呂 鑫，劉芳芳，王麗麗

（長春理工大學 光電信息學院，吉林 長春 130000）

0 引言

得益于互聯(lián)網(wǎng)技術的創(chuàng)新發(fā)展，傳統(tǒng)教學模式的改革成為一種趨勢。高等院校學生中大部分都使用移動網(wǎng)絡，在無線網(wǎng)絡的支持下智能終端設備獲得廣泛應用。為了提高高等院校的教學質量與教學效率，以學生用戶為主體的無線網(wǎng)絡終端教學模式正在逐漸普及。這一創(chuàng)新的教學模式可以解決傳統(tǒng)教學模式缺乏溝通互動導致教學質量低的問題。因此，研究一種立體課堂互動教學系統(tǒng)可以有效提升高等院校的教學質量。

文獻[1]提出基于B/S 三層架構的高等院校立體課堂互動教學系統(tǒng)。為了滿足教師與學生的使用需求，該系統(tǒng)需要進行復雜的在線運算，采用B/S 三層架構方式進行系統(tǒng)結構搭建，以MySQL 數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的應用數(shù)據(jù)庫，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，通過交互插件實現(xiàn)交互教學。文獻[2]提出基于增強現(xiàn)實技術的高等院校立體課堂互動教學系統(tǒng)，將增強現(xiàn)實技術引入課程教學系統(tǒng)研發(fā)中，通過視覺交互提高模擬教學的真實性，構建視圖與形態(tài)間的圖感意識，強化學生的理解能力，完成教學系統(tǒng)設計。

為了提高高等院校的教學質量，本文設計一種基于5G 無線通信的高等院校立體課堂互動教學系統(tǒng)。實驗結果表明，本文系統(tǒng)能夠有效降低時延，提高資源更新效率。

1 基于5G 無線通信的互動教學系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)功能

設計高等院校立體課堂互動教學系統(tǒng)的目的是為了提升教學質量，同時為教師教學、學生學習提供便利條件。因此要求系統(tǒng)的功能具有實用性、操作便捷性、存儲容量大與容錯性強的特點。本文設計教學系統(tǒng)的功能結構如圖1 所示。

圖1 教學系統(tǒng)功能需求

1.2 系統(tǒng)架構

為了使教學系統(tǒng)具有較高的應用性能與較強的邏輯結構，這里采用三層Web 結構對系統(tǒng)架構進行設計，為了提高系統(tǒng)各個功能模塊之間的獨立性，還對每個功能模塊進行單獨設計，以便于對每個模塊進行單獨升級與修改。高等院校立體課堂互動教學系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 立體課堂互動教學系統(tǒng)架構

1.3 系統(tǒng)硬件

1.3.1 教師客戶端模塊

教師客戶端通常只在計算機系統(tǒng)中運行，并進行授課與溝通互動。為了充分滿足教師使用的便捷性需求，教師客戶端采用.NET 技術進行研發(fā)設計。教師客戶端需要具備的功能較多，包括添加與刪除課程，與學生之間進行文字、語音、圖像交流，對學生終端的使用權限進行設置等。教師客戶端的整體結構如圖3 所示。

圖3 教師客戶端結構

1.3.2 課程管理模塊

課程管理模塊用于管理系統(tǒng)中的全部課程，是系統(tǒng)中較為重要的模塊，與立體課堂互動教學質量緊密相關。教學管理者在系統(tǒng)中通過課程管理模塊發(fā)布課程相關信息，包括課程類型、上課時間、地點與課時等；教師可以通過此模塊提前公布教學內容與布置課后相關作業(yè)；學生可以通過此模塊提前下載相關課程資料，進行課前預習，提高學習質量。課程管理模塊結構如圖4所示。

圖4 課程管理模塊

1.3.3 教學互動評估模塊

教學互動模塊用于評價教學過程中教師與學生的互動質量，從整體上提高課堂教學的互動性。本文所設計的立體課堂互動教學系統(tǒng)可以為教師與學生提供充分的交流空間，從教學資源、課后答疑等多個方面體現(xiàn)師生的互動性。教學互動評估模塊可以對教學過程信息進行搜集，這些信息包括教師與學生之間的問答信息與學生課后的反饋信息，最后全方位計算權重，得出有效結論。教學互動評價模塊的結構如圖5 所示。

圖5 教學互動評估模塊

1.4 系統(tǒng)軟件

在完成硬件功能模塊設計后，便對教學系統(tǒng)軟件部分功能進行設計。軟件部分采用5G 無線通信技術去除系統(tǒng)中教學信息資源傳輸過程中的干擾，并對信道傳輸功率進行分類，以便提高系統(tǒng)的資源更新效率。

1.4.1 干擾去除

在5G 無線通信網(wǎng)絡中，為了提高教學系統(tǒng)資源信息的傳輸效率并保持傳輸穩(wěn)定性，需要對傳輸功率進行分配，而功率分配的首要步驟就是去除傳輸干擾。在進行干擾去除過程中，設定系統(tǒng)傳輸資源量為Hw，傳輸至學生移動端的教學資源量為hk,ij，定義干擾限制條件為：

