5G和人工智能背景下高校電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

韓濤，凌六一，唐超禮，黃友銳，徐善永，陳亮

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南）

一 引言

為了保護(hù)人民的生命安全，國家要求疫情期間高校暫停所有實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)。高校中電類專業(yè)各類實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程占整個課程的30%～40%，比重較大，而電類專業(yè)也是偏向應(yīng)用型專業(yè)，實(shí)驗(yàn)過程不僅可以幫助學(xué)生加深理論知識的理解，更鍛煉了學(xué)生的觀察力、思考能力和動手能力。受到疫情的影響，無法進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)的電類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)效果將大大降低，如何讓學(xué)生在家即可進(jìn)行電類專業(yè)的各種實(shí)驗(yàn)，如何才能做到“停課不停教，停課不停學(xué)”，在疫情期間保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新課題[1]。

隨著5G通信技術(shù)迅速崛起，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、大數(shù)據(jù)（Big Data）和人工智能（AI）等先進(jìn)科技都為電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了新的思路和方法。近年來，“互聯(lián)網(wǎng)+”的教育理念不斷被發(fā)展，利用互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的信息傳輸能力，使教育教學(xué)不再受到時間和空間上約束，只要有電腦、有網(wǎng)絡(luò)的地方，學(xué)生都可以方便地進(jìn)行學(xué)習(xí)[2]。5G通信技術(shù)的橫空出世，其特有的無線通信方式和高速度、高帶寬、低延時、低干擾和低功耗的特點(diǎn)，打破了萬物互聯(lián)“最后1公里”的限制，將互聯(lián)網(wǎng)從傳統(tǒng)的有線連接擴(kuò)展到無線互聯(lián)的廣闊領(lǐng)域當(dāng)中。配合著新興的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和人工智能技術(shù)，為改革高等院校的電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和便利性，提高教學(xué)效率和培養(yǎng)效果帶來了前所未有的契機(jī)[3-6]。

二 高校電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

由于高校電類專業(yè)涉及到電氣、自動化、電子、通信等各類專業(yè)，專業(yè)種類多，課程多樣，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也就不可避免會出現(xiàn)一些不足之處[7-9]。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺較為陳舊

傳統(tǒng)的電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)幾乎都是使用電子元件實(shí)物進(jìn)行連線，搭建實(shí)物電路系統(tǒng)，通電運(yùn)行后，使用示波器等測量儀器進(jìn)行電路參數(shù)的測量。使用實(shí)物實(shí)驗(yàn)雖然可以在一定程度上鍛煉學(xué)生的動手能力，但由于實(shí)物元件成本較高，損耗大，且需要較大的空間進(jìn)行存放，實(shí)驗(yàn)教學(xué)開始時才發(fā)給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收回進(jìn)行統(tǒng)一保管，極大地降低了實(shí)驗(yàn)元件、設(shè)備的使用效率，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率低，效果差。

近年來，電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺正在逐漸的由單純的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，往虛擬實(shí)驗(yàn)過度。有些高校師資力量雄厚，已經(jīng)做到虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但虛擬實(shí)驗(yàn)僅僅只能單機(jī)運(yùn)行在學(xué)生或?qū)嶒?yàn)室的電腦里，有些已經(jīng)可以開始進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)，但也只能連接到校園局域網(wǎng)的條件下進(jìn)行，而且也只是把電路元件和儀器進(jìn)行簡單虛擬化，無法做到復(fù)雜電路系統(tǒng)的虛擬化，更談不上虛擬遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)室大型儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法較為單一

傳統(tǒng)的電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)過程為，課前學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理、操作等準(zhǔn)備工作，實(shí)驗(yàn)時進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的分析處理得出結(jié)論，最后教師通過實(shí)驗(yàn)報告檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況。

雖然近年來實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入了虛擬實(shí)驗(yàn)、電子報告批改等先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總體模式?jīng)]有太大的變化，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師教學(xué)時千篇一律，年復(fù)一年，無法及時針對學(xué)生普遍存在的難點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)上的調(diào)整，實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)時只能對當(dāng)前實(shí)驗(yàn)常見的錯誤和問題對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，而學(xué)生實(shí)驗(yàn)時的錯誤各種各樣，指導(dǎo)老師很難針對具體某位學(xué)生出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行單獨(dú)指導(dǎo)。

