5G和人工智能背景下高校电类专业实验教学改革研究

韩涛，凌六一，唐超礼，黄友锐，徐善永，陈亮

（安徽理工大学，安徽 淮南）

一 引言

为了保护人民的生命安全，国家要求疫情期间高校暂停所有实验和实践教学。高校中电类专业各类实验和实践课程占整个课程的30%～40%，比重较大，而电类专业也是偏向应用型专业，实验过程不仅可以帮助学生加深理论知识的理解，更锻炼了学生的观察力、思考能力和动手能力。受到疫情的影响，无法进行课程实验的电类专业学生学习效果将大大降低，如何让学生在家即可进行电类专业的各种实验，如何才能做到“停课不停教，停课不停学”，在疫情期间保证实验教学，是电类专业实验教学的新课题[1]。

随着5G通信技术迅速崛起，互联网技术的不断发展成熟，虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、大数据（Big Data）和人工智能（AI）等先进科技都为电类专业实验教学改革提供了新的思路和方法。近年来，“互联网+”的教育理念不断被发展，利用互联网强大的信息传输能力，使教育教学不再受到时间和空间上约束，只要有电脑、有网络的地方，学生都可以方便地进行学习[2]。5G通信技术的横空出世，其特有的无线通信方式和高速度、高带宽、低延时、低干扰和低功耗的特点，打破了万物互联“最后1公里”的限制，将互联网从传统的有线连接扩展到无线互联的广阔领域当中。配合着新兴的大数据处理技术和人工智能技术，为改革高等院校的电类专业实验教学，增加学生学习兴趣和便利性，提高教学效率和培养效果带来了前所未有的契机[3-6]。

二 高校电类专业实验教学现状

由于高校电类专业涉及到电气、自动化、电子、通信等各类专业，专业种类多，课程多样，实验教学也就不可避免会出现一些不足之处[7-9]。

（一）实验教学平台较为陈旧

传统的电类专业实验教学几乎都是使用电子元件实物进行连线，搭建实物电路系统，通电运行后，使用示波器等测量仪器进行电路参数的测量。使用实物实验虽然可以在一定程度上锻炼学生的动手能力，但由于实物元件成本较高，损耗大，且需要较大的空间进行存放，实验教学开始时才发给学生进行实验，实验结束后收回进行统一保管，极大地降低了实验元件、设备的使用效率，实验教学效率低，效果差。

近年来，电类实验教学平台正在逐渐的由单纯的实物实验，往虚拟实验过度。有些高校师资力量雄厚，已经做到虚拟实验和实物实验相结合的实验教学，但虚拟实验仅仅只能单机运行在学生或实验室的电脑里，有些已经可以开始进行网络联机实验，但也只能连接到校园局域网的条件下进行，而且也只是把电路元件和仪器进行简单虚拟化，无法做到复杂电路系统的虚拟化，更谈不上虚拟远程操作实验室大型仪器设备进行实验。

（二）实验教学方法较为单一

传统的电类专业实验过程为，课前学生通过实验指导书进行实验原理、操作等准备工作，实验时进入到实验室进行实验操作测量，实验结束后对实验数据进行一系列的分析处理得出结论，最后教师通过实验报告检查学生的实验情况。

虽然近年来实验教学引入了虚拟实验、电子报告批改等先进的实验教学方法，但实验教学的总体模式没有太大的变化，实验指导老师教学时千篇一律，年复一年，无法及时针对学生普遍存在的难点进行教学上的调整，实验操作指导时只能对当前实验常见的错误和问题对学生进行指导，而学生实验时的错误各种各样，指导老师很难针对具体某位学生出现的错误进行单独指导。

针对上述高校电类专业实验教学的不足，利用5G背景下智能互联的优势对电类专业实验教学进行改革势在必行。

三 电类专业实验教学新理念

随着社会的不断发展，涌现出越来越多的新技术、新设备，高校电类专业还是以专业基础知识教学为主，但这不代表实验教学中使用的教学平台、仪器设备和教学方法始终一成不变。应该始终坚持紧跟新技术、新潮流的教学理念，大胆采用最先进、最前沿的科学技术，不断更新新设备，采用新技术，如今5G技术和人工智能就是最热门的新技术、应该积极探索5G和人工智能与电类专业实验教学紧密结合，探索其在电类专业实验教学所能起到的新作用，努力使实验教学内容更加丰富、形式更加灵活多样，提高实验教学效率，提升实验教学效果。

（一）融入核心价值观，提高团队协作能力

现如今，思政课程得到越来越多的重视，在学好理论技术知识的同时，需要大力提高学生的爱国主义精神，要将社会主义核心价值观融入到各个理论课程和实验实践教学当中去。传统的说教形式已经不太容易让学生接受，而5G和互联网的到来，可以从中获取更为丰富的思政教学内容、核心理念、新颖的教学形式，如在线听取见义勇为真人真事，在线云游爱国主义教育基地，党员模范实时在线问答等，这使得学生更容易接受爱国主义思想教育，更能很好地参与到思政教学当中，不知不觉中树立起社会主义核心价值观，成为“又红又专”的社会主义接班人。

