数字化平台答题示意图【数字化互动式课堂答题系统的设计与实现】

　　摘要：无线遥控装置是一种很方便的数字化控制工具，具有能耗低、体积小、使用方便等特点。用于课堂教学及演示优势明显，可摆脱传统的讲台教学模式，使得数字化互动式教学得以展开。基于这种特点，设计一种远程遥控互动式课堂答题系统，以实现课堂教学新理念。
　　关键词：遥控 互动教学 课堂答题系统
　　中图分类号：TP334 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0086-02
　　
　　近年来，数字化互动工具作为一种课堂教学新理念，有生动性、立体化、效率高等，是深化教育改革的基础平台[1]。该模式的实施与传统教学模式有不同的操作程序[2]，而目前国内外有一批企业和公司已致力于数字化互动教学产品，而市面上还鲜有数字化、实用有效的互动教学工具。本研究进行了远程无线互动课堂答题器设计与实现，可满足互动教学的环境创设、互动活动组织、互动结果评价等要求，给课堂提供了一种合适的互动教学平台。该系统应用红外遥控 (IR)技术，学生可手持遥控器与教师互动，以计算机为中介，教师与学生、学生与学生可互动，提升课堂互动的量与质，学生兴趣与学习效果得以提高。该系统用网络收集所有互动活动记录，建立教学过程档案，在集中式教学资源网站中分享所有教学资源。
　　1、课堂答题器的遥控原理
　　1.1 电磁学原理
　　目前，应用于遥控的通信方式主要有射频和红外两种,是以电磁波来达到信息传输的目的。电磁波在空间传播时，若遇到导体，导体中产生感应电流，感应电流的频率跟其激发电磁波的频率相同。因此，利用放在电磁波传播空间中的导体，就可接收到电磁波。
　　当接收电路的固有频率与接收电磁波的频率相同时，接收电路中产生的感应电流最强[3],称该现象为电谐振。使接收电路产生电谐振的过程为调谐；能调谐的接收电路为调谐电路。
　　由调谐电路接收到的感应电流，经调制的高频振荡电流，还不能直接得到所需信号。须从振荡电流中“检”出所需信号称为检波。检波是调制的逆过程也称解调(该过程均为数字调制)[4]。
　　脉冲编码调制(PCM)：载波S(t)=Acos(ωt+φ),参量包括幅度A、频率ω、初相位φ、时间t,调制是使A、ω或φ随数字基带信号的变化。ASK方式是用载波的两个不同振幅表示0和1,用载波的两个不同频率表示0和1；而PSK方式是用载波的起始相位的变化表示0 和1。
　　ASK幅移键控（Amplitude shift keying）：“幅移键控”又称为“振幅键控”，记为ASK。也称“开关键控”的，又记作ASK信号。ASK是一种相对简单的调制方式,该方式相当于模拟信号中的调幅，只不过与载频信号相乘的是二进制数码而已。幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，信息比特是通过载波的幅度来传递的，如(图1)所示，解调时利用检波器等解调为CPU所能识别的数字信号。
　　Fig.1.ASK modulation
　　1.2 接收原理
　　(1)射频RF(Radio Frequency)接收表示空间的电磁频率范围为300KHz～30GHz,利用电路LC振荡产生空间电磁波，改变L、C的参数就可达到想要的频率(，其中角频率ω=2πf），利用电磁感应谐振原理接收[5]。
　　(2)红外接收：光谱位于红色光之外，波长为0.76～1.5μm，比红光的波长还长，这样的光被称为红外线。常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通Ф5mm发光二极管相同，只是颜色不同。利用红外波作为载波发射，一般40KHz左右。接收端利用红外一体接收头接收滤波放大，再进行解码[5]。
　　1.3 编码原理
　　图2为一般的遥控控制模块;(图3)所示[5]发射电路发射信号，一般为一组引导码、地址码、数据码、数据反码构成的脉冲方波信号。引导码的作用为开始作用，由等长的一组高低电平表示（比地址码和数据码中的脉冲宽度要长），当接收器接收到这组信号时，说明数据即将传送；地址码起识别作用，不同的遥控器地址码都不同，可区分信息的来源，一般地址码会有2组，保证传输可靠，如2组地址码不同，则该组信号丢弃；数据码是传输的数据，由“0”和“1”组成，“0”由一对宽度相同的高低电平表示，“1”由一个低电平和一个宽度更长的高电平表示，以“0”和“1”的不同组合表示不同数据信息，一般为8位；数据反码的作用是将其数据码取反，以验证数据码的正确性，只有数据码和其反码能对应时，数据才有效的。
　　Fig.2.The Infrared Remote Control Unit.
