個性化智能教學系統(tǒng)設計分析

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1教學系統(tǒng)硬件設計

智能教學系統(tǒng)硬件部分主要設計感應模塊、顯像模塊與主機控制模塊。感應模塊使用多點觸控技術，將影像傳感器與鐳射激發(fā)反饋裝置連接，影像傳感器使用影像像素在38萬以上的高分辨率型的CCD器件，如圖1所示。鐳射激發(fā)反饋裝置采用一個激光發(fā)射器，激光發(fā)射器會發(fā)射出一束平行于操作界面的紅外鐳射光，鐳射光組成一個光面。在實際操作時，用戶接觸到操作界面的操作時，會阻擋鐳射光面，在操作界面上形成一個光面斷點，此時形成的光面斷點就可完成用戶觸控操作[3]。為了實現(xiàn)操作可在任一平面投射影像，顯像部分采用微型投影器，本文采用3M公司出產(chǎn)的投影裝置，具體參數(shù)如表1所示。核心運算的主機使用參數(shù)為IntelCoreDue21.66GHz的雙核處理器，連接上述核心硬件。將投影機與CCD影像傳感器連接在一起，并固定在一個透明、顏色較暗的盒子中，盒子放置在400mm可伸縮支架的頂端。主機與激光發(fā)射器固定于可伸縮支架的底部[4]。連接方式如圖2所示。本文研發(fā)了一體式高清多點觸摸互動鏡面裝置，顯示器采用高清55寸LED液晶顯示器，鏡面采用MTW特質(zhì)高透低反面鏡。采用多觸電摸框技術，將兩個紅外線掃描相機放置在觸摸邊框相鄰角上[5]。工作時，紅外線掃描相機根據(jù)紅外光源的阻斷來檢測任何觸摸其探測層的物體位置數(shù)據(jù)。觸摸框邊緣形成一個光層，光層照射到屏邊，并由屏三個邊上的定向反射條返回給相機[6]。設計一個底座將液晶鏡面得以站立，整體設計的一體式高清多點觸摸互動鏡面裝置如圖3所示。使用FTIR技術的技術要求，智能鏡面多點觸技術選擇反射多點觸摸技術，采用8mm的樹脂玻璃導光板，不斷調(diào)整支撐架的滑動槽[7]。下設IR850nm的紅外LED光條，光條間距為16.7mm，使用超薄雙面膠粘貼在固定支架的四周邊緣。使用4個可捕捉的紅外光攝像頭放置在可調(diào)節(jié)擋板上，將USB數(shù)據(jù)線穿過液晶面板拆分后的發(fā)光層[8]。將顯示器的液晶層安置在導光板的下層，將顯示器的發(fā)光層安置在支架上的調(diào)節(jié)擋板上，不斷調(diào)試核心組件，選擇合理的組裝位置。在樹脂板上打出電源與數(shù)據(jù)線的出口，組裝為一個鏡多點觸碰平臺，組裝后的成品如圖4所示。鏡多點觸碰平臺外連接投影儀器，即可完成對教學系統(tǒng)硬件部分的設計，平臺內(nèi)設計大數(shù)據(jù)相關程序，完成對教學系統(tǒng)的個性化智能控制[9]。

