李勝 李春葉 田慕玲 趙錚 張金梅

*項目來源：2020年太原理工大學校級教改項目“智能機器人輔助《高電壓技術》課程及實踐教學環(huán)節(jié)的研究”（項目編

號：RC1900001003）。

作者簡介：李勝，講師；李春葉、田慕玲、張金梅，高級實驗師；趙錚，高級工。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.116

摘? 要? 將人工智能和機器人技術應用于大學本科實踐教學，設計開發(fā)了一款智能機器人。以智能機器人為教學載體，輔助高電壓技術課程及實踐教學，智能機器人可輔助學生課堂，實驗簽到、答疑、課程隨堂檢測、期末復習，對實踐環(huán)節(jié)全場監(jiān)控等，引發(fā)學生的學習興趣，客觀反映教學及實踐情況，減輕教師負擔，大大提高教學效率。

關鍵詞? 智能機器人；人工智能；輔助實踐教學；高電壓技術

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）02-0116-04

0? 引言

智能機器人腦中有中央處理器，它可以理解人的語言，同操作者用人的語言進行對話，是20世紀50年代興起的一個學科。智能機器人目前在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、航天航空、家庭陪護等方面得到一定的應用。智能機器人的研究引入高等教育行業(yè)，可大大減少重復性工作，是高校教育向信息技術化邁出的堅實步伐，深入嘗試智能機器人輔助教學具有一定的創(chuàng)新性[1-3]。

當前語音識別、圖像識別等技術的發(fā)展越來越快，人工智能和機器人技術不斷發(fā)展，應用越來越廣泛[4]。智能機器人在咨詢講解、主持、廣告宣傳領域都得到了初步應用。高校作為高等教育的前沿陣地，有必要探索智能機器人在大學本科實踐教學過程中的應用，以提升教學質量。

高電壓技術是電氣工程領域實踐性較強的一門課程，主要研究內容包括高電壓絕緣技術、高壓試驗、電力系統(tǒng)過電壓及其防護等，是電氣工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，該課程內容包括大量的宏觀和微觀的電氣物理規(guī)律和現(xiàn)象，涉及的知識點多、公式多、實驗多，而課時較緊，對教學任務的完成有較大的挑戰(zhàn)。如何利用人工智能新技術，提高學生學習興趣，減少教師工作量，促進該課程教學質量的提高成為一個需要共同探討研究的課題。

1? 利用智能機器人輔助高電壓技術課堂及

實踐教學的模式設計

高電壓技術課程課堂及實踐教學過程中，輔助使用智能機器人，通過對原有教學模式的改變，引發(fā)學生對該門課程的興趣，減輕教師的工作量，并且學生的學習效果大大提升，實現(xiàn)優(yōu)化教學質量和學習效率的目標。

本文設計的智能機器人輔助教學主要包括課堂及實驗簽到、講授、答疑、考核、統(tǒng)計五大功能，覆蓋教學的全過程，可以實現(xiàn)課堂及實踐教學過程的數(shù)智化?？捎行p輕學校師生的教學和學習的壓力，針對每位學生的學習情況提供“個性化教育”，而不是“批發(fā)式教育”。

課堂及實踐課程講授過程中可以通過智能機器人輔助教師管理，例如，點名考勤過程可以做到客觀記錄，不僅能減輕教師的工作量，通過人臉識別技術，也可在簽到過程中，辨識出被點名的學生，防止冒名頂替，最大限度地保證學生課程的出勤率。