旧有的实验实践教学中，几乎都是采用学生分小组进行实验，甚至为了锻炼学生动手能力实行一人一组的实验过程，这种形式缺少了对学生团队协作能力的培养，尤其是大型团队共同协作实现一个实验目标的经验欠缺，对学生的全面发展十分不利。VR技术、数字孪生技术、5G、互联网使得学生可以跨越时间和空间的限制，以实时语音视频交流、实验仪器、实验过程、实验数据实时共享，使在不同地理位置的学生们进行大团队协同实验已经不再成为难事，这使得学生们有条件去进行一些更加深入，更加复杂，也更具有创造性的实验活动，在锻炼了团队协作能力、沟通能力的同时，也体验到了大型实验的过程，培养了学生的创新性和创造力。

（二）加强课程体系建设，注重教学有效性

在教学中融入社会主义核心价值观的同时，还需要时刻思考电类专业实验教学中的课程体系建设，5G和互联的发展使得信息数据获取的更加方便、容易，实验教学过程中的方方面面的各种数据可以大量的获取，并传输到数据中心后采用大数据技术进行处理，分析出大量数据背后所隐藏的教学中，对教学质量和效率有重要影响的各种因素，这些分析得到的规律性、启发性的数据，可以帮助教师不断地进行实验实践课程体系的建设，是否为实验方法的问题，是否为实验内容理解的问题，或者是学生自身动手能力的问题等，针对具体问题设计具体实验教学内容和形式，能更加有效地帮助学生理解相关理论知识和提高学生动手能力。

在教学理念中，除了要时刻关注实验教学内容，还要关注实验教学的有效性。传统的教学效果的检查较多的是通过测验、考试等手段，检查学生对所需知识技能的掌握情况，再加上学生上课时的出勤率和是否听讲进行辅助判断教学效果，而是否认真听讲只是观察其是否睡觉、玩手机等小动作中判断，而一个老师在保证上课流畅性的同时，观察多个甚至几十个学生是否听讲，难度很大也很浪费精力。而通过5G技术获取学生课堂图像，采用人工智能技术对图像进行检测识别，实时判断出课堂中每位学生的学习状态已经不是难事，如检测学生交头接耳，低头玩手机，走神，犯困等，通过人工智能图像处理的辅助，老师可以很好地掌握到课堂中每位学生的学习状态，对教学效果的评估更加准确，有助于教师对课堂节奏的掌控和学生学习的管理，提高教学质量。

四 电类专业实验教学新平台

（一）基于虚拟现实、数字孪生技术的实验新设备

为了解决空间上实验仪器设备的存放、使用不便等问题，提出使用虚拟现实技术将电类专业实验所涉及到的所有实际实验设备全部虚拟化，学生通过网络就可以在虚拟空间中使用到仪器设备。针对纯虚拟仿真实验的实验数据真实有效性不足的问题，提出通过数字孪生技术实现虚拟实验设备和实际实验设备的实时同步，进行实验设备的虚实结合，学生在虚拟空间中对实验设备的操作，对应的实际实验设备也会真正的实时运行，实验结果就是实际操作实验仪器的测试结果，避免了纯虚拟实验造成的数据真实性问题。

（二）基于5G通信和“互联网+”的实时通信新技术

为了解决实际实验设备虚拟化孪生化后，能实时反馈实验结果，要求网络通信高带宽高速度的问题，依靠5G通信具有的高带宽高速度的无线通信能力，实现用户可以在任何有网络信号的地方，使用任何可以上网的设备终端，随时随地进行实验操作，实时观察到实验过程和实验现象，准确获取实验结果。这不仅仅极大提高了学生进行实验的便利性，而且可以让学生尝试所有感兴趣的实验，并可根据需要反复实验验证，提高了实验教学的效率，提升了学生的动手能力和创造力。甚至即使将来再发生类似新型冠状病毒肺炎疫情，也能轻松做到“停课不停教，停课不停学”，在疫情期间保证实验教学的质量和效果。

五 电类专业实验教学新方法

（一）基于人工智能的实验教学新方法

以人工智能技术，辅助实验教学，通过5G通信和互联网实时获取学生实验操作过程和测量结果，运用人工智能准确的推断出学生实验结果的正确性，并及时分析产生错误的可能性，提示或指导学生修正实验中的错误或不良习惯，改进实验过程，帮助学生顺利完成实验，改正不良实验习惯。人工智能的应用极大缓解了实验指导教师人员不足、精力有限的问题，可以保证针对每一位进行实验的学生进行单独指导，指导方式和过程可以做到因人而异，因材施教，极大的提高实验教学效果，提升实验教学质量。

（二）基于大数据的实验教学新方式

凭借5G通信和“互联网+”技术不断获取学生实验过程中出现的各种各样的实验错误数据，通过大数据技术分析学生实验操作习惯、实验方案制定偏好、实验仪器上手周期、实验过程中出错的类型及原因，及时调整实验教学内容，抓住实验教学中的重点、难点，保证实验教学效率，提升实验教学效果，真正做到教学内容不断地推陈出新，激发学生学习兴趣，同时又能突出实验教学重点，提高学生学习效率，提升实验教学质量。

六 结语

本文针对传统电类专业实验教学中存在的实验平台陈旧，实验教学模式单一的问题，尤其是由于一些客观原因使学生无法回校，无法正常开展实验教学的问题，提出一种新的电类专业实验教学平台和教学模式。通过基于增强现实、数字孪生、5G通信和“互联网+”的技术设计新的实验教学平台，保证了学生可以随时随地进行实验，极大提高了实验效率，保证任何情况下实验的顺利开展。通过人工智能和大数据，提出新的实验教学方法，使实验指导真正做到因人而异，因材施教，使实验教学内容更加合理，提高了实验教学效率，提升了实验教学效果。