式中xk,ij代表干擾因子。

鑒于5G 無線通信是通過集中調度的方法對教學資源信息進行傳輸，隨著系統(tǒng)中教師與學生用戶數(shù)量的不斷上升，其所需要的頻譜資源也會隨之增加，因此需要傳輸?shù)男畔①Y源數(shù)量不斷增加。設定系統(tǒng)需要傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)資源為Bk，此時數(shù)據(jù)資源傳輸?shù)南拗茥l件為：

假設教學系統(tǒng)中移動終端用戶的數(shù)量集合為Y={y1,y2,…,yM}，bk,ij與pk,ij分別表示移動終端用戶yM在使用系統(tǒng)時的頻帶與此時的信號發(fā)射功率。由于系統(tǒng)在不同使用情況下所占用的網(wǎng)速是不同的，所以設定系統(tǒng)運行的下行速率為Ri，則Ri的表達式為：

式中SINRi為資源信息傳輸過程中的信噪比。

1.4.2 子信道分配

在完成干擾去除操作后，對教學系統(tǒng)資源傳輸子信道進行分配。在子信道分配過程中，使功率保持平均分類狀態(tài)，設定子信道數(shù)量為n，且需要分配給M個用戶，則分配原則k可以表示為：

式中：ΓM,n為子信道分配策略函數(shù)；U為教學系統(tǒng)終端傳輸速率函數(shù)。

1.4.3 功率分配

在完成子信道分配后，對通信功率進行分配。在此采用拉格朗日函數(shù)法構建教學系統(tǒng)通信功率分配函數(shù)：

式中：pk,n為功率分配約束函數(shù)；pmax為功率最大值。

2 實驗驗證

為了驗證所設計教學系統(tǒng)的應用性能，特進行驗證實驗。此次實驗的操作系統(tǒng)為Windows 7 系統(tǒng)，在系統(tǒng)中安裝SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫，并對IP 地址與連接端口進行設置。為了充分驗證系統(tǒng)的性能，實驗在局域網(wǎng)絡環(huán)境中進行，此時的IP 地址需設置為靜態(tài)。因系統(tǒng)的實際應用過程中為多個學生終端同時進行，故實驗需要模擬實際應用狀態(tài)，設置模擬實驗環(huán)境與設備參數(shù)如下：

1）模擬學生使用環(huán)境，設置移動終端平板電腦的數(shù)量為30 臺，相關配置情況：四核CPU，主頻1.5 GHz，系統(tǒng)內存64 GB。

2）終端計算機2 臺，相關配置情況為：英特爾酷睿i7 四核CPU，其中，一臺安裝SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫，作為系統(tǒng)服務器，另一臺安全Windows 7 系統(tǒng)，作為教師端使用。

3）實驗所用無線網(wǎng)絡由華為5G CPE Pro 無線路由器提供。

采用有線連接方式將2 臺終端計算機接入到路由器中，同時將30 臺平臺電腦無線方式接入到路由器中，使教師端、學生端與服務器均處于同一無線網(wǎng)絡中，進行相關教學操作。

在完成上述設置后，以系統(tǒng)延時、資源更新效率為實驗對比指標，將本文設計系統(tǒng)與基于B/S 三層架構系統(tǒng)、基于增強現(xiàn)實技術系統(tǒng)進行對比實驗，并分析實驗結果。

2.1 系統(tǒng)延時對比

三種系統(tǒng)的運行延時對比結果如圖6 所示。

從圖6 中可以看出：在多終端運行的情況下，三種系統(tǒng)的延時均有所上升；當終端數(shù)量為30 個時，基于增強現(xiàn)實技術系統(tǒng)的延時為1 380 ms，基于B/S 三層架構系統(tǒng)的延時為1 120 ms，所設計系統(tǒng)的延時為260 ms。因此，本文設計的系統(tǒng)能夠有效降低延遲。

圖6 運行延時對比結果

2.2 資源更新效率

教學系統(tǒng)的資源更新效率對教學質量影響巨大，因此以資源更新效率為實驗對比指標，進行三種系統(tǒng)的對比實驗，驗證結果如圖7 所示。

圖7 資源更新效率對比結果

由圖7 可知，在較長的實驗時間中，所設計系統(tǒng)的資源更新效率始終高于兩種對比系統(tǒng)，所設計系統(tǒng)的資源更新效率最高可達到0.98，能夠有效滿足師生對教學系統(tǒng)中資源的使用需求。

3 結論

為了解決傳統(tǒng)教學系統(tǒng)存在的延時高、資源更新率低的問題，本文提出基于5G 無線通信的高等院校立體課堂互動教學系統(tǒng)。硬件部分設計了多種模塊提高系統(tǒng)運行性能并滿足師生需求。軟件部分通過5G 無線通信技術對教學資源無線傳輸功率進行分配，提高了資源更新與傳輸?shù)男阅堋嶒灲Y果表明，本文設計的系統(tǒng)能夠有效降低運行延時，并提高資源更新效率。