基于5G通訊的智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蔣洪

【摘 要】本文論述基于5G通訊的智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，該教學(xué)系統(tǒng)包括發(fā)送端、接收端和反饋端，發(fā)送端包括第一VR攝像模塊、第一視頻信息發(fā)送模塊和教學(xué)主機(jī)，接收端包括視頻信息接收模塊、顯示模塊、第二VR攝像模塊、操作分機(jī)和第二視頻信息發(fā)送模塊，反饋端包括視頻信息對(duì)比模塊、硬件操作步驟對(duì)比模塊和警示模塊。經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用，證明該教學(xué)系統(tǒng)能促進(jìn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，解決線下教學(xué)質(zhì)量參差不齊、線上教學(xué)互動(dòng)困難等問題。

【關(guān)鍵詞】5G技術(shù) 智能教學(xué)系統(tǒng) 精準(zhǔn)教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2021）35-0172-02

在5G技術(shù)飛速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的在線教育方式過于單一，越來越無法滿足教育高質(zhì)量發(fā)展的需要?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”、5G技術(shù)、VR的應(yīng)用，為傳統(tǒng)在線教育向智能化在線轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)支持，通過個(gè)性化、精細(xì)化、沉浸式學(xué)習(xí)，推動(dòng)教育水平由中低水平向高水平、高質(zhì)量發(fā)展。同時(shí)，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”、5G技術(shù)建成高度信息化教學(xué)的數(shù)字校園，推動(dòng)學(xué)校師資力量、教學(xué)資源庫(kù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的共享。因此，有必要通過5G通訊技術(shù)，開發(fā)一種智能教學(xué)系統(tǒng)。5G融合AR技術(shù)的教學(xué)模式是一種利用高速的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)，并置身于虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的環(huán)境中，從而幫助完成教學(xué)任務(wù)的教學(xué)方法。

一、智能教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5G智能教學(xué)系統(tǒng)主要包括發(fā)送端、接收端和反饋端，發(fā)送端包括第一VR攝像模塊、第一視頻信息發(fā)送模塊和教學(xué)主機(jī)，接收端包括視頻信息接收模塊、顯示模塊、第二VR攝像模塊（包括主、副多臺(tái)高清攝像機(jī)）、操作分機(jī)和第二視頻信息發(fā)送模塊（包括主、副多臺(tái)高清攝像機(jī)），反饋端包括視頻信息對(duì)比模塊、硬件操作步驟對(duì)比模塊和警示模塊。本項(xiàng)目通過5G通訊進(jìn)行實(shí)時(shí)教學(xué)，在運(yùn)用上主要通過模塊化結(jié)構(gòu)方式，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)既相互獨(dú)立，又局域共享，并通過視頻反饋和操作反饋兩種方式進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，更能完成精準(zhǔn)教學(xué)，做到維護(hù)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）發(fā)送端和接收端

第一VR攝像模塊用于拍攝教師在教學(xué)主機(jī)的操作動(dòng)作，顯示模塊用于顯示第一VR攝像模塊拍攝視頻的信息;第二VR攝像模塊用于拍攝學(xué)生在操作分機(jī)上的操作動(dòng)作;教學(xué)主機(jī)和操作分機(jī)均與硬件操作步驟對(duì)比模塊電性連接，視頻信息對(duì)比模塊用于比對(duì)第一VR攝像模塊與第二VR攝像模塊的視頻信息，并將比對(duì)信息傳輸給警示模塊;硬件操作步驟對(duì)比模塊用于將教學(xué)主機(jī)和操作分機(jī)的執(zhí)行步驟進(jìn)行比對(duì)，并將比對(duì)的信息傳輸給警示模塊。

（三）顯示模塊

顯示模塊包括VR顯示芯片，VR顯示芯片采用的型號(hào)為STM32F4。

（四）視頻信息

視頻信息對(duì)比模塊包括第一視頻信息接收子模塊、第二視頻信息接收子模塊和視頻信息比對(duì)子模塊，第一視頻信息接收子模塊用于接收第一VR攝像模塊的視頻信息，第二視頻信息接收子模塊用于接收第二VR攝像模塊的視頻信息，視頻信息比對(duì)子模塊用于將第一視頻信息接收子模塊和第二視頻信息接收子模塊的視頻信息進(jìn)行比對(duì)。

