劉河源，焦瑞莉，胡 峰

(北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101)

互動教學(xué)系統(tǒng)教師端與轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計*

劉河源，焦瑞莉，胡 峰

(北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101)

針對教師使用傳統(tǒng)教學(xué)手段時學(xué)生課上學(xué)習(xí)效率不高的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于互動教學(xué)方式的系統(tǒng)。互動教學(xué)系統(tǒng)源于哈佛大學(xué)的Peer-Instruction教育方法，旨在利用計算機(jī)和無線網(wǎng)絡(luò)建立一個高效的教學(xué)環(huán)境。該系統(tǒng)使用LabVIEW軟件開發(fā)教師端，使用Cortex-M0內(nèi)核的ARM微處理器和CC2530射頻板設(shè)計基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器。此外，系統(tǒng)采用自定義通信幀的方式完成不同軟件間的信息交互，利用JKI狀態(tài)機(jī)與多線程同步技術(shù)相結(jié)合的方法實現(xiàn)了一對多通信。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地完成課堂互動教學(xué)的目的，并且對于促進(jìn)教育模式的多樣化也具有參考價值。

互動教學(xué)；LabVIEW；ZigBee；教師端；轉(zhuǎn)發(fā)器

0 引言

課堂是開展教學(xué)活動的主要場所，課堂的教學(xué)質(zhì)量對高校實現(xiàn)培養(yǎng)人才的目標(biāo)有重要的影響[1]。但在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，由于班級人數(shù)較多，教師核查出勤率通常會消耗大量的教學(xué)時間。在剩余時間內(nèi)，教師無法就教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生進(jìn)行深入的溝通，導(dǎo)致教師不能全面了解學(xué)生對每個問題和知識點的掌握程度，影響接下來的授課內(nèi)容，久而久之使教學(xué)效率大大降低。Peer-Instruction教學(xué)法由哈佛大學(xué)Eric Mazur教授創(chuàng)立，即利用計算機(jī)系統(tǒng)對專門設(shè)計的概念測試題進(jìn)行投票，使學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)和協(xié)作探究，有效地改變了傳統(tǒng)課堂的教學(xué)手段、教學(xué)模式[2]。LabVIEW是應(yīng)用較廣的數(shù)據(jù)采集開發(fā)環(huán)境，它具有大量測控領(lǐng)域的控件，能夠縮短系統(tǒng)教師端的開發(fā)周期。ZigBee是新一代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它具有低復(fù)雜度、低成本和低功耗的特點，非常適用于互動教學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文中的互動教學(xué)系統(tǒng)主要由教師端、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器和學(xué)生端3部分構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要功能就是實現(xiàn)Peer-Instruction教學(xué)。此系統(tǒng)采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)教師端與學(xué)生端設(shè)備間的通信，其中包含一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點與若干端設(shè)備節(jié)點。系統(tǒng)教師端軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的儲存與處理以及整個教學(xué)系統(tǒng)的運行，它可通過WiFi(Wireless Fidelity)或USB連接線與轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與學(xué)生端互聯(lián)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器是系統(tǒng)通信的重要樞紐，它具備以下功能：建立ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)；與ZigBee端設(shè)備建立通信鏈路并轉(zhuǎn)發(fā)教師端PC(Personal Computer)對學(xué)生端的控制指令；收集學(xué)生端反饋的信息并上傳給教師端PC。

系統(tǒng)主要功能如下：

(1)上下課簽到。以此來核查學(xué)生的出勤狀況，并保存至記錄中。

(2)問答功能。題目分為搶答題、選擇題和判斷題，在一定時間內(nèi)學(xué)生提交答案，系統(tǒng)將自動判斷答案對錯并將正確率反饋給教師，教師可依此對授課內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，這可以很大程度上提升學(xué)生課上的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

(3)教學(xué)評價。學(xué)生可對本次的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行匿名評分。

(4)統(tǒng)計和查詢。統(tǒng)計學(xué)生的到課情況、題目的正確率和對教學(xué)內(nèi)容的評分，并可供查詢與參考。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意系

2 教師端軟件設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)搭建

系統(tǒng)教師端軟件選擇用LabVIEW進(jìn)行圖形化編程。LabVIEW軟件具有龐大的函數(shù)庫，能夠完成包含信息采集和匯總、端口控制等在內(nèi)的多種功能，并且有著成熟的模塊化底層控件，可用流程圖所表示的信息流向來指派代碼和指令的執(zhí)行順序，能夠大大縮短項目的開發(fā)時間。

