郭繼峰 馬志強

【摘要】結合物聯(lián)網(wǎng)類課程實踐教學，基于ZigBee技術開發(fā)一種實踐課程互動教學平臺，提出一種實踐教學環(huán)節(jié)和互動教學技術相融合的創(chuàng)新教學模式，為高校物聯(lián)網(wǎng)類課程實踐教學質(zhì)量的提高提供創(chuàng)新思路。

【關鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)技術 互動教學 ZigBee

【基金項目】東北林業(yè)大學教育教學研究立項課題DGY2014-40。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）10-0221-02

1.問題的提出

日益豐富的社會娛樂環(huán)境正以前所未有的程度影響著高校課堂教學。如何提高課程的吸引力，提高學生對教學內(nèi)容的關注度是關系到教學質(zhì)量的關鍵[1-2]。設計互動教學法在實踐教學中應用的具體案例，探討在保證教學質(zhì)量的前提下多方位改善教學形式，提高課堂的吸引力是當前實踐教學的研究熱點[3-6]。

2.互動教學平臺設計

2.1實踐教學互動平臺系統(tǒng)硬件設計

互動平臺系統(tǒng)由教師上位機、含通訊轉換器的終端測控單元、ZigBee網(wǎng)絡，學生上位機等部分組成，系統(tǒng)結構如圖 1 所示。

圖1 實踐教學互動平臺系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結構

終端測控單元主要由 ARM9 嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制子系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡通信子系統(tǒng)三部分組成。

數(shù)據(jù)采集及控制子系統(tǒng)功能是通過外接各種傳感器及信號調(diào)理電路部分可采集現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)和參數(shù)，通過外接驅動電路接口連接信號變換器等驅動裝置可自動控制現(xiàn)場的各種運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)值。終端測控單元通過 ZigBee 無線通信協(xié)議及模塊與上位機進行無線通信，實時傳送或接收各種數(shù)據(jù)或指令。

ARM9 嵌入式系統(tǒng)是現(xiàn)場控制單元的核心部分，它負責協(xié)調(diào)、調(diào)度各個任務的運行從而實現(xiàn)各種控制功能； TI公司的CC2530 F256作為無線通信主控制器，具有 USB 轉 UART功能的 PL-2303HX 芯片作為教師/學生上位機與終端測控單元通訊的轉換接口。數(shù)據(jù)采集終端連接溫度、濕度、氣壓等探測傳感器采集環(huán)境周圍參數(shù)，用于實驗中對各類物理參數(shù)的觀察、分析和傳輸提供實驗數(shù)據(jù)。

上位機是測控系統(tǒng)的系統(tǒng)管理中心、控制中心以及用戶窗口，主要有以下功能及作用：

（1）通過 USB接收由終端測控單元轉發(fā)的現(xiàn)場端各種數(shù)據(jù)，進行處理、整理、保存在數(shù)據(jù)庫，并在屏幕上顯示最新信息，可查詢歷史記錄。

（2）實時監(jiān)測現(xiàn)場端的信號、狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)控制程序的要求，輸出指令通過USB發(fā)送到終端測控單元進行現(xiàn)場端的信號、狀態(tài)自動調(diào)節(jié)及控制，實現(xiàn)自動測控功能。

（3）根據(jù)工作條件的變化，教師可通過主控軟件提供的控制命令，向學生發(fā)出指令或接受學生發(fā)回的返回信息，實現(xiàn)課堂教學內(nèi)容的實時互動傳輸。教師機同時連接數(shù)據(jù)庫服務器，負責全部系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)的管理、存儲和歷史數(shù)據(jù)查詢及打印等工作。

（4）教師PC機連接投影儀，用于展示教師的示教過程，并實時向所用同學顯示互動實驗的中間結果，提高學生對教學的關注度及參與興趣；

2.2實驗系統(tǒng)軟件配置

（1）終端測控單元軟件：采用 C 語言編寫 ARM9 嵌入式系統(tǒng)應用軟件，包括對內(nèi)部寄存器的初始化、參數(shù)設置、以及串口通信等。完成對采集的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉換、輸出控制指令變換成模擬信號進行自動調(diào)節(jié)及控制、數(shù)字信號的采集及控制、實現(xiàn)串口通信、LCD 顯示異常報警等功能。

