基于手機短信的課堂應答系統設計與實現

[摘要]課堂應答系統(CRS)在現代課堂教學中越來越受到人們的關注。文章給出了一種基于手機短信的課堂應答系統設計方案。它具有成本低，使用方便，功能豐富等特點。方案中核心硬件是一臺專用短信接收設備，它結合了ARM單片機與短信收發模塊M22，具有豐富的計算機接口，能夠應用在各種多媒體教室中。該系統在實際課堂教學中得到了應用，能夠滿足課堂即時互動教學的要求，提高了教學效果。學生積極參與課堂應答系統教學。

[關鍵詞]課堂應答系統；手機短信；互動教學

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009—8097(2011)09—0098—05

一 課堂應答系統綜述

當今社會，以計算機技術、網絡技術和移動通信技術為代表的信息技術正在飛速發展。信息技術在現代教學領域也得到了充分的應用。課堂應答系統(CRS，Classroom ResponseSystem)在國內外課堂教學中逐步得到重視和推廣。這種系統可以將學生對教學問題的回答即時反饋到教學計算機中，經過計算機匯總分析之后，實時顯示在課堂投影屏幕上，顯示的方式靈活多樣，可以充分調動學生們的學習積極性，提高教學質量。這樣系統也稱為學生反饋系統(SRS，SmdentResponse System)、互動反饋系統(IRS，Interactive ResponseSystem)，或簡稱為Clicker。

課堂應答系統主要由三個部分組成：學生的手持終端、無線接收設備和教學計算機，如下圖所示：

不同的CRS系統主要區別在于手持終端與無線接收設備之間的通訊方式上。常見的方式包括無線射頻，紅外、超聲波、有線網絡等。一般手持終端是專用設備，允許學生發送簡單的選擇題答案。

現有的一些CRS系統普遍采用的基于射頻和紅外的專用終端。它們體積小，傳輸距離滿足教室距離。但存在以下應用缺點：

(1)終端功能有限，發送信息較少，一般只適合做選擇類的題目；

(2)終端是專用設備，系統建設一次性投入成本高；

(3)該設備只是用于部分課堂教學，學生攜帶不方便。

相對于第二、第三個缺點，第一個缺點則會直接影響教學效果。具體表現為學生只能完成比較單一的選擇題，無法表達自己的更多的想法，相對受到的壓力小。而開放性的問題則可對學生產生更多的壓力，激發學生探究的熱情。但是使用一般的手持終端同學無法輸入更多的信息，從而降低了課堂應答系統的應用效果。

針對于上述缺點，本文提出了基于手機短信的課堂應系統方案。它是現代移動技術的普及產物，適應于大學本科教學。如今大學生基本上已經都具有個人手機，手機功能雖然千差萬別，但是都具有發送和接收短信功能。因此課堂應答系統中的無線接收模塊只要具有短信接收功能，便可以實現學生問題答案的接收反饋。在此方案中，不需要專用手持終端，學生只要使用自己的手機即可，因此系統建設成本小，學生攜帶方便。由于手機短信可以發送大量信息，因此可以進行課堂充分互動。

下面本文將就系統設計與實現，專用短信終端設計以及課堂應用效果進行介紹。

二 系統設計與實現

基于短線平臺的課堂應答系統包括有系統硬件和與之相匹配教學軟件。系統硬件核心是一個專用短信收發模塊，其余設備均可以使用現有的多媒體教室設備。

1 系統設計要求

系統設計的基本功能要求包括有：

(1)顯示教學內容，發布交互問題；

(2)接收手機短信或者飛信；

(3)分析手機短信內容，進行答案匯總并實時顯示在課堂投影屏幕上；

(4)對于學生交互信息進行存儲和查詢。

為了給學生提供更多參與互動方式，降低學生發送短信的費用負擔，提高系統響應速度，進一步加強教師和同學交流針對性，系統還需要具有以下擴展功能：

(1)具有無線聯網功能：上課自帶筆記本電腦的同學可以使用無線網卡直接接入教學計算機。另外那些手機具有Wifi功能的同學也可以使用無線直接接入教學計算機；

(2)具有回答結果信息查詢功能：便于教師針對提供不同問題答案的同學進行交流；

(3)具有短信發送功能：可以針對性的向學生發送提示信息。

以上功能，是由系統的硬件和軟件配合來完成。

2 系統硬件組成

課堂應答系統主要包括有短信接收模塊，教學計算機以及投影儀和投影屏幕等。系統構成如下圖所示：

系統中的投影儀、投影屏幕、教學計算機都可借用原有多媒體教室中的設備，無需任何改動。所要增加的硬件就是一個短信專用接收模塊，它可以通過串口、USB接口或者網線與教學計算機相連。具有豐富的計算機接口可以使得它能夠適應各種多媒體教室中的計算機。

