摘要：基于CPS實(shí)現(xiàn)了教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)和微博技術(shù)的綜合應(yīng)用采集教師上線信息，然后將該教師的上課信息自動(dòng)發(fā)送至微博，并將其相關(guān)個(gè)人教學(xué)主頁網(wǎng)址信息，附加在微博中，這樣關(guān)注該教師的學(xué)生即可通過微博，在閑暇之余能夠及時(shí)了解自己所學(xué)課程的相關(guān)信息。通過該系統(tǒng)達(dá)到利用互聯(lián)網(wǎng)和當(dāng)下流行的微博來為教學(xué)服務(wù)，從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：CPS；互動(dòng)；嵌入式系統(tǒng)；個(gè)性化；Arduino

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 24-0010-03

1 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，高等教育的教學(xué)模式正逐漸向主動(dòng)式和個(gè)性化方向發(fā)展[1-5]。在此環(huán)境下，學(xué)生會(huì)根據(jù)自己的興趣愛好和時(shí)間安排主動(dòng)選擇適應(yīng)自己的個(gè)性化課堂教學(xué)，但現(xiàn)有的教學(xué)環(huán)節(jié)相對固定，因?yàn)橐恍┣闆r造成的教室變動(dòng)難以及時(shí)準(zhǔn)確反映到管理系統(tǒng)中，造成學(xué)生難以快速獲得所學(xué)課程的具體資料、關(guān)心的實(shí)驗(yàn)安排、課程安排、課程進(jìn)度等等，這影響了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，從一定程度上會(huì)阻礙個(gè)性化教學(xué)的實(shí)施。為了解決這些問題，已經(jīng)有一些系統(tǒng)提供了教室的自動(dòng)管理服務(wù)，這些系統(tǒng)主要通過相應(yīng)的控制系統(tǒng)對教室中用電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行控制和管理，從而提供學(xué)生教室信息查詢等服務(wù)[6，7]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大量的交互和互動(dòng)媒介快速出現(xiàn)，這些為教學(xué)互動(dòng)帶來了新的手段和方法，已有工作探討了社交網(wǎng)絡(luò)在教學(xué)媒體中的應(yīng)用，作為一種新的媒體形式，SNS、微博等提供了一種互聯(lián)網(wǎng)虛擬空間，為學(xué)習(xí)者進(jìn)行有效交流與互動(dòng)協(xié)作提供了強(qiáng)大的支持和服務(wù)。綜合利用物理空間和虛擬空間，對其進(jìn)行有效融合，從而提供更加個(gè)性化的信息服務(wù)正受到越來越多教學(xué)實(shí)踐者的關(guān)注和研究[8，9]。

信息-物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）通過綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C技術(shù)的有機(jī)融合與深度寫作，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的感知、動(dòng)態(tài)的控制和信息服務(wù)[10，11]，正在獲得廣泛的研究和應(yīng)用。將其引入教學(xué)過程，能夠有效將教師虛擬空間和物理空間進(jìn)行融合，促進(jìn)有效的教學(xué)互動(dòng)。基于此，本文提出了基于CPS的教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)和微博技術(shù)的綜合應(yīng)用采集教師上線信息，然后將該教師的上課信息自動(dòng)發(fā)送至微博，并將其相關(guān)個(gè)人教學(xué)主頁網(wǎng)址信息，附加在微博中，這樣關(guān)注該教師的學(xué)生即可通過微博，在閑暇之余能夠及時(shí)了解自己所學(xué)課程的相關(guān)信息。通過該系統(tǒng)達(dá)到利用互聯(lián)網(wǎng)和當(dāng)下流行的微博來為教學(xué)服務(wù)，從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于CPS的教學(xué)互動(dòng)系統(tǒng)由硬件信息采集與控制平臺、后臺數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、信息展示平臺三部分構(gòu)成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

硬件信息采集與控制平臺：當(dāng)教師到課刷卡時(shí)，負(fù)責(zé)從讀卡器讀取教師的一卡通編號，從網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺，并發(fā)出紅外控制命令，自動(dòng)開啟動(dòng)投影機(jī)等多媒體設(shè)備；下課取走卡后，負(fù)責(zé)將下課時(shí)間信息從網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送到后臺服務(wù)器平臺，并關(guān)閉相關(guān)教學(xué)設(shè)備。

后臺數(shù)據(jù)服務(wù)平臺：負(fù)責(zé)根據(jù)教師一卡通的編號記錄該教師到課與下課時(shí)間，在數(shù)據(jù)庫與教務(wù)系統(tǒng)中查找出教師的相關(guān)教學(xué)信息，并通過微博等社交網(wǎng)絡(luò)的API開發(fā)接口向相關(guān)教師自動(dòng)發(fā)送該教師上課的信息，包括課程名、到教室的時(shí)間、課程進(jìn)度、以及上課教室等信息。

信息展示平臺：是任課教師的個(gè)人主頁，包括教師的教學(xué)文件，如課表、教學(xué)大綱、上機(jī)計(jì)劃、課件、作業(yè)等，以及網(wǎng)上答疑、留言板等內(nèi)容。

基于本系統(tǒng)，主要完成了如下圖所示的教學(xué)互動(dòng)功，能夠滿足教師—學(xué)生—教學(xué)秘書等管理人員之間的互動(dòng)，并可以通過后臺的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)挖掘。

圖2 教學(xué)互動(dòng)信息圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，硬件工作流程圖如圖4所示。

圖3 硬件信息采集與控制平臺框圖

圖4 硬件工作流程圖

2.3 后臺數(shù)據(jù)服務(wù)平臺工作流程

在實(shí)現(xiàn)上，后臺數(shù)據(jù)服務(wù)的流程如圖5所示。

圖5 后臺數(shù)據(jù)服務(wù)平臺工作流程圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

硬件平臺

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，采用開源的Arduino平臺[12]進(jìn)行模擬。接入讀卡器與紅外發(fā)射管等，Arduino能通過傳感器來感知教師。當(dāng)IC卡插入多媒體設(shè)備機(jī)箱卡槽時(shí)，Arduino平臺就能讀取IC卡的編號，并自動(dòng)向交互平臺提交編號信息，交互平臺根據(jù)編號信息，自動(dòng)從教務(wù)網(wǎng)站上抽取相關(guān)的信息，如，老師課程名稱、授課教室等，然后通過該老師的微博，發(fā)布一條消息“今天的氣溫是XXX℃，XXX老師教授XXX課程，已經(jīng)在XXX教室，同學(xué)們抓緊時(shí)間！”。這樣，學(xué)生即使是在上課路上，也能感知到老師。這樣所有的教師和所有被占用的教室就會(huì)在互動(dòng)平臺上留下相關(guān)記錄，這些記錄可以為后一步的管理提供支撐。而且，根據(jù)以后應(yīng)用的需要，互動(dòng)平臺還可以從Arduino平臺獲取更多的采集信息，接口允許的話，還可以通過互動(dòng)平臺進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備控制，如遠(yuǎn)程打開投影儀，通過教室的攝像頭拍攝一張照片發(fā)送至互動(dòng)平臺等，以確定設(shè)備是否正常工作。

模擬讀卡器工作的硬件接線圖如下圖6和圖7所示。

圖6 硬件平臺接線圖

圖7 Arduino實(shí)際接線圖

為了實(shí)現(xiàn)微博之間的通訊，設(shè)計(jì)中用的是Processing，可以引入JAR包，所以選擇的是JavaSDK，微博通信效果如圖8所示。

圖8 微博通信效果圖

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