（通信与信息系统专业论文）交互式教学反馈系统clicker的设计与实现.pdf

硕士学位论文 m a s r e r st 1 4 e s i s 摘要 随着科学的创新与技术的进步，教育会朝着网络化、信息化以及个性化的方 向发展。未来的课堂将是融合简洁的教室、虚拟的实验、丰富的信息化设备与足 够的网络资源于一体的现代化高科技课堂。交互式智能教学反馈系统( i n t e r a c t i v e s m a r te d u c a t i o n r e s p o n s es y s t e m ) 则是课掌中信息化设备不可或缺的一部分。学 生手中的设备与老师电脑屏幕的交流则是这个系统的关键，实现课堂教学中师生 之间的交流，需要多种理论和技术的支持，其中包含教学理论、通信原理和计算 机技术。结合最先进的教学理念，使用最新的短距离无线通信技术，设计实现一 套最合适的交互式智能教学反馈系统是本文的研究目标。 本文首先介绍了国内外智能教学的发展现状，说明了国内交互式教学的不足。 目前，国内仅有北京，广州等大城市丌始了互动教学试点，交互式智能教学反馈 系统处于发展阶段，技术还不够成熟，系统还不够完善，各大厂商还不具有全国 影响力等特点。而正是如此，交互式智能教学反馈系统也将是一个极具挑战的应 用领域。 本文设计的c l i c k e r 设备包含三个主要的部分：学生手持端的终端设备 ( d e v i e e ) ，老师电脑端的协调器设备( c o o r d ) ，上位机的操作软件。终端设备和 协调器均是采用n 公司的c c 2 5 3 0 芯片作为处理器，上位机采用d e l p h i7 完成老 师和学生之间的交互式操作。 本文实现的智能教学反馈系统，完成了点名签到、回答问题、小组讨论、群 体结果反馈、个人结果反馈、历史记录查询等功能。系统拥有不同的频段，用来 区分不同的教室使用；系统拥有不同的小组号，用来区分不同的学习小组；系统 拥有唯一的设备号，用来标识单个的设备；设备号还可以与学号一一对应，用来 标识课堂的某个学生。 本文最后提出短距离无线通信技术可能存在的一些数据冲突的问题，并且从 理论上给出了一些减缓数据冲突的解决方案和理论依据。系统通过测试，对单个 设备的测试结果给出了详细的说明，对网络的特性也给出了一定的测试与实验结 果。 关键词：智能教学；交互式反馈系统：c l i c k e r ；i r s ；i e e e 8 0 2 1 5 4 ；z i g b e e 技术；无线传感器网络；物联网 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n t i f i ci n n o v a t i o na n dt e c h n o l o g y , e d u c a t i o ni sm o f i n gi n t h ed i r e c t i o no ft h en e t w o r k ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dp e r s o n a l i z e dd e v e l o p m e n t i n t h ef u t u r e ，t h ep l a c ew i l lb eas i m p l ei n t e g r a t i o no ft h ec l a s s r o o m ，v i r t u a le x p e r i m e n t s ， aw e a l t ho fi n f o r m a t i o ne q u i p m e n ta n da d e q u a t en e t w o r kr e s o u r c e si no n eo ft h e m o d e m h i g h t e c hc l a s s r o o m i n t e r a c t i v es m a r te d u c a t i o nr e s p o n s es y s t e m ( i s e r s ) i s a ni n t e g r a lp a r to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ye q u i p m e n ti nt h ec l a s s r o o m c o m b i m n gt h e m o s ta d v a n c e dt e a c h i n gc o n c e p t , u s i n gt h el a t e s ts h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y , d e s i g n i n gt o a c h i e v et h em o s t a p p r o p r i a t e s e to fi n t e r a c t i v es m a r t e d u c a t i o nr e s p o n s es y s t e mi st h