专利名称：学生实验辅助学习机的制作方法
技术领域：
本发明涉及实验教学辅助设备，是一种为学生自主进行物理、化学等学科实验提供实验指导的专用便携式掌上电子系统，具体地讲是一种学生实验辅助学习机。
背景技术：
目前，学校物理、化学等学科实验教学模式普遍都是老师将实验内容讲一遍，学生再进行实验操作。学生由于对实验内容的不熟悉，听的一知半解，实际操作时往往不清楚实验要点，而且通常都是一个老师带几十个学生，老师不能及时的解决每个学生的实际问题。结果常常学生做实验不彻底，甚至有些学生做实验变成走过场。而为每个学生配置一台PC计算机，学生可能用电脑做与本实验无关的事情，且其成本过高、占空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种专用辅助实验教学的，对实验过程提供全程指导，实现学生实验自主学习的学生实验辅助学习机，以克服传统实验教学模式的种种不足。
为了实现上述目的，本发明由带储存器管理功能的高性能嵌入式微处理器MCU、液晶显示器、输入设备(鼠标、键盘或触摸屏)、移动存储卡接口及外接的存储卡设备、在MCU数据总线上所设的USB接口(可外接USB集线器)、网络通信芯片及网络接口、IIS接口芯片、标准串口接口构成，其特点是微处理器MCU通过数据通讯接口(串口或USB接口)与实验仪器数据通信接口相连，微处理器MCU通过网络接口与实验网络相连接，实验网络上还连接有教师终端服务器。
本发明还提供了基于上述学生实验辅助学习机的实验辅助学习方法，该方法是通过包括实验的导航模块、实验数据采集模块、网络通讯模块、数据误差识别模块、呼叫模块五个部分功能的应用软件系统来实现的，基于该学生实验辅助学习机的实验辅助学习方法的具体步骤是第一步骤通过计算机服务器网络下载或其它移动存储设备将课件存储到每一台实验辅助学习机上；第二步骤启动嵌入式操作系统和学习机应用软件系统，完成实验的目的、原理、仪器、要点、步骤、操作演示过程、思考与讨论做准确、方便的导航；第三步骤通过点击鼠标或其它方式，随意浏览查看实验目的、实验原理、实验仪器、实验要点、实验步骤、实验操作演示过程、实验注意事项、思考与讨论各种教学内容，边学边做、对照操作，实现自主学习、完成实验；第四步骤通过实验数据采集模块将实验的数据储存到学习机内部存储单元；第五步骤网络通讯模块将实验数据和报告上传到教师终端服务器。
上述第四步骤是在实验仪器数据采集模块中用学习机的数据通讯接口将实验数据直接采集到学习机内部存储单元，或者使用学习机的输入设备(鼠标、键盘、触摸屏)将实验数据存储至学习机内部存储单元。
上述数据误差识别模块能识别记录的实验数据的对错、误差和精度，并提醒学生是否重做实验。
上述呼叫模块是在实验的过程中通过呼叫模块将老师请到具体的实验台帮忙解决具体实验问题。
本发明在老师上课前将实验教学内容按照实验目的、实验原理、实验仪器、实验要点、实验步骤、实验操作演示过程、实验注意事项、思考与讨论等教学内容分别进行讲解，并将其讲解及操作演示过程等语音和图像资料录制加工，制作成多媒体课件，再通过计算机服务器网络下载或其它移动存储设备将课件存储到每一台实验辅助学习机上。利用所开发的实验辅助学习机应用软件学生可以根据自己的实际情况有选择地、随时地对实验目的、实验原理、实验仪器、实验要点、实验步骤、实验操作演示过程、思考与讨论等教学内容进行查阅和反复浏览，边学边做、对照操作，实现自主学习、完成实验。凭借实验辅助学习机学生可在课前预习阶段、上课时做实验阶段等各个教学环节得到全程实验指导。该学习机还可将实验数据上传到服务器上供老师批改，该学习机实验数据上传时，学习机可智能识别实验结果的对错、误差和精度，并提醒学生是否重做实验，如此既可为避免学生课后伪造实验数据，又可方便老师及时给每个学生打分、记录实验成绩。该学习机还具有呼叫老师、请求答疑功能。
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的结构框图。
图3为本发明实施例的软件框架图。
图4本发明实施例的实验辅助学习机软件的功能模块图。
