基金項(xiàng)目：2022年度安徽省高等學(xué)校省級質(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：2022jyxm319。

作者簡介：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：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。針對課堂互動(dòng)性差的問題，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無線通信的智慧課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)采用5G無線通信技術(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，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芯片的差分信號設(shè)計(jì)為100 Ω的差分阻抗，在互動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，不會受到阻抗不連續(xù)的干擾，達(dá)到減少共模干擾的目的。DDR3 SDRAM芯片的差分信號端接匹配情況如圖1所示。

差分信號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)沒有地址偏移量［10］，說明智慧課堂互動(dòng)資源沒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)測試

3.1? 測試過程

本次測試在運(yùn)行的SQL Server數(shù)據(jù)庫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，按照使用說明安裝完畢。DDR3 SDRAM芯片在運(yùn)行狀態(tài)下，測試該硬件各個(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頁面進(jìn)行觸控測試，能夠在觸控用戶信息的基礎(chǔ)上，利用觸控整合器對學(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，通過文字聊天功能，學(xué)生與教師之間進(jìn)行互動(dòng)。由此可見，系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)正常。對此時(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，分析系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

3.2? 測試結(jié)果

在上述測試條件下，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)行綜合測試。在其他條件均一致的情況下，將3種方法進(jìn)行對比，測試結(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，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，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)相對較長，學(xué)生進(jìn)行課堂互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)性能不佳，亟須對其作出進(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，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

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。

參考文獻(xiàn)

［1］熊旭萍，楊昊，任山章.基于事件記錄的弗蘭德斯互動(dòng)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)——以高中生物《光合作用》課堂觀察為例［J］.中國教育信息化，2021（2）：24-29.

［2］呂鑫，劉芳芳，王麗麗.基于5G無線通信的高等院校立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2021（12）：21-24.

［3］朱涵，汪甜甜，鄧猛，等.培智學(xué)校數(shù)學(xué)課堂教學(xué)師生言語行為互動(dòng)研究——基于改進(jìn)型弗蘭德斯互動(dòng)分析系統(tǒng)（iFIAS）［J］.中國特殊教育，2022（1）：39-46.

［4］王穎，王玉龍.基于FIAS系統(tǒng)的初中語文課堂師生互動(dòng)行為分析研究——以特級教師張玲《從百草園到三味書屋》為例［J］.電腦知識與技術(shù)，2021（18）：162-167.

［5］王金陽.基于心理語言學(xué)的大學(xué)英語口語教學(xué)改革實(shí)證研究［J］.遼寧經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2021（2）：140-142.

［6］黃慶勇，林水花，黃小藝.云課堂加顯微數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)模式在中藥顯微鑒定教學(xué)改革中的應(yīng)用［J］.海峽藥學(xué)，2021（4）：105-106.

［7］章小華，黃律璋，章琬，等.基于UMU互動(dòng)平臺翻轉(zhuǎn)課堂混合式教學(xué)模式的構(gòu)建與應(yīng)用——以Web技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)為例［J］.辦公自動(dòng)化，2023（8）：39-42.

［8］路紫瑤，馬傳福，張春玉，等.高職院?；诜D(zhuǎn)課堂的互動(dòng)式教學(xué)模式實(shí)踐——以長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院人體生理學(xué)課程為例［J］.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023（2）：72-75.

［9］張曉蕾，王芳，王愛麗，等.“三維一測”智慧教學(xué)互動(dòng)模式構(gòu)建與應(yīng)用——以《現(xiàn)代教育技術(shù)》為例［J］.德州學(xué)院學(xué)報(bào)，2023（2）：101-105，110.

［10］祝晶瑩.基于iFIAS分析法的課堂教學(xué)互動(dòng)研究——以三節(jié)部級小學(xué)語文優(yōu)質(zhì)課為例［J］.國家通用語言文字教學(xué)與研究，2023（1）：137-139.

（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