基于手机短信的课堂应答系统设计与实现:小学课堂应答观察 分析的作用
时间：2019-01-15 03:21:49 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘要]课堂应答系统(CRS)在现代课堂教学中越来越受到人们的关注。文章给出了一种基于手机短信的课堂应答系统设计方案。它具有成本低，使用方便，功能丰富等特点。方案中核心硬件是一台专用短信接收设备，它结合了ARM单片机与短信收发模块M22，具有丰富的计算机接口，能够应用在各种多媒体教室中。该系统在实际课堂教学中得到了应用，能够满足课堂即时互动教学的要求，提高了教学效果。学生积极参与课堂应答系统教学。
[关键词]课堂应答系统；手机短信；互动教学
[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009―8097(2011)09―0098―05
一 课堂应答系统综述
当今社会，以计算机技术、网络技术和移动通信技术为代表的信息技术正在飞速发展。信息技术在现代教学领域也得到了充分的应用。课堂应答系统(CRS，Classroom ResponseSystem)在国内外课堂教学中逐步得到重视和推广。这种系统可以将学生对教学问题的回答即时反馈到教学计算机中，经过计算机汇总分析之后，实时显示在课堂投影屏幕上，显示的方式灵活多样，可以充分调动学生们的学习积极性，提高教学质量。这样系统也称为学生反馈系统(SRS，SmdentResponse System)、互动反馈系统(IRS，Interactive ResponseSystem)，或简称为Clicker。
课堂应答系统主要由三个部分组成：学生的手持终端、无线接收设备和教学计算机，如下图所示：
不同的CRS系统主要区别在于手持终端与无线接收设备之间的通讯方式上。常见的方式包括无线射频，红外、超声波、有线网络等。一般手持终端是专用设备，允许学生发送简单的选择题答案。
现有的一些CRS系统普遍采用的基于射频和红外的专用终端。它们体积小，传输距离满足教室距离。但存在以下应用缺点：
(1)终端功能有限，发送信息较少，一般只适合做选择类的题目；
(2)终端是专用设备，系统建设一次性投入成本高；
(3)该设备只是用于部分课堂教学，学生携带不方便。
相对于第二、第三个缺点，第一个缺点则会直接影响教学效果。具体表现为学生只能完成比较单一的选择题，无法表达自己的更多的想法，相对受到的压力小。而开放性的问题则可对学生产生更多的压力，激发学生探究的热情。但是使用一般的手持终端同学无法输入更多的信息，从而降低了课堂应答系统的应用效果。
针对于上述缺点，本文提出了基于手机短信的课堂应系统方案。它是现代移动技术的普及产物，适应于大学本科教学。如今大学生基本上已经都具有个人手机，手机功能虽然千差万别，但是都具有发送和接收短信功能。因此课堂应答系统中的无线接收模块只要具有短信接收功能，便可以实现学生问题答案的接收反馈。在此方案中，不需要专用手持终端，学生只要使用自己的手机即可，因此系统建设成本小，学生携带方便。由于手机短信可以发送大量信息，因此可以进行课堂充分互动。
下面本文将就系统设计与实现，专用短信终端设计以及课堂应用效果进行介绍。
二 系统设计与实现
基于短线平台的课堂应答系统包括有系统硬件和与之相匹配教学软件。系统硬件核心是一个专用短信收发模块，其余设备均可以使用现有的多媒体教室设备。
1 系统设计要求
系统设计的基本功能要求包括有：
(1)显示教学内容，发布交互问题；
(2)接收手机短信或者飞信；
(3)分析手机短信内容，进行答案汇总并实时显示在课堂投影屏幕上；
(4)对于学生交互信息进行存储和查询。
为了给学生提供更多参与互动方式，降低学生发送短信的费用负担，提高系统响应速度，进一步加强教师和同学交流针对性，系统还需要具有以下扩展功能：
(1)具有无线联网功能：上课自带笔记本电脑的同学可以使用无线网卡直接接入教学计算机。另外那些手机具有Wifi功能的同学也可以使用无线直接接入教学计算机；
