基于人工智能技術的云教學平臺設計開發(fā)

摘要：文章開發(fā)了基于人工智能技術的云教學平臺，該平臺整合了先進的人工智能算法與技術，以增強教育系統(tǒng)的個性化教學和資源優(yōu)化功能。文章首先對人工智能技術在云教學平臺中的應用價值進行了初步評估；隨后，系統(tǒng)地闡述了平臺的總體架構設計，包括硬件配置及4個核心功能模塊（機器人聊天、個性化推薦、知識圖譜以及智能優(yōu)化與決策模塊）；最后，通過對實際用戶行為進行系統(tǒng)測試，詳細地評估了這些功能模塊的性能表現(xiàn)。測試結果顯示，各模塊在提升教學效率和優(yōu)化學習體驗方面表現(xiàn)突出，特別是在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和應對高并發(fā)請求的環(huán)境下，展現(xiàn)了顯著的效能和穩(wěn)定性。

關鍵詞：人工智能技術；云教學平臺；設計開發(fā)

中圖分類號：G434文獻標志碼：A

0引言

在信息技術迅猛發(fā)展的當下，隨著人工智能技術的廣泛應用，傳統(tǒng)教育模式正經(jīng)歷著重大變革。高等教育領域采用基于云計算的教學平臺，旨在滿足遠程教學的需求，提升教學效率與質(zhì)量。然而，這些平臺在個性化教學提升、資源優(yōu)化配置及教學策略的智能決策等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)不僅影響了教學質(zhì)量，還制約了教育信息化的深入推進［1］。

1基于人工智能技術的云教學平臺開發(fā)與實現(xiàn)

1.1平臺總體框架設計

基于人工智能技術的云教學平臺核心架構分為數(shù)據(jù)層、服務層和應用層3個主要部分。數(shù)據(jù)層負責收集、存儲和處理來自各種教學活動的大規(guī)模數(shù)據(jù)，使用高效的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)倉庫技術確保數(shù)據(jù)的安全和快速訪問。服務層集成了人工智能的主要功能模塊，包括自然語言處理、機器學習和復雜事件處理引擎，這些模塊負責處理復雜的數(shù)據(jù)分析任務，為應用層提供實時的智能決策支持。應用層面向最終用戶，提供用戶界面和交互設計，確保師生具有良好的使用體驗。

1.2云教學平臺硬件設計

本研究的云教學平臺服務器采用基于x86架構的多核處理器，配置64核的Intel Xeon Scalable處理器，頻率2.7 GHz，支持Turbo Boost技術，以提高處理大量教學數(shù)據(jù)的計算速度。內(nèi)存配置為512 GB DDR4 ECC，保障數(shù)據(jù)處理的安全性與穩(wěn)定性。存儲解決方案采用NVMe SSD固態(tài)硬盤，提供至少48 TB的存儲空間，以支持快速數(shù)據(jù)讀寫和高效的數(shù)據(jù)備份機制。網(wǎng)絡采用10 GbE光纖通道，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俣群偷脱舆t，支持分布式數(shù)據(jù)中心間的高效數(shù)據(jù)同步。整合高性能的GPU服務器，配置NVIDIA Tesla V100 GPU，用于加速機器學習和深度學習計算［2］。

1.3云教學平臺功能模塊設計

1.3.1機器人聊天模塊

云教學平臺中的機器人聊天模塊設計依托于先進的自然語言處理（Natural Language Processing，NLP）技術和深度學習算法，以實現(xiàn)流暢的交互和高度個性化的學習支持。該模塊核心采用基于Transformer的雙向編碼器（Bidirectional Encoder Representations from Transformers，BERT）模型，該模型通過預訓練的大型語料庫學習語言的深層次語義，使機器人能夠理解并生成人類般的自然語言響應。為優(yōu)化模塊響應時間和處理效率，本文引入快速文本匹配算法（如：余弦相似度計算），計算公式為：

cosine similarity=A·B‖A‖‖B‖（1）

其中，A和B分別代表用戶輸入和知識庫中文本向量。

1.3.2個性化推薦模塊

本文的云教學平臺個性化推薦模塊采用基于深度學習的神經(jīng)協(xié)同過濾（Neural Collaborative Filtering， NCF）算法，這種算法融合了傳統(tǒng)協(xié)同過濾的優(yōu)點和神經(jīng)網(wǎng)絡的強大學習能力，能夠更準確地模擬用戶與項之間的復雜交互關系。在NCF框架中，關鍵的公式表示為：

y^ui=σhTW·fPu，Qi+b（2）

其中，y^ui是用戶u對項目i的預測評分；σ是激活函數(shù)，如sigmoid，確保輸出值為0～1；h、W、b是學習得到的參數(shù)；fPu，Qi是用戶特征矩陣Pu和項目特征矩陣Qi的交互函數(shù)，通常使用多層感知器（Multilayer Perceptron，MLP）來學習非線性交互特征。

