CN114170879A - 全无线交互式的实验教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全无线交互式的实验教学系统,主要解决传统电子信息类专业实验准备工作复杂、实验板各器件易损坏和教学方式不够智能的问题。其包括：智能终端、实验平台、交互模块、鉴权模块和调试通道模块。其中，智能终端用于存储数据及协调控制各模块间数据交换，交互模块通过所述智能终端及调试通道模块无线与实验平台连接。通过鉴权模块验证后，教师在交互模块上传实验相关资料至智能终端或下载学生上传的实验结果，学生下载实验相关资料后可根据自身情况进行实验，并将实验结果提交至智能终端。本发明整体结构合理、实验操作简易，能保障硬件设施的安全，减少教师和学生实验前的准备工作量，增强学生的自主性，提高实验教学的效率与质量。

Description

全无线交互式的实验教学系统

技术领域

本发明属于教学设备技术领域，特别涉及一种实验教学系统，可用于电子信息类实验课程。

背景技术

实验是指学生在教师指导下学习使用一定的仪器、设备、材料和手段，就某些特定问题进行有关的观察、测量、数据处理与分析，并得出或验证某些科学结论的过程。实验教学直观明了生动，便于加强学生对学习内容的理解并可以让学生积极参与到课程中来。对于一门重要的专业课程，其实验课的突出特征是理论与实践并重，强调技术应用，让学生了解所学知识的实际运用。目前实验教学在各个高校教学计划中都是不可或缺的一部分，对于实验课程教学模式和效果高校也越来越重视，对实验课程的改革也有着十分重要的意义。

不同专业的实验教学内容和方法有较大差异。对于电子技术专业而言，其实验教学是以硬件电路为载体，以编程语言表达系统逻辑，它可以帮助学生通过做实验的方式提高编程能力，更加深入的理解课堂所学内容，培养学生实践与创新能力。例如使用编程语言去控制某个硬件，观察硬件电路的表现对编程结果进行验证，在此过程中学习编程语言和逻辑设计，是一个非常重要的教学实践环节。

然而传统的电子专业实验教学课程中，高校实验教学普遍使用通用硬件开发板进行，课程针对性不强，而且在实验课堂教学中，教师需要先将实验板、连接线以及实验板资料分发给学生，学生先对照资料与实验板进行接线后才能继续进行实验，效率低下，使用时各部分零散且容易损坏，实验后教师需要收回实验器材，不便于教师对实验器材的集中管理。且传统实验教学方式需要统一规划实验课程的日期安排，教师还需兼顾每位学生的水平差异，影响统一讲解授课的进度，且一致化的教学安排对基础较好或对所做实验有兴趣同学的深入研究学习及实践技能的提高造成阻碍。

发明内容

本发明的在于提出一种全无线交互式的实验教学系统，以克服上述现有电子专业实验教学存在的问题，提高实验教学效率和学生的实践技能。

实现本发明的技术思路，是将实验中各组件集成为系统，以保护硬件设施的安全，将有线连接变为无线连接，将实验指导资料存于系统中，减少教师学生的课前准备工作。学生可随时进入系统，在系统中获取需要的实验指导资料，并且基本只需要在交互模块操作控制便可自主进行实验，完成试验后退出系统即可直接离开，实现智能、快捷的实验教学流程。

根据上述思路，本发明的技术方案如下：

智能终端，其包括微控制器、通信电路和服务器，用于存储数据、控制协调各模块数据的传输；该服务器微和控制器和中均保存有包括实验系统说明书、实验主板资料、实验课件和实验所需软件工具的教学数据文件，便于学生实验时下载获取；

实验平台，其包括实验主板与交互电路，用于验证电路的逻辑设计和实现逻辑的功能；

交互模块，其与智能终端无线连接，用于教师上传和学生下载实验所需的指导文件和工具文档，并实现实验交互功能；

鉴权模块，其与智能终端连接，用于采集和验证用户信息，判断其是否具有操作权限；

调试通道模块，分别与智能终端和实验平台连接，用于接受并处理智能终端传输来的指令，并将处理后指令发送给实验平台。

进一步，所述微控制器包括SOC、内存、板载存储、多个通信接口以及多个具有通信功能的外设，其用于控制、协调系统各模块间的数据传输交互；该微控制器通过通信电路与服务器连接，用于将有线信号和无线信号互相转换，实现微控制器与和交互模块之间的无线连接，并将微控制器通过通信电路发送的数据存储到本地或云端；

进一步，所述实验主板，包括可编程逻辑器件和分别与其连接的电源、存储器、调试口、晶振和扩展引脚，用于接收处理从调试通道和智能终端传输的数据，并控制交互电路做出相应响应。