　　 Fig.3.The Encoding Principle.
　　2、课堂答题器设计与实现
　　2.1 硬件电路
　　PPT报告器的原电路分为发射电路和接收电路。发射电路有二极管指示LED灯、脉冲发射、控制器(发射芯片及声表谐振器) 。利用声表谐振器代替LC谐振电路，主要原理是利用压电材料的压电特性，利用输入与输出换能器将电波的输入信号转换成机械能，经过处理后，再把机械能转换成电的信号，以达到过滤不必要的信号及杂讯，提高收讯品质的目标[6]。接收电路有USB传输口、SYN400R单片无线接收芯片（完全的单片UHF接收器件）频率范围300～440 MHz，接收灵敏度-97dBm，在外接LNA放大的情况下，典型通讯距离超过200米（315MHz单极性天线）传输速率4.8kbps(SWP)，10kbps(FIXED)，自动调谐，无需手动调节，无需外接滤波器和电感、解码转换器、晶振、接收线圈。
　　2.2 软件控制
　　接收信号经接收器解码后，由单片机将信号转为串口ASC码值输入计算机,这里的输入为VK_PRIOR 33 Page Up键和VK_NEXT 34 Page Down键,大写字母为对应的常数符号,数字为ASC码值。在计算机里,用一个改键软件将键值改为A和B对应的键值,可方便识别。且利用VC++6.0平台建立了一个窗口,可提供题目显示及选择后判断,其流程图如图4所示。
　　2.3 实现结果的操作
　　老师将题目显示给学生，学生可利用遥控答题器进行答题。有A、B、C、D四个选择答案，答案在选择后在窗口的题目下方自动打印输出。这样使课堂教学的互动性大大提高，学生也觉得非常生动有趣[7]。
　　2.4 实现结果的拓展
　　(1)多答题器同时答题：从硬件电路上可改变不同答题器发射的地址码，达到识别作用；亦可在ASC码输入时改变映射输入来达到识别[8]。
　　(2)对所选答案进行统计总结：利用Excel软件进行统计，将所选数据输入Excel中。
　　3、结语
　　本设计采用了红外遥控技术及USB接口技术，使得课堂互动答题器得以实现。这种教学工具方便易用、抗干扰强、成本较低等优点[8]，适合在学校课堂互动教学中推广使用。该系统有助于进行实时的信息反馈，教师可随时了解学生对各知识点的掌握情况，为教师提供量化指标，检测教学效果，方便记录每个学生长期的学习情况。对学生而言，变被动接受为主动探索，在具体操作中进行独立思考，促进了创新意识的培养。
　　参考文献
　　[1] 卢荣德,程福臻,陶小平.大学物理课堂研究性教学模式的探索与实践[J].教育与现代化,2010(2):37-42.
　　[2]卢荣德,程福臻等.大学物理演示实验动感创新教学平台的探索与实践[J].物理通报, 2011(1):42-45.
　　[3]杜洋.红外遥控编码全攻略[J].2005.www.省略.
　　[4]李晓风,周宁,周亮等.通信原理[M].清华大学出版社.
　　[5]宋东生.红外遥控电路.无线电[J].2003.4.
　　[6]宋祖顺,宋晓勤,宋平等.现代通信原理[M].电子工业出版社,2003.
　　[7]辛本柱等.新手学Visual Basic[M].北京希望电子出版社,2010.
　　[8]卢荣德.大学物理数字化演示实验教学平台[J].实验室探索与研究,2006(4):56-57.
　　基金项目
　　安徽省高等学校省级教学研究项目(2010009, 20100026)和国家教委高等学校教学研究项目(WJZW2010hd)资助
　　作者简介
　　白爽（1992―）,男,本科生,主要从事智能控制与模式识别的研究。通信联系人。卢荣德(1968―),男,硕导,副教授,主要从事光声光谱方面的研究。
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