陳仁梅,尹彥盛,陳 艷

(1.貴州師范大學(xué),貴州 貴陽 550001;2.黔西市太來中學(xué),貴州 黔西 551513;3.浙江海洋大學(xué),浙江 舟山 550000)

0 引言

為持續(xù)推動新時代教育的智慧化發(fā)展,本文基于人工智能技術(shù),依據(jù)實際教學(xué)應(yīng)用需求,設(shè)計了一套基于人工智能技術(shù)的智慧教學(xué)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)可以利用登錄模塊判定用戶身份,為用戶提供個性化的智能教學(xué)導(dǎo)航;通過數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理模塊確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及完整性,為后續(xù)智能跟蹤追測用戶行為奠定基礎(chǔ);通過教學(xué)服務(wù)模塊為用戶進行教學(xué)服務(wù)功能導(dǎo)航及學(xué)習(xí)推薦。 智慧教學(xué)系統(tǒng)在測試中,不同階段數(shù)據(jù)節(jié)點的教學(xué)數(shù)據(jù)獲取速度均為1 s 左右,系統(tǒng)獲取教學(xué)信息的速度較快。 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊能夠準(zhǔn)確提取冗余教學(xué)數(shù)據(jù)。 教學(xué)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率最高為99.09%,能夠準(zhǔn)確采集教學(xué)數(shù)據(jù)并為不同用戶群體提供所需內(nèi)容。 系統(tǒng)對用戶教學(xué)行為的最高監(jiān)測速率為98.97%,對用戶行為的監(jiān)督性較強。 此系統(tǒng)具有時代性與科學(xué)性的優(yōu)勢,有助于推動教學(xué)向智能化、高效化的方向發(fā)展。

1 智慧教學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計

優(yōu)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)是保障基于人工智能技術(shù)的智慧教學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定應(yīng)用于教學(xué)中并實現(xiàn)應(yīng)用效果最大化的前提[1]。

智慧教學(xué)系統(tǒng)以主控制器為中心設(shè)備,它通過USB 接口連接到其他設(shè)備,如攝像頭、麥克風(fēng)、揚聲器等。 主控制器需要安裝系統(tǒng)軟件和驅(qū)動程序,以便與其他設(shè)備進行通信和控制。 此外,主控制器可以實現(xiàn)以下功能:控制攝像頭的拍攝角度、曝光、對焦等參數(shù),并將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中;控制麥克風(fēng)的音量、頻率響應(yīng)等參數(shù),并將錄制的聲音數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中;控制揚聲器的音量、音質(zhì)等參數(shù),并將講師的聲音傳播到整個教室中;控制白板的觸摸、壓感等參數(shù),并將教師的繪畫、寫字等數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中。

1.1 主控制器

主控制器需要安裝系統(tǒng)軟件和驅(qū)動程序,以便與其他設(shè)備進行通信和控制。 為保障系統(tǒng)運算精度,優(yōu)化系統(tǒng)運行速度,降低功耗,選用了主控制器硬件資源為:Intel Core i7 處理器、8 GB 內(nèi)存、256 GB SSD 硬盤,設(shè)備編號為MCU001,極大地提高了系統(tǒng)的運行效率。

1.2 系統(tǒng)其他硬件

攝像頭為1 080p 分辨率、30 幀每秒;設(shè)備編號為CAM001。 攝像頭通過USB 接口連接到主控制器。攝像頭放置在主講臺的頂部,用于拍攝講師的視頻。麥克風(fēng)為全向麥克風(fēng)、頻率響應(yīng)20 Hz~20 kHz,設(shè)備編號為MIC001,麥克風(fēng)通過USB 接口連接到主控制器。 麥克風(fēng)固定在主講臺的桌面上,用于錄制講師的聲音。 揚聲器為2.1 聲道、20 W, 設(shè)備編號為SPK001。 揚聲器通過USB 接口連接到主控制器,放置在教室的四周,用于播放講師的聲音。 交互白板為觸摸屏、1024 級壓感、分辨率1 920×1 080;設(shè)備編號為WBD001。 白板通過USB 接口連接到主控制器。白板固定在主講臺的一側(cè),用于教師進行講解和演示。

2 智慧教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)登錄模塊

智慧教學(xué)系統(tǒng)登錄模塊的主要目的是實現(xiàn)用戶身份驗證和授權(quán),確保只有經(jīng)過驗證的用戶才能使用系統(tǒng)的功能。 為此,該模塊采用了一種基于用戶名和密碼的認證方式,用戶需要輸入正確的用戶名和密碼才能進入系統(tǒng)。 為了增強安全性,該模塊可采用雙因素認證或多因素認證等較為高級的身份驗證方式。用戶登錄流程如圖1 所示。

