基于ZigBee的音乐课程在线辅助教学系统设计

张丽群

(宁夏艺术职业学院,音乐系理论教研室， 宁夏,银川 750021)

0 引言

目前，学生不仅加强专业课程的学习，对于其他课外兴趣爱好的学习也很重视。其中，音乐课程的学习较为广泛。音乐课程在线辅助教学系统对于教学交互感要求较高，如果系统硬件区域音卡传感器以及其他器件的基础配置较低，将导致学生和教师教学中出现隐形障碍，最终导致课程在线辅助效果不佳[1]。音乐教学辅助系统功能不能过度繁琐，影响学生和教师的使用体验感，进而从根本上增加学习者对于音乐课程在线辅助教学的抵触情绪，影响系统功能体现[2]。为此，该领域研究人员对课程教学辅助系统进行很多研究，并取得了一定成果。

文献[3]提出设计了一种基于现代化信息技术的音乐课程辅助教学系统。该系统总体架构为B/S架构，在系统设计中引入现代化信息技术。系统中包括课程数据库、功能模块等，并且优化了学生、教师以及设备间的界面优化，完成了系统设计。该系统运行良好，但对教学效率考虑较少，存在一定局限。文献[4]提出设计基于计算机应用技术的数字化音乐课程教学辅助系统。该系统首先分析学生及教师的需求，针对其功能需求进行系统设计。将具体教学数据保存到数据库中，并将其转化为生动的图像数据信息。该系统有效提升了教学效率，但其数据库中存储的数据较少，还需要进一步改进。

针对上述系统中存在的不足，本文以音乐课程在线辅助教学涉及到的教学行为和教学任务作为设计目的，通过对系统硬件设计和软件设计，对音乐课程在线辅助教学系统进行设计分析，解决传统音乐课程辅助教学系统音质存在音质瑕疵等问题，解决学习者在学习过程中的干扰问题。音乐课程在线辅助教学系统不同于其他课程的辅助教学系统，对于系统功能的要求高，并且辅助方式与之不同。按照音乐课程辅助教学的功能要求，设计基于ZigBee的音乐课程在线辅助教学系统，最后通过对比试验得出，此系统性能达到了音乐课程在线辅助教学要求。

1 基于ZigBee的音乐课程在线辅助教学系统硬件设计

本文设计的基于ZigBee的音乐课程在线辅助教学系统硬件结构如图1所示。

图1 音乐课程在线辅助教学系统硬件结构

1.1 收发器设计

系统硬件区域中收发器的工作任务将学生端和教师端需要发送音频或文字信息进行转发和接收，保证在线辅助教学系统的运行。采用HISJ-92型号的收发器，仪器遵循IEEE802.11标准无线通信协议和ZigBee的网络通信协议，保证系统在线稳定性[5]。收发器结构如图2所示。

图2 收发器结构

收发器采用单纤和双纤2种SC类型接口，对4000 V范围内雷击可进行安全防护。TVS管具有8000 V电路静电保护功能，内置过流4.0 A保护模式，支持12-48 V的宽电压输入。收发器芯片采用双层电路工业级别专用芯片，保证收发器运行效果。收发器支持全双工和半双工模型的网络通信协议，内置10/1000 m的自适应网口[6]。收发器电路图如图3所示。

图3 收发器电路图

1.2 芯片设计

芯片是音乐课程在线辅助教学系统的核心，只有芯片性能达到要求，才可以维持系统稳定运行，快速解决系统出现系统错误。为了使系统达到预期系统设计的效果，本文采用CC2430型号的芯片，此芯片体积小，易安装拆卸，并且芯片具有较高的性价比。

CC2430芯片信息发送频率为2.4 MHz，芯片每个边口设有5个并排串口，保证系统运行反应速度。芯片连接硬件区域网络协调器、资源管理器和收发器，芯片最大输出电流为90 mA，具有8个恒流源输出电路，数据移位时钟为85 Hz，数据显示刷新率为120 Hz[7]。本文系统中芯片特点为内置音频解码功能，将学生端和教师端音质百分百还原传输。此芯片具备限流以及过热保护功能，保证辅助教学系统的运行安全[8]。CC2430 芯片内部时钟结构如图4所示。

图4 CC2430芯片内部时钟结构

1.3 音质传感器设计

音质传感器是音乐课程在线辅助教学系统硬件区域最关键器件，对音质传感器要求严格，传感器任务是将学生端或教师端在线上辅助学习和教学所产生的音质进行声音传感，将教师端和学生端在线连接。音质传感器结构如图5所示。