為了增強模型對新內(nèi)容的適應能力，引入自適應矩量提升算法（Adaptive Moment Estimation， Adam），該算法是用于替代傳統(tǒng)隨機梯度下降的優(yōu)化器，以優(yōu)化學習過程中的權重調(diào)整。Adam算法結合了動量（momentum）和RMSprop的優(yōu)點，通過計算梯度的一階矩估計和二階矩估計來調(diào)整學習率，使其適應于不同的參數(shù)，從而更有效地更新網(wǎng)絡權重［3］。

θt+1=θt-ηv^t+m^t（3）

其中，θ表示模型參數(shù)，η是學習率，m^t和v^t分別是梯度的一階矩和二階矩的估計，是為了防止除0而加的小常數(shù)。

1.3.3知識圖譜模塊

知識圖譜模塊通過實體抽取和關系識別技術構建，主要使用自然語言處理（Natural Language Processing，NLP）技術從教材和在線資源中提取關鍵信息，如重要概念（實體）及其相互關系。采用圖嵌入算法如TransE模型，該模型通過將實體和關系映射到低維向量空間中來學習知識圖譜的結構信息。TransE模型的關鍵公式為：

min∑（h，r，t）∈S‖h+r-t‖22（4）

其中，h、r、t分別代表頭實體、關系和尾實體向量，S是訓練集中的正三元組集合。該模型的目標是最小化頭實體加關系向量與尾實體向量之間的距離，以此表示關系的語義。

為了提高知識圖譜的查詢效率和推理能力，采用基于圖的神經(jīng)網(wǎng)絡（Graph Neural Network， GNN）進行深入學習和推理。GNN可以有效捕捉圖結構中的節(jié)點關系，并通過節(jié)點的特征傳播提升整個圖的表征能力。通過迭代更新節(jié)點狀態(tài)的過程，其表達式為：

x（k+1）i=σW（k）·∑j∈N（i）x（k）j|N（i）|+b（k）（5）

其中，x（k）i是節(jié)點i在第k次迭代的特征向量，N（i）是節(jié)點i的鄰居節(jié)點集合，W（k）和b（k）是學習參數(shù)，σ是非線性激活函數(shù)。

1.3.4智能優(yōu)化與決策模塊

云教學平臺的智能優(yōu)化與決策模塊采用多目標優(yōu)化算法，特別是基于遺傳算法（Genetic Algorithms， GA）和強化學習（Reinforcement Learning， RL）的混合方法，實現(xiàn)復雜決策環(huán)境下的策略優(yōu)化。遺傳算法部分通過模擬自然選擇的進化過程來尋找最優(yōu)解，其核心公式涉及適應度函數(shù)的定義，具體表達式為：

f（x）=w1g1（x）+w2g2（x）+…+wngn（x）（6）

其中，x代表一個解決方案（如一種教學配置），gi（x）是該解決方案在第i個目標上的性能表現(xiàn)，w1是對應目標的權重，反映不同教學目標的優(yōu)先級。

強化學習部分通過定義獎勵機制來訓練決策模型，使其在給定的教學環(huán)境中學習如何做出最佳決策。使用Q學習（Q-learning），無模型的強化學習算法，其更新規(guī)則為：

Q（s，a）←Q（s，a）+α［r+γmaxa′Q（s′，a′）-Q（s，a）］（7）

其中，s和s′分別代表當前狀態(tài)和下一個狀態(tài)，a是在狀態(tài)s下采取的行動，r是行動a帶來的即時獎勵，α是學習率，γ是折扣因子，決定未來獎勵的當前價值。

結合遺傳算法的全局搜索能力和強化學習的適應性學習特點，智能優(yōu)化與決策模塊不僅能自動調(diào)整教學資源分配，還能實時優(yōu)化教學策略，從而在保證教學質(zhì)量的前提下，提高資源使用效率，增強學習過程的個性化和動態(tài)適應性［4］。

