5G和人工智能背景下高校電類專業實驗教學改革研究

韓濤，凌六一，唐超禮，黃友銳，徐善永，陳亮

（安徽理工大學，安徽 淮南）

一 引言

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

隨著5G通信技術迅速崛起，互聯網技術的不斷發展成熟，虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、大數據（Big Data）和人工智能（AI）等先進科技都為電類專業實驗教學改革提供了新的思路和方法。近年來，“互聯網+”的教育理念不斷被發展，利用互聯網強大的信息傳輸能力，使教育教學不再受到時間和空間上約束，只要有電腦、有網絡的地方，學生都可以方便地進行學習[2]。5G通信技術的橫空出世，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，打破了萬物互聯“最后1公里”的限制，將互聯網從傳統的有線連接擴展到無線互聯的廣闊領域當中。配合著新興的大數據處理技術和人工智能技術，為改革高等院校的電類專業實驗教學，增加學生學習興趣和便利性，提高教學效率和培養效果帶來了前所未有的契機[3-6]。

二 高校電類專業實驗教學現狀

由于高校電類專業涉及到電氣、自動化、電子、通信等各類專業，專業種類多，課程多樣，實驗教學也就不可避免會出現一些不足之處[7-9]。

（一）實驗教學平臺較為陳舊

傳統的電類專業實驗教學幾乎都是使用電子元件實物進行連線，搭建實物電路系統，通電運行后，使用示波器等測量儀器進行電路參數的測量。使用實物實驗雖然可以在一定程度上鍛煉學生的動手能力，但由于實物元件成本較高，損耗大，且需要較大的空間進行存放，實驗教學開始時才發給學生進行實驗，實驗結束后收回進行統一保管，極大地降低了實驗元件、設備的使用效率，實驗教學效率低，效果差。

近年來，電類實驗教學平臺正在逐漸的由單純的實物實驗，往虛擬實驗過度。有些高校師資力量雄厚，已經做到虛擬實驗和實物實驗相結合的實驗教學，但虛擬實驗僅僅只能單機運行在學生或實驗室的電腦里，有些已經可以開始進行網絡聯機實驗，但也只能連接到校園局域網的條件下進行，而且也只是把電路元件和儀器進行簡單虛擬化，無法做到復雜電路系統的虛擬化，更談不上虛擬遠程操作實驗室大型儀器設備進行實驗。

（二）實驗教學方法較為單一

傳統的電類專業實驗過程為，課前學生通過實驗指導書進行實驗原理、操作等準備工作，實驗時進入到實驗室進行實驗操作測量，實驗結束后對實驗數據進行一系列的分析處理得出結論，最后教師通過實驗報告檢查學生的實驗情況。

雖然近年來實驗教學引入了虛擬實驗、電子報告批改等先進的實驗教學方法，但實驗教學的總體模式沒有太大的變化，實驗指導老師教學時千篇一律，年復一年，無法及時針對學生普遍存在的難點進行教學上的調整，實驗操作指導時只能對當前實驗常見的錯誤和問題對學生進行指導，而學生實驗時的錯誤各種各樣，指導老師很難針對具體某位學生出現的錯誤進行單獨指導。

針對上述高校電類專業實驗教學的不足，利用5G背景下智能互聯的優勢對電類專業實驗教學進行改革勢在必行。

三 電類專業實驗教學新理念

隨著社會的不斷發展，涌現出越來越多的新技術、新設備，高校電類專業還是以專業基礎知識教學為主，但這不代表實驗教學中使用的教學平臺、儀器設備和教學方法始終一成不變。應該始終堅持緊跟新技術、新潮流的教學理念，大膽采用最先進、最前沿的科學技術，不斷更新新設備，采用新技術，如今5G技術和人工智能就是最熱門的新技術、應該積極探索5G和人工智能與電類專業實驗教學緊密結合，探索其在電類專業實驗教學所能起到的新作用，努力使實驗教學內容更加豐富、形式更加靈活多樣，提高實驗教學效率，提升實驗教學效果。

（一）融入核心價值觀，提高團隊協作能力

現如今，思政課程得到越來越多的重視，在學好理論技術知識的同時，需要大力提高學生的愛國主義精神，要將社會主義核心價值觀融入到各個理論課程和實驗實踐教學當中去。傳統的說教形式已經不太容易讓學生接受，而5G和互聯網的到來，可以從中獲取更為豐富的思政教學內容、核心理念、新穎的教學形式，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，黨員模范實時在線問答等，這使得學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當中，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。

舊有的實驗實踐教學中，幾乎都是采用學生分小組進行實驗，甚至為了鍛煉學生動手能力實行一人一組的實驗過程，這種形式缺少了對學生團隊協作能力的培養，尤其是大型團隊共同協作實現一個實驗目標的經驗欠缺，對學生的全面發展十分不利。VR技術、數字孿生技術、5G、互聯網使得學生可以跨越時間和空間的限制，以實時語音視頻交流、實驗儀器、實驗過程、實驗數據實時共享，使在不同地理位置的學生們進行大團隊協同實驗已經不再成為難事，這使得學生們有條件去進行一些更加深入，更加復雜，也更具有創造性的實驗活動，在鍛煉了團隊協作能力、溝通能力的同時，也體驗到了大型實驗的過程，培養了學生的創新性和創造力。

