基于單片機的智慧教育課堂智能搶答系統設計

王娟

(山東開放大學,教務處,山東,濟南 250014)

0 引言

教育信息化為智慧教育課堂的發展提供了環境與契機,相應的智慧教育課堂也成為教育信息化改革重點研究課題之一。

智慧教育課堂能夠有效地調節課堂氛圍,突出教學重難點,利用技術與智慧降低重難點理解難度,加強課堂互動,提升學生學習興趣,為學生的個性化能力培養提供幫助[1]。在智慧教育課堂應用過程中,最關鍵的是師生互動,該功能主要通過搶答系統實現。就現有研究成果來看,已有搶答系統存在著功能較為單一、成本較高、操作性較差、傳輸距離短等問題,無法滿足目前高校教學需求,故提出基于單片機的智慧教育課堂智能搶答系統設計研究。

1 系統硬件設計

1.1 智能搶答主控機設計單元

智能搶答主控機是智慧教育課堂中教師應用設備,能夠對學生搶答狀態進行全面展示,并對搶答開始、結束時間、學生加分、減分等進行自適應設置,實現智慧教育課堂師生互動[2]。

基于上述需求,設計系統選取PC機作為智能搶答主控機,示例如圖1所示。

圖1 智能搶答主控機示例圖

由圖1可知,智能搶答主控機電源顯示燈為綠色時,表明主控機開啟;電源顯示燈為紅色時,表明主控機關閉。顯示屏可以顯示學生的搶答狀態及其相關信息,鼠標與鍵盤是智能搶答主控機的輸入與控制設備[3]。另外,智能搶答主控機內部包含一個中央接收器,對智能搶答分機發出的信號進行接收、處理及其顯示[4-5]。

1.2 智能搶答分機設計單元

智能搶答分機是智慧教育課堂中學生應用設備,以89C2051型號單片機為核心,以按鍵、指示燈、數碼管等為輔助器件,共同實現智能搶答功能[6]。

89C2051單片機結構如圖2所示。

圖2 89C2051單片機結構示意圖

為了獲得最優質的通信環境,將89C2051單片機晶振設置為11.0592 MHz。智能搶答分機中,89C2051單片機是數碼管的驅動硬件,利用外圍電路對學生搶答狀態、時間、數據等進行采集與交換,具備學生搶答所需多種功能。

1.3 串口電路設計單元

串口電路是設計系統硬件連接的關鍵,主要包含電平轉換電路與一對多串行通信接口[7-8]。其中,電平轉換電路以MAX232芯片為核心,對輸出電平信號進行相互轉換,以此來實現設計系統硬件之間的通信[9]。而一對多串行通信接口的設計,主要是為了避免智能搶答分機串口信號輸出端的相互干擾,保障設計系統智能搶答主控機與多臺分機通信的穩定。

串口電路示意圖如圖3所示。

(a) 電平轉換電路

2 軟件設計

2.1 智能搶答主控機軟件程序設計模塊

智能搶答主控機軟件程序是設計系統的關鍵,也是智能搶答功能實現的重要程序。主控機軟件程序如圖4所示。

圖4 智能搶答主控機軟件程序示意圖

依據圖4所示軟件程序,結合主控機硬件設計內容,即可實現智能搶答主控機的全部功能,為智慧教育課堂的師生交互提供支撐。

2.2 智能搶答分機軟件程序設計模塊

智能搶答分機是學生對教師提出問題進行搶答的主要設備,其軟件程序設計承擔著各個構成部分的驅動與通信任務,保障搶答信號準確無誤的發出[10]。

智能搶答分機軟件程序如下。

步驟一:初始化配置。開啟時鐘、定時器、電源等硬件,轉換搶答分機模式為接收模式,清除全部中斷標志位等。

步驟二:定時器配置[11]。設置定時器時間間隔為8 s,若是時間間隔內程序跑死,定時器自動復位,復位規則表達式為

(1)

式(1)中,tr與T*分別表示程序運行時間與設置時間間隔。

步驟三:電源寄存器配置。實時獲取電源剩余儲量,并對其進行展示,防止缺電搶答分機停止運作事件的發生。

步驟四:功能選擇。依據學生選取的搶答模式,主控機進入對應的頁面,獲取學生答題相關信息。

步驟五:標志位是否置位判斷。若是判斷結果為未置位,程序返回步驟一處開始循環;若是判斷結果為置位,表明學生有搶答信號要發送,在搶答信號發送后,將搶答分機調整至接收模式,以此做好教師反饋信息的接收準備。