2平臺性能測試

2.1測試環(huán)境

在平臺服務器方面，本文部署了32核Intel Xeon Platinum 8276L CPU，2.2 GHz頻率，128 GB DDR4 ECC內(nèi)存和1 TB NVMe SSD，滿足算法處理大量數(shù)據(jù)和高并發(fā)請求的能力。網(wǎng)絡設置通過軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）技術實現(xiàn)，模擬不同帶寬（10 Mbps～1 Gbps）和延遲（10 ms～200 ms）條件。自動化測試工具包括Apache JMeter和New Relic，用于模擬用戶請求和監(jiān)控系統(tǒng)性能，確保在復雜場景下評估平臺的響應速度和穩(wěn)定性。

2.2測試樣本及方法

本研究的測試樣本囊括了從基礎課程瀏覽到高級互動功能的用戶操作，具體包括學生登錄、課件下載、視頻播放、在線測試及論壇討論等，涵蓋了各類用戶行為。樣本用戶配置模擬了不同背景的學生和教師，如不同的操作系統(tǒng)使用習慣、網(wǎng)絡連接質(zhì)量及設備類型。測試方法結合自動化腳本和實時監(jiān)控技術，使用Apache JMeter進行壓力測試，模擬50～1000的并發(fā)用戶數(shù)量，評估平臺在不同負載下的響應能力和穩(wěn)定性。每個用戶行為都設計為獨立的測試線程，確保測試覆蓋所有功能模塊。同時，配合New Relic工具進行系統(tǒng)性能的實時監(jiān)控，關注頁面響應時間、系統(tǒng)吞吐量、及時發(fā)現(xiàn)任何異?；蛐阅芷款i［5］。

2.3測試結果分析

研究的云教學平臺各功能模塊均表現(xiàn)出較高的性能和用戶滿意度。機器人聊天模塊以其較低的響應時間和較高的用戶滿意度，突出顯示了優(yōu)化的對話管理系統(tǒng)和高效的自然語言處理技術的成效。個性化推薦模塊雖然在響應時間上略有增加，但依然保持了較高的吞吐量和用戶滿意度，反映了其精準的推薦算法和用戶界面設計的有效性。知識圖譜模塊在所有模塊中響應時間最長，但考慮其處理的數(shù)據(jù)復雜性和深度，該結果在可接受范圍內(nèi)。智能優(yōu)化與決策模塊展現(xiàn)了較好的綜合性能，尤其在成功率和用戶滿意度上表現(xiàn)優(yōu)異，驗證了其決策支持系統(tǒng)的實用性和準確性。

3結語

本文強調(diào)了人工智能技術在教育領域的革命性作用，為未來教育模式的發(fā)展提供了新視角和解決方案。隨著技術的不斷進步和教育需求的增長，人工智能預計將繼續(xù)在優(yōu)化學習體驗和提升教學效率方面發(fā)揮關鍵作用。

參考文獻

［1］朱珂，史曉雪，蘇林猛.人工智能助推教師專業(yè)發(fā)展：機遇、挑戰(zhàn)和路徑［J］.甘肅開放大學學報，2024（2）：1-5，95.

［2］褚樂陽，王浩，陳向東.面向大語言模型的青少年人工智能教育［J］.中國電化教育，2024（4）：32-44.

［3］謝作如.用OpenHydra搭建本地人工智能教學平臺［J］.中國信息技術教育，2024（7）：74-76.

［4］申靈杰.基于數(shù)字化教學平臺的人工智能項目教學評價［J］.浦東教育，2024（2）：25-28.

［5］謝昊洋，韓珂，孫全紅，等.華為技術生態(tài)在人工智能專業(yè)課程設計改革中的探索［J］.電子元器件與信息技術，2023（10）：111-114.

（編輯沈強編輯）

Design and development of cloud teaching platform based on artificial intelligence technology

SONG" Ruixue1， SONG" Wenliang2

（1.Foreign Language Institute， Jilin University of Architecture and Technology， Changchun 130000， China;"2.Unicom （Jilin） Industrial Internet Co.， Ltd.， Changchun 130000， China）

Abstract： This paper develops a cloud teaching platform based on artificial intelligence technology， which integrates advanced artificial intelligence algorithm and technology to enhance the personalized teaching and resource optimization function of the education system. This paper firstly evaluates the application value of artificial intelligence technology in cloud teaching platform， and then systematically describes the overall architecture design of the platform， including hardware configuration and four core functional modules （robot chat， personalized recommendation， knowledge graph， and intelligent optimization and decision module）. Finally，the performance of these functional modules is evaluated in detail through systematic testing of actual user behavior. The test results show that each module has outstanding performance in improving teaching efficiency and optimizing learning experience， especially in the environment of processing large-scale data and responding to high concurrency requests， showing remarkable efficiency and stability.

Key words： artificial intelligence technology; cloud teaching platform; design and development