(2)具有回答结果信息查询功能：便于教师针对提供不同问题答案的同学进行交流；
(3)具有短信发送功能：可以针对性的向学生发送提示信息。
以上功能，是由系统的硬件和软件配合来完成。
2 系统硬件组成
课堂应答系统主要包括有短信接收模块，教学计算机以及投影仪和投影屏幕等。系统构成如下图所示：
系统中的投影仪、投影屏幕、教学计算机都可借用原有多媒体教室中的设备，无需任何改动。所要增加的硬件就是一个短信专用接收模块，它可以通过串口、USB接口或者网线与教学计算机相连。具有丰富的计算机接口可以使得它能够适应各种多媒体教室中的计算机。
在基本系统中，学生可以使用任何带有短信发送功能的手机参与课堂交互过程。
为了进一步降低学生短信费用开销，系统可以再增加一个Wifi无线网关与教学计算机相连，同样可以借用原有的教室网络设备。学生还可以通过以下三种方式进行课堂互动：
(1)通过带有Wifi功能的手机直接接入教室无线网关；
(2)通过带有GPRS功能的手机发送飞信；
(3)通过自带笔记本电脑接入教室无线网关。
关于短信专用接收模块的设计参看第三部分介绍。
3 系统软件设计
迄今为止，由于课堂应答系统缺乏统一的标准，传统的教学软件(例如PowerPoint)还都不具备即时交互功能，因此需要编写专用软件来完成课堂交互教学功能。交互软件开发模式包括两种；第一种是做成PowerPoint可以直接插入的软件控件，这样可以直接在PowerPoint中应用短信交互功能，使用起来比较方便；第二种是开发专用教学软件，同时具有接收短信进行课堂交互的功能。
本文采用了第二种方式，首先开发了一套交互式教学软件。该软件一改传统PowerPoint的分页幻灯片式的风格，采用了画报式的风格，具有缩放功能的显示方式。在一页教学内容中可以包含更多的教学内容，并且允许按照不同的排版方式组织教学内容。关于该软件的设计我们将会另文介绍。在交互教学软件中嵌入了基于短信的课堂交互软件模块。利用原有交互软件既可以增加课堂交互效果，吸引同学参与，同时也降低了短信模块中的界面显示功能的开发。
为了提高课堂交互效率，在短信功能模块中设计了多种问题模式：
模式1：普通问题模式。该模式允许学生将问题答案或者疑问通过短信文字发送给教学计算机，直接显示在投影屏幕上，教师通过软件逐条显示文字信息并作讲解。
模式2：选择题模式。该模式下，学生将选择题(单选、多选)答案发送给教学计算机。计算机软件将统计答案结果直接显示在屏幕上。
模式3：分类汇总模式。该模式用于没有固定答案的提问。计算机软件将同学发送上来的信息进行分类汇总，然后将结果显示在计算机屏幕上。
上面每种模式还都具有不同的显示风格。比如对于分类 汇总结果可以使用表格、曲线、饼图等不同的形式呈现。针对不同的教学内容选择上述三种模式综合应用可以提高课堂交互效果。下面给出了显示这三种模式的软件界面。
软件开发按功能划分为若干模块，见图6。软件分为两大部分，一部分集成在交互式教学软件中，另一部分运行在短信专用接收模块中。
三 短信专用收发模块设计
系统中的短信专用收发模块除了能够发送和接收手机短信之外，还具有多种计算机接口：串口RS232，USB接口，网络接口等，这样可以适用于多种多媒体教室的计算机接口。虽然市场上可以购买到一些基本短信模块，但是不具有上述完备的接口。本文采用一颗ARM7的单片机和GSM／GPRS模块M22制作了专用短信收发模块，它具有以下功能：
(1)短信的自动接收与发送，并进行字符格式转换；
(2)通过一组简单协议与计算机进行通讯，简化计算机教学软件功能，提高系统实时响应能力。
1 硬件系统框图
短信专用接收模块的硬件主要包括有：ARM7单片机、GSM短信模块、网络接口芯片以及串口接口芯片等。系统框图如下图所示：
系统中ARM单片机采用了Atmel公司的AT9ISAM7S128单片机。它具有128k字节Flash，32k字节RAM，2路UART，1路USB接口。它的接口丰富。Flash／RAM容量大，为硬件功能软件设计提供了充足的存储空间。
