大數(shù)據(jù)背景下的個(gè)性化智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許儼寧

摘? 要： 針對(duì)傳統(tǒng)智能教學(xué)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間慢的問題，設(shè)計(jì)一種大數(shù)據(jù)背景下的個(gè)性化智能教學(xué)系統(tǒng)。硬件部分使用CCD器件設(shè)計(jì)一種影像傳感器，連接激光反饋裝置，使用雙核處理器，采用多觸電摸框技術(shù)設(shè)計(jì)一體式高清多點(diǎn)觸摸互動(dòng)鏡面裝置，將鏡面裝置連接4個(gè)可捕捉的紅外光攝像頭，組成鏡多點(diǎn)的觸碰平臺(tái)。使用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理學(xué)生知識(shí)掌握情況，利用貝葉斯公式歸納教學(xué)數(shù)據(jù)，使用Java編程錄入教學(xué)數(shù)據(jù)，完成軟件部分的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與兩種傳統(tǒng)智能教學(xué)系統(tǒng)相比，大數(shù)據(jù)背景下的個(gè)性化智能教學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際操作使用時(shí)，系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間為0.4 s，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間更快，更適合投入到教學(xué)中使用。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù)背景; 個(gè)性化; 智能教學(xué)系統(tǒng); 影像傳感器; 激光反饋裝置; 系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間

中圖分類號(hào)： TN02?34; TP181? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）13?0180?03

Design of personalized intelligent teaching system under background of big data

XU Yanning

（Tianjin Normal University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In view of the slow response of the traditional intelligent teaching systems， a personalized intelligent teaching system under the background of bid data is designed. In terms of the hardware， an image sensor is designed by the CCD （charge?coupled device）， which is connected to a laser feedback device. A dual?core processor is adopted. The multi?touch frame technology is adopted to design an integrated HD multi?touch interactive mirror device， and the mirror device is connected with 4 capturable infrared cameras to form a mirror multi?touch platform. In terms of the software， the big data technology is used to deal with the problems in students′ knowledge acquisition， the Bayesian formula is used to summarize the teaching data， and the Java programming is used to entering the teaching data. The experimental results show that， in comparison with the two traditional intelligent teaching systems， the personalized intelligent teaching system under the background of big data has a response time of 0.4 s， which is faster and more suitable to put into teaching.

Keywords： big data background; personalization; intelligent teaching system; image sensor; laser feedback device; system response time

0? 引? 言

大數(shù)據(jù)是指無法在一定時(shí)間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具捕捉、管理和處理的一種數(shù)據(jù)集合，是結(jié)合新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)[1]。個(gè)性化智能教學(xué)以智能算法與大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以人機(jī)交互的方式教學(xué)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)定位薄弱知識(shí)反饋給教師，教師根據(jù)反饋情況調(diào)整教學(xué)計(jì)劃。本文設(shè)計(jì)了一種大數(shù)據(jù)背景下的個(gè)性化智能教學(xué)系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)教學(xué)中的不足，提高教學(xué)效率，改善學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，極大地提升了教學(xué)效果[2]。

1? 教學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能教學(xué)系統(tǒng)硬件部分主要設(shè)計(jì)感應(yīng)模塊、顯像模塊與主機(jī)控制模塊。感應(yīng)模塊使用多點(diǎn)觸控技術(shù)，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(gè)激光發(fā)射器，激光發(fā)射器會(huì)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(gè)光面。在實(shí)際操作時(shí)，用戶接觸到操作界面的操作時(shí)，會(huì)阻擋鐳射光面，在操作界面上形成一個(gè)光面斷點(diǎn)，此時(shí)形成的光面斷點(diǎn)就可完成用戶觸控操作[3]。為了實(shí)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(yùn)算的主機(jī)使用參數(shù)為Intel Core Due 21.66 GHz的雙核處理器，連接上述核心硬件。將投影機(jī)與CCD影像傳感器連接在一起，并固定在一個(gè)透明、顏色較暗的盒子中，盒子放置在400 mm可伸縮支架的頂端。主機(jī)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(diǎn)觸摸互動(dòng)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(shù)，將兩個(gè)紅外線掃描相機(jī)放置在觸摸邊框相鄰角上[5]。工作時(shí)，紅外線掃描相機(jī)根據(jù)紅外光源的阻斷來檢測(cè)任何觸摸其探測(cè)層的物體位置數(shù)據(jù)。觸摸框邊緣形成一個(gè)光層，光層照射到屏邊，并由屏三個(gè)邊上的定向反射條返回給相機(jī)[6]。設(shè)計(jì)一個(gè)底座將液晶鏡面得以站立，整體設(shè)計(jì)的一體式高清多點(diǎn)觸摸互動(dòng)鏡面裝置如圖3所示。

使用FTIR技術(shù)的技術(shù)要求，智能鏡面多點(diǎn)觸技術(shù)選擇反射多點(diǎn)觸摸技術(shù)，采用8 mm的樹脂玻璃導(dǎo)光板，不斷調(diào)整支撐架的滑動(dòng)槽[7]。下設(shè)IR 850 nm的紅外LED光條，光條間距為16.7 mm，使用超薄雙面膠粘貼在固定支架的四周邊緣。使用4個(gè)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(dǎo)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(gè)鏡多點(diǎn)觸碰平臺(tái)，組裝后的成品如圖4所示。

