CN116320525A - 一种基于数字孪生的教学信息处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生的教学信息处理系统及方法，属于数字孪生教学技术领域。本系统包括：内容数据传输模块、教学页面处理模块、数字孪生平台分配模块、辅助分析模块；所述内容数据传输模块的输出端与所述教学页面处理模块的输入端相连接；所述教学页面处理模块的输出端与所述数字孪生平台分配模块的输入端相连接；所述数字孪生平台分配模块的输出端与所述辅助分析模块的输入端相连接。在本申请中，利用数字孪生实验教学平台完成线上线下教学对接、虚拟实体实验互补，利用人工智能进行主客观题组分析，实现针对学生的个性化自动设置，打破时间和空间的限制，实现全方位向学生开放的教学模式。
Description
技术领域
本发明涉及数字孪生教学技术领域，具体为一种基于数字孪生的教学信息处理系统及方法。
背景技术
目前的数字孪生实验教学平台还停留在初级阶段，只是单纯的重复试验分析，并不能根据学生个性化进行匹配处理，实验效果不佳。
同时，线上教学除实验外，也面临着其他的考验，例如学生与教师很难建立有效沟通，学生主动学习的积极性差，在课后考核方向，根据以往一样考核客观题，会受制于当前电子产品的网络发达，学生检索答案而不进行思考；考核实验主观，又受制于场地、设备等配套线下，最终导致教师与学生之间出现“断流”情况，即教师不清楚学生掌握知识的进度，学生也缺乏学习的积极性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的教学信息处理系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于数字孪生的教学信息处理方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取教师端口直播网课的内容数据，所述内容数据包括直播网课的音视频信息数据、直播页面数据、页面停留时长信息数据；
S2、根据教师端口直播网课的内容数据构建客观题处理模型，生成针对于当前直播网课的客观题测试数据的页面排序，输出至教师端口，辅助教师生成客观题测试；
S3、获取学生端口反馈的客观题测试数据的答案分布，构建主观题处理模型，基于不同的分类方式调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接；
S4、基于前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案，智能进行教学分析处理，辅助教师进行后续课程内容规划。
因为在每一堂课中，教师可以清楚知晓自己教学的重点内容，那么其可以根据教学重点自主输入一些客观题目，但这些题目就依然存在学生能够网络检索答案的可能，本申请主要根据每一位教师讲课方式的不同，抓取教师在直播课程中的关键数据，辅助教师进行输入题目，这样学生就需要仔细认真听直播课程，才能够回答教师的相关客观问题，也即是说本方案侧重点更在于监督学生认真听课，输出的客观问题一定会包含教学内容的重点部分，但是范围会变得更大，那么系统最后根据学生的答案就可以判断出该学生哪一部分没有听清楚或者不理解，有效反馈给教师，同时基于不同的反馈进一步构建主观题处理模型；
所述构建客观题处理模型包括：
获取直播网课的音频数据、直播页面数据、页面停留时长信息数据；
所述直播页面数据包括直播页面标注信息数据、页面关联数据；所述页面关联数据指在后续页面讲解中教师返回到前序页面的次数，在后续页面每返回一次前序页面，对应的前序页面关联次数数据加1；
所述直播页面标注信息数据指教师在教学中在当前页面新增文字或符号标注数据（其中，以划线形式的标注不计入在内）；
根据直播网课的音频数据，生成声音关键词：
对直播网课完整的音频数据进行随机切分，标注出重复的相同音频数据，计算相邻两组的相同音频数据之间的时间差值，设置时间差值数据阈值，对超出时间差值数据阈值予以舍弃，将剩余的时间差值计入集合A，并对集合A内数据计算平均值，记为
；
这部分的时间差值数据阈值以系统自行来设定，可以前期根据教师的讲课语速等条件，进行设置，主要是为了删除无关数据；
所述声音关键词的判断包括：
其中，
代表声音关键词的判断函数，设置阈值/>
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的取值超出
，则当前相同音频数据对应的关键词组记为声音关键词；/>
分别代表分配影响系数，/>