圖1 智慧教學(xué)系統(tǒng)登錄流程

由圖1 可知,用戶進入登錄系統(tǒng)后,還需如實填寫個人信息,登記個人信息后點擊登錄按鍵發(fā)出登錄申請,而后系統(tǒng)將對用戶身份進行判定。 此時,存在兩種情況:一種為身份判定無誤,則用戶登錄成功。系統(tǒng)將依據(jù)用戶身份下發(fā)權(quán)限,而后基于人工智能下的機器學(xué)習(xí)算法為用戶提供系統(tǒng)使用導(dǎo)航。 另一種為身份驗證有誤。 此時系統(tǒng)會自動返回身份判定階段,由后臺為用戶分發(fā)其他登錄驗證方式,并將用戶登錄初始階段輸入的信息與數(shù)據(jù)庫中的資料信息進行比對,依據(jù)比對結(jié)果判定登錄失敗的原因,并進行修改提示,用戶對信息進行完善后才可成功登錄。

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理工作是實現(xiàn)系統(tǒng)智能化的兩大關(guān)鍵[2]。 智慧教學(xué)系統(tǒng)軟件部分的數(shù)據(jù)采集及處理模塊是該系統(tǒng)的核心部分,通過對學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進行采集和處理,以此來提供個性化的學(xué)習(xí)建議和預(yù)測學(xué)習(xí)成績等服務(wù)。 在智慧教學(xué)系統(tǒng)下,數(shù)據(jù)采集功能借助自然語言處理技術(shù)、圖像識別技術(shù)、語音識別技術(shù)、智能傳感器技術(shù)實現(xiàn)。 自然語言處理技術(shù)對教師教學(xué)設(shè)計進行自動評分,對學(xué)生作業(yè)進行文本相似度比對等。 圖像識別技術(shù)用于對學(xué)生行為的識別,及教師授課狀態(tài)識別,如識別學(xué)生是否在課堂上專心聽講、識別學(xué)生是否打瞌睡等。 語音識別技術(shù)用于對學(xué)生語音數(shù)據(jù)的處理,如對學(xué)生口語發(fā)音的評估等。智能傳感器技術(shù)用于對教學(xué)主體行為和環(huán)境的檢測,如檢測學(xué)生的運動軌跡、姿態(tài)等,檢測教室的溫度、濕度等。 在數(shù)據(jù)采集模塊下延伸出學(xué)生信息庫、教師信息庫及系統(tǒng)管理信息庫3 個單元,而后應(yīng)用主控制器進行數(shù)據(jù)的初步處理,確保數(shù)據(jù)采集的有效性。 考慮到不同群體教學(xué)行為差異性對數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的影響,數(shù)據(jù)采集完成后,需要應(yīng)用人工智能技術(shù)識別重復(fù)數(shù)據(jù)及冗雜數(shù)據(jù),并進行處理,挖掘出符合條件的關(guān)聯(lián)規(guī)則,從而發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律和行為,如學(xué)生經(jīng)常瀏覽哪些網(wǎng)頁,哪些網(wǎng)頁之間存在著強關(guān)聯(lián)性等關(guān)聯(lián)規(guī)則算法,并用biApriori 算法挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)規(guī)律和行為,如式(1)和式(2)所示。

式(1)和式(2)中,X 和Y 分別代表數(shù)據(jù)集中的項集,其中,X 表示規(guī)則的前件,Y 表示規(guī)則的后件。support(X →Y) 表示規(guī)則X →Y 的支持度,表示同時包含X 和Y 的數(shù)據(jù)項集在總數(shù)據(jù)項集中的比例。confidence(X →Y)表示規(guī)則X →Y 的置信度,表示不僅包含X 的數(shù)據(jù)項集中,還包含X 和Y 的數(shù)據(jù)項集的比例。 Apriori 算法通過設(shè)置最小支持度和最小置信度的閾值,挖掘出符合條件的關(guān)聯(lián)規(guī)則。 這條規(guī)則的含義是,當(dāng)學(xué)生瀏覽了網(wǎng)頁A 和B 時,也會瀏覽網(wǎng)頁C,從而幫助教師和系統(tǒng)預(yù)測學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和興趣愛好,更好地進行教學(xué)管理和推薦資源。

2.3 教學(xué)服務(wù)模塊

智慧教育系統(tǒng)下,利用教學(xué)服務(wù)模塊可以為用戶提供教學(xué)服務(wù)功能[3-4]。 模塊下分為學(xué)習(xí)服務(wù)層及溝通服務(wù)層兩個層級。 學(xué)習(xí)服務(wù)層是學(xué)生及教師實現(xiàn)學(xué)習(xí)活動的主要模塊,此層級由智能引導(dǎo)、資源共享、信息交互單元構(gòu)成。 溝通服務(wù)層下分為要事公告、教學(xué)論壇、實時解答等單元,為系統(tǒng)用戶交流溝通提供渠道。 智慧教學(xué)系統(tǒng)基于人工智能應(yīng)用領(lǐng)域下的大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)服務(wù)功能,智能教學(xué)服務(wù)推薦流程如圖2 所示。