图5本发明实施例的教师终端服务器软件的功能模块图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的实验辅助学习方法分为运行于学生实验辅助学习机[其英文命名Student Digital Assistant(简称SDA)]上的学习机智能处理系统[其英文命名SDA Smart Processing System(简称SSPS)]和教师终端计算机上的服务器数据管理系统Server Data Manage System(简称SDMS)两个软件系统，其中学习机智能处理系统SSPS包括实验的导航模块、实验数据采集模块、网络通讯模块、数据误差识别模块、呼叫模块五个部分。实际工作过程如下初始化学习机，启动嵌入式操作系统，调用学习机系统界面，启动学习机智能处理系统，对实验的目的、原理、仪器、要点、步骤、操作演示过程、思考与讨论等做准确、方便的导航。学生可通过点击鼠标或其它方式，随意浏览查看实验目的、实验原理、实验仪器、实验要点、实验步骤、实验操作演示过程、实验注意事项、思考与讨论等各种教学内容。待学生做完所选实验后，可通过实验数据采集模块将实验的数据储存到学习机内部存储单元，其方式可采用两种利用实验仪器数据通信模块将数据直接采集到学习机内或者利用学习机输入设备(鼠标、键盘或电子触摸屏)将记录的实验数据储存至内部存储器。数据误差识别模块可智能识别记录的实验数据的对错、误差和精度，并提醒学生是否重做实验。网络通讯模块将实验数据和报告上传到服务器数据管理系统SDMS。在学生实验的过程中，可以通过呼叫模块将老师请到具体的实验台帮忙解决具体实验问题。
服务器数据管理系统SDMS，它是运行在教师终端计算机上的网络管理软件，完成实验辅助学习机的网络扩展功能，它包括教学内容输入、资料上传/下载、用户管理以及数据库管理四个模块，见图5。教学内容输入模块用于制作教学资料，包括多媒体课件形式的实验教学内容。资料上传/下载模块将更新的实验教学内容下载到各目标学生实验辅助学习机并能将学习机储存的实验采集数据上载到服务器上。用户管理模块可以实现对各实验辅助学习机的实时监控以及对提交实验数据的课后批改与审阅。数据库管理模块将方便老师对所有实验数据和实验报告的分类管理以及学期末的成绩查询与统计。
在本发明的一个具体实施方式
中，102模块中的嵌入式微处理器MCU(图1、2)可选用为手持设备设计的低功耗、高集成度的ARM系列微处理器模块或者Intel嵌入式微处理器模块等。102模块中采用一片NORFlash、一片Nand Flash、一片SDRAM静态内存以及外接的110存储模块。其中Nand Flash存储量可达512兆，用来存储操作系统内核、自定义应用程序(包括界面的实现)、硬件驱动；SDRAM静态内存支持512兆内存空间。110外部存储模块可选用通用的SD安全数字存储卡(SecureDigital Memory Card)用来下载和储存数据库、动态网页、应用程序代码以及多媒体课件等，SD卡具有高记忆容量(最高达4GB)、快速数据传输率(最快22.5兆/秒，远高于USB1.1协议数据传输速率)、极大的移动灵活性、低功耗长寿命以及很好的安全性。输入设备可采用107、108鼠标、键盘模块与103触摸屏或相互结合，都能作为控制终端。学生实验辅助学习机包含有网络接口芯片可以直接从101服务器拷贝或下载所需的实验资料。102模块还包含USB接口芯片，可外接104集线器模块可以将其它移动存储器109模块上的实验资料显示到输出设备103和106上。学生实验辅助学习机采用IIS接口芯片例如UDA1341，一路立体声音频输出接口可接106耳机或音箱模块；另有一路话筒输入接口可接105麦克风模块。102微处理模块可以通过现场总线技术(如RS-232、RS-485)实现与111实验仪器的通讯，完成实验数据的采集及对实验仪器的控制。并通过网络112(如以太网)与101服务器连接、通信、传输数据。见图2。
本发明所应用的学生实验辅助学习机软件部分可采用Microsoft公司的Windows CE操作系统或者嵌入式Linux操作系统。图3所示为本发明的学习机智能处理系统SDA(Student Digital Assistant)SmartProcessing System(SSPS)软件构架分为硬件层、系统层、应用层。