視頻信息比對(duì)子模塊包括第一視頻信息存儲(chǔ)單元、第二視頻信息存儲(chǔ)單元和視頻信息數(shù)據(jù)處理單元，第一視頻信息存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)第一視頻信息接收子模塊接收的視頻信息，第二視頻信息存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)第二視頻信息接收子模塊接收的視頻信息，視頻信息數(shù)據(jù)處理單元用于將第一視頻信息存儲(chǔ)單元與第二視頻信息存儲(chǔ)單元中的視頻信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并比對(duì)。

（五）硬件操作步驟

硬件操作步驟對(duì)比模塊包括第一硬件操作步驟信息子模塊、第二硬件操作步驟信息子模塊和硬件操作步驟比對(duì)子模塊，第一硬件操作步驟信息子模塊用于接收并存儲(chǔ)教學(xué)主機(jī)的操作步驟信息，第二硬件操作步驟信息子模塊用于接收并存儲(chǔ)操作分機(jī)的操作步驟信息，硬件操作步驟比對(duì)子模塊用于將第一硬件操作步驟信息子與第二硬件操作步驟信息子模塊存儲(chǔ)的操作步驟信息進(jìn)行比對(duì)。硬件操作步驟比對(duì)子模塊包括操作步驟信息數(shù)據(jù)處理單元，操作步驟信息數(shù)據(jù)處理單元用于將第一硬件操作步驟信息子模塊與第二硬件操作步驟信息子模塊中的操作步驟信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并比對(duì)。

（六）警示模塊

警示模塊包括警示信息接收子模塊、警示信息顯示子模塊和警示信息揚(yáng)聲子模塊，警示信息接收子模塊用于接收視頻信息對(duì)比模塊和硬件操作步驟對(duì)比模塊的信息比對(duì)結(jié)果，警示信息顯示子模塊用于顯示視頻信息對(duì)比模塊和硬件操作步驟對(duì)比模塊的信息比對(duì)結(jié)果，警示信息揚(yáng)聲子模塊用于告知教師視頻信息對(duì)比模塊和硬件操作步驟對(duì)比模塊的信息比對(duì)結(jié)果。

二、智能教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

（一）教師教學(xué)操作

發(fā)送端模塊主要根據(jù)教學(xué)要求，教師通過第一VR攝像模塊對(duì)教師操作步驟進(jìn)行拍攝，第一VR攝像模塊將所拍攝的視頻數(shù)據(jù)通過5G通訊方式，實(shí)時(shí)發(fā)送至顯示模塊和視頻信息對(duì)比模塊，為學(xué)生操作提供具體操作教學(xué)方法。在教學(xué)過程中，教師也可依靠視頻數(shù)據(jù)5G通訊方式收集學(xué)生操作反饋的信息，以此完善教學(xué)策略庫(kù)。同時(shí)，教學(xué)主機(jī)將教師在教學(xué)主機(jī)上操作的操作步驟信息傳輸至第一硬件操作步驟對(duì)比模塊（如教學(xué)策略庫(kù)），通過協(xié)作機(jī)制實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享。教師操作如圖2所示。

（二）學(xué)生學(xué)習(xí)操作

接收端模塊的第二VR攝像模塊將學(xué)生在操作分機(jī)上的操作步驟進(jìn)行拍攝，第二視頻發(fā)送模塊通過5G通訊方式將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至視頻信息對(duì)比模塊，該視頻數(shù)據(jù)能夠較準(zhǔn)確反映上課班級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)操作技能的水平，為系統(tǒng)硬件提供每名學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)依據(jù)。同時(shí)，操作分機(jī)將學(xué)生在操作分機(jī)上操作的操作步驟信息傳輸至第二硬件操作步驟對(duì)比模塊（如教學(xué)協(xié)調(diào)代理模塊等）。該硬件操作步驟依據(jù)自身規(guī)則庫(kù)，使用人工智能推理評(píng)估規(guī)則方式，為學(xué)生完成教學(xué)指導(dǎo)內(nèi)容提供指導(dǎo)性意見。學(xué)生操作如圖3所示。