2教學系統(tǒng)軟件設計

軟件部分首先使用大數(shù)據(jù)技術處理學生知識掌握情況，使用貝葉斯公式與其一種歸納推理方法將知識情況描述為：P(H|E,c)=P(H|c)∗P(E|H,c)P(E,c)（1）式中：c為先驗信息；E為額外證據(jù)；H為信任度；P(H|E,c)為后驗概率；P(H|c)是在給定c的條件下，H的先驗概率；P(E|H,c)為似然度，是證據(jù)E的概率[10]。在H和c都為真的情況下，P(E|H,c)是比例因子，這個比例因子獨立于H。為了避免數(shù)據(jù)分析不準確，定義一個貝葉斯網(wǎng)絡形式：B=<G,>（2）式中G是一個由隨機變量知識集X作為頂點，函數(shù)邏輯關系為弧的有向無環(huán)圖[11]。假設G頂點隨機變量Xi的知識變量合集為πi，P是πi事件出現(xiàn)前提下Xi事件出現(xiàn)的條件概率，定義隨機變量知識集合X上聯(lián)合條件分布為：P(X1,X2,X3,…)=Πp(X|iπi)（3）式中Π為聯(lián)合條件系數(shù)[12]。使用Java編程實現(xiàn)貝葉斯網(wǎng)絡，使用JavaBayes生成voidtestuntitled，使用throwdelete刪改生成的多余代碼，利用importJava.until.*導入貝葉斯網(wǎng)絡教學過程learnException*，編程Java實現(xiàn)智能教學過程。將貝葉斯網(wǎng)絡使用Java編程導入后，使用KMFSM建模關鍵算法，將知識集合的全集通過學生的學習行為和測試表現(xiàn)計算出KMFSM中的節(jié)點數(shù)[13]。按照不同的教學大綱，將知識項按照不同體系分成年級、課本、單元和知識點幾個層次。確定知識項之間的關系，使用歷年學生情況與教師經(jīng)驗作為知識項的開始參數(shù)數(shù)值，不斷計算更新KMFSM中對應的貝葉斯網(wǎng)絡參數(shù)[14]。實際運用時按照以下模塊對學生實現(xiàn)個性化智能教學，具體如圖5所示。綜上，軟硬件的設計實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)背景下的個性化智能教學系統(tǒng)的設計，使用影像傳感器連接激光反饋裝置，使用雙核處理器，采用多觸電摸框技術設計一體式高清多點觸摸互動鏡面裝置，將鏡面裝置安裝4個可捕捉的紅外光攝像頭，組成鏡多點的觸碰平臺。軟件部分使用大數(shù)據(jù)技術處理學生知識掌握情況，利用貝葉斯公式歸納教學數(shù)據(jù)，使用Java編程錄入教學數(shù)據(jù)，軟硬件相互作用，實現(xiàn)個性化智能教學[15]。

3智能教學系統(tǒng)測試

3.1準備階段。測試硬件環(huán)境為：客戶端：可安裝Web瀏覽器和連接網(wǎng)絡的微機；服務器端：PII以上CPU，64MB以上內(nèi)存，10GB以上硬盤；網(wǎng)絡：傳輸速率在3MB/s以上。軟件環(huán)境為：客戶端：Windows系列操作平臺、InternetExplore4.01以上版本；服務器端：WindowsNT4.0網(wǎng)絡操作系統(tǒng)（Pack6）或Windows2000ServerMSSQLServer7.0，MSSQLServer7.0，VisualInterDev6，F(xiàn)rontpage98/2000，VisualBasic6，IIS3.0以上版本。3.2測試結果。使用兩種傳統(tǒng)的智能教學系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)背景下的個性化智能教學系統(tǒng)，在相同的網(wǎng)速下，選擇教學系統(tǒng)中的教學模塊，記錄統(tǒng)計三種教學系統(tǒng)對這三種模塊的反應時間，結果如圖6所示。由圖6可以看出，保持網(wǎng)速在5MB/s的情況下，在實際操作使用時，傳統(tǒng)智能教學系統(tǒng)1在進入教學模塊反應時間為2.5s，傳統(tǒng)智能教學系統(tǒng)2所需反應時間為1.5s，而使用大數(shù)據(jù)背景下的個性化智能教學系統(tǒng)進入教學模塊的反應時間只需0.4s，提高了系統(tǒng)的反應速度，縮短了系統(tǒng)反應時間，避免浪費不必要的課堂時間，為學生學習知識創(chuàng)造了更多的時間。

4結語

隨著科技的發(fā)展，教學方式以傳統(tǒng)式教學轉變?yōu)榻柚嬎銠C輔助教學的模式，這種智能教學方式以現(xiàn)代教育理論為基礎，綜合各種學科知識和方法，以計算機為媒介向學生傳授各種知識。大數(shù)據(jù)背景下的個性化智能教學系統(tǒng)使用硬件結合軟件，設計教學、知識等模塊，全方面概括課堂上可涉及到的知識。實驗結果表明：個性化智能教學系統(tǒng)的反應時間更快，時效性更強，更適合投入到實際教學中使用。

作者:許儼寧 單位:天津師范大學