圖3 智能教學(xué)服務(wù)推薦流程

由圖2 可知,教學(xué)服務(wù)模塊利用大數(shù)據(jù)技術(shù)收集系統(tǒng)用戶群體的個人興趣及使用需求等數(shù)據(jù),依據(jù)推薦算法生成用戶行為特征向量,而后依據(jù)數(shù)據(jù)類別提取與用戶特征向量相似的數(shù)據(jù),并生成數(shù)據(jù)表格,對相關(guān)數(shù)據(jù)表格進行統(tǒng)計及排名后獲取最終推薦結(jié)果。例如,當(dāng)學(xué)生用戶進入學(xué)習(xí)服務(wù)層搜選學(xué)習(xí)資料時,系統(tǒng)依據(jù)大數(shù)據(jù)對用戶的系統(tǒng)使用權(quán)限等用戶信息進行查詢,利用信息篩選器對學(xué)生的系統(tǒng)使用痕跡、學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)規(guī)劃等信息進行篩選整合及提取工作,以生成用戶行為特征向量;而后依據(jù)圖像數(shù)據(jù)、影響數(shù)據(jù)等特征推薦生成用戶行為特征表格,依據(jù)表格信息生成資料查詢服務(wù)初步推薦結(jié)果;最終利用大數(shù)據(jù),依據(jù)用戶特征屬性及用戶反饋進行結(jié)果篩選及排列,明確最終服務(wù)推薦意見并輸出推薦意見,用戶可以此意見為依據(jù)開展后續(xù)學(xué)習(xí)。 大數(shù)據(jù)智能教學(xué)服務(wù)推薦模式有助于針對性地為用戶提供智能性的個性化引導(dǎo),避免面對眾多教學(xué)資源難以選擇,使用戶在龐大的系統(tǒng)功能中明確使用方向。

3 智慧教學(xué)系統(tǒng)測試實驗

3.1 測試準(zhǔn)備

為驗證基于人工智能技術(shù)的智慧教學(xué)系統(tǒng)的可行性及穩(wěn)定性,筆者對系統(tǒng)開展性能及模塊功能測試。本教育系統(tǒng)的實驗硬件配置為:(1)主控制器。 其硬件資源為Intel Core i7 處理器、8GB 內(nèi)存、256GB SSD 硬盤;設(shè)備編號為MCU001。 (2)攝像頭為1 080p 分辨率、30 幀每秒;設(shè)備編號為CAM001。 攝像頭通過USB 接口連接到主控制器。 攝像頭放置在主講臺的頂部。 (3)麥克風(fēng)為全向麥克風(fēng)、頻率響應(yīng) 20 Hz~20 kHz;設(shè)備編號為MIC001,麥克風(fēng)通過USB 接口連接到主控制器。 麥克風(fēng)固定在主講臺的桌面上。 (4)揚聲器為2.1 聲道、20W;設(shè)備編號為SPK001,揚聲器通過USB 接口連接到主控制器。 揚聲器放置在教室的四周。 (5)交互白板為觸摸屏、1024 級壓感、分辨率為1 920x1 080;設(shè)備編號為WBD001。 白板通過USB 接口連接到主控制器。 白板固定在主講臺的一側(cè)。

3.2 測試結(jié)果

系統(tǒng)基于人工智能技術(shù)實現(xiàn)交互性教學(xué)服務(wù)、準(zhǔn)確獲取教學(xué)數(shù)據(jù)、教學(xué)情況智能檢測等功能是智慧教學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵,本測試通過采用4 個不同時段的數(shù)據(jù)節(jié)點進行,實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 智慧系統(tǒng)測試結(jié)果

由表1 可知,不同階段數(shù)據(jù)節(jié)點的教學(xué)數(shù)據(jù)獲取速度均為1 s 左右,證明系統(tǒng)可在較快時間內(nèi)獲取不同用戶的教育教學(xué)數(shù)據(jù)信息;系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊對于冗余數(shù)據(jù)的處理水平較高,能夠準(zhǔn)確提取冗余教學(xué)數(shù)據(jù)并及時進行處理;教學(xué)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率最高為99.09%,能夠準(zhǔn)確采集教學(xué)數(shù)據(jù)并為不同用戶群體提供需求內(nèi)容;系統(tǒng)對用戶教學(xué)行為的最高監(jiān)測速率為98.97%,對用戶行為的監(jiān)督性較強。 結(jié)果表明,系統(tǒng)綜合運行情況較為穩(wěn)定,且其安全性較強。

4 結(jié)語

科技的飛速發(fā)展推動了人工智能技術(shù)的進步,人工智能技術(shù)的進步又為教育教學(xué)的發(fā)展提供了機遇。本文以人工智能為技術(shù)依托進行了智慧教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計,優(yōu)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),構(gòu)建了登錄模塊、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理模塊、教學(xué)服務(wù)模塊。 測試結(jié)果表明,本系統(tǒng)功能完好,穩(wěn)定性較強。 相關(guān)人員應(yīng)基于人工智能技術(shù)堅持探究實踐,持續(xù)提升智慧教學(xué)系統(tǒng)的普適性及操作的穩(wěn)定性,力爭實現(xiàn)更佳的教學(xué)效果。