在基本系統中，學生可以使用任何帶有短信發送功能的手機參與課堂交互過程。

為了進一步降低學生短信費用開銷，系統可以再增加一個Wifi無線網關與教學計算機相連，同樣可以借用原有的教室網絡設備。學生還可以通過以下三種方式進行課堂互動：

(1)通過帶有Wifi功能的手機直接接入教室無線網關；

(2)通過帶有GPRS功能的手機發送飛信；

(3)通過自帶筆記本電腦接入教室無線網關。

關于短信專用接收模塊的設計參看第三部分介紹。

3 系統軟件設計

迄今為止，由于課堂應答系統缺乏統一的標準，傳統的教學軟件(例如PowerPoint)還都不具備即時交互功能，因此需要編寫專用軟件來完成課堂交互教學功能。交互軟件開發模式包括兩種；第一種是做成PowerPoint可以直接插入的軟件控件，這樣可以直接在PowerPoint中應用短信交互功能，使用起來比較方便；第二種是開發專用教學軟件，同時具有接收短信進行課堂交互的功能。

本文采用了第二種方式，首先開發了一套交互式教學軟件。該軟件一改傳統PowerPoint的分頁幻燈片式的風格，采用了畫報式的風格，具有縮放功能的顯示方式。在一頁教學內容中可以包含更多的教學內容，并且允許按照不同的排版方式組織教學內容。關于該軟件的設計我們將會另文介紹。在交互教學軟件中嵌入了基于短信的課堂交互軟件模塊。利用原有交互軟件既可以增加課堂交互效果，吸引同學參與，同時也降低了短信模塊中的界面顯示功能的開發。

為了提高課堂交互效率，在短信功能模塊中設計了多種問題模式：

模式1：普通問題模式。該模式允許學生將問題答案或者疑問通過短信文字發送給教學計算機，直接顯示在投影屏幕上，教師通過軟件逐條顯示文字信息并作講解。

模式2：選擇題模式。該模式下，學生將選擇題(單選、多選)答案發送給教學計算機。計算機軟件將統計答案結果直接顯示在屏幕上。

模式3：分類匯總模式。該模式用于沒有固定答案的提問。計算機軟件將同學發送上來的信息進行分類匯總，然后將結果顯示在計算機屏幕上。

上面每種模式還都具有不同的顯示風格。比如對于分類匯總結果可以使用表格、曲線、餅圖等不同的形式呈現。針對不同的教學內容選擇上述三種模式綜合應用可以提高課堂交互效果。下面給出了顯示這三種模式的軟件界面。

軟件開發按功能劃分為若干模塊，見圖6。軟件分為兩大部分，一部分集成在交互式教學軟件中，另一部分運行在短信專用接收模塊中。

三 短信專用收發模塊設計

系統中的短信專用收發模塊除了能夠發送和接收手機短信之外，還具有多種計算機接口：串口RS232，USB接口，網絡接口等，這樣可以適用于多種多媒體教室的計算機接口。雖然市場上可以購買到一些基本短信模塊，但是不具有上述完備的接口。本文采用一顆ARM7的單片機和GSM／GPRS模塊M22制作了專用短信收發模塊，它具有以下功能：

(1)短信的自動接收與發送，并進行字符格式轉換；

(2)通過一組簡單協議與計算機進行通訊，簡化計算機教學軟件功能，提高系統實時響應能力。

1 硬件系統框圖

短信專用接收模塊的硬件主要包括有：ARM7單片機、GSM短信模塊、網絡接口芯片以及串口接口芯片等。系統框圖如下圖所示：

系統中ARM單片機采用了Atmel公司的AT9ISAM7S128單片機。它具有128k字節Flash，32k字節RAM，2路UART，1路USB接口。它的接口豐富。Flash／RAM容量大，為硬件功能軟件設計提供了充足的存儲空間。

GSM短信模塊采用了臺灣明基公司的GSM／GPRS M22短信模塊。它提供了RS232接口，單片機可以通過AT命令控制模塊進行短信的收發。

網絡接口芯片采用了Microchip公司的ENC28J60。它通過SPI與單片機相連，大大簡化了系統連線設計，非常適合于通訊數據量較小的嵌入式網絡應用。外部通過網絡變壓器直接與RJ45網絡接口相連。