鏡多點(diǎn)觸碰平臺(tái)外連接投影儀器，即可完成對(duì)教學(xué)系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，平臺(tái)內(nèi)設(shè)計(jì)大數(shù)據(jù)相關(guān)程序，完成對(duì)教學(xué)系統(tǒng)的個(gè)性化智能控制[9]。

2? 教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分首先使用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理學(xué)生知識(shí)掌握情況，使用貝葉斯公式與其一種歸納推理方法將知識(shí)情況描述為：

式中[G]是一個(gè)由隨機(jī)變量知識(shí)集[X]作為頂點(diǎn)，函數(shù)邏輯關(guān)系為弧的有向無環(huán)圖[11]。

假設(shè)[G]頂點(diǎn)隨機(jī)變量[Xi]的知識(shí)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(jī)變量知識(shí)集合[X]上聯(lián)合條件分布為：

式中[Π]為聯(lián)合條件系數(shù)[12]。使用Java編程實(shí)現(xiàn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，使用JavaBayes生成void testuntitled，使用throw delete刪改生成的多余代碼，利用import Java.until.*導(dǎo)入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程learn Exception*，編程Java實(shí)現(xiàn)智能教學(xué)過程。將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)使用Java編程導(dǎo)入后，使用KMFSM建模關(guān)鍵算法，將知識(shí)集合的全集通過學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和測(cè)試表現(xiàn)計(jì)算出KMFSM中的節(jié)點(diǎn)數(shù)[13]。按照不同的教學(xué)大綱，將知識(shí)項(xiàng)按照不同體系分成年級(jí)、課本、單元和知識(shí)點(diǎn)幾個(gè)層次。確定知識(shí)項(xiàng)之間的關(guān)系，使用歷年學(xué)生情況與教師經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)項(xiàng)的開始參數(shù)數(shù)值，不斷計(jì)算更新KMFSM中對(duì)應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)[14]。實(shí)際運(yùn)用時(shí)按照以下模塊對(duì)學(xué)生實(shí)現(xiàn)個(gè)性化智能教學(xué)，具體如圖5所示。

綜上，軟硬件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)背景下的個(gè)性化智能教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(shù)設(shè)計(jì)一體式高清多點(diǎn)觸摸互動(dòng)鏡面裝置，將鏡面裝置安裝4個(gè)可捕捉的紅外光攝像頭，組成鏡多點(diǎn)的觸碰平臺(tái)。軟件部分使用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理學(xué)生知識(shí)掌握情況，利用貝葉斯公式歸納教學(xué)數(shù)據(jù)，使用Java編程錄入教學(xué)數(shù)據(jù)，軟硬件相互作用，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化智能教學(xué)[15]。

3? 智能教學(xué)系統(tǒng)測(cè)試

3.1? 準(zhǔn)備階段

測(cè)試硬件環(huán)境為：

客戶端：可安裝Web瀏覽器和連接網(wǎng)絡(luò)的微機(jī);服務(wù)器端：PII以上CPU，64 MB以上內(nèi)存，10 GB以上硬盤;網(wǎng)絡(luò)：傳輸速率在3 MB/s以上。

軟件環(huán)境為：

客戶端：Windows系列操作平臺(tái)、Internet Explore 4.01以上版本;服務(wù)器端：Windows NT 4.0網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（Pack6）或Windows 2000 Server MS SQL Server 7.0，MS SQL Server 7.0，Visual InterDev6，F(xiàn)rontpage 98/2000，Visual Basic 6，IIS 3.0以上版本。

3.2? 測(cè)試結(jié)果

使用兩種傳統(tǒng)的智能教學(xué)系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)背景下的個(gè)性化智能教學(xué)系統(tǒng)，在相同的網(wǎng)速下，選擇教學(xué)系統(tǒng)中的教學(xué)模塊，記錄統(tǒng)計(jì)三種教學(xué)系統(tǒng)對(duì)這三種模塊的反應(yīng)時(shí)間，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，保持網(wǎng)速在5 MB/s的情況下，在實(shí)際操作使用時(shí)，傳統(tǒng)智能教學(xué)系統(tǒng)1在進(jìn)入教學(xué)模塊反應(yīng)時(shí)間為2.5 s，傳統(tǒng)智能教學(xué)系統(tǒng)2所需反應(yīng)時(shí)間為1.5 s，而使用大數(shù)據(jù)背景下的個(gè)性化智能教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入教學(xué)模塊的反應(yīng)時(shí)間只需0.4 s，提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，縮短了系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，避免浪費(fèi)不必要的課堂時(shí)間，為學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)創(chuàng)造了更多的時(shí)間。

4? 結(jié)? 語

隨著科技的發(fā)展，教學(xué)方式以傳統(tǒng)式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚?jì)算機(jī)輔助教學(xué)的模式，這種智能教學(xué)方式以現(xiàn)代教育理論為基礎(chǔ)，綜合各種學(xué)科知識(shí)和方法，以計(jì)算機(jī)為媒介向?qū)W生傳授各種知識(shí)。大數(shù)據(jù)背景下的個(gè)性化智能教學(xué)系統(tǒng)使用硬件結(jié)合軟件，設(shè)計(jì)教學(xué)、知識(shí)等模塊，全方面概括課堂上可涉及到的知識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：個(gè)性化智能教學(xué)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間更快，時(shí)效性更強(qiáng)，更適合投入到實(shí)際教學(xué)中使用。

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