基金項(xiàng)目：2022年度安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：智慧教育視域下高職計(jì)算機(jī)公共課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐；項(xiàng)目編號(hào)：2022jyxm319。

作者簡(jiǎn)介：張進(jìn)軍（1979— ），男，安徽泗縣人，講師，學(xué)士；研究方向：計(jì)算機(jī)教育，數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析。

摘要：受到信道通信干擾，智慧課堂互動(dòng)教學(xué)的兼容性較弱，降低了互動(dòng)教學(xué)效果。因此，文章設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù)的智慧課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)。硬件方面設(shè)計(jì)DDR3 SDRAM芯片與觸控整合器。軟件方面基于ZigBee技術(shù)建立教學(xué)互動(dòng)地址均衡分配機(jī)制，分析課堂互動(dòng)數(shù)據(jù)的地址-位置對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而優(yōu)化教學(xué)系統(tǒng)交互性能。文章采用系統(tǒng)測(cè)試的方式，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的性能更佳，能夠應(yīng)用于實(shí)際生活中。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；智慧課堂；互動(dòng)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TN915-34? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

隨著多媒體技術(shù)的普及，教師利用多媒體取代黑板，播放各類教學(xué)短片、動(dòng)畫資源，有效地激發(fā)了學(xué)生的興趣。針對(duì)課堂互動(dòng)性差的問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)了多種互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)。其中，基于事件記錄的智慧課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)采用3 s取樣的記錄方法，記錄課堂的互動(dòng)數(shù)據(jù)［1］。此系統(tǒng)能夠滿足課堂互動(dòng)數(shù)據(jù)觀察的需求，彌補(bǔ)系統(tǒng)動(dòng)作編碼切換的缺陷，為課堂互動(dòng)教學(xué)提供保障?；?G無(wú)線通信的智慧課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)采用5G無(wú)線通信技術(shù)上傳和下載教學(xué)互動(dòng)資源，實(shí)時(shí)更新教學(xué)資源，為學(xué)生提供更便捷的教學(xué)環(huán)境［2］。以上兩個(gè)教學(xué)系統(tǒng)均以教學(xué)資源為主，教學(xué)資源互動(dòng)地址存在不均衡性，影響互動(dòng)教學(xué)效果［3］。因此，本文結(jié)合ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)智慧課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)。

1? 硬件設(shè)計(jì)

1.1? DDR3 SDRAM芯片

本文選用DDR3 SDRAM芯片作為課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)傳輸芯片，其傳輸速率高達(dá)1 GHz，能夠滿足嚴(yán)格的時(shí)序要求［4］。DDR3 SDRAM芯片的差分信號(hào)設(shè)計(jì)為100 Ω的差分阻抗，在互動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，不會(huì)受到阻抗不連續(xù)的干擾，達(dá)到減少共模干擾的目的。DDR3 SDRAM芯片的差分信號(hào)端接匹配情況如圖1所示。

差分信號(hào)受到的等效阻抗為電阻器R744與R745，二者串聯(lián)后再與R741并聯(lián)，使差分信號(hào)能夠與差分傳輸線阻抗實(shí)現(xiàn)匹配，從而降低互動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓材８蓴_。

1.2? 觸控整合器

本文選擇觸控整合器作為互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)硬件，該硬件采用較高配置的mini2440開發(fā)板，CPU采用的是Samsung的S3C2440。利用ARM9內(nèi)核，內(nèi)存為64M RAM+64M Nand Flash，使其具有良好的觸控性能［5］。觸控整合器的硬件參數(shù)如表1所示。

本文在該硬件中內(nèi)嵌DDR3 SDRAM芯片，通過(guò)RJ45硬件接口連接電阻器R744與R745，為程序的開發(fā)提供了極大的便利。

2? 軟件設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是短距離無(wú)線通信的方式，能夠大范圍地組網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集。本文利用ZigBee技術(shù)［6-7］，將教師教學(xué)資源、學(xué)生學(xué)習(xí)資源的互動(dòng)地址進(jìn)行均衡分配，從而提升系統(tǒng)的使用效率［8］。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，互動(dòng)資源能夠分配的最大地址為：

Aend=Cmax×1-RmaxLmax1-Rmax（1）

式（1）中，Aend為互動(dòng)資源能夠分配的最大地址；Cmax為每層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的最多節(jié)點(diǎn)數(shù)量；RLmaxmax為網(wǎng)絡(luò)最大深度Lmax的最多路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量；Rmax為1層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的最大路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量。設(shè)Cmax_Rmax個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)申請(qǐng)地址均衡分配，則：

Cs（d）=1+Cmax×（Lmax-d-1），if? Rmax=1

1-Cmax×RmaxLmax-d-1+Cmax_Rmax1-Rmax，otherwise（2）

式（2）中，Cs（d）為處于d層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的地址偏移量。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將每一個(gè)連接字節(jié)的路由節(jié)點(diǎn)從前面的Rmax塊中分配到一個(gè)地址；Cmax_Rmax個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)申請(qǐng)地址均衡分配，終端節(jié)點(diǎn)將不能得到互動(dòng)地址［9］。當(dāng)Cs（d）=0時(shí)，節(jié)點(diǎn)沒(méi)有地址偏移量［10］，說(shuō)明智慧課堂互動(dòng)資源沒(méi)有可用于再次分配的地址，此時(shí)的互動(dòng)資源分配能力較強(qiáng)，互動(dòng)資源地址分配得更加均衡。