GSM短信模块采用了台湾明基公司的GSM／GPRS M22短信模块。它提供了RS232接口，单片机可以通过AT命令控制模块进行短信的收发。
网络接口芯片采用了Microchip公司的ENC28J60。它通过SPI与单片机相连，大大简化了系统连线设计，非常适合于通讯数据量较小的嵌入式网络应用。外部通过网络变压器直接与RJ45网络接口相连。
系统主要芯片都工作在3.3V电压下，电源模块将外部供电转换成3.3V电压。
2 软件设计
由于硬件接口众多，各种接口响应速度要求不一样。例如与M22通讯使用AT命令，速度慢。相对于网络接口，速度则要求非常快。为了能够满足软件任务要求，在软件框架中加入了uCOS-II的嵌入式操作系统。uCOS-II是专门为嵌入式计算机设计的抢占式实时多任务操作系统内核，它最多可以支持64个任务。
将系统软件的功能分成几个并行的任务，它们之间通过进程间通信共同完成短信的收发、转换以及与计算机通信的功能。软件具有如下四个任务：
任务1：M22短信收发任务；
任务2：串口通信任务；
任务3：网络接口任务；
任务4：USB接口任务。
以上四个任务中，任务1负责M22的短信收发任务。在该任务中，通过串口使用AT命令查询M22中是否存在接收到的短信，如果有则接收短信并删除M22中对应的短信，然后进行编码转换，最后通过另外三个任务将短信信息发送给计算机。如果没有短信，则查询M22的状态，主要是接收信号强度信息。其它三个任务分别响应串口、网络和USB接口命令，并将接收到的短信和系统状态返回给计算机。如果接收到短信发送命令，则通过任务1发送短信。
四 课堂应用
采用上述基于短信的课堂应答系统在实际课堂教学中进行了应用。课程是面向大学本科生三年级UNIX系统基础课，课堂学生八十人。由于这是一门计算机基础课程，平时有大约三分之一的同学自带笔记本电脑听课。
在课堂上，同学们可以通过以下四种方式参与互动：一是使用普通手机短信；二是使用计算机发送飞信；三是通过计算机直接连入教学计算机无线网关；四是通过手机WiFi连入教学计算机无线网关。同学们通过手机短信或者飞信发送问题答案，计算机可以在两分钟内接收到八十条短信并将汇总结果显示在屏幕上。利用笔记本计算机或者手机直接连入教学计算机无线网工发送答案则非常快。实践证明，对于组织一个五到十分钟基于问题的课堂讨论，基于短信的课堂应答系统是可以满足教学需求的。
学生对于通过短信进行课堂互动参与非常积极。他们不仅可以回答老师提供的选择性问题，而且通过短信表达独特的见解和新颖的想法。在课间也能够将听课的疑问直接发送到计算机屏幕上，便于教师在下节课开始统一进行解答。通过一学期的教学实践，同学们普遍反映提高了对课程的兴趣，对课堂参与度更高了。此外部分同学还参与了手机应用软件开发。比如使用手机的Wifi直接接入教学计算机的时候，手机终端中的Java应用程序便是同学们自行开发设计的。
使用课堂应答系统对于教师提出了更高的要求。一方面需要根据讲授内容设计出合理的教学问题，激发同学们的探讨兴趣。问题要求难度适中，同时又具有一定的挑战性。另一方面教师还需要具有很强的课堂掌控能力，对于学生给出的各种意外的答案能够有针对性的讲解和引导，这样学生从中获得比教师备课内容更加丰富知识和体验。
基于短信的课堂互动提供了比其它课堂互动方式更加丰富的功能，但是它也具有一定的缺点，主要有：
(1)信息反馈相对较慢，在有些情况下，个别的短信有可能会延迟半分钟到三分钟；
(2)学生使用手机发送普通短信还需要负担一定的费用。
以上缺点除了可以使用前面提到飞信、Wifi无线连接方式进行改进之外，学校还可以与无线通信运营商订购短信接收专线服务来解决。
五 总结
本文提出了一种基于短信的课堂应答系统的解决方案，并进行设计与实现。在硬件上设计开发了短信专用接收模块，同时编写了相应教学软件，利用传统多媒体教室便可以进行课堂即时应答教学。实际课堂教学证明了本系统的有效性和实用性，受到了听课同学们的喜爱。
随着移动通信技术不断普及和进步，将来学生们的手机都可以直接连入Internet，届时同学们适用手机参与课堂应答互动将会更加便捷，而通过短信进行课堂互动便成了一种辅助手段。