eg o a lo ft h i ss t u d y t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tt u t o r i n ga th o m e a n da b r o a d ，t oe x p l a i nt h el a c ko fad o m e s t i ci n t e r a c t i v et e a c h i n g a tp r e s e n t ，o n l y b e i ji n g ，g u a n g z h o ua n do t h e rb i gc i t i e sb e g a nt oi n t e r a c t i v et e a c h i n ga n dl e a r n i n g p i l o ti n t e r a c t i v ei n t e l l i g e n ts m a r te d u c a t i o ns y s t e mi nt h ed e v e l o p m e n ts t a g e a n di ti s s oi n t e r a c t i v es m a r te d u c a t i o nr e s p o n s es y s t e mw i l la l s ob eac h a l l e n g i n ga p p l i c a t i o n a r e a t h i sp a p e r , t h ed e s i g no ft h ec l i c k e rd e v i c ec o n s i s t so ft h r e em a j o rp a r t s ：t h e s t u d e n th a n d - h e l ds i d eo ft h et e r m i n a ld e v i c e ( d e v i c e ) ，t h ee o o r d i n a t i o no ft h et e a c h e r p cd e v i c e ( c o o r d ) ，t h eh o s tc o m p m e ro p e r a t i n gs o t b v a r e t e r m i n a le q u i p m e n ta n dt h e c o o r d i n a t o rt ic c 2 5 3 0c h i pi st h ep r o c e s s o r , t h eh o s tc o m p m e ru s i n gd e l p h i7t o c o m p l e t et h ei n t e r a c t i v eo p e r a t i o nb e t w e e nt e a c h e r sa n ds t u d e n t s i nt h i sp a p e r , t h er e a l i z a t i o no fs m a r te d u c a t i o nr e s p o n s es y s t e mt oc o m p l e t et h e r o l lc a l la t t e n d a n c et oa n s w e rq u e s t i o n s ，g r o u pd i s c u s s i o n , g r o u pr e s u l t sb a c k , t h e i n d i v i d u a lr e s u l t sb a c k , h i s t o r yq u e r yf u n c t i o n s t h es y s t e mh a sad i f f e r e n tf r e q u e n c y b a n d su s e dt od i s t i n g u i s hb e t w e e nd i f f e r e n tc l a s s r o o m s ；t h es y s t e mh a sad i f f e r e n t g r o u pn u m b e ru s e dt od i s t i n g u i s hb e t w e e nt h ed i f f e r e n ts t u d yg r o u p s ；s y s t e mh a sa u n i q u ed e v i c en u m b e ru s e dt oi d e n t i f yas i n g l ed e v i c e ；d e v i c en u m b e rc a na l s ol e a r n c o r r e s p o n d e n c e ，as t u d e n tu s e dt oi d e n t i f yc l a s s r o o m t l l i sp a p e rc o n c l u d e sw i t has