2? 輔助教學智能機器人結構設計

考慮到用于輔助課堂和實驗教學的機器人屬于服務機器人，應該有良好的形象，增加親和力，所以設計成端莊的女性人形機器人的外觀。所設計的智能機器人應具有必要和較好的感知能力、交互能力和行走能力。其額頭配有攝像頭，可以通過人工智能圖像分析的算法進行操作者的人臉識別、實驗環(huán)境和設備的感知，采集人員身份信息，作出一定主動反應；其面部用投影屏幕，可以以卡通形象顯示各類表情進行互動；頭部配有六麥環(huán)形陣列，具有語音識別和合成功能，支持持續(xù)監(jiān)聽和智能喚醒兩種人機對話方式，師生只需要使用語音就可以與機器人實現(xiàn)人機交流。配合課程的知識庫可以向學生解答課程中的問題，并不斷優(yōu)化；考慮到需要顯示輸出相關信息，在智能教學機器人胸口合適高度位置設置了8英寸高清多點觸控屏幕，可以運行對應開發(fā)的軟件系統(tǒng)程序，通過觸控操作，與機器人進行一些操作，例如登錄、課程內容選擇、測驗答題選項勾選等。為了能安全穩(wěn)定地行走和移動，機器人配備了超聲避障傳感器和具有激光雷達的高平衡性底盤，采用先進的激光導航技術，在室內構建地圖，攜帶多路傳感器，可在較復雜的環(huán)境中自主定位，通過深度優(yōu)化的避障算法，感知周圍的實時環(huán)境變化，繞開規(guī)劃路徑中的障礙，保證行進中的安全性，按合適的路線前進，在有授權教師的控制指令下到達指定的位置。機器人的主要參數(shù)見表1，結構如圖1所示。

3? 輔助教學智能機器人教學功能設計與實現(xiàn)

智能高壓實踐環(huán)節(jié)機器人輔助教學系統(tǒng)主要包括簽到、講授、答疑、測試、統(tǒng)計五大功能。

本文主要介紹機器人輔助大學實踐教學功能，故對導航、避障、表情等功能不再贅述。已開發(fā)以下功能。

3.1? 簽到功能

系統(tǒng)可以錄入人員（學生和教師）姓名、學號、人臉等注冊信息。

3.2? 講授功能

列出課程章節(jié)目錄，可從目錄選擇講解內容，鏈接對應PPT，播放講解詞。講解過程中，教師可以根據(jù)情況進行干預，例如，可以對講解內容進行補充或跳過，靈活調整課堂進程。

3.3? 答疑功能

答疑即學生提問，機器人回答。問題可以積累，教師可以根據(jù)問答情況進行離線補充不斷完善。智能機器人可以在一定范圍內答疑，問題庫里有的，可檢索出來答案后對學生作答，學生可以通過按鈕選擇“明白”或“不明白”對是否已經(jīng)明白所提出問題進行人工反饋。

對于不在范圍內沒有解答出來的問題則由機器人記錄下來，記錄到提問個人記錄里，推送給教師的郵箱或手機，進而教師可以對問題庫完善，同時分析和統(tǒng)計提出問題類別和數(shù)量。

答疑環(huán)節(jié)還可以設置鼓勵機制，鼓勵學生提出有意義的問題，例如：每提問一個問題加2分，如果附有正確解答再加2分。要求每位學生平時成績提問達到一定的分值，例如10分。通過鼓勵機制提升系統(tǒng)的開放性和可生長性。

3.4? 測試提問

機器人測驗是就機器人問，學生回答，機器人再判別評分?？梢赃x擇對某個知識點內容提問，首先識別人臉，明確對象，開始提問并記錄。機器人隨機從題庫抽選5道題，每題1分并對回答評價，進行打分和記錄，生成學生的個性化錯題記錄。

平時提問要求達到20分，學生可以重復答題刷新分數(shù)，達到多練的效果，讓平時掌握情況更好，平時成績更客觀有效，可更好促進日常教學。

【題庫示例】

1）問：什么是電力系統(tǒng)？

答：電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、輸電線路、變電所、配電線路、用戶等五部分組成的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電的一個整體。

