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技术探索 | 用掌控板做课堂答题器

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在上课过程中,要了解学生的学习掌握情况,教师通常用提问的方式,让学生举手反馈。但是,用举手的方式来统计结果显然不够精确,而且只能用于判断题。在一些智慧课堂中,教师常常会借助可以在线统计结果的答题系统,设计以选择题为主的课堂练习,学生则使用平板电脑、手机之类的智能终端,及时反馈练习的结果。

因为课堂管理的问题,学生人手一台平板电脑或者手机,对许多学校来说还很难普及,比较常见的做法是购买手持式课堂答题器。其实,利用创客空间中的开源硬件,可以自主开发一个简单的课堂答题器,用低成本的方式实现课堂练习的实时反馈。

技术分析

课堂答题器是一个典型的信息系统。从原理上看,课堂答题器一般由答题终端、服务器和结果统计模块三大部分组成。答题终端接受学生输入的答案,并将身份标识信息和答案发送给服务器;服务器负责接收数据,处理后存入数据库;统计结果模块以图示的形式呈现答题的统计结果,供教师访问查看。系统工作流程如下图所示。

笔者在编写浙江教育出版社出版的教材《开源硬件项目设计》时,曾经用micro:bit设计了一个类似的课堂答题器。因为micro:bit不支持Wi-Fi,所以只能利用无线广播技术,在服务器上增加一块micro:bit作为信息接收机,再通过串口采集数据到数据库,过程有点复杂。在掌控板发布后,笔者修改了代码,直接在服务器上运行Web服务,掌控板通过Wi-Fi提交答题结果,少了一个环节,操作就简洁多了。

用Python的Flask框架编写一个Web服务器并不复杂。在数据库方面,自然选择了Python内置的Sqlite。而这个数据库仅仅用于存储数据,一个表(STU_ANS)、两个字段就可以了,如下图所示。其中STU用来存储学生标识信息,ANS存储答案。

硬件搭建

因为micro:bit的输入按钮只有A和B,作为课堂终端总感觉捉襟见肘。为了能够正确输入,笔者借鉴了空调遥控器的控制方式,即用一个按钮来循环切换答案,另一个按钮表示确定。

当更换为掌控板后,这个问题就不复存在了:掌控板有6个触摸键,可以组合出很复杂的操作。答题终端只需一块掌控板和供电底板,不需要外接任何电子模块。笔者在网上找了一下,发现盛思设计的掌控宝、桃李科教设计的百灵鸽等扩展板,采用的是堆叠式设计,方便手持操作和随身携带,很适合作为答题终端。如下图所示,就是加了硅胶外套的掌控宝,看起来很有产品的“质感”。

代码编写

在课堂答题器项目中,软件设计是重点,大部分功能都需要软件来支撑。要考虑多终端的区分,还要用友好的界面呈现答题统计结果等。

1.多终端区分的功能设计

“多终端区分”显然是一个重要的功能需求,因为要记录每一位学生的答题情况。实现用户身份标识的方式很多。例如,获取某一设备的序列号,并将序列号作为唯一标识;给设备进行编号,保证编号是不重复的,便可以作为标识;使用设备的IP地址,用IP地址作为唯一标识等。

如果使用的终端很多,采用IP地址作为唯一标识的方式比较合适,因为这样做不需要给每一个掌控板烧录不一样的固件,只需要在路由器上给掌控板的MAC地址分配固定IP。而如果只有十来个终端,直接编号再刷写固件也很方便。

2.Web服务器代码编写

Web服务器需要提供多个接口,每一个接口都是一个唯一的URL,如接收答题数据、返回统计结果等。返回数据采用标准的Json格式,具体规划如下表所示。

以统计结果为例,返回的Json数据样例如下图a所示。统计结果的算法比较简单,只要不断累加即可,参考代码如下图b所示。

图a

图b

因为代码较长,这里就不再提供具体的Python代码。如有需要,请访问GitHub:https://github.com/xiezuoru/xzrbook。

3.掌控板的代码编写

掌控板的代码并不长,核心功能是连上Wi-Fi,然后在OLED上显示操作提示。通过触摸键更新答案,按下B键则提交答案到服务器。不得不说,使用MicroPython的urequests库实现HTTP协议的网页访问操作非常简单。核心代码如下图所示。

产品测试

将掌控板的代码下载到掌控板上后,开始测试这个答题系统。首先要运行Web服务,界面如下图所示。

打开掌控板的电源开关,等待数秒后,掌控板连上Wi-Fi,其OLED屏幕上会显示操作信息。选择答案后提交,显示信息如下图所示。

打开浏览器,访问http://127.0.0.1:8080,即可看到一个简单的结果统计网页,如下图所示。

为了方便教师上课管理,笔者还特意设计了一个简单的网页,用浏览器打开后,就能设置正确答案,查看答题情况,或者清除当前答题记录,如下图所示。

笔者曾经在一堂小规模的公开课中,使用过这个课堂答题器。无论是从性能的稳定还是使用的便捷方面去比较,它和购买的课堂答题器产品差别并不大。部分学生了解了运行原理后,还提出一些很不错的想法,如将题目内容直接发送到掌控板上通过OLED显示屏显示出来,答题结束后告诉学生是否正确。当学生掌握了开源硬件的基本操作后,就多了一个能实现创意的工具。智慧校园和智慧课堂,都将成为学生发挥创意的技术实践场,这正是我们努力的方向。

本文作者:

谢作如 浙江省温州中学

李琦 浙江省诸暨海亮实验中学

节选于《中国信息技术教育》2021年第17期 专题文章

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