基于ZigBee的音樂課程在線輔助教學系統設計

張麗群

(寧夏藝術職業學院,音樂系理論教研室， 寧夏,銀川 750021)

0 引言

目前，學生不僅加強專業課程的學習，對于其他課外興趣愛好的學習也很重視。其中，音樂課程的學習較為廣泛。音樂課程在線輔助教學系統對于教學交互感要求較高，如果系統硬件區域音卡傳感器以及其他器件的基礎配置較低，將導致學生和教師教學中出現隱形障礙，最終導致課程在線輔助效果不佳[1]。音樂教學輔助系統功能不能過度繁瑣，影響學生和教師的使用體驗感，進而從根本上增加學習者對于音樂課程在線輔助教學的抵觸情緒，影響系統功能體現[2]。為此，該領域研究人員對課程教學輔助系統進行很多研究，并取得了一定成果。

文獻[3]提出設計了一種基于現代化信息技術的音樂課程輔助教學系統。該系統總體架構為B/S架構，在系統設計中引入現代化信息技術。系統中包括課程數據庫、功能模塊等，并且優化了學生、教師以及設備間的界面優化，完成了系統設計。該系統運行良好，但對教學效率考慮較少，存在一定局限。文獻[4]提出設計基于計算機應用技術的數字化音樂課程教學輔助系統。該系統首先分析學生及教師的需求，針對其功能需求進行系統設計。將具體教學數據保存到數據庫中，并將其轉化為生動的圖像數據信息。該系統有效提升了教學效率，但其數據庫中存儲的數據較少，還需要進一步改進。

針對上述系統中存在的不足，本文以音樂課程在線輔助教學涉及到的教學行為和教學任務作為設計目的，通過對系統硬件設計和軟件設計，對音樂課程在線輔助教學系統進行設計分析，解決傳統音樂課程輔助教學系統音質存在音質瑕疵等問題，解決學習者在學習過程中的干擾問題。音樂課程在線輔助教學系統不同于其他課程的輔助教學系統，對于系統功能的要求高，并且輔助方式與之不同。按照音樂課程輔助教學的功能要求，設計基于ZigBee的音樂課程在線輔助教學系統，最后通過對比試驗得出，此系統性能達到了音樂課程在線輔助教學要求。

1 基于ZigBee的音樂課程在線輔助教學系統硬件設計

本文設計的基于ZigBee的音樂課程在線輔助教學系統硬件結構如圖1所示。

圖1 音樂課程在線輔助教學系統硬件結構

1.1 收發器設計

系統硬件區域中收發器的工作任務將學生端和教師端需要發送音頻或文字信息進行轉發和接收，保證在線輔助教學系統的運行。采用HISJ-92型號的收發器，儀器遵循IEEE802.11標準無線通信協議和ZigBee的網絡通信協議，保證系統在線穩定性[5]。收發器結構如圖2所示。

圖2 收發器結構

收發器采用單纖和雙纖2種SC類型接口，對4000 V范圍內雷擊可進行安全防護。TVS管具有8000 V電路靜電保護功能，內置過流4.0 A保護模式，支持12-48 V的寬電壓輸入。收發器芯片采用雙層電路工業級別專用芯片，保證收發器運行效果。收發器支持全雙工和半雙工模型的網絡通信協議，內置10/1000 m的自適應網口[6]。收發器電路圖如圖3所示。

圖3 收發器電路圖

1.2 芯片設計

芯片是音樂課程在線輔助教學系統的核心，只有芯片性能達到要求，才可以維持系統穩定運行，快速解決系統出現系統錯誤。為了使系統達到預期系統設計的效果，本文采用CC2430型號的芯片，此芯片體積小，易安裝拆卸，并且芯片具有較高的性價比。

CC2430芯片信息發送頻率為2.4 MHz，芯片每個邊口設有5個并排串口，保證系統運行反應速度。芯片連接硬件區域網絡協調器、資源管理器和收發器，芯片最大輸出電流為90 mA，具有8個恒流源輸出電路，數據移位時鐘為85 Hz，數據顯示刷新率為120 Hz[7]。本文系統中芯片特點為內置音頻解碼功能，將學生端和教師端音質百分百還原傳輸。此芯片具備限流以及過熱保護功能，保證輔助教學系統的運行安全[8]。CC2430 芯片內部時鐘結構如圖4所示。

圖4 CC2430芯片內部時鐘結構

1.3 音質傳感器設計

音質傳感器是音樂課程在線輔助教學系統硬件區域最關鍵器件，對音質傳感器要求嚴格，傳感器任務是將學生端或教師端在線上輔助學習和教學所產生的音質進行聲音傳感，將教師端和學生端在線連接。音質傳感器結構如圖5所示。