2）問：高壓實驗中所使用的沖擊電壓發(fā)生器的用途是什么？

答：沖擊電壓發(fā)生器主要用于電力設備等試品進行雷電沖擊電壓全波、雷電沖擊電壓截波和操作沖擊電壓波的沖擊電壓試驗，檢驗絕緣性能。

3）問：機器人判定規(guī)則是什么？

答：回答中含有答案中下劃線所示的關鍵詞就認為答正確了，關鍵詞有缺少就認為錯誤了，類似多選題，須全答上關鍵詞才為正確。

回答結束最后要說“完畢”，可以用“問”“答”

“完畢”對過程格式化處理。

3.5? 學生課堂知識點掌握機器人輔助分析

教學機器人對一組學生提問測試后可以對學生的掌握情況快速進行分析，輔助教師精準定位學生的知識掌握薄弱點，可以有針對性地進行后期輔導，從而提升教學效果，下面以一組學生共8人完成5道測試題目為例說明。

從表2和圖2中可看出題目4在5道題目中回答正確率最低，只有38%，教師可以把該題目作為重點對學生進行專門輔導。

這種方式可以精準了解不同學生對知識點的掌握情況以及該組學生的總體掌握情況，另外還可以進行學生學習情況的縱向比較，例如經(jīng)過輔導再測試，學生知識點掌握情況提升了多少。此種方式與常規(guī)教學比較，使教師較透明地了解學生的課堂掌握情況，節(jié)省了教師的時間，有助于提升教學效果。

3.6? 題庫建設

本系統(tǒng)收集高電壓技術習題形成題庫，題庫里設置好適合機器人測試的考試題型，如選擇、簡答、判斷等，系統(tǒng)里預先輸入各種題型對應的考題及答案，教師對題庫有“增刪改查”的功能，能不斷完善題庫的數(shù)量和題型，當前以問答為主，后期可以增加選擇、判斷等題型。機器人可按評測時長、考查知識點范圍和難度級別等要求按百分制自動完成測試題整合，考生答完題提交試卷后，可立即查看自己的成績。引入題庫系統(tǒng)，增加了實時的檢驗性，有利于學生對每個階段所學知識加以檢驗和鞏固，同時大大減輕教師的工作量。

3.7? 實踐環(huán)節(jié)安全風險管控

高電壓技術課程實驗教學環(huán)節(jié)對于學生認知高電壓強電場下的實驗現(xiàn)象、機理分析及實驗技能的獲得十分重要。課程實驗電壓等級高，危險系數(shù)大，對實驗安全有很高的要求。需要特別注重實驗環(huán)節(jié)各步驟的操作規(guī)范。

為高電壓技術課程設計的機器人，可以在實驗環(huán)節(jié)利用機器視覺能力和人工智能圖像分析技術，對實驗區(qū)域和人員進行必要安全措施的檢查和提醒，并聯(lián)動實驗電源。例如實驗中檢查實驗操作者的絕緣靴和絕緣手套等防護措施的穿戴情況，正確佩戴才許可接通電源，如忘記佩戴可以進行語音提醒“請正確穿戴絕緣靴和絕緣手套”，這樣可以大大提高實驗安全管理水平。

4? 結束語

人工智能和機器人技術的不斷發(fā)展，對社會各行各業(yè)產(chǎn)生了極大的沖擊，教育領域也面臨著同樣的挑戰(zhàn)，人工智能技術將對高校課程及實踐環(huán)節(jié)的教授方式、對學生的教與學產(chǎn)生極大的影響[5-8]。大學課程教學同社會經(jīng)濟生活的其他領域一樣作為一種知識傳授模式也需要開始廣泛深刻的變革，本文在高電壓技術的教學和實踐環(huán)節(jié)中進行了智能機器人輔助模式的探索和嘗試。隨著機器人的軟、硬技術及設計理念的發(fā)展進步，后續(xù)對于應用于教學實踐的機器人在功能和操作方面以及其他課程方面的應用還可以進一步深入研究。

5? 參考文獻

[1] 戚玉濤等.智能問答機器人輔助的在線教學模式研究

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[7] 彭紹東.論機器人教育（上）[J].電化教育研究，2002

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