針對上述高校電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，利用5G背景下智能互聯(lián)的優(yōu)勢對電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革勢在必行。

三 電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新理念

隨著社會的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多的新技術(shù)、新設(shè)備，高校電類專業(yè)還是以專業(yè)基礎(chǔ)知識教學(xué)為主，但這不代表實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用的教學(xué)平臺、儀器設(shè)備和教學(xué)方法始終一成不變。應(yīng)該始終堅持緊跟新技術(shù)、新潮流的教學(xué)理念，大膽采用最先進(jìn)、最前沿的科學(xué)技術(shù)，不斷更新新設(shè)備，采用新技術(shù)，如今5G技術(shù)和人工智能就是最熱門的新技術(shù)、應(yīng)該積極探索5G和人工智能與電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合，探索其在電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所能起到的新作用，努力使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更加豐富、形式更加靈活多樣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（一）融入核心價值觀，提高團(tuán)隊協(xié)作能力

現(xiàn)如今，思政課程得到越來越多的重視，在學(xué)好理論技術(shù)知識的同時，需要大力提高學(xué)生的愛國主義精神，要將社會主義核心價值觀融入到各個理論課程和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中去。傳統(tǒng)的說教形式已經(jīng)不太容易讓學(xué)生接受，而5G和互聯(lián)網(wǎng)的到來，可以從中獲取更為豐富的思政教學(xué)內(nèi)容、核心理念、新穎的教學(xué)形式，如在線聽取見義勇為真人真事，在線云游愛國主義教育基地，黨員模范實(shí)時在線問答等，這使得學(xué)生更容易接受愛國主義思想教育，更能很好地參與到思政教學(xué)當(dāng)中，不知不覺中樹立起社會主義核心價值觀，成為“又紅又?！钡纳鐣髁x接班人。

舊有的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中，幾乎都是采用學(xué)生分小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至為了鍛煉學(xué)生動手能力實(shí)行一人一組的實(shí)驗(yàn)過程，這種形式缺少了對學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作能力的培養(yǎng)，尤其是大型團(tuán)隊共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)一個實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的經(jīng)驗(yàn)欠缺，對學(xué)生的全面發(fā)展十分不利。VR技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、5G、互聯(lián)網(wǎng)使得學(xué)生可以跨越時間和空間的限制，以實(shí)時語音視頻交流、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時共享，使在不同地理位置的學(xué)生們進(jìn)行大團(tuán)隊協(xié)同實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不再成為難事，這使得學(xué)生們有條件去進(jìn)行一些更加深入，更加復(fù)雜，也更具有創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)活動，在鍛煉了團(tuán)隊協(xié)作能力、溝通能力的同時，也體驗(yàn)到了大型實(shí)驗(yàn)的過程，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新性和創(chuàng)造力。

（二）加強(qiáng)課程體系建設(shè)，注重教學(xué)有效性

在教學(xué)中融入社會主義核心價值觀的同時，還需要時刻思考電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的課程體系建設(shè)，5G和互聯(lián)的發(fā)展使得信息數(shù)據(jù)獲取的更加方便、容易，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的方方面面的各種數(shù)據(jù)可以大量的獲取，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心后采用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行處理，分析出大量數(shù)據(jù)背后所隱藏的教學(xué)中，對教學(xué)質(zhì)量和效率有重要影響的各種因素，這些分析得到的規(guī)律性、啟發(fā)性的數(shù)據(jù)，可以幫助教師不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程體系的建設(shè)，是否為實(shí)驗(yàn)方法的問題，是否為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解的問題，或者是學(xué)生自身動手能力的問題等，針對具體問題設(shè)計具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和形式，能更加有效地幫助學(xué)生理解相關(guān)理論知識和提高學(xué)生動手能力。