（三）評(píng)價(jià)反饋操作

反饋端模塊依據(jù)學(xué)習(xí)模塊和教師教學(xué)模塊提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)自身規(guī)則庫(kù)，使用人工智能推理評(píng)估規(guī)則方式，將第一VR攝像模塊的視頻信息、第二VR攝像模塊的視頻信息進(jìn)行比對(duì)，對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)操作過程中各種行為、操作標(biāo)準(zhǔn)、演示結(jié)果等方面進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)兩個(gè)視頻信息比對(duì)不匹配時(shí)，通過協(xié)作機(jī)制實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享，將比對(duì)結(jié)果傳遞到學(xué)生顯示模塊和警示模塊中，通過警示信息顯示子模塊進(jìn)行顯示。在教學(xué)過程中，智能系統(tǒng)可根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)指導(dǎo)書內(nèi)容，及時(shí)調(diào)整自身規(guī)則庫(kù)，從而根據(jù)調(diào)整后的教學(xué)管理發(fā)送的數(shù)據(jù)及教學(xué)策略，調(diào)整學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)要求。

（四）教學(xué)系統(tǒng)功能軟件應(yīng)用操作

整個(gè)系統(tǒng)軟件應(yīng)用完全基于人工智能，系統(tǒng)后臺(tái)使用SQL Server 2000作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器 ，使用Internet Information Server 5.1作為信息服務(wù)器，以C#為設(shè)計(jì)語(yǔ)言。系統(tǒng)采用瀏覽器模式，不受硬件條件制約，并能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺(tái)應(yīng)用。

三、仿真實(shí)驗(yàn)效果

為驗(yàn)證基于5G通訊的智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)國(guó)際1901班、建智1901班、人工智能2001班在電工技能教學(xué)中的效果進(jìn)行對(duì)比分析，教師運(yùn)用一個(gè)攝像頭（或兩個(gè)攝像頭）、一臺(tái)電腦進(jìn)行教學(xué)，每個(gè)教學(xué)頻道內(nèi)可以播放該頻道里教師的實(shí)時(shí)教學(xué)畫面，不能互動(dòng)的普通遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)與應(yīng)用智能教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行比較，得到學(xué)生教學(xué)成績(jī)?nèi)绫?所示。

當(dāng)學(xué)生班級(jí)人數(shù)較少時(shí)，使用普通遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)獲取平均成績(jī)分?jǐn)?shù)為87分，但當(dāng)學(xué)生班級(jí)人數(shù)較多時(shí)，使用普通遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)平均成績(jī)分?jǐn)?shù)只有81分，使用智能教學(xué)系統(tǒng)平均成績(jī)分?jǐn)?shù)為90分。通過以上分析可知，使用智能教學(xué)系統(tǒng)更能提升人數(shù)較多班級(jí)的學(xué)習(xí)成績(jī)，這對(duì)有效緩解教師與學(xué)生班級(jí)人數(shù)不匹配是很有幫助的。本項(xiàng)目通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻教學(xué)，學(xué)生緊跟教師操作，通過視頻反饋和操作反饋的兩種方式，將學(xué)生實(shí)踐情況實(shí)時(shí)反饋給教師，可以幫助教師開展精準(zhǔn)教學(xué)。

未來，5G技術(shù)將與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、VR等多種新型學(xué)習(xí)技術(shù)方式深度融合，推動(dòng)教育方式向個(gè)性化、智能化、智慧化方向發(fā)展，未來教育教學(xué)方式的發(fā)展方向?qū)⑹?G技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。5G技術(shù)與教學(xué)方式的融合，是現(xiàn)階段技術(shù)與教育教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，有利于促進(jìn)技術(shù)與教育的共贏。

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注：2017年度廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院規(guī)劃課題項(xiàng)目“基于‘互聯(lián)網(wǎng)+在電工實(shí)訓(xùn)教學(xué)的應(yīng)用研究”（2017YKY010）

【作者簡(jiǎn)介】蔣 洪（1967— ），男，廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。