h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yt h a t m a ye x i s ti nt h ep r o b l e mo fc o n f l i c t i n gd a t a , s o m ed a t ac o n f l i c tm i t i g a t i o ns o l u t i o n s a n dt h et h e o r e t i c a lb a s i sa n di sg i v e nt h e o r e t i c a l l y s y s t e mp a s s e dt h et e s to nas i n g l e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s d e v i c e t e s tr e s u l ti sg i v e nad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r k a n dg i v e nac e r t a i na m o u n t o f t e s t i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n k e yw o r d ：s m a r te d u c a t i o n ；i n t e r a c t i v er e s p o n s es y s t e m ；c l i c k e r ；z i g b e e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 i 研究背景 第一章绪论 交互式智能教学响应系统是智能教学系统i t s ( i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m ) 1 】 的一个子集。智能教学系统根据不同的环境分为：现实环境系统和虚拟环境系统： 根据老师的不同作用分为：指导式教学系统和探索式教学系统；根据不同的功能 模块分为：问题与知识模块、思考与学生模块、答案与专家模块和反馈模块。交 互式智能教学系统结合了课堂环境与网络环境，其特点是指导与探索交融，它是 一种优化的成本较小并且包含各种功能模块的整体解决方案。 在市面上，交互式智能教学反馈系统i s e r s ( i n t e r a e t i v es m a r te d u e a t i o n r e s p o n s es y s t e m ) 的发展经历了多种名称。1 9 8 8 年，一项在美国申请的专利学生 响应系统s r s ( s t u d e n tr e s p o n s es y s t e m ) 2 是智能教育的一个雏形，不过当时使用 的是有线通信的方式。同时，各个国家与各国企业也都在教育方面做出了自己的 创新与尝试。1 9 8 6 年，著名的美国商业机器i b m 跨国公司就完成了一项名为高 技术教室a t c ( a d v a n c e dt e c h n o l o g yc l a s s r o o m ) 的项目p j 。在2 0 0 0 年左右，各种 i r s ( i n t e r a e t i v er e s p o n s es y s t e m ) 在全世界范围内开始了商用，比如日本、韩国、 中国台湾等亚洲地区使用的教室沟通系统c c s ( c l a s s r o o mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 、个人反馈系统p r s ( p e r s o n a lr e s p o n s es y s t e m ) ( c u e ，1 9 9 8 ) 和教室成效系 统c p s ( c l a s s r o o mp e r f o r m a n c es y s t e m ) ( e l n s t r u c t i o n , 2 0 0 3 ) 。 在理论研究领域，未来的课掌注定从高技术、人性化、网络化、虚拟化、智 能化等方面全方位、多角度的设计。在技术上创新，在装备上升级，在教育理念 上突破。华东师范大学张际平教授在教育部人文社会科学研究2 0 1 0 青年基金项 目“基于未来课堂的课堂互动研究课题的研究成果中表示：综合现代高校的研 究，未来课章的设计要体现基本教育的原则、进行物理空间的设计和开发信息技 术的应用【4 j 【5 j 。北京交通大学蔡天芳副教授在“课堂无线应答系统在创建探究课 堂中的研究与实践”中指出：系统能够营造课堂的互动氛围、激发学生的探索热 情、提高学生的学习成绩，特别是在美国，这种提高更加明剧6 1 。华中师范大学 教授黄致新在“课堂应答系统在大学物理教学中的初步应用研究”中指出：使用 课堂应答系统之后，学生的出勤率、学习成绩，特别是男学生比女学生的学习效 果提高得显著【礓8 】【9 l 。