进一步，所述交互电路，包括多种用于用户交互的扩展功能电路，其由按键开关、LED、数码管、LCD显示屏、高清多媒体设备和音频外设分别与实验主板连接组成，用于根据实验主板控制信号显示相关数据信号和提供用户与实验主板之间的交互接口。

进一步，所述交互模块，包括基于PC或移动设备的教师端和学生端；该教师端用于上传实验指导资料与工具文件至智能终端，下载学生端上传实验结果；该学生端用于学生从智能终端中下载预先存入智能终端中的实验指导资料与工具文件，并进行程序下载调试、串口配置调试和网络数据收发等实验，实验结束后上传结果至智能终端；

进一步，所述鉴权模块包括采集电路和鉴权中心，该采集模块采用NFC读写器电路或摄像电路，并与智能终端连接，用于采集用户的身份信息，发送至智能终端；该鉴权中心，用于对比采集的用户身份信息与已认证后存入智能终端中的用户身份信息，验证用户是否具有使用权限，验证通过后，鉴权中心向用户开放软件交互模块。

进一步，所述调试通道模块，采用由接口桥接芯片、电平转换芯片、可编程逻辑器件、电源芯片、晶振和扩展接口连接组成的数据通信接口桥接电路。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于将传统实验中的硬件开发板改为实验平台，将传统实验过程中用于调试硬件电路的连线部分改为无线连接，减去了实验课前教师分发通用开发板及连接线和学生进行实验前先按照要求连接好电路的步骤，使学生可直接通过该系统的实验平台与交互模块进行实验，方便快捷地进行实验学习，避免了零散分开的实验器件容易丢失、插拔线过程中失误造成实验电路损坏的问题，极大程度上保障了硬件电路器件的安全，减少了教师和学生实验课的提前准备工作。

2.本发明由于将用户身份信息、系统使用说明、实验指导资料、工具文件以及实验教学课程计划保存至智能终端中，学生通过身份验证后，下载实验指导资料与工具文件，了解课程计划，明确实验目标、实验环境和实验内容后，便可根据自身情况自主进行实验学习，结束后将实验结果上传至智能终端完成实验，教师可随时从智能终端下载查看学生学习结果，相较于传统实验教师需统计查勤、将实验指导资料和软件工具分发给学生、按照统一的课程计划进行教学，且在实验结束后现场验收或收集整理实验报告，简化了实验课程教学过程，提高了学生实验学习的自由度和实践技能水平。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为本发明本发明系统中的实验平台结构图；

图3为本发明系统的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例中进行清楚、完整地描述，

参照图1，本实例的全无线交互式的实验教学系统，包括：智能终端、实验平台、交互模块、鉴权模块、调试通道模块。其中：

所述智能终端，包括微控制器、通信电路和服务器，该微控制器包括SOC、内存、板载存储、多个通信接口以及多个具有通信功能的外设，其用于控制、协调系统各模块间的数据传输交互。该微控制器与显示屏连接，用于显示智能终端工作状态，并通过通信电路无线连接交互模块和服务器；该服务器采用本地服务器，用于存储数据，多个智能终端可共用一台服务器，每个智能终端通过各自的独立通道上传和下载服务器数据。

所述实验平台，如图2所示，其包括实验主板和交互电路，该实验主板为可编程逻辑器件和分别与其连接的电源、存储器、调试口、晶振、扩展插口和引脚；该交互电路包括分别与实验主板连接的按键开关、LED、数码管、LCD显示屏、高清多媒体设备和音频外设，通过交互模块编译下载代码至实验平台中实验主板，通过实验主板控制交互电路实时显示相应实验结果，学生通过控制按键开关能够改变实验主板中可编程逻辑器件的引脚电平，验证并分析编写逻辑。

所述交互模块，包括基于PC或移动设备的教师端和学生端，且均与智能终端无线连接，通过鉴权模块验证身份信息后，根据身份信息进入教师端或学生端的Web浏览器界面；教师通过教师端上传实验指导资料与工具文件至智能终端以供学生下载，或下载学生端上传的实验结果，对其进行统计整理生成学生实验结果文档保存至PC端或移动端，便于实验结果的集中管理；学生通过学生端用从智能终端中下载预先存入智能终端中的实验指导资料与工具文件，自主了解实验内容与实验流程，并进行无线下载调试程序、调试串口通信和网络数据收发等实验，实验中与实验平台的通信状态和通信数据记录实时显示在学生端，实验结束后点击上传将结果处理后发送至智能终端保存，其具体功能可根据需求随时添加。

