基于5G 無(wú)線通信的高等院校立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂 鑫，劉芳芳，王麗麗

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

得益于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革成為一種趨勢(shì)。高等院校學(xué)生中大部分都使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的支持下智能終端設(shè)備獲得廣泛應(yīng)用。為了提高高等院校的教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效率，以學(xué)生用戶為主體的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端教學(xué)模式正在逐漸普及。這一創(chuàng)新的教學(xué)模式可以解決傳統(tǒng)教學(xué)模式缺乏溝通互動(dòng)導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量低的問(wèn)題。因此，研究一種立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)可以有效提升高等院校的教學(xué)質(zhì)量。

文獻(xiàn)[1]提出基于B/S 三層架構(gòu)的高等院校立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)。為了滿足教師與學(xué)生的使用需求，該系統(tǒng)需要進(jìn)行復(fù)雜的在線運(yùn)算，采用B/S 三層架構(gòu)方式進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建，以MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)作為系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)交互插件實(shí)現(xiàn)交互教學(xué)。文獻(xiàn)[2]提出基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高等院校立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入課程教學(xué)系統(tǒng)研發(fā)中，通過(guò)視覺(jué)交互提高模擬教學(xué)的真實(shí)性，構(gòu)建視圖與形態(tài)間的圖感意識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生的理解能力，完成教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

為了提高高等院校的教學(xué)質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)一種基于5G 無(wú)線通信的高等院校立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠有效降低時(shí)延，提高資源更新效率。

1 基于5G 無(wú)線通信的互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

設(shè)計(jì)高等院校立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的目的是為了提升教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)為教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)提供便利條件。因此要求系統(tǒng)的功能具有實(shí)用性、操作便捷性、存儲(chǔ)容量大與容錯(cuò)性強(qiáng)的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 教學(xué)系統(tǒng)功能需求

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

為了使教學(xué)系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用性能與較強(qiáng)的邏輯結(jié)構(gòu)，這里采用三層Web 結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了提高系統(tǒng)各個(gè)功能模塊之間的獨(dú)立性，還對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，以便于對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)升級(jí)與修改。高等院校立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 系統(tǒng)硬件

1.3.1 教師客戶端模塊

教師客戶端通常只在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行，并進(jìn)行授課與溝通互動(dòng)。為了充分滿足教師使用的便捷性需求，教師客戶端采用.NET 技術(shù)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)。教師客戶端需要具備的功能較多，包括添加與刪除課程，與學(xué)生之間進(jìn)行文字、語(yǔ)音、圖像交流，對(duì)學(xué)生終端的使用權(quán)限進(jìn)行設(shè)置等。教師客戶端的整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 教師客戶端結(jié)構(gòu)

1.3.2 課程管理模塊

課程管理模塊用于管理系統(tǒng)中的全部課程，是系統(tǒng)中較為重要的模塊，與立體課堂互動(dòng)教學(xué)質(zhì)量緊密相關(guān)。教學(xué)管理者在系統(tǒng)中通過(guò)課程管理模塊發(fā)布課程相關(guān)信息，包括課程類型、上課時(shí)間、地點(diǎn)與課時(shí)等；教師可以通過(guò)此模塊提前公布教學(xué)內(nèi)容與布置課后相關(guān)作業(yè)；學(xué)生可以通過(guò)此模塊提前下載相關(guān)課程資料，進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。課程管理模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 課程管理模塊

1.3.3 教學(xué)互動(dòng)評(píng)估模塊

教學(xué)互動(dòng)模塊用于評(píng)價(jià)教學(xué)過(guò)程中教師與學(xué)生的互動(dòng)質(zhì)量，從整體上提高課堂教學(xué)的互動(dòng)性。本文所設(shè)計(jì)的立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)可以為教師與學(xué)生提供充分的交流空間，從教學(xué)資源、課后答疑等多個(gè)方面體現(xiàn)師生的互動(dòng)性。教學(xué)互動(dòng)評(píng)估模塊可以對(duì)教學(xué)過(guò)程信息進(jìn)行搜集，這些信息包括教師與學(xué)生之間的問(wèn)答信息與學(xué)生課后的反饋信息，最后全方位計(jì)算權(quán)重，得出有效結(jié)論。教學(xué)互動(dòng)評(píng)價(jià)模塊的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 教學(xué)互動(dòng)評(píng)估模塊

1.4 系統(tǒng)軟件

在完成硬件功能模塊設(shè)計(jì)后，便對(duì)教學(xué)系統(tǒng)軟件部分功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件部分采用5G 無(wú)線通信技術(shù)去除系統(tǒng)中教學(xué)信息資源傳輸過(guò)程中的干擾，并對(duì)信道傳輸功率進(jìn)行分類，以便提高系統(tǒng)的資源更新效率。

1.4.1 干擾去除

在5G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，為了提高教學(xué)系統(tǒng)資源信息的傳輸效率并保持傳輸穩(wěn)定性，需要對(duì)傳輸功率進(jìn)行分配，而功率分配的首要步驟就是去除傳輸干擾。在進(jìn)行干擾去除過(guò)程中，設(shè)定系統(tǒng)傳輸資源量為Hw，傳輸至學(xué)生移動(dòng)端的教學(xué)資源量為hk,ij，定義干擾限制條件為：