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 温家宝在2 0 1 2 年3 月5r 向十一届全国人大五次会议作政府工作报告时说， “中央财政已按全国财政性教育经费支出占国内生产总值( g d p ) 的4 编制预算， 地方财政也要相应安排，确保实现这一目标。 显示我国的教育经费已经达到国 家g d p 的4 ，因此，学校就有了更大的动力研究智能教学系统。 1 2 国内外研究现状 交互式智能教学反馈系统在国内外的发展差距很大，国外的发展率和普及率 都达到了一定的水平，而国内的发展还相当滞后。教育经费一直在提高，但教育 信息化设备还一直处于初级水平，因此，各大城市和教育机构争相研究、开发和 推广智能教学反馈系统。 1 2 1 国内智畿教学的研究现状 在我国，教育信息化建设才刚刚起步，与发达国家之问还有较大差距，基础 教育的基础设施还是比较薄弱，很多中小学教育依然停留在老师在课堂上讲课、 板书，学生听课、做笔记的传统学习方式当中。教育信息化技术不高、学习方式 不够智能、学生课下作业很多、课后学习任务繁重，很难适应教育现代化建设的 高效发展。 2 0 11 年8 月2 1 日，华中师范大学校长杨宗凯在教育信息化十年发展展望中 提到了教育在国际方面的发展现状，未来教室、未来学校、未来教师、未来教育 的十年发展规划是：以信息化带动教育现代化，实现教育跨越式发展【1 0 1 。 我国基础教育信息化的现状是基础设施薄弱，资源共建共享水平低下，区域 发展相当不平衡，如何解决教育设备均衡、公平的问题是政府部门需要考虑的问 题；同时高等教育信息化的现状是基础设施、资源建设初具规模，但质量、应用 水平都不高，如何解决教育资源之间的优质融合问题，是各大高校需要进一步的 探讨问题。 我国基础设施的现状是电信、联通、移动和局域网的网络已经具备了一定的 规模，但是，网络之间的互联互通还不便利，宽带的带宽还比较贵，如何能够在 乡村、区镇的教育平台上覆盖、提升网络性能是政府部门需要研究的问题。信息 管理的现状是：各大高校和各大城市的自身系统较多，综合性的业务系统覆盖不 足，单个业务比较孤立，如何能将孤立的系统进行流程重组和数据整合，使得教 育各部门之间、各企业之间、教育部门和企业之间进行数据连通、升级，是教育、 企业、社会解决共同发展需要考虑的问题。保障体系的现状是：组织体系不够健 全，资金投入少，维修保护资金十分不足，财政标准执行还不到位，经费保障不 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 够，还需要连续的财政资金支持。 除了政府需要增加教育资金的投入以外，各企事业单位也需要加大进行自主 研发力度，帮助教育部门解决资金、技术不够的问题，创造学生、学校、企业、 国家之问的共赢。北京松博公司自主研发的“e z c i i e k 互动反馈教学系统 获得 了全国教育技术研究“一十五”规划重点课题的资金支持，并且已经在北京的部 分中小学校获得了应用。广州齐乐科技有限公司自主研发的“齐齐乐互动教学反 馈系统已经初步应用到了韩国课堂，在国外得到了较好的发展。湖南升皇电子 科技有限公司自主研发的“c h i n a i r s 中国互动反馈系统”产品着力打造中国互动 反馈教学第一品牌，c h i n a l r s 品牌大气，其营销模式着力于在世界传达中国的技 术影响力i i 。 1 2 2 国外智能教学的发展现状 在国外，智能教育已经得到了长足的发展，尤其是在美国、加拿大、英国和 澳大利亚等国家，目前智能教育产品已经在课掌教学中初具规模，在人机交互、 智能教育设备方面的研发不断创新，相关的新产品新技术层出不穷，极大的拉动 和促进了教育界的投资。在美国，尤其是新科技和新产品的发布，迎来了智能教 育设备的又一次发展。 2 0 0 9 年，美国总统奥巴马在国会演讲中提n - “到2 0 2 0 年，美国将重新成为 世界上高等教育毕业人口比例最高的国家。 美国教育界的思想是：教室就是实验 室，网络教学系统、3 d 立体视觉仿真图形、实验动态仿真、桌上型实验设施和 个人实时回馈系统等融合于教学之中。在学生的手持设备方面，2 0 0 9 年，美国宾 州和加州的中小学已经广泛使用电子课本，2 0 1 0 年，随着苹果公司的i p a d 的成 功推出，美国的中小学甚至大学改用电子课本而不不是纸质课本。 在英国，开放式大学是大学的一种基本形式。而开放大学得益于所有的小学 生都使用交互式电子白板，九成以上的中学生都使用交互设备，这样大学成功的 培养了三百多万优质现代大学生。 在韩国，教育部门将逐步减少使用纸质课本，进行无纸化教学，并宣布2 0 1 5 年将在全国中小学中全部不使用纸质课本，而使用电子化的设备替换；其中电子 化的学习机和网络化的资源平台，特别是以三星公司为主导的平板电脑将为韩国 的学生带来前所未有的滑动世界，在这个新兴的教学设备领域，韩国中小学生将 是最大的收益者。 目前国外已发表许多有关i r s 实际使用效果的研究成果。多数研究和大量 证据都表明，交互反馈系统通常情况下可以促进学生的学习结果，如考试成绩、 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 通过率、综合理解能力和学习兴趣；同时，很多的研究也表明，在课堂上学生们 都很喜欢使用i r s 。 