基于5G 无线通信的高等院校立体课堂互动教学系统设计
2021-06-20刘芳芳王丽丽
吕 鑫，刘芳芳，王丽丽
（长春理工大学 光电信息学院，吉林 长春 130000）
0 引言
得益于互联网技术的创新发展，传统教学模式的改革成为一种趋势。高等院校学生中大部分都使用移动网络，在无线网络的支持下智能终端设备获得广泛应用。为了提高高等院校的教学质量与教学效率，以学生用户为主体的无线网络终端教学模式正在逐渐普及。这一创新的教学模式可以解决传统教学模式缺乏沟通互动导致教学质量低的问题。因此，研究一种立体课堂互动教学系统可以有效提升高等院校的教学质量。
文献[1]提出基于B/S 三层架构的高等院校立体课堂互动教学系统。为了满足教师与学生的使用需求，该系统需要进行复杂的在线运算，采用B/S 三层架构方式进行系统结构搭建，以MySQL 数据库作为系统的应用数据库，保证系统的稳定运行，通过交互插件实现交互教学。文献[2]提出基于增强现实技术的高等院校立体课堂互动教学系统，将增强现实技术引入课程教学系统研发中，通过视觉交互提高模拟教学的真实性，构建视图与形态间的图感意识，强化学生的理解能力，完成教学系统设计。
为了提高高等院校的教学质量，本文设计一种基于5G 无线通信的高等院校立体课堂互动教学系统。实验结果表明，本文系统能够有效降低时延，提高资源更新效率。
1 基于5G 无线通信的互动教学系统设计
1.1 系统功能
设计高等院校立体课堂互动教学系统的目的是为了提升教学质量，同时为教师教学、学生学习提供便利条件。因此要求系统的功能具有实用性、操作便捷性、存储容量大与容错性强的特点。本文设计教学系统的功能结构如图1 所示。
图1 教学系统功能需求
1.2 系统架构
为了使教学系统具有较高的应用性能与较强的逻辑结构，这里采用三层Web 结构对系统架构进行设计，为了提高系统各个功能模块之间的独立性，还对每个功能模块进行单独设计，以便于对每个模块进行单独升级与修改。高等院校立体课堂互动教学系统架构如图2所示。
图2 立体课堂互动教学系统架构
1.3 系统硬件
1.3.1 教师客户端模块
教师客户端通常只在计算机系统中运行，并进行授课与沟通互动。为了充分满足教师使用的便捷性需求，教师客户端采用.NET 技术进行研发设计。教师客户端需要具备的功能较多，包括添加与删除课程，与学生之间进行文字、语音、图像交流，对学生终端的使用权限进行设置等。教师客户端的整体结构如图3 所示。
图3 教师客户端结构
1.3.2 课程管理模块
课程管理模块用于管理系统中的全部课程，是系统中较为重要的模块，与立体课堂互动教学质量紧密相关。教学管理者在系统中通过课程管理模块发布课程相关信息，包括课程类型、上课时间、地点与课时等；教师可以通过此模块提前公布教学内容与布置课后相关作业；学生可以通过此模块提前下载相关课程资料，进行课前预习，提高学习质量。课程管理模块结构如图4所示。
图4 课程管理模块
1.3.3 教学互动评估模块
教学互动模块用于评价教学过程中教师与学生的互动质量，从整体上提高课堂教学的互动性。本文所设计的立体课堂互动教学系统可以为教师与学生提供充分的交流空间，从教学资源、课后答疑等多个方面体现师生的互动性。教学互动评估模块可以对教学过程信息进行搜集，这些信息包括教师与学生之间的问答信息与学生课后的反馈信息，最后全方位计算权重，得出有效结论。教学互动评价模块的结构如图5 所示。
图5 教学互动评估模块
1.4 系统软件
在完成硬件功能模块设计后，便对教学系统软件部分功能进行设计。软件部分采用5G 无线通信技术去除系统中教学信息资源传输过程中的干扰，并对信道传输功率进行分类，以便提高系统的资源更新效率。
1.4.1 干扰去除