所述鉴权模块，包括采集电路和鉴权中心，该采集电路采用NFC读写电路，其与智能终端中的微控制器连接，用于读取学生校园卡信息，并将标签序列号存储至智能终端；该鉴权中心在智能终端运行，在用户注册时将采集电路采集到的信息编码或与学生姓名学号这些信息匹配起来，在验证用户身份信息时用于与已注册存储的身份信息进行对比，并将对比结果发送至交互模块，交互模块根据对比结果对学生端或教师端进行选择不开放或者开放。

所述调试通道模块，分别与智能终端和实验平台连接，其采用由接口桥接芯片、电平转换芯片、可编程逻辑器件、电源芯片、晶振和扩展接口连接组成的数据通信接口桥接电路，用于接受并处理智能终端传输来的指令，并将处理后指令发送给实验平台，例如：学生在交互模块将编译文件发送至智能终端，智能终端通过USB传输至调试通道模块，调试通道模块将其转换为JTAG信号发送给实验平台中实验主板，完成对可编程逻辑器件的远程下载调试。

参照图3，上述全无线交互式的实验教学系统的使用流程如下：

首先打开系统各模块电源，待系统正常启动后，在PC端或移动端将交互模块无线连接至智能终端。通过系统鉴权模块中的采集电路采集校园卡信息，发送至智能终端中的鉴权中心鉴定，若智能终端不存在匹配信息，需要进行身份信息注册认证，注册认证后将身份信息保存至智能终端中，若验证通过则具有操作权限，进入系统交互模块中的教师端或学生端。

教师在教师端可上传实验指导资料与软件工具，包括实验板资料、系统使用说明以及实验教学课程计划至智能终端，并可下载学生实验成果；学生在学生端下载实验指导资料与工具文件，了解实验目标、实验环境和实验内容后，在交互模块进行无线下载调试程序、调试串口通信和网络数据收发实验，通过与交互模块无线连接的智能终端将指令与数据传输至调试通道模块，调试通道模块接收处理后传至实验平台的实验主板实现无线数据交互，通过实时反馈在交互模块和实验平台上的交互电路的实验数据和现象，加上交互电路中按键开关等电路验证逻辑设计情况，实验结束后将结果上传至智能终端，点击结束退出系统。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种全无线交互式的实验教学系统，其特征在于，包括：

智能终端，其包括微控制器、通信电路和服务器，用于存储数据、控制协调各模块数据的传输；该服务器和微控制器中均保存有包括实验系统说明书、实验主板资料、实验课件和实验所需软件工具的教学数据文件，便于学生实验时下载获取；

实验平台，其包括实验主板与交互电路，用于验证电路的逻辑设计和实现逻辑的功能；

交互模块，其与智能终端无线连接，用于教师上传和学生下载实验所需的指导文件和软件，并实现实验交互功能；

鉴权模块，其与智能终端连接，用于采集和验证用户信息，判断其是否具有操作权限；

调试通道模块，分别与智能终端和实验平台连接，用于接受并处理智能终端传输来的指令，并将处理后指令发送给实验平台。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微控制器包括SOC、内存、板载存储、多个通信接口以及多个具有通信功能的外设，其用于控制、协调系统各模块间的数据传输交互。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微控制器通过通信电路与服务器连接，用于将有线信号和无线信号互相转换，实现微控制器与服务器和交互模块之间的无线连接，并将微控制器通过通信电路发送的数据存储到本地或云端。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实验主板，包括可编程逻辑器件和分别与其连接的电源、存储器、调试口、晶振和扩展引脚，用于接收处理从调试通道和智能终端传输的数据，并控制交互电路做出相应响应。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交互电路，包括多种用于用户交互的扩展功能电路，其由按键开关、LED、数码管、LCD显示屏、高清多媒体设备和音频外设分别与实验主板连接组成，用于根据实验主板控制信号显示相关数据信号和提供用户与实验主板之间的交互接口。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交互模块，包括基于PC或移动设备的教师端和学生端；

该教师端用于上传实验指导资料与工具文件至智能终端，下载学生端上传实验结果；

该学生端用于学生从智能终端中下载预先存入智能终端中的实验指导资料与工具文件，并进行程序下载调试、串口配置调试和网络数据收发等实验，实验结束后上传结果至智能终端；

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述鉴权模块包括采集电路和鉴权中心；

该采集模块采用NFC读写器电路或摄像电路，并与智能终端连接，用于采集用户的身份信息，发送至智能终端；

该鉴权中心，用于对比采集的用户身份信息与已认证后存入智能终端中的用户身份信息，验证用户是否具有使用权限，验证通过后，鉴权中心向用户开放软件交互模块。

8.根据权力要求1所述的系统，其特征在于，所述调试通道模块，采用由接口桥接芯片、电平转换芯片、可编程逻辑器件、电源芯片、晶振和扩展接口连接组成的数据通信接口桥接电路。

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