1 3 本文研究的主要内容 1 综述了未来智能教育的发展方向，解释了现有电子巨头对教育事业可能造 成的影响。 2 结合了短距离无线通信技术，将z i g b e e 协议与智能教育联系起来，用以实 现智能教学反馈系统。 3 分析了智能教学反馈系统的需求，制定了系统实现方案。完成了物理层硬 件的裁剪，网络层通信软件的编写，以及上位机应用的实现。 4 深入设计了应用层通信协议，介绍了上位机的基本操作、设置、功能和扩 展办法。 5 研究了反馈系统的潜在的数据冲突问题，给出了一些减缓数据冲突的方案 和理论依据。 6 针对智能教学反馈系统的一些功能进行了测试，展示了测试结果。 1 4 本文的结构与章节安排 第一章绪论。综述了国内外在智能教育方面的研究现状。 第二章未来智能教学的发展概况。从技术上和目标上分析了智能教学的发 展，给出了系统的设计畅想。 第三章智能教学反馈系统的特点。从功能、硬件、软件三个角度，分析了智 能教学反馈系统的特点。 第四章应用层通信协议的设计。协议设计使用了通用格式、具体的格式包括 基本设置和基本功能，完成智能教学反馈系统。 第五章网络协议的原理与冲突。从网络地址的分配出发，分析了系统可能出 现的网络地址的限制于网络数据的冲突。 第六章测试结果，给出了系统的测试结果。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章未来智能教学的发展概况 从发展趋势来看，未来的课堂一定会包含以下三个方面的重要因素：基础的 科技化、人性化物理课堂环境；丰富的信息化、智能化学生设备和浩瀚的网络化、 虚拟化的空间资源。 2 1 未来课堂的技术发展 在我国物联网发展的大背景下，各大高校、研究机构和企业都在广泛的研究 和设计与智能家居、智能医疗、智能教育相关的设备和产品，而智能教育是其中 的一个重要课题。智能教育包括教学场景、教学设备、教学方式等各方面的研究， 交互式智能教学c l i c k e r 是一种教学设备，形式像手机，在高中或者大学课堂罩都 可使用，能够及时反映老师的上课效果与学生们的认知情况，改变传统的课上讲 课，课下作业的教学方式。它的功能包括签到、点名、随堂答题、学生错题分析、 分组讨论、学生讨论结果分析等功能。 在无线局域网领域，经历了各种技术之间的评比和论战实用阶段。红外 ( i n f r a r e d ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 、紫蜂 ( z i g b e e ) 、g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 、w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 等技 术都能在特定的时代起到它应有的作用，甚至到现在，各种技术都在不断的发展 和融合1 1 2 j 【1 3 】。 红外技术侧重于单点对单点的发送与接收，最早出现在2 0 世纪9 0 年代，最 广泛的应用是将技术使用在遥控器当中，使用遥控器便可对空调、电视、冰箱等 设备进行理想的控制，这种成功得益于日本人舒适和奇特的设计。但是这种技术 并没有在教育中得到好的发展，个别企业可能也是使用这种技术来做智能教育类 的产品，但是缺点很快就暴露：单向性、不能组网、不美观、设备像遥控器一样 死板。 蓝牙技术的开发与设计初衷是为各种短距离无线通信定义一个统一的标准， 但是最终没有完全成功。蓝牙刚出现的时候，在第二代手机和电脑上，都植入了 这个功能，但是好景不长，手机之间收发音频和视频的应用少、距离短、速度慢 等因素制约了蓝牙技术的发展，于是，在第三代手机和电脑上，为了节约成本， 很多公司放弃了蓝牙技术。同样的，这种技术正在缓慢的进入教育市场，华东师 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s l s 范大学在2 0 1 0 年的毕业生也探讨了蓝牙技术进入教育市场的问题，蓝牙技术进入 教育市场还需要稳步的改进和持续的创新。 r f i d 表示的是射频标签，可以用来指示用户或者商品的身份。各种银行卡、 公交卡、职工卡、校园卡等都使用了射频标签的技术。因为射频识别标签被做得 小型、方便、不易察觉，所以射频标签技术成为了某些学校和企业重点研究的对 象。 紫蜂技术的设计理念是希望在短距离无线通信领域获得更大的统一。虽然制 定的协议在投入使用的过程当中，存在一些缺陷：不同的厂商纷纷推出自己的产 品，力争在市场上获得自己的销售份额。虽然协议是z i g b e e 联盟制定的，但是各 个公司却给出了自己的实现方法，于是，设备在互联互通方面还存在着比较大的 问题。正因为如此，各大高校、垄断企业、私营企业都想在这个市场中拥有一席 之地，同时因为紫蜂技术的成本非常低廉，所以研究紫蜂技术的人员也越来越多。 本文正是基于这样的一种新协议、价格低廉、研究广泛的技术，将z i g b e e 技术引 入到智能教育当中来，完成交互式智能教学反馈系统的设计。如图2 1 所示，是 z i g b e e 协议层次图。 