本发明的学习机智能处理系统SSPS的应用软件功能主要包括实验的导航模块、实验数据采集模块(数据采集与存储)、网络通讯模块、呼叫模块、数据误差识别模块五个部分，见图4。实验的导航模块包括实验目的、实验原理、实验仪器、实验要点、实验步骤、实验操作演示过程、实验注意事项、思考与讨论等内容的多媒体课件演示、浏览与重复查阅。实验数据采集模块主要通过串口传输方式将采集得到实验数据存放到实验学习机内，或者手动利用鼠标、键盘或电子触摸屏将记录的实验数据储存至内存SDRAM或者109、110存储器模块中。网络通讯模块112将储存的实验数据通过网络上传到服务器数据管理系统101，并且可以通过请求，下载更新的实验资料和其它数据到实验学习机，实现软件更新。数据误差识别模块可智能识别记录的实验数据的对错、误差和精度，并提醒学生是否重做实验。呼叫模块产生请求响应，老师当面答疑。
在本发明的服务器数据管理系统Server Data Manage ystem(SDMS)基于Windows桌面操作系统，采用VC++编写。包括教学内容输入、资料上传/下载、用户管理以及数据库管理四个模块(图5)。教学内容输入主要是实验资料——多媒体课件的制作。资料上传/下载模块将更新的实验资料下载到目标学习机系统并能将学习机储存的实验采集数据上传到服务器上，其次它还能实现学习机软件系统的在线更新。用户管理模块可以实现对各下位学习机的实时监控、完成对提交实验数据的批改与审阅。数据库管理分类存放各年级、专业学生实验数据报告及成绩，可自定义查询个人成绩清单、各实验成绩清单、各专业成绩统计等。
权利要求
1.一种学生实验辅助学习机，由带储存器管理功能的高性能嵌入式微处理器MCU、液晶显示器、输入设备、移动存储卡接口及外接的存储卡设备、在MCU数据总线上所设的USB接口、网络通信芯片及网络接口、IIS接口芯片、标准串口接口构成，其特征在于微处理器MCU通过数据通讯接口与实验仪器数据输出接口相连，微处理器MCU通过网络接口与实验网络相连接，实验网络上还连接有教师终端服务器。
2.如权利要求1所述的学生实验辅助学习机的实验辅助学习方法，其特征在于实现该方法的应用软件系统中包括实验的导航模块、实验数据采集模块、网络通讯模块、数据误差识别模块、呼叫模块五个部分，其具体步骤是第一步骤通过计算机服务器网络下载或其它移动存储设备将课件存储到每一台实验辅助学习机上；第二步骤启动嵌入式操作系统和学习机应用软件系统，完成实验的目的、原理、仪器、要点、步骤、操作演示过程、思考与讨论做准确、方便的导航；第三步骤通过点击鼠标或其它方式，随意浏览查看实验目的、实验原理、实验仪器、实验要点、实验步骤、实验操作演示过程、实验注意事项、思考与讨论各种教学内容；第四步骤通过实验数据采集模块将实验的数据储存到学习机内部存储单元；第五步骤网络通讯模块将实验数据和报告上传到教师终端服务器。
3.如权利要求2所述的实验辅助学习方法，其特征在于所述第四步骤，在实验仪器数据采集模块中用学习机的数据通讯接口将实验数据直接采集到学习机内。
4.如权利要求2所述的实验辅助学习方法，其特征在于所述第四步骤，在实验仪器数据采集模块中用学习机的输入设备将实验数据存储至学习机内。
5.如权利要求2所述的实验辅助学习方法，其特征在于数据误差识别模块能识别记录的实验数据的对错、误差和精度，并提醒学生是否重做实验。
6.如权利要求2所述的实验辅助学习方法，其特征在于呼叫模块是在实验的过程中通过呼叫模块将老师请到具体的实验台帮忙解决具体实验问题。
全文摘要
本发明涉及一种学生实验辅助学习机，由微处理器MCU、液晶显示器、输入设备、移动存储卡接口及外接的存储卡设备、在MCU数据总线上所设的USB接口、网络通信芯片及网络接口、IIS接口芯片、标准串口接口构成，其特点是微处理器MCU通过数据通讯接口(串口或USB接口)与实验仪器数据输出接口相连，微处理器MCU通过网络接口与实验网络相连接，实验网络上还连接有教师终端服务器。本发明在上课时做实验阶段等各个教学环节得到全程实验指导、可将实验数据上传到服务器上供老师批改、可智能识别实验结果的对错、误差和精度，并提醒学生是否重做实验、还具有呼叫老师、请求答疑功能。
文档编号G09B5/08GK1866315SQ200610019
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月22日 优先权日2006年6月22日
发明者戴亚文, 李卓球, 周树民, 汪晓元, 黄强, 胡鹏 申请人:武汉理工大学