狀態(tài)機(jī)由狀態(tài)、事件、行為三要素構(gòu)成，LabVIEW的狀態(tài)機(jī)是一個while循環(huán)，其中包含代表系統(tǒng)不同狀態(tài)的case結(jié)構(gòu)，case結(jié)構(gòu)分支里的條件變量與系統(tǒng)事件相對應(yīng)，所完成的功能對應(yīng)狀態(tài)的具體行為[3]。本系統(tǒng)教師端的軟件設(shè)計采用模塊化和層次化相結(jié)合的思想，根據(jù)具體需求，將系統(tǒng)劃分為各個功能模塊。這樣不僅可以使程序流程更加清晰明了同時也易于維護(hù)。

圖2為教師端程序示意圖，它采用生產(chǎn)/消費者的設(shè)計架構(gòu)，具有3個相互聯(lián)系的功能模塊，它們通過緩存區(qū)進(jìn)行信息交互，其中生產(chǎn)者模塊提供數(shù)據(jù)，消費者模塊處理數(shù)據(jù)，另有通信模塊負(fù)責(zé)建立通信。它們完成信息交換的過程如下：當(dāng)兩個功能模塊需要進(jìn)行通信時，首先會將數(shù)據(jù)發(fā)送到緩存區(qū)中，另一方空閑的狀態(tài)機(jī)會一直循環(huán)讀取緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)，如果接收到消息就會解析并執(zhí)行。

圖2 教師端程序示意圖

2.2 子VI設(shè)計

在系統(tǒng)教師端軟件緩存區(qū)中，使用消息隊列的方法完成不同VI間的信息交互。為了方便消息隊列的統(tǒng)一運行，將各功能整合到一起，如圖3所示。Operation表示隊列的操作命令；index表示隊列數(shù)組索引(最小值為0)；Queue Refs Out為隊列數(shù)組；CmdString_in/CmdString_ out分別表示要插入/獲取隊列的元素；Timeout(10 ms)表示隊列操作的超時時間為10 ms。

圖3 隊列管理VI

此外，“隊列狀態(tài)解析”和“隊列狀態(tài)添加”是JKI狀態(tài)機(jī)的兩個基本功能。其中隊列狀態(tài)解析是指從狀態(tài)字符串中提取出要跳轉(zhuǎn)的下一個狀態(tài)以及相應(yīng)參數(shù)；而隊列狀態(tài)添加能夠在代表狀態(tài)的字符串中加入待轉(zhuǎn)入的狀態(tài)和參數(shù)。在教師端軟件設(shè)計中，為了簡化程序安裝過程，沒有使用第三方工具包，而是自行編寫了兩個子VI來代替上述兩個控件的功能，這樣可以使調(diào)用以及后續(xù)開發(fā)更加方便。

3 基于ZigBee的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器

3.1 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議[4]，它具有低功耗、短時延、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠的優(yōu)點，已在物聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用[5]。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計具有以下優(yōu)勢：

(1)部署方便。因為學(xué)生端設(shè)備一般處于待機(jī)狀態(tài)，所以轉(zhuǎn)發(fā)器使用電池供電就能夠正常工作較長時間，降低了安裝費用。

(2)易于擴(kuò)展端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量大，可使用星型、網(wǎng)型和樹型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中主節(jié)點能夠管理多個子節(jié)點，同時它還由上一級進(jìn)行控制。因此可滿足學(xué)生端人數(shù)多、規(guī)模大的需求。

(3)容易對學(xué)生端進(jìn)行定位。每一個學(xué)生端都具有IEEE地址，通過它可以方便地從網(wǎng)絡(luò)中獲取其位置。

3.2 硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器由NUC120主控模塊、CC2530射頻模塊和可供選擇使用的WiFi模塊構(gòu)成，當(dāng)系統(tǒng)不使用WiFi模塊時，轉(zhuǎn)發(fā)器可通過USB串口與教師端直接通信。轉(zhuǎn)發(fā)器組成模塊如圖4所示，其中，NUC120模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)供電和對其他模塊的控制，CC2530射頻模塊用于構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，WiFi模塊用于對外接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。本設(shè)計的WiFi模塊采用亞信公司出品的AXM22001-2A-C型可編程模組，它提供了完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，適用于轉(zhuǎn)發(fā)器簡單易用、低成本的特點。下面對其他主要模塊進(jìn)行介紹。

圖4 轉(zhuǎn)發(fā)器組成模塊

NUC120模塊是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器的核心模塊，其軟件設(shè)計是基于Nuvoton提供的NUC100 Series BSP支持包進(jìn)行開發(fā)的，它具有以下功能：系統(tǒng)供電、通過UART串口與其他模塊進(jìn)行通信、利用USB接口與教師端軟件進(jìn)行VCOM(虛擬串口)通信、通過GPIO控制蜂鳴器和LED指示燈來顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