r 1 旺e 船2 1 5 4 l j 冀! 一 ： 口銎警柏“ 口耋焉 口荡0 口蕊麓 图2 1 z i g b e e 协议规范层次图1 4 i t l 5 1 6 硕士学位论文 m a s t e r st he s i s 2 2 国外企业的技术影响 国外各大电子巨头苹果、谷歌、微软等在技术上的创新，在产品上的设计， 在营销模式上的创新，都将对世界造成深远的影响。在教育领域，我国的发展模 式也深受这些企业设计理念的影响。 2 2 1 苹果 世界上市值最大的公司a p p l e ，i n e 1 1 6 1 设计并创造了i p o d 和i t u n e s 、i m a c 便携式和台式电脑、i o s x 操作系统以及革命性的i p h o n e 和i p a d 。苹果的一体化 设计，总能将你想到的做到最好：她能提供手持硬件、软件、操作系统、应用商 城i t u n e s 、云端平台等全方位、多角度、最简洁又最优化的设计。在教育领域， 中小学生使用i p a d 将是电子教育的发展趋势。2 0 1 0 年，i p h o n e ，i p a d 的发布狂潮 再一次验证了苹果公司追求改变世界的设计。 2 2 2 谷歌 谷歌g o o g l e 公司g o o g l e ，i n c 【1 7 j 提供了简单易用的免费搜索服务，谷歌不 甘于只做全球最大的搜索引擎公司，在2 l 世纪，谷歌又进入了手机终端领域。2 0 0 5 年，g o o g l e 公司组织注资收购a n d r o i d ，i n c 2 0 1 1 年第一季度，a n d r o i d 在全球的 智能手机市场份额首次超过其他公司跃居全球第一。 智能手机市场a n d r o i d 手机，是基于l i n u x 开放内核设计的手机桌面操作 系统，早期是由原名为a n d r o i d ，i n e 的公司开发并设计的，本意是机器人， 也是g o o g l e 公司在2 0 0 7 年1 1 月5 日公布的手机操作系统名称。谷歌在2 0 0 5 年收购a n d r o i d ，i n c 后，继续对a n d r o i d 系统开发运营，同时也将该开源手 机操作系统平台进行了进一步的包装与改造，该平台由手机操作系统、硬软 件结合中间件、优化的用户界面和比较丰富的应用软件组成，号称是首个真 正开放性、完整性的移动终端、移动接口、移动软件平台。2 0 1 2 年3 月7 日， 谷歌已经把在线商店a n d r o i dm a r k e t 更名为g o o g l ep l a ys t o r e ，于1 3 同起正式启 用。 在教育领域，免费性、开源性和统一性的互动网络软件的研发，将会在教育 界一展头角，真j 下将免费平台做到最好，做到极致，做到人人都使用的时候，市 场自然随之而来。 2 2 3 微软 微软在个人电脑市场一直保持领先【l 引，但在近几年个人手机市场的发展却有 些落后，在2 0 1 1 年1 0 月的宣讲会上，微软中国技术总监提到，微软的竞争对手 7 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 与合作伙伴都异常强大，但是微软却一直来没有失败过，因为微软在竞争的过程 当中，总是在寻找最佳的合作伙伴如i b m 、i n t e l 。微软近几年的设计目标是：设 计最新的人机互动方法，使用肢体语言，让信息化装备更像是一面镜子，让信息 化自由实现现实和虚拟环境的无缝对接。 2 - 3 本系统的设计目标与设计原理 未来教室的书本、桌椅、书包、黑板、教室都将蕴含电子化设备的影子；电 子设备的知识载体将从最原始的模拟射频电路发展到数字集成电路，网络载体也 将从简单的互联互传发展到随时随地随意的查看教学资源，教学资源的存储将从 朴素的书本发展到教育云端下载，云端资源极其丰富，能够满足几乎所有人的学 习要求。学生的能力可以得到非常大的提高，其中包括创造性思维、交流和沟通 的能力、查找信息能力、独立思考能力、做出判决的能力、全方位的科教能力。 老师的能力同样也得到较大的提高，正是教学相长。老师能够引导学生进行信息 时代的创新、能够用新的教学办法来培养学生、能够朔造新时期的学生社会使命 感、能够培养未来的领导和企业家。教育管理者在信息化产品的引导下，能够更 加有效的观察学生和老师之间的问题和矛盾，给出更加深刻的评论和管理方法， 在未来专业性和技术性非常重要的学校管理当中，能够系统性的结合管理、教学、 教研，才能够让学校、让教育得到更加长足的发展。 本文的设计目标是在未来的教育环境当中，融入智能教学反馈系统，真正的 将教育的资源、环境应用到学生当中，培养学生的学习兴趣提高学生的信息化专 业化水平，让学生们能够更加广泛的接触国际化前沿知识，努力完成信息时代赋 予学生的使命，为我国的教育事业做出贡献。 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 3 1 智能教学系统各个部分之间的联系 厂一一 ! 智能教学 系统开始 i 人叁卅 弋：h 少7 人 n i i 。：。一 赣家高 卜 矿f俣坎 。 ， 卅，7 、 反馈模块 s ，7 卜 n yn j 上 | 学习结果统计l 图2 2 铅能教学各功能模块之间的关系 在智能教学系统当中，学习方式已经不是中国特有的填鸭式教学：老师教什 么，学生学什么。如图2 2 所示，现代智能教学系统是以问题为导向，通过知识 模块的不断扩充，让学生的知识越来越丰富。在这个过程中，系统需要建立一个 问题的数据库，并且需要老师或者专家预先做出答案；老师在上课的过程当中， 将问题呈现在学生面前；学生们通过思考，将自己的答案或思想表达出来；系统 通过老师和学生的互动、反馈，不断的将问题充实，创造出新的问题。同时，系 统还将有争议的问题存起来，针对某一个学生，都建立起自己的学习记录，来了 解特定学生的学习情况，做到以学生为本的教学；系统针对全班整体情况，可以 建立班级整体的学习效果图，来了解班级的整体掌握情况，便于老师制定下一步 的教学计划。 9 煞巾啦岔孛爸批 互一m勾。一哪h n3n斟抖螬秣蝉帐阿漆淑落i蹰 匾斟畦冉螬器_教帐河藏汛漤赢谥辣沛 l o ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第三章智能教学反馈系统的设计与实现 智能教学反馈系统的基本结构包括感知层、网络层和应用层。在底层即感知 层，设计使用t i 公司的c c 2 5 3 0 芯片平台【一l ，c c 2 5 3 0 芯片资源包含了r f 射频 部分和c 5 1 内核，其中r f 的工作频率是2 4 g 。在网络层，设计采用树型网络， 信息通过学生手中的c l i c k e r 设备，将答题信息传递到老师的c o o r d 协调器当中去， c o o r d 协调器通过串口转为u s b 口，像u 盘一样与电脑的上位机相连接。在应用 层，用上位机写软件，完成各项所需要的功能。 在这一章，我们从功能设计、硬件设计和软件设计三个方面来分析一下智能 教学反馈系统的特点。 3 1 功能设计 功能设计包括两个方面：一是系统初始化的时候的基本功能设置，二是系统 工作的时候的通信功能设置。 3 1 1 基本设置 基本设置包含四个方面的内容，一是在不同的教室当中使用，设置不同的频 段来区分不同的教室；二是在回答问题的时候使用，设置不同的设备号来区分不 同的同学；三是在分组讨论的时候使用，设置不同的小组号来区分不同的小组； 四是在使用通信功能回答问题之前，都要进行基本设置或者使用默认基本设置然 后开始点名，明确哪些节点在线，哪些节点不在线。 3 1 - 1 1 设置不同的频段以区分不同的教室不同教室使用 通常在协议当中设置频段的办法是先修改再编译下载。首先将系统的信道号 参数在预编译参数当中找到，通过改变需要的信道号参数与系统对应信道号之间 的赋值关系，然后将改好的新的信道参数在整个程序当中进行编译，最后下载到 所有的节点当中，那么所有的节点将会使用修改过的信道号来扫描当前的网络信 息，然后加入到当前网络当中。如果当前的网络的信道号和下载的节点的信道号 设置得不同，那么下载的节点就无法加入到当前的网络当中。于是我们在同一个 网络当中设置信道的时候，要保证所有节点使用的是同一个信道号。使用的是所 有的1 6 个信道号将在第四章的4 1 小节会有更详细的介绍。 动态设置不同的频段在技术上存在一些难题。虽然t i 的系统给出了1 6 个可 、 硕士学位论更 m a s t e r st h e s i s 以选择的信道号，但是这些信道需要在编译程序的时候就写进去，然后下载到设 备当中。如果设备在运行途中想更换信道号，就需要系统的一个协调运行能力。 第一个难题就是：c o o r d 协调器设备不能够先变换信道。一旦c o o r d 变换了信 道，其他的设备就无法找到e o o r d ，那么所有的节点将会成为孤节点状态，都无 法找到自己的网络。 第二个难题是：非叶子节点的路由器不能够先改变信道。一旦路由器节点变 换了信道，路由器的子节点也无法找到路由器，那么当前路由器的所有子节点也 会成为孤节点状态。 第三个难题是：如何找到叶子节点，先改变他们的信道号，等到叶子节点的 信道号都先改变过来的时候，再改变父亲节点的信道号，最后改变c o o r d 的信道 号，才能保证整个网络协调运行。 当然动态设置信道，需要在一定的时间里完成。基于以上三个问题，本文给 出了一个探索性的方案：首先找到系统当中的所有终端节点，将终端节点的信道 号改变成新的信道号；然后保证路由器和c o o r d 之间的通信，逐步改变路由器的 信道号，此时可能会有一些路由器改变网络的状态，但是最终还是会找到c o o r d ， 等到所有的设备都变换成新的设备号之后，c o o r d 再改变信道号，将这些设备都 加入到网络当中。 使用不同的信道，在物理上是使用不同的频段，可以保证不同的教室当中使 用同一个系统，并且相互之间没有干扰。 3 1 1 2 设置不同的设备号以区分不同的同学回答问题使用 设置不同的设备号的根本目的是区分不同的设备，使用不同的设备与不同的 学生之间进行一一对应，这样就可以使用不同的设备号来标识这个同学了。 设置设备号的办法有两种，第一种办法就是在编写程序的时候，将设备号这 个参数写到程序的d e v i c ei d 当中，那么这个设备号就标识了这个设备。