3? 系統(tǒng)測(cè)試

3.1? 測(cè)試過(guò)程

本次測(cè)試在運(yùn)行的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中配置管理功能模塊，并將Windows Server 2008服務(wù)器操作系統(tǒng)的IP地址預(yù)先設(shè)置，啟用校園網(wǎng)絡(luò)支持，確保整個(gè)測(cè)試環(huán)境與課堂互動(dòng)教學(xué)環(huán)境一致。在準(zhǔn)備工作完成之后，將DDR3 SDRAM芯片與觸控整合器等硬件，按照使用說(shuō)明安裝完畢。DDR3 SDRAM芯片在運(yùn)行狀態(tài)下，測(cè)試該硬件各個(gè)線路的電源電壓，最大值為1.95 V，最小值為1.65 V，可以滿足系統(tǒng)的電壓運(yùn)行需求。觸控整合器在運(yùn)行狀態(tài)下，在系統(tǒng)Web頁(yè)面進(jìn)行觸控測(cè)試，能夠在觸控用戶信息的基礎(chǔ)上，利用觸控整合器對(duì)學(xué)生終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析情況如圖2所示。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解析之后，判斷學(xué)生端與教師端之間的互動(dòng)通信是否正常。在通信正常的條件下，將硬件與軟件相互連接，系統(tǒng)出現(xiàn)如圖3所示的界面。

輸入正確的用戶名與密碼后，點(diǎn)擊登錄按鈕出現(xiàn)課前預(yù)習(xí)功能、課堂互動(dòng)功能、課后練習(xí)功能、后臺(tái)管理功能等。點(diǎn)擊課堂互動(dòng)功能即可進(jìn)入課堂互動(dòng)程序。教師在PC端選擇相應(yīng)的課程上課，發(fā)送教學(xué)資料之后，學(xué)生能夠?qū)⑵湎螺d到移動(dòng)終端上進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。教師出題與學(xué)生答題均在課堂互動(dòng)部分完成，通過(guò)文字聊天功能，學(xué)生與教師之間進(jìn)行互動(dòng)。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)正常。對(duì)此時(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，分析系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

3.2? 測(cè)試結(jié)果

在上述測(cè)試條件下，本文隨機(jī)選取出專用工作集占用內(nèi)存、工作集占用內(nèi)存、CPU占用率、系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間、打開課程窗口的用時(shí)、打開互動(dòng)窗口用時(shí)等客戶端性能，與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)帶寬、上傳/下載文件的操作用時(shí)等網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行綜合測(cè)試。在其他條件均一致的情況下，將3種方法進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

如表2所示，1 000與5 000是系統(tǒng)的并發(fā)用戶數(shù)量；A為專用工作集占用內(nèi)存；B為工作集占用內(nèi)存；C為系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中CPU占用率；D為系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間；E為打開課程窗口的用時(shí)；F為打開互動(dòng)窗口用時(shí)；G為服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)帶寬；H為上傳/下載文件的操作用時(shí)。在互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，并發(fā)用戶數(shù)越多，系統(tǒng)互動(dòng)數(shù)據(jù)占用內(nèi)存越高，打開各類課程的時(shí)間越長(zhǎng)，影響系統(tǒng)的有效運(yùn)行。使用文獻(xiàn)［1］系統(tǒng)后，專用工作集占用內(nèi)存較大，工作集占用內(nèi)存同樣較大，在沒(méi)有其他程序打開的前提下，系統(tǒng)CPU占用率仍然較高，學(xué)生打開課程窗口的時(shí)間延長(zhǎng)，不利于互動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。使用文獻(xiàn)［2］系統(tǒng)后，專用工作集、工作集占用內(nèi)存有所減小，較之文獻(xiàn)［1］存在一定程度的提升。但是，該方法服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)帶寬較大，上傳/下載文件的操作用時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，學(xué)生進(jìn)行課堂互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)性能不佳，亟須對(duì)其作出進(jìn)一步優(yōu)化。而使用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)后，A、B、C、D、E、F、G、H等系統(tǒng)性能均大幅度地下降。其中，工作集占用內(nèi)存在20M左右浮動(dòng)，CPU占用率在16%以下，上傳/下載文件的時(shí)間在3 500ms以內(nèi)。由此可見(jiàn)，學(xué)生向系統(tǒng)發(fā)送互動(dòng)文本信息的帶寬與延時(shí)較小，系統(tǒng)服務(wù)器的并發(fā)性能良好。而客戶端的課程窗口打開時(shí)間、學(xué)生窗口打開時(shí)間均大幅度地下降，甚至低于5s，有效地提升了學(xué)生在課堂上的互動(dòng)學(xué)習(xí)效果，符合本文研究目的。

4? 結(jié)語(yǔ)

為了更進(jìn)一步優(yōu)化課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的性能，本文利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了智慧課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)。從功能框架、互動(dòng)地址分配等方面，本系統(tǒng)提升智慧課堂的互動(dòng)靈活性，并縮短打開系統(tǒng)界面的時(shí)間，為學(xué)生與教師的學(xué)習(xí)、教學(xué)效率提供保障。

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（編輯? 王永超）

Design of intelligent classroom interactive teaching system based on ZigBee technology

Zhang? Jinjun

（Department of Information Management， Anhui Vocational College of Police Officers， Hefei 230031， China）

Abstract：? Due to channel communication interference， the compatibility of interactive teaching in smart classrooms is weak， which reduces the effectiveness of interactive teaching. Therefore， the paper designs a smart classroom interactive teaching system based on ZigBee technology. In terms of hardware， it designs DDR3 SDRAM chip and touch integration device. In terms of software， a balanced allocation mechanism for teaching interaction addresses is established based on ZigBee technology， analyzing the address location correspondence of classroom interaction data， in order to optimize the interaction performance of the teaching system. Through system testing， it was verified that the system has better performance and can be applied in practical life.

Key words： ZigBee technology; intelligent classroom; interactive teaching