式中xk,ij代表干擾因子。

鑒于5G 無(wú)線通信是通過(guò)集中調(diào)度的方法對(duì)教學(xué)資源信息進(jìn)行傳輸，隨著系統(tǒng)中教師與學(xué)生用戶數(shù)量的不斷上升，其所需要的頻譜資源也會(huì)隨之增加，因此需要傳輸?shù)男畔①Y源數(shù)量不斷增加。設(shè)定系統(tǒng)需要傳輸?shù)臒o(wú)線數(shù)據(jù)資源為Bk，此時(shí)數(shù)據(jù)資源傳輸?shù)南拗茥l件為：

假設(shè)教學(xué)系統(tǒng)中移動(dòng)終端用戶的數(shù)量集合為Y={y1,y2,…,yM}，bk,ij與pk,ij分別表示移動(dòng)終端用戶yM在使用系統(tǒng)時(shí)的頻帶與此時(shí)的信號(hào)發(fā)射功率。由于系統(tǒng)在不同使用情況下所占用的網(wǎng)速是不同的，所以設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行的下行速率為Ri，則Ri的表達(dá)式為：

式中SINRi為資源信息傳輸過(guò)程中的信噪比。

1.4.2 子信道分配

在完成干擾去除操作后，對(duì)教學(xué)系統(tǒng)資源傳輸子信道進(jìn)行分配。在子信道分配過(guò)程中，使功率保持平均分類狀態(tài)，設(shè)定子信道數(shù)量為n，且需要分配給M個(gè)用戶，則分配原則k可以表示為：

式中：ΓM,n為子信道分配策略函數(shù)；U為教學(xué)系統(tǒng)終端傳輸速率函數(shù)。

1.4.3 功率分配

在完成子信道分配后，對(duì)通信功率進(jìn)行分配。在此采用拉格朗日函數(shù)法構(gòu)建教學(xué)系統(tǒng)通信功率分配函數(shù)：

式中：pk,n為功率分配約束函數(shù)；pmax為功率最大值。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用性能，特進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)的操作系統(tǒng)為Windows 7 系統(tǒng)，在系統(tǒng)中安裝SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)IP 地址與連接端口進(jìn)行設(shè)置。為了充分驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)在局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行，此時(shí)的IP 地址需設(shè)置為靜態(tài)。因系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中為多個(gè)學(xué)生終端同時(shí)進(jìn)行，故實(shí)驗(yàn)需要模擬實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)，設(shè)置模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與設(shè)備參數(shù)如下：

1）模擬學(xué)生使用環(huán)境，設(shè)置移動(dòng)終端平板電腦的數(shù)量為30 臺(tái)，相關(guān)配置情況：四核CPU，主頻1.5 GHz，系統(tǒng)內(nèi)存64 GB。

2）終端計(jì)算機(jī)2 臺(tái)，相關(guān)配置情況為：英特爾酷睿i7 四核CPU，其中，一臺(tái)安裝SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫(kù)，作為系統(tǒng)服務(wù)器，另一臺(tái)安全Windows 7 系統(tǒng)，作為教師端使用。

3）實(shí)驗(yàn)所用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由華為5G CPE Pro 無(wú)線路由器提供。

采用有線連接方式將2 臺(tái)終端計(jì)算機(jī)接入到路由器中，同時(shí)將30 臺(tái)平臺(tái)電腦無(wú)線方式接入到路由器中，使教師端、學(xué)生端與服務(wù)器均處于同一無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行相關(guān)教學(xué)操作。

在完成上述設(shè)置后，以系統(tǒng)延時(shí)、資源更新效率為實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)，將本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)與基于B/S 三層架構(gòu)系統(tǒng)、基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 系統(tǒng)延時(shí)對(duì)比

三種系統(tǒng)的運(yùn)行延時(shí)對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

從圖6 中可以看出：在多終端運(yùn)行的情況下，三種系統(tǒng)的延時(shí)均有所上升；當(dāng)終端數(shù)量為30 個(gè)時(shí)，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)的延時(shí)為1 380 ms，基于B/S 三層架構(gòu)系統(tǒng)的延時(shí)為1 120 ms，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的延時(shí)為260 ms。因此，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效降低延遲。

圖6 運(yùn)行延時(shí)對(duì)比結(jié)果

2.2 資源更新效率

教學(xué)系統(tǒng)的資源更新效率對(duì)教學(xué)質(zhì)量影響巨大，因此以資源更新效率為實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)，進(jìn)行三種系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果如圖7 所示。

圖7 資源更新效率對(duì)比結(jié)果

由圖7 可知，在較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間中，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的資源更新效率始終高于兩種對(duì)比系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的資源更新效率最高可達(dá)到0.98，能夠有效滿足師生對(duì)教學(xué)系統(tǒng)中資源的使用需求。

3 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)存在的延時(shí)高、資源更新率低的問(wèn)題，本文提出基于5G 無(wú)線通信的高等院校立體課堂互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)。硬件部分設(shè)計(jì)了多種模塊提高系統(tǒng)運(yùn)行性能并滿足師生需求。軟件部分通過(guò)5G 無(wú)線通信技術(shù)對(duì)教學(xué)資源無(wú)線傳輸功率進(jìn)行分配，提高了資源更新與傳輸?shù)男阅?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效降低運(yùn)行延時(shí)，并提高資源更新效率。