第二种办 法就是在设备出厂之后，通过上位机的软件设置，将设备改写成自己想设定的设 备号。 第一种办法对程序员来说操作方便，就是在写程序的时候进行设置就可以了， 而且还可以将设备进行默认统一管理，编号可以连续。 第二种办法对用户来说操作方便，就是在用户使用的时候，可以随心所欲的 设置设备号，当然，设备号禁止设黄成相同的。那么在程序处理的时候，就要考 虑设置办法，操作办法。程序员在上位机提供设置设备号的操作选项，在设备坏 掉或者需要添加设备的时候，设置设备号就显得很关键。同时，在给出结果报表 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 的时候，设备号要与本人的学号进行对应，这样得到的成绩报告结果才是老师和 同学们想要的结果。 3 1 1 3 设置不同的小组号以区分不同的小组讨论课使用 设置小组号的目的有三个，一是可以在物理空间上，将同一个网络当中的某 些设备设置成同一个小组，这样就可以在物理上区分某一个小组。另一个是可以 将某些成绩在同一个档次的同学分成一个小组，有利于老师通过分析得到这些档 次的同学的学习状况。最后一个是可以从逻辑上，将某些特定的同学分成一个小 组，让他们相互比较讨论，在比较中学习。 3 1 1 4 基本设置和通信功能之间有默认前后关系。 系统开机之后，使用默认的设置号码，或者通过以上三种基本的设置：设置 信道号、设置设备号、设置小组号之后，才能够进行通信功能的使用。如果其中 有些设定错了，那么会影响后面的通信功能。 3 1 2 通信功能 通信功能是系统的基本功能，只有系统上电之后，将基本设置配置好，所有 的节点都入了网，系统才能够工作。本系统需要的通信功能包括：报到、学生回 答问题、反馈结果显示、批量回答问题和小组讨论、结果报表。 3 1 2 1 报到 在进行答题之前，需要先报到。报到有两个目的，一个就是在使用设备之前， 确认到底有多少设备是打开的，多少是关闭的。另一个目的也就是确定多少人到 课堂了，也可以作为课堂点名的一个依据。 系统上电之后，将基本设置配置好，然后打开上位机签到选项，即可观察有 哪些设备是打开的，哪些设备是关闭的，确保所有使用的设备上电之后是入网的 之后，即可使用报到功能。 3 1 2 2 回答问题 报到完成之后，就可以回答问题了。回答问题需要老师事先将题目放映到幻 灯片上；然后打开回答问题选项，设定系统设备的波特率，通常可以使用默认的 选项；然后将四个预选项a 、b 、c 、d 的答案结果人数显示在屏幕上，而结果被 保存在数据库当中。 3 1 2 3 反馈结果显示 回答完问题之后，就可以从系统中调出数据库，查看系统的回答情况。可以 查看所有学生当前题目的结果，也可以查看同一个学生做的不同题目的结果，方 便老师做出分析。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 1 2 4 批量回答问题、小组讨论 除了回答一个问题之外，还可以进行多个问题的回答，比如同一个类型的题 目，老师讲解之后，就可以将相关的题目都出到屏幕上，学生可以及时作答，将 多个小题的答案都进行提交；或者将同学们分成不同的小组，让不同的小组的同 学做不同的题目，然后提交。这样提交之后，老师就有了更多、更及时、更方便 的材料来分析学生们的课堂接受成果，便于下一步的教学计划的制定。如果错的 同学比较多，可以多花些时间进行讲解。 3 1 2 5 结果报表 最后就是结果报表了，结果报表可以从数据库看见每个同学的回答问题的历 史记录，可以清晰的反应学生们的学习情况；同时，产生的结果报表也是一种宏 观数据，可以放映班级同学的整体状态：最后，结果报表可以作为老师和学生们 进行学习交流的一种参考。 3 2 硬件设计 系统硬件选用t i 公司的c c 2 5 3 0 芯片，他拥有4 0 个引脚，资源包括c 5 1 的 内核和i e e e 8 0 2 1 5 4 的r f 无线收发模块。其中，c 5 1 的内核拥有资源：2 5 6 k 的 f l a s h 读写模块，八个p o 口引脚、八个p l 口引脚和5 个p 2 口引脚共2 1 个可编 程控制的i o 通用编程引脚，可复用的t 1 到t 4 四个定时器、两个串口、八个 a d 采样控制器。 在智能教学反馈系统的节点设计当中，可以有三种类型的节点：协调器 c o o r d 、终端节点d e v i c e ( c l i c k e r ) 、路由节点( c l i c k e r ) 。三种节点都是选用c c 2 5 3 0 射频芯片，c l i c k e r 的外围电路设计比较丰富，包含电源、晶振、下载口、l c d 显 示、键盘、串口、电压检测口等部分。 下面从通用版以及通用版的裁剪：终端设备d e v i c e 、协调器设备c o o r d 两种 不同的设备来描述节点的硬件设计。 3 2 1 通用版的i ，o 资源分配 结合功能和c c 2 5 3 0 的硬件设备，系统制定了i o 口与功能之间的对应表，功 能比较多，每一个功能都需要硬件资源支持，方便系统查询，系统后面的裁剪和 制定电路都