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代表/>
的归一化数据值；/>
代表/>
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指当前相同音频数据出现的总次数；
构建页面优先级模型：
其中，
代表页面i在客观题处理模型中的页面优先级顺序评估值；
分别代表权重影响系数；/>
为页面i的关联次数数据值；/>
代表教师在页面i的停留时长；/>
代表课程总时长；/>
为判断函数，页面i存在标注数据，取1，反之取0；/>
代表页面i存在的声音关键词数量；按照每个页面的优先级顺序评估值进行排序，输出至教师端口。
所述构建主观题处理模型包括：
S3-1、获取学生的客观题测试数据答案，构建一个种群，所述种群中包含有R组被选择数据，R表示学生数量，每一组被选择数据中对应该学生的错题编码，设置初始迭代次数G=1，对被选择数据中的错题编码进行随机组合，构建偏差值计算模型：Cj=∑Yx；∑范围在x=1至x=n；
其中，Cj代表被选择数据j对应的偏差值；
代表被选择数据j中错题编码组合方式中的任一种, 所述错题编码组合方式中包括单独一组错题编码，n代表被选择数据j中所有错题编码组合方式的集合；
S3-2、计算种群中所有编码的偏差值的期望值与标准差；若不满足正态分布，则设置迭代次数G=G+1，所述迭代通过利用随机选择，每次选择两个被选择数据，偏差值高的留下，不断循环直至选择出的种群数量达到
，其中/>
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为系统预设的常数；
S3-3、对新种群重复步骤S3-1和S3-2，直至满足正态分布或者达到迭代次数阈值，输出当前被选择数据对应的学生记为一个组合；
S3-4、在原始R组被选择数据中删除记入组合的学生，重复步骤S3-1、S3-3，直至所有学生都存在组合为止，将所有组合输出至教师端口，按照组合分别对应调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接。
根据上述技术方案，所述教学分析处理包括：基于前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案，计算题目错误率，对错误率最高的题目进行标记，智能输出至教师端口。
一种基于数字孪生的教学信息处理系统，该系统包括：内容数据传输模块、教学页面处理模块、数字孪生平台分配模块、辅助分析模块；
所述内容数据传输模块用于获取教师端口直播网课的内容数据，所述内容数据包括直播网课的音视频信息数据、直播页面数据、页面停留时长信息数据；所述教学页面处理模块用于根据教师端口直播网课的内容数据构建客观题处理模型，生成针对于当前直播网课的客观题测试数据的页面排序，输出至教师端口，辅助教师生成客观题测试；所述数字孪生平台分配模块用于获取学生端口反馈的客观题测试数据的答案分布，构建主观题处理模型，基于不同的分类方式调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接；所述辅助分析模块基于前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案，智能进行教学分析处理，辅助教师进行后续课程内容规划；
所述内容数据传输模块的输出端与所述教学页面处理模块的输入端相连接；所述教学页面处理模块的输出端与所述数字孪生平台分配模块的输入端相连接；所述数字孪生平台分配模块的输出端与所述辅助分析模块的输入端相连接。
根据上述技术方案，所述内容数据传输模块包括数据获取单元、数据调用单元；
所述数据获取单元用于获取教师端口直播网课的内容数据；所述数据调用单元用于对直播网课的内容数据进行调用；
所述数据获取单元的输出端与所述数据调用单元的输入端相连接。
根据上述技术方案，所述教学页面处理模块包括页面排序单元、输出单元；
所述页面排序单元用于根据教师端口直播网课的内容数据构建客观题处理模型，生成针对于当前直播网课的客观题测试数据的页面排序；所述输出单元用于将页面排序输出至教师端口，辅助教师生成客观题测试；
所述页面排序单元的输出端与所述输出单元的输入端相连接。
根据上述技术方案，所述数字孪生平台分配模块包括分类单元、数字孪生平台调用单元；
所述分类单元用于获取学生端口反馈的客观题测试数据的答案分布，构建主观题处理模型，对学生进行分类；所述数字孪生平台调用单元基于不同的分类方式调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接；