搶答信號在發送與傳輸過程中,由于多種因素的影響,致使搶答信號會存在損耗與噪聲,表達式為

(2)

為了保障智能搶答功能的實現,對搶答信號進行去噪處理,表達式為

(3)

式(3)中,yi表示去噪后搶答信號,α與β*表示去噪因子,m表示搶答信號的總數量。

2.3 智能搶答功能設計模塊

智能搶答功能設計模塊主要承擔著用戶管理、題庫管理、搶答管理、搶答記錄以及數據表構建等功能,是設計系統穩定運行的關鍵支撐模塊。

其中:用戶管理功能主要包括用戶信息注冊與修改、用戶分類、用戶登錄與退出等;題庫管理功能主要包括搶答題目發布、題目分類、題目答案存儲等;搶答管理功能主要包括教師發布與終止搶答、學生參與搶答等;搶答記錄功能主要包括搶答正確/錯誤判斷、搶答時間記錄、學生積分計算等;數據表指的是對上述功能產生的數據進行記錄的表結構,具體如圖5所示。

圖5 數據表示例圖

通過上述硬件單元與軟件模塊的設計與開發,實現了智慧教育課堂智能搶答系統的運行與應用,為智慧教育課堂的發展與應用提供更加有力的支撐,提升學生的學習興趣與效果。

3 實驗與結果分析

為了驗證設計系統的應用性能,選取基于FPGA的多路搶答器作為對比系統,設計對比實驗,具體實驗過程如下。

3.1 實驗準備階段

實驗準備階段是智慧教育課堂智能搶答系統應用性能測試的關鍵。此研究實驗準備階段主要承擔著實驗工具的選取任務,根據設計系統應用性能測試需求,選取LabVIEW作為實驗編程工具,其具有交互性強、擴展性好、開發周期短等優勢,并能夠適應多種平臺。LabVIEW環境如圖6所示。

應用LabVIEW編程工具將準備好的搶答題目進行編程,并將其輸入至智能搶答主控機中存儲,方便后續教師在智慧教育課堂中的應用與操作。

3.2 實驗結果分析

為了清晰顯示本文設計系統的應用效果,選取系統響應時間、搶答主控機與分機最大間隔距離與搶答信號傳輸損耗作為系統應用性能的評價指標,具體實驗結果分析過程如下。

3.2.1 系統響應時間分析

系統響應時間指搶答題目發布到搶答題目回答完畢所用的時間,計算公式為

(4)

式(4)中,n表示實驗次數,ti1表示搶答題目發布到搶答分機接收任務的時間間隔,ti2表示搶答分機發出搶答信號到主控機反饋選擇回答分機編號的時間間隔,ti3表示學生回答搶答題目耗費的時間。

通過實驗獲得系統響應時間數據如表1所示。

表1 系統響應時間數據表

由表1可以看出,與對比系統相比較,應用本文系統獲得的系統響應時間更短,主要是因為89C2051型號單片機的應用,縮短了搶答分機的接收時間與傳輸時間,說明設計系統響應性能更好。

3.2.2 搶答主控機與分機最大間隔距離分析

搶答主控機與分機最大間隔距離反映著智能搶答系統覆蓋的范圍。常規情況下,搶答主控機與分機最大間隔距離越大,系統覆蓋范圍越廣,對課堂場地的限制也越小。

通過實驗獲得搶答主控機與分機最大間隔距離如圖7所示。

圖7 搶答主控機與分機最大間隔距離示意圖

由圖7可以看出,與對比系統相比較,應用本文系統獲得的搶答主控機與分機最大間隔距離更大,表明本文系統覆蓋范圍更廣泛。

3.2.3 搶答信號傳輸損耗分析

一般情況下,搶答信號傳輸損耗越低,表明智能搶答系統性能越佳。通過實驗獲得搶答信號傳輸損耗如圖8所示。

圖8 搶答信號傳輸損耗示意圖

由圖8可以看出,與對比系統相比較,應用本文系統獲得的搶答信號傳輸損耗更低,表明本文系統信號傳輸性能更好。

4 總結

應用89C2051型號單片機設計了新的智慧教育課堂智能搶答系統,極大地縮短了系統響應時間,加大了搶答主控機與分機最大間隔距離,降低了搶答信號傳輸損耗,為課堂搶答提供更加有效的系統支撐,也為智慧教育課堂的發展與應用研究提供一定的參考與借鑒。