在教學(xué)理念中，除了要時刻關(guān)注實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，還要關(guān)注實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。傳統(tǒng)的教學(xué)效果的檢查較多的是通過測驗(yàn)、考試等手段，檢查學(xué)生對所需知識技能的掌握情況，再加上學(xué)生上課時的出勤率和是否聽講進(jìn)行輔助判斷教學(xué)效果，而是否認(rèn)真聽講只是觀察其是否睡覺、玩手機(jī)等小動作中判斷，而一個老師在保證上課流暢性的同時，觀察多個甚至幾十個學(xué)生是否聽講，難度很大也很浪費(fèi)精力。而通過5G技術(shù)獲取學(xué)生課堂圖像，采用人工智能技術(shù)對圖像進(jìn)行檢測識別，實(shí)時判斷出課堂中每位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)已經(jīng)不是難事，如檢測學(xué)生交頭接耳，低頭玩手機(jī)，走神，犯困等，通過人工智能圖像處理的輔助，老師可以很好地掌握到課堂中每位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，對教學(xué)效果的評估更加準(zhǔn)確，有助于教師對課堂節(jié)奏的掌控和學(xué)生學(xué)習(xí)的管理，提高教學(xué)質(zhì)量。

四 電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新平臺

（一）基于虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)驗(yàn)新設(shè)備

為了解決空間上實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的存放、使用不便等問題，提出使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)所涉及到的所有實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備全部虛擬化，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)就可以在虛擬空間中使用到儀器設(shè)備。針對純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效性不足的問題，提出通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)時同步，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的虛實(shí)結(jié)合，學(xué)生在虛擬空間中對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作，對應(yīng)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備也會真正的實(shí)時運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果就是實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)儀器的測試結(jié)果，避免了純虛擬實(shí)驗(yàn)造成的數(shù)據(jù)真實(shí)性問題。

（二）基于5G通信和“互聯(lián)網(wǎng)+”的實(shí)時通信新技術(shù)

為了解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備虛擬化孿生化后，能實(shí)時反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要求網(wǎng)絡(luò)通信高帶寬高速度的問題，依靠5G通信具有的高帶寬高速度的無線通信能力，實(shí)現(xiàn)用戶可以在任何有網(wǎng)絡(luò)信號的地方，使用任何可以上網(wǎng)的設(shè)備終端，隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)時觀察到實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，準(zhǔn)確獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這不僅僅極大提高了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的便利性，而且可以讓學(xué)生嘗試所有感興趣的實(shí)驗(yàn)，并可根據(jù)需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，提升了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造力。甚至即使將來再發(fā)生類似新型冠狀病毒肺炎疫情，也能輕松做到“停課不停教，停課不停學(xué)”，在疫情期間保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果。

五 電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法

（一）基于人工智能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法

以人工智能技術(shù)，輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過5G通信和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時獲取學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程和測量結(jié)果，運(yùn)用人工智能準(zhǔn)確的推斷出學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，并及時分析產(chǎn)生錯誤的可能性，提示或指導(dǎo)學(xué)生修正實(shí)驗(yàn)中的錯誤或不良習(xí)慣，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程，幫助學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)，改正不良實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。人工智能的應(yīng)用極大緩解了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師人員不足、精力有限的問題，可以保證針對每一位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行單獨(dú)指導(dǎo)，指導(dǎo)方式和過程可以做到因人而異，因材施教，極大的提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

（二）基于大數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方式

憑借5G通信和“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)不斷獲取學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種各樣的實(shí)驗(yàn)錯誤數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣、實(shí)驗(yàn)方案制定偏好、實(shí)驗(yàn)儀器上手周期、實(shí)驗(yàn)過程中出錯的類型及原因，及時調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，抓住實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，真正做到教學(xué)內(nèi)容不斷地推陳出新，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時又能突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

六 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)平臺陳舊，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一的問題，尤其是由于一些客觀原因使學(xué)生無法回校，無法正常開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，提出一種新的電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和教學(xué)模式。通過基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生、5G通信和“互聯(lián)網(wǎng)+”的技術(shù)設(shè)計新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，保證了學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，極大提高了實(shí)驗(yàn)效率，保證任何情況下實(shí)驗(yàn)的順利開展。通過人工智能和大數(shù)據(jù)，提出新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，使實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)真正做到因人而異，因材施教，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更加合理，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。