為互動研究——基于改進型弗蘭德斯互動分析系統(tǒng)（iFIAS）［J］.中國特殊教育，2022（1）：39-46.

［4］王穎，王玉龍.基于FIAS系統(tǒng)的初中語文課堂師生互動行為分析研究——以特級教師張玲《從百草園到三味書屋》為例［J］.電腦知識與技術，2021（18）：162-167.

［5］王金陽.基于心理語言學的大學英語口語教學改革實證研究［J］.遼寧經(jīng)濟管理干部學院學報，2021（2）：140-142.

［6］黃慶勇，林水花，黃小藝.云課堂加顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)教學模式在中藥顯微鑒定教學改革中的應用［J］.海峽藥學，2021（4）：105-106.

［7］章小華，黃律璋，章琬，等.基于UMU互動平臺翻轉課堂混合式教學模式的構建與應用——以Web技術基礎課程教學為例［J］.辦公自動化，2023（8）：39-42.

［8］路紫瑤，馬傳福，張春玉，等.高職院?；诜D課堂的互動式教學模式實踐——以長春職業(yè)技術學院人體生理學課程為例［J］.石家莊職業(yè)技術學院學報，2023（2）：72-75.

［9］張曉蕾，王芳，王愛麗，等.“三維一測”智慧教學互動模式構建與應用——以《現(xiàn)代教育技術》為例［J］.德州學院學報，2023（2）：101-105，110.

［10］祝晶瑩.基于iFIAS分析法的課堂教學互動研究——以三節(jié)部級小學語文優(yōu)質(zhì)課為例［J］.國家通用語言文字教學與研究，2023（1）：137-139.

（編輯? 王永超）

Design of intelligent classroom interactive teaching system based on ZigBee technology

Zhang? Jinjun

（Department of Information Management， Anhui Vocational College of Police Officers， Hefei 230031， China）

Abstract：? Due to channel communication interference， the compatibility of interactive teaching in smart classrooms is weak， which reduces the effectiveness of interactive teaching. Therefore， the paper designs a smart classroom interactive teaching system based on ZigBee technology. In terms of hardware， it designs DDR3 SDRAM chip and touch integration device. In terms of software， a balanced allocation mechanism for teaching interaction addresses is established based on ZigBee technology， analyzing the address location correspondence of classroom interaction data， in order to optimize the interaction performance of the teaching system. Through system testing， it was verified that the system has better performance and can be applied in practical life.

Key words： ZigBee technology; intelligent classroom; interactive teaching