系統主要芯片都工作在3.3V電壓下，電源模塊將外部供電轉換成3.3V電壓。

2 軟件設計

由于硬件接口眾多，各種接口響應速度要求不一樣。例如與M22通訊使用AT命令，速度慢。相對于網絡接口，速度則要求非常快。為了能夠滿足軟件任務要求，在軟件框架中加入了uCOS-II的嵌入式操作系統。uCOS-II是專門為嵌入式計算機設計的搶占式實時多任務操作系統內核，它最多可以支持64個任務。

將系統軟件的功能分成幾個并行的任務，它們之間通過進程間通信共同完成短信的收發、轉換以及與計算機通信的功能。軟件具有如下四個任務：

任務1：M22短信收發任務；

任務2：串口通信任務；

任務3：網絡接口任務；

任務4：USB接口任務。

以上四個任務中，任務1負責M22的短信收發任務。在該任務中，通過串口使用AT命令查詢M22中是否存在接收到的短信，如果有則接收短信并刪除M22中對應的短信，然后進行編碼轉換，最后通過另外三個任務將短信信息發送給計算機。如果沒有短信，則查詢M22的狀態，主要是接收信號強度信息。其它三個任務分別響應串口、網絡和USB接口命令，并將接收到的短信和系統狀態返回給計算機。如果接收到短信發送命令，則通過任務1發送短信。

四 課堂應用

采用上述基于短信的課堂應答系統在實際課堂教學中進行了應用。課程是面向大學本科生三年級UNIX系統基礎課，課堂學生八十人。由于這是一門計算機基礎課程，平時有大約三分之一的同學自帶筆記本電腦聽課。

在課堂上，同學們可以通過以下四種方式參與互動：一是使用普通手機短信；二是使用計算機發送飛信；三是通過計算機直接連入教學計算機無線網關；四是通過手機WiFi連入教學計算機無線網關。同學們通過手機短信或者飛信發送問題答案，計算機可以在兩分鐘內接收到八十條短信并將匯總結果顯示在屏幕上。利用筆記本計算機或者手機直接連入教學計算機無線網工發送答案則非?？?。實踐證明，對于組織一個五到十分鐘基于問題的課堂討論，基于短信的課堂應答系統是可以滿足教學需求的。

學生對于通過短信進行課堂互動參與非常積極。他們不僅可以回答老師提供的選擇性問題，而且通過短信表達獨特的見解和新穎的想法。在課間也能夠將聽課的疑問直接發送到計算機屏幕上，便于教師在下節課開始統一進行解答。通過一學期的教學實踐，同學們普遍反映提高了對課程的興趣，對課堂參與度更高了。此外部分同學還參與了手機應用軟件開發。比如使用手機的Wifi直接接入教學計算機的時候，手機終端中的Java應用程序便是同學們自行開發設計的。

使用課堂應答系統對于教師提出了更高的要求。一方面需要根據講授內容設計出合理的教學問題，激發同學們的探討興趣。問題要求難度適中，同時又具有一定的挑戰性。另一方面教師還需要具有很強的課堂掌控能力，對于學生給出的各種意外的答案能夠有針對性的講解和引導，這樣學生從中獲得比教師備課內容更加豐富知識和體驗。

基于短信的課堂互動提供了比其它課堂互動方式更加豐富的功能，但是它也具有一定的缺點，主要有：

(1)信息反饋相對較慢，在有些情況下，個別的短信有可能會延遲半分鐘到三分鐘；

(2)學生使用手機發送普通短信還需要負擔一定的費用。

以上缺點除了可以使用前面提到飛信、Wifi無線連接方式進行改進之外，學校還可以與無線通信運營商訂購短信接收專線服務來解決。

五 總結

本文提出了一種基于短信的課堂應答系統的解決方案，并進行設計與實現。在硬件上設計開發了短信專用接收模塊，同時編寫了相應教學軟件，利用傳統多媒體教室便可以進行課堂即時應答教學。實際課堂教學證明了本系統的有效性和實用性，受到了聽課同學們的喜愛。

隨著移動通信技術不斷普及和進步，將來學生們的手機都可以直接連入Internet，屆時同學們適用手機參與課堂應答互動將會更加便捷，而通過短信進行課堂互動便成了一種輔助手段。