在5G 无线通信网络中，为了提高教学系统资源信息的传输效率并保持传输稳定性，需要对传输功率进行分配，而功率分配的首要步骤就是去除传输干扰。在进行干扰去除过程中，设定系统传输资源量为Hw，传输至学生移动端的教学资源量为hk,ij，定义干扰限制条件为：
式中xk,ij代表干扰因子。
鉴于5G 无线通信是通过集中调度的方法对教学资源信息进行传输，随着系统中教师与学生用户数量的不断上升，其所需要的频谱资源也会随之增加，因此需要传输的信息资源数量不断增加。设定系统需要传输的无线数据资源为Bk，此时数据资源传输的限制条件为：
假设教学系统中移动终端用户的数量集合为Y={y1,y2,…,yM}，bk,ij与pk,ij分别表示移动终端用户yM在使用系统时的频带与此时的信号发射功率。由于系统在不同使用情况下所占用的网速是不同的，所以设定系统运行的下行速率为Ri，则Ri的表达式为：
式中SINRi为资源信息传输过程中的信噪比。
1.4.2 子信道分配
在完成干扰去除操作后，对教学系统资源传输子信道进行分配。在子信道分配过程中，使功率保持平均分类状态，设定子信道数量为n，且需要分配给M个用户，则分配原则k可以表示为：
式中：ΓM,n为子信道分配策略函数；U为教学系统终端传输速率函数。
1.4.3 功率分配
在完成子信道分配后，对通信功率进行分配。在此采用拉格朗日函数法构建教学系统通信功率分配函数：
式中：pk,n为功率分配约束函数；pmax为功率最大值。
2 实验验证
为了验证所设计教学系统的应用性能，特进行验证实验。此次实验的操作系统为Windows 7 系统，在系统中安装SQL Server 2008 数据库，并对IP 地址与连接端口进行设置。为了充分验证系统的性能，实验在局域网络环境中进行，此时的IP 地址需设置为静态。因系统的实际应用过程中为多个学生终端同时进行，故实验需要模拟实际应用状态，设置模拟实验环境与设备参数如下：
1）模拟学生使用环境，设置移动终端平板电脑的数量为30 台，相关配置情况：四核CPU，主频1.5 GHz，系统内存64 GB。
2）终端计算机2 台，相关配置情况为：英特尔酷睿i7 四核CPU，其中，一台安装SQL Server 2008 数据库，作为系统服务器，另一台安全Windows 7 系统，作为教师端使用。
3）实验所用无线网络由华为5G CPE Pro 无线路由器提供。
采用有线连接方式将2 台终端计算机接入到路由器中，同时将30 台平台电脑无线方式接入到路由器中，使教师端、学生端与服务器均处于同一无线网络中，进行相关教学操作。
在完成上述设置后，以系统延时、资源更新效率为实验对比指标，将本文设计系统与基于B/S 三层架构系统、基于增强现实技术系统进行对比实验，并分析实验结果。
2.1 系统延时对比
三种系统的运行延时对比结果如图6 所示。
从图6 中可以看出：在多终端运行的情况下，三种系统的延时均有所上升；当终端数量为30 个时，基于增强现实技术系统的延时为1 380 ms，基于B/S 三层架构系统的延时为1 120 ms，所设计系统的延时为260 ms。因此，本文设计的系统能够有效降低延迟。
图6 运行延时对比结果
2.2 资源更新效率
教学系统的资源更新效率对教学质量影响巨大，因此以资源更新效率为实验对比指标，进行三种系统的对比实验，验证结果如图7 所示。
图7 资源更新效率对比结果
由图7 可知，在较长的实验时间中，所设计系统的资源更新效率始终高于两种对比系统，所设计系统的资源更新效率最高可达到0.98，能够有效满足师生对教学系统中资源的使用需求。
3 结论
为了解决传统教学系统存在的延时高、资源更新率低的问题，本文提出基于5G 无线通信的高等院校立体课堂互动教学系统。硬件部分设计了多种模块提高系统运行性能并满足师生需求。软件部分通过5G 无线通信技术对教学资源无线传输功率进行分配，提高了资源更新与传输的性能。实验结果表明，本文设计的系统能够有效降低运行延时，并提高资源更新效率。