所述分类单元的输出端与所述数字孪生平台调用单元的输入端相连接。
根据上述技术方案，所述辅助分析模块包括数据汇总单元、辅助分析单元；
所述数据汇总单元用于汇总前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案；所述辅助分析单元用于计算题目错误率，对错误率最高的题目进行标记，智能输出至教师端口。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：在本申请中，利用数字孪生实验教学平台可以完成线上线下教学对接、虚拟实体实验互补，完善现有实验教学计划，能够加强学生的思维与探索能力，基于直播课程与人工智能相结合，通过交叉实验培养学生的创新思考能力，激发学习兴趣，培养学生的创新精神和创新意识，引导学生进行主动科研探索;利用人工智能进行主客观题组分析，实现针对于学生的个性化自动设置，打破时间和空间的限制，实现全方位向学生开放的教学模式。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种基于数字孪生的教学信息处理系统及方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，在本实施例一中，以现代电力系统为例，在现代电力系统中，控制与转换电能的电力设施采用的都是高电压、大电流设备，针对毫无经验的学生而言，单独操作真实系统十分危险，因此构建有数字孪生微电网架构平台：
所述数字孪生微电网架构平台通过在多个关键位置布置多源传感器，融合物联网与云服务技术，实现微电网运行状态实时地上传到云端服务器。具备发电、变电、输电、储电和用电单元，借助数字孪生技术将真实设备映射至数字空间，同时开发了微电网数字孪生实验教学软件平台，将线上虚拟模型和线下实体设备有机结合，在网络信息空间构建真实实验设备的数字孪生体。学生可以通过各自端口登入，自主操作实验设备，课后分析解释实验结果，将传统实验台的操控界面拓展到虚拟空间，与多种虚拟仪表无缝对接，不受时间和空间限制。
获取直播网课的音频数据、直播页面数据、页面停留时长信息数据；
所述直播页面数据包括直播页面标注信息数据、页面关联数据；所述页面关联数据指在后续页面讲解中教师返回到前序页面的次数，在后续页面每返回一次前序页面，对应的前序页面关联次数数据加1；
所述直播页面标注信息数据指教师在教学中在当前页面新增文字或符号标注数据；
根据直播网课的音频数据，生成声音关键词：
对直播网课完整的音频数据进行随机切分，标注出重复的相同音频数据，计算相邻两组的相同音频数据之间的时间差值，设置时间差值数据阈值，对超出时间差值数据阈值予以舍弃，将剩余的时间差值计入集合A，并对集合A内数据计算平均值，记为
；
这部分的时间差值数据阈值以系统自行来设定，可以前期根据教师的讲课语速等条件，进行设置，主要是为了删除无关数据；
所述声音关键词的判断包括：
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代表声音关键词的判断函数，设置阈值/>
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指当前相同音频数据出现的总次数；
构建页面优先级模型：
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代表页面i在客观题处理模型中的页面优先级顺序评估值；
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代表教师在页面i的停留时长；/>
代表课程总时长；/>
为判断函数，页面i存在标注数据，取1，反之取0；/>
代表页面i存在的声音关键词数量；按照每个页面的优先级顺序评估值进行排序，输出至教师端口。
所述构建主观题处理模型包括：
S3-1、获取学生的客观题测试数据答案，构建一个种群，所述种群中包含有R组被选择数据，R表示学生数量，每一组被选择数据中对应该学生的错题编码，设置初始迭代次数G=1，对被选择数据中的错题编码进行随机组合，构建偏差值计算模型：Cj=∑Yx；∑范围在x=1至x=n；
其中，Cj代表被选择数据j对应的偏差值；
代表被选择数据j中错题编码组合方式中的任一种, 所述错题编码组合方式中包括单独一组错题编码，n代表被选择数据j中所有错题编码组合方式的集合；