CC2530模塊主要完成ZigBee無線通信的功能。CC2530是TI公司開發(fā)的芯片，內(nèi)置增強(qiáng)型8051CPU和RF收發(fā)器[6]，它不僅具有高性能、低功耗的特點而且只需要添加少量元件就能夠滿足數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器無線通信的需求。本軟件的設(shè)計是基于德州儀器的開源協(xié)議棧ZigBee ZStack-CC2530進(jìn)行的二次開發(fā)，其工作流程圖如圖5所示。當(dāng)射頻模塊接收到數(shù)據(jù)時，直接將數(shù)據(jù)通過UART串口轉(zhuǎn)發(fā)給NUC120模塊，當(dāng)CC2530模塊從UART串口接收到數(shù)據(jù)時，首先對數(shù)據(jù)按照自定義幀的格式進(jìn)行解析，如果是ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入命令則由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器處理，否則將數(shù)據(jù)通過射頻模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖5 CC2530模塊工作流程圖

3.3 自定義通信幀制定

圖6 通信幀格式

為了保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器與教師端軟件的信息交互，需要有統(tǒng)一格式的通信協(xié)議對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝和解析。本設(shè)計通過制定自定義通信幀的方式提高了信息傳輸?shù)目煽啃?，上位機(jī)軟件設(shè)計并實現(xiàn)了一種能夠管理代碼的鏈表隊列，用于存儲待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀[7]。通信幀的格式如圖6所示。

幀頭：占1 B，用于幀同步。

長度字段：占1 B，規(guī)定了全局幀的總長度。

命令字段：占1 B，表示幀數(shù)據(jù)的具體含義，即用于執(zhí)行何種操作。

標(biāo)志字段：占1 B，表示幀數(shù)據(jù)的地址類型和處理對象。

通信地址字段：長度不定，用于表示通信雙方的地址。

校驗幀：占2 B，使用CRC16的校驗方式。

4 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有教學(xué)手段單一的現(xiàn)狀，完成了基于互動教學(xué)模式的系統(tǒng)設(shè)計。采用軟硬件結(jié)合的方法構(gòu)建了低成本卻實用高效的教學(xué)系統(tǒng)。通過實際操作證明，學(xué)生通過學(xué)生端硬件即可在教室內(nèi)高效地使用該系統(tǒng)，這不僅大大地提高了課堂學(xué)習(xí)效率，同時對于Peer-Instruction教學(xué)模式的推廣也有積極的作用。此外，本系統(tǒng)的設(shè)計框架和編程思想對于同類型的應(yīng)用開發(fā)也具有一定的參考價值。

[1] 楊瑞龍.集成課堂互動教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2015,25(5):115-120.

[2] 張萍, MAZUR E.Peer-Instruction—哈佛大學(xué)物理課程教學(xué)新方法[J].中國大學(xué)教學(xué),2010(8):69-71.

[3] 李超,焦瑞莉,陳家田.基于LabVIEW的并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,31(1):89-92.

[4] 牟欣.基于ZigBee無線技術(shù)的家用電器自動控制的研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(16):73.

[5] 柴淑娟,趙建平.基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].通信技術(shù),2010,43(8):30-34.

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[7] 李會,王宜懷,王磊.基于CAN的數(shù)據(jù)無損代碼更新方法設(shè)計與應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(1): 40-43.

Design of teaching terminal and transponder for interactive teaching system

Liu Heyuan, Jiao Ruili, Hu Feng

(College of Information and Communication Engineering, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100101, China)

Aiming at the present situation that students′ learning efficiency is not high when teacher uses the traditional teaching method, a system based on interactive teaching mode was designed. The interactive teaching system is based on the Peer-Instruction teaching method of Harvard University, which aims to establish a highly effective teaching environment by using computer and wireless network. The system used LabVIEW to develop the teaching terminal, used ARM processor based on the Cortex-M0 kernel and CC2530 RF board to design transponder based on ZigBee. Besides, the system used the custom communication frame to realize the information exchange between different software, used the method of combining the JKI state machine and the multi thread synchronization technology to realize one-to-many communication. Test results show that the system can effectively complete the purpose of interactive teaching, and has a reference value for promoting the diversification of educational model.

interactive teaching; LabVIEW; ZigBee; teaching terminal; transponder

國家自然科學(xué)基金重大科研儀器設(shè)備研制專項(41327803)；北京信息科技大學(xué)校內(nèi)項目(5111624105)

TP311；TN911.7

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.028

劉河源，焦瑞莉，胡峰.互動教學(xué)系統(tǒng)教師端與轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(15)：97-99.

2017-01-13)

劉河源(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號與信息處理。

焦瑞莉(1966-)，通信作者，女，碩士，副教授，主要研究方向：信號與信息處理、虛擬儀器技術(shù)。

胡峰(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號與信息處理。