圖5 音質傳感器結構圖

音質傳感器自振頻率為10 Hz，傳感器外形尺寸的標準為φ35×75 mm，重量約為350 g[9]。本文采用傳感器生產成本低，系統硬件區域傳感器出現功能故障時，可直接換新。音質傳感器聲音傳感精度為±1.5 dB，頻率響應范圍在31.5 Hz-8.5 kHz，采用A權頻率計權模式，傳感器工作響應等級為FAST。音質傳感器麥克風采用6 mm的電容式麥克風，音質解析度為0.1 dB。此傳感器在傳輸時可自動對音頻進行降噪處理，提高在線輔助教學的真實性。

1.4 資源管理器

系統硬件區域資源管理器的工作任務是管理學生端提交任務、教師端布置教學任務、系統內部教師和學習者信息以及輔助系統運行配置文件，任何文件出現丟失或者格式化都會影響系統的運行。因此，設計資源管理器進行統一管理和維護。

資源管理器內存充足，一旦系統存儲空間不足時，進行及時的供給，系統在運行過程中會產生數據信息，為保證系統運行速度，此資源管理器定期會對系統內部無效數據信息進行清理。管理器工作最大功率消耗為5 W，由3個以太網接口，資源的調用速度為1 000 Mbps。

2 音樂課程在線輔助教學系統軟件設計

ZigBee技術是IEEE802.15.4標準的一種低功耗局域網協議，此局域網絡協議通常用于星形網絡結構、樹形網絡結構以及網狀網絡結構中[10]。每個網絡結構適用的工作領域不同，本文采用ZigBee技術的樹形網絡結構，設計音樂課程在線輔助教學系統軟件。音樂課程在線輔助教學系統軟件區域分別設計了音樂鑒賞模塊、資源共享模塊以及在線解惑模塊，共同集成智能化的音樂課程在線輔助教學系統軟件區域。

2.1 音樂鑒賞模塊設計

音樂鑒賞模塊中教師在線輔助教學過程中，如果任意一方想要分析課堂上音樂音頻內容，可申請在線頁面鑒賞模塊即可，鑒賞內容定期存儲在學生端數據庫內。此時，對存儲在學生端的音樂學習資料按照一定要求進行篩選和檢索，完成音樂的鑒賞。其音樂鑒賞流程如圖6所示。

圖6 音樂鑒賞實現流程

2.2 資源共享模塊設計

資源共享模塊通過一定邏輯存儲音樂教學資源信息，將上傳到系統內部的音樂課程信息共享，輔助在線課程教學。資源共享時設置一定權限，只有被公認接收雙方具有查看權限，其他系統內用戶不具有接收權限。其中，雙方在資源共享時模塊注冊部分關鍵代碼如下所示。

MyPanel(){

newJLabel(*學生在線*);

newJLabel(*教師在線*);

newButton1(*用戶名稱*);

newButton2(*用戶名稱*);

……

New JPasswordField(20);

setAction Command(*entry*);

2.3 在線解惑模塊設計

在線解惑模塊在規定時間內，在授課進度達到要求基礎上，在線輔助教學頁面出現在線解惑觸點，學習者通過在線提供疑惑內容，教師端解答解惑請求，形成良好的教學循環過程。其在線解惑流程如圖7所示：

圖7 在線解惑實現流程

3 實驗分析

為了檢驗設計系統的性能和教學效果，本文進行對比實驗分析，實驗在MATLAB平臺中進行，操作系統為Windows XP，運行內存為16 GB。實驗中通過對比所提系統、文獻[3]系統以及文獻[4]系統的教學效率，驗證所提系統的有效性。

實驗中選取3組學習背景和知識存儲相似的小學生作為學習者，通過同一個老師采用相同教學資料向3組學生分別通過不同系統完成知識點的教學，測試每一組學習者對于此課程知識點的掌握程度，得到的實驗結果如圖8所示。

圖8 不同教學系統教學效率對比

析圖8中數據可以看出，隨著學生學習時長的改變，采用3種系統對教師教學效率進行測試的結果存在一定差異。其中，所提系統的教學效率均在90%以上，而其他2種系統的教學效率雖然呈現上升趨勢，但相比之下所提系統的教學效率較高，具有一定可行性。

4 總結

本文設計的基于ZigBee的音樂課程在線輔助教學系統，在硬件中設計了音頻傳感器、資源管理器、芯片以及收發器，并根據一定規則設計軟件流程，完成了輔助系統設計。實驗結果表明,所提系統不僅可以完成音樂課程在線輔助教學任務，還有效提升了音樂課程教學效率。