（二）加強課程體系建設，注重教學有效性

在教學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實驗教學中的課程體系建設，5G和互聯的發展使得信息數據獲取的更加方便、容易，實驗教學過程中的方方面面的各種數據可以大量的獲取，并傳輸到數據中心后采用大數據技術進行處理，分析出大量數據背后所隱藏的教學中，對教學質量和效率有重要影響的各種因素，這些分析得到的規律性、啟發性的數據，可以幫助教師不斷地進行實驗實踐課程體系的建設，是否為實驗方法的問題，是否為實驗內容理解的問題，或者是學生自身動手能力的問題等，針對具體問題設計具體實驗教學內容和形式，能更加有效地幫助學生理解相關理論知識和提高學生動手能力。

在教學理念中，除了要時刻關注實驗教學內容，還要關注實驗教學的有效性。傳統的教學效果的檢查較多的是通過測驗、考試等手段，檢查學生對所需知識技能的掌握情況，再加上學生上課時的出勤率和是否聽講進行輔助判斷教學效果，而是否認真聽講只是觀察其是否睡覺、玩手機等小動作中判斷，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生是否聽講，難度很大也很浪費精力。而通過5G技術獲取學生課堂圖像，采用人工智能技術對圖像進行檢測識別，實時判斷出課堂中每位學生的學習狀態已經不是難事，如檢測學生交頭接耳，低頭玩手機，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生的學習狀態，對教學效果的評估更加準確，有助于教師對課堂節奏的掌控和學生學習的管理，提高教學質量。

四 電類專業實驗教學新平臺

（一）基于虛擬現實、數字孿生技術的實驗新設備

為了解決空間上實驗儀器設備的存放、使用不便等問題，提出使用虛擬現實技術將電類專業實驗所涉及到的所有實際實驗設備全部虛擬化，學生通過網絡就可以在虛擬空間中使用到儀器設備。針對純虛擬仿真實驗的實驗數據真實有效性不足的問題，提出通過數字孿生技術實現虛擬實驗設備和實際實驗設備的實時同步，進行實驗設備的虛實結合，學生在虛擬空間中對實驗設備的操作，對應的實際實驗設備也會真正的實時運行，實驗結果就是實際操作實驗儀器的測試結果，避免了純虛擬實驗造成的數據真實性問題。

（二）基于5G通信和“互聯網+”的實時通信新技術

為了解決實際實驗設備虛擬化孿生化后，能實時反饋實驗結果，要求網絡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，實現用戶可以在任何有網絡信號的地方，使用任何可以上網的設備終端，隨時隨地進行實驗操作，實時觀察到實驗過程和實驗現象，準確獲取實驗結果。這不僅僅極大提高了學生進行實驗的便利性，而且可以讓學生嘗試所有感興趣的實驗，并可根據需要反復實驗驗證，提高了實驗教學的效率，提升了學生的動手能力和創造力。甚至即使將來再發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”，在疫情期間保證實驗教學的質量和效果。

五 電類專業實驗教學新方法

（一）基于人工智能的實驗教學新方法

以人工智能技術，輔助實驗教學，通過5G通信和互聯網實時獲取學生實驗操作過程和測量結果，運用人工智能準確的推斷出學生實驗結果的正確性，并及時分析產生錯誤的可能性，提示或指導學生修正實驗中的錯誤或不良習慣，改進實驗過程，幫助學生順利完成實驗，改正不良實驗習慣。人工智能的應用極大緩解了實驗指導教師人員不足、精力有限的問題，可以保證針對每一位進行實驗的學生進行單獨指導，指導方式和過程可以做到因人而異，因材施教，極大的提高實驗教學效果，提升實驗教學質量。

（二）基于大數據的實驗教學新方式

憑借5G通信和“互聯網+”技術不斷獲取學生實驗過程中出現的各種各樣的實驗錯誤數據，通過大數據技術分析學生實驗操作習慣、實驗方案制定偏好、實驗儀器上手周期、實驗過程中出錯的類型及原因，及時調整實驗教學內容，抓住實驗教學中的重點、難點，保證實驗教學效率，提升實驗教學效果，真正做到教學內容不斷地推陳出新，激發學生學習興趣，同時又能突出實驗教學重點，提高學生學習效率，提升實驗教學質量。

六 結語

本文針對傳統電類專業實驗教學中存在的實驗平臺陳舊，實驗教學模式單一的問題，尤其是由于一些客觀原因使學生無法回校，無法正常開展實驗教學的問題，提出一種新的電類專業實驗教學平臺和教學模式。通過基于增強現實、數字孿生、5G通信和“互聯網+”的技術設計新的實驗教學平臺，保證了學生可以隨時隨地進行實驗，極大提高了實驗效率，保證任何情況下實驗的順利開展。通過人工智能和大數據，提出新的實驗教學方法，使實驗指導真正做到因人而異，因材施教，使實驗教學內容更加合理，提高了實驗教學效率，提升了實驗教學效果。