图5 音质传感器结构图

音质传感器自振频率为10 Hz，传感器外形尺寸的标准为φ35×75 mm，重量约为350 g[9]。本文采用传感器生产成本低，系统硬件区域传感器出现功能故障时，可直接换新。音质传感器声音传感精度为±1.5 dB，频率响应范围在31.5 Hz-8.5 kHz，采用A权频率计权模式，传感器工作响应等级为FAST。音质传感器麦克风采用6 mm的电容式麦克风，音质解析度为0.1 dB。此传感器在传输时可自动对音频进行降噪处理，提高在线辅助教学的真实性。

1.4 资源管理器

系统硬件区域资源管理器的工作任务是管理学生端提交任务、教师端布置教学任务、系统内部教师和学习者信息以及辅助系统运行配置文件，任何文件出现丢失或者格式化都会影响系统的运行。因此，设计资源管理器进行统一管理和维护。

资源管理器内存充足，一旦系统存储空间不足时，进行及时的供给，系统在运行过程中会产生数据信息，为保证系统运行速度，此资源管理器定期会对系统内部无效数据信息进行清理。管理器工作最大功率消耗为5 W，由3个以太网接口，资源的调用速度为1 000 Mbps。

2 音乐课程在线辅助教学系统软件设计

ZigBee技术是IEEE802.15.4标准的一种低功耗局域网协议，此局域网络协议通常用于星形网络结构、树形网络结构以及网状网络结构中[10]。每个网络结构适用的工作领域不同，本文采用ZigBee技术的树形网络结构，设计音乐课程在线辅助教学系统软件。音乐课程在线辅助教学系统软件区域分别设计了音乐鉴赏模块、资源共享模块以及在线解惑模块，共同集成智能化的音乐课程在线辅助教学系统软件区域。

2.1 音乐鉴赏模块设计

音乐鉴赏模块中教师在线辅助教学过程中，如果任意一方想要分析课堂上音乐音频内容，可申请在线页面鉴赏模块即可，鉴赏内容定期存储在学生端数据库内。此时，对存储在学生端的音乐学习资料按照一定要求进行筛选和检索，完成音乐的鉴赏。其音乐鉴赏流程如图6所示。

图6 音乐鉴赏实现流程

2.2 资源共享模块设计

资源共享模块通过一定逻辑存储音乐教学资源信息，将上传到系统内部的音乐课程信息共享，辅助在线课程教学。资源共享时设置一定权限，只有被公认接收双方具有查看权限，其他系统内用户不具有接收权限。其中，双方在资源共享时模块注册部分关键代码如下所示。

MyPanel(){

newJLabel(*学生在线*);

newJLabel(*教师在线*);

newButton1(*用户名称*);

newButton2(*用户名称*);

……

New JPasswordField(20);

setAction Command(*entry*);

2.3 在线解惑模块设计

在线解惑模块在规定时间内，在授课进度达到要求基础上，在线辅助教学页面出现在线解惑触点，学习者通过在线提供疑惑内容，教师端解答解惑请求，形成良好的教学循环过程。其在线解惑流程如图7所示：

图7 在线解惑实现流程

3 实验分析

为了检验设计系统的性能和教学效果，本文进行对比实验分析，实验在MATLAB平台中进行，操作系统为Windows XP，运行内存为16 GB。实验中通过对比所提系统、文献[3]系统以及文献[4]系统的教学效率，验证所提系统的有效性。

实验中选取3组学习背景和知识存储相似的小学生作为学习者，通过同一个老师采用相同教学资料向3组学生分别通过不同系统完成知识点的教学，测试每一组学习者对于此课程知识点的掌握程度，得到的实验结果如图8所示。

图8 不同教学系统教学效率对比

析图8中数据可以看出，随着学生学习时长的改变，采用3种系统对教师教学效率进行测试的结果存在一定差异。其中，所提系统的教学效率均在90%以上，而其他2种系统的教学效率虽然呈现上升趋势，但相比之下所提系统的教学效率较高，具有一定可行性。

4 总结

本文设计的基于ZigBee的音乐课程在线辅助教学系统，在硬件中设计了音频传感器、资源管理器、芯片以及收发器，并根据一定规则设计软件流程，完成了辅助系统设计。实验结果表明,所提系统不仅可以完成音乐课程在线辅助教学任务，还有效提升了音乐课程教学效率。