（2）ZigBee 無線通信模塊軟件：

根據(jù) TI 自帶 Z-Stack2007 協(xié)議棧 SerialApp 項目基礎上進行 CC2530 模塊之間的 ZigBee 無線通信編程即可，從而實現(xiàn) ARM9 嵌入式系統(tǒng)與上位機的數(shù)據(jù)及指令實時相互交換，保障系統(tǒng)正常通信。

（3）上位機軟件：

上位機的操作系統(tǒng)采用微軟 WindowsXP，采用 Visual C++及 SQL Server2008設計其它應用程序。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、計算、監(jiān)控和生成動態(tài)曲線圖及表格等操作。

3.互動實驗教學實例設計

在上述硬件平臺上，設計互動性強，能夠充分激發(fā)學生參與興趣的實驗是更為重要的任務。

互動教學平臺的教學過程為：

（1）教師指導學生采用所具備的軟件開發(fā)工具基于硬件平臺編寫終端測控單元的測控程序、編制串口通訊程序及通訊信息載體程序，編制上位機人機交互界面計控制軟件實現(xiàn)對終端測控單元的控制，采集數(shù)據(jù)到上位機的數(shù)據(jù)庫中。

（2）教師通過無線通訊平臺布置實驗任務，并通過總線通訊平臺收集學生的實驗結果并實時顯示在投影儀上，獲得學生的關注。

（3）學生進一步編制無線數(shù)據(jù)傳輸程序實現(xiàn)與教師機的無線通信，接收教師的指令，完成教師的任務，向教師機發(fā)送信息，實現(xiàn)教師與學生的教學互動。

在實驗教學中除傳統(tǒng)的反復進行上述過程可以獲得與學生的良好互動。

3.1隨機點名實驗設計

實驗目的：獲取學生出席信息，訓練學生基本通信功能設計能力。

實驗過程：

（1）教師先公布點名通訊協(xié)議，然后向各終端群發(fā)點包含各終端隨機ID碼的點名信息。

（2）學生編寫接收信息程序，接收自己的點名ID碼，經(jīng)過處理后顯示到自己的上位機上，并編寫返回信息程序向教師上位機發(fā)送登記請求以及表示自己的點名ID碼。

（3）教師機接收學生的登記請求，并將成功登記的請求顯示到投影上，使學生可以確認自己的登記有效。

涉及的知識點：編碼、解碼、通訊協(xié)議、人機交互工具的顯示設計、排序等。

3.2快速搶答實驗實驗設計

實驗目的：訓練學生編程速度，提高實驗趣味性。

實驗過程：

（1）教師先公布題目；

（2）學生編寫解題程序并發(fā)送結果信息給教師機；

（3）教師機接收學生的結果信息，并根據(jù)實際在投影上顯示提交時間先后排名；

（4）在教師機上實施運行解題程序，查看結果信息。

涉及的知識點：通訊協(xié)議、人機交互工具的顯示設計，以及題目中蘊含的所有計算機控制知識點如交通燈時序控制程序、搬運機機械手運動時序等。

4.結語

開發(fā)一種適用于物聯(lián)網(wǎng)類課程實驗教學行為的互動交流平臺。通信功能的實現(xiàn)基于ZigBee技術，終端數(shù)據(jù)采集基于嵌入式技術，結合上位機人機交互和數(shù)據(jù)庫的操作完成整套的系統(tǒng)平臺設計與開發(fā)。其特點是上一次實驗結果是下次實驗的物理載體，實驗項目層次清晰，環(huán)環(huán)緊扣，體系完整，方便互動，有利于激發(fā)興趣使學生通過增加參與度提升體驗感。

參考文獻：

[1]王明華，鮑長生.“雙聯(lián)互動”實踐教學模式探討[J].教育理論與實踐，2014（9） .

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[4]姚蓉.談如何搞好大學教學中的課堂互動[J].中國大學，2008（7）.

[5]張鳳林.高校大班課實施參與式教學的疑難與策略探討[J].大學教育，2012（4）.

[6]岑道權，黃運兵.淺析我國網(wǎng)絡教育環(huán)境的應用.滄桑，2009（5）.