例如，R=3，即三个学生为例，学生1错题分别为，编码1、3、5；学生2错题分别为，编码1、2；学生3错题分别为，编码1、3；则所有的错题编码组合方式分别为1、2、3、5、（1,2）、（1,3）、（1,5）、（3,5）、（1,3,5）；
S3-2、计算种群中所有编码的偏差值的期望值与标准差；若不满足正态分布，则设置迭代次数G=G+1，所述迭代通过利用随机选择，每次选择两个被选择数据，偏差值高的留下，不断循环直至选择出的种群数量达到
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为系统预设的常数；
S3-3、对新种群重复步骤S3-1和S3-2，直至满足正态分布或者达到迭代次数阈值，输出当前被选择数据对应的学生记为一个组合；
S3-4、在原始R组被选择数据中删除记入组合的学生，重复步骤S3-1、S3-3，直至所有学生都存在组合为止，将所有组合输出至教师端口，按照组合分别对应调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接。
在上述步骤中，能够十分精准的对学生进行分类，例如在电力系统下，分别存在有发电、变电、输电、储电和用电单元多种数字孪生接口，对于后续输出的组合，可分辨每个组合需要练习的电力系统部分，实现最佳分配。
所述教学分析处理包括：基于前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案，计算题目错误率，对错误率最高的题目进行标记，智能输出至教师端口。
在本实施例二中，提供一种基于数字孪生的教学信息处理系统，该系统包括：内容数据传输模块、教学页面处理模块、数字孪生平台分配模块、辅助分析模块；
所述内容数据传输模块用于获取教师端口直播网课的内容数据，所述内容数据包括直播网课的音视频信息数据、直播页面数据、页面停留时长信息数据；所述教学页面处理模块用于根据教师端口直播网课的内容数据构建客观题处理模型，生成针对于当前直播网课的客观题测试数据的页面排序，输出至教师端口，辅助教师生成客观题测试；所述数字孪生平台分配模块用于获取学生端口反馈的客观题测试数据的答案分布，构建主观题处理模型，基于不同的分类方式调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接；所述辅助分析模块基于前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案，智能进行教学分析处理，辅助教师进行后续课程内容规划；
所述内容数据传输模块的输出端与所述教学页面处理模块的输入端相连接；所述教学页面处理模块的输出端与所述数字孪生平台分配模块的输入端相连接；所述数字孪生平台分配模块的输出端与所述辅助分析模块的输入端相连接。
所述内容数据传输模块包括数据获取单元、数据调用单元；
所述数据获取单元用于获取教师端口直播网课的内容数据；所述数据调用单元用于对直播网课的内容数据进行调用；
所述数据获取单元的输出端与所述数据调用单元的输入端相连接。
所述教学页面处理模块包括页面排序单元、输出单元；
所述页面排序单元用于根据教师端口直播网课的内容数据构建客观题处理模型，生成针对于当前直播网课的客观题测试数据的页面排序；所述输出单元用于将页面排序输出至教师端口，辅助教师生成客观题测试；
所述页面排序单元的输出端与所述输出单元的输入端相连接。
所述数字孪生平台分配模块包括分类单元、数字孪生平台调用单元；
所述分类单元用于获取学生端口反馈的客观题测试数据的答案分布，构建主观题处理模型，对学生进行分类；所述数字孪生平台调用单元基于不同的分类方式调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接；
所述分类单元的输出端与所述数字孪生平台调用单元的输入端相连接。
所述辅助分析模块包括数据汇总单元、辅助分析单元；所述数据汇总单元用于汇总前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案；所述辅助分析单元用于计算题目错误率，对错误率最高的题目进行标记，智能输出至教师端口。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于数字孪生的教学信息处理方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1、获取教师端口直播网课的内容数据，所述内容数据包括直播网课的音视频信息数据、直播页面数据、页面停留时长信息数据；
S2、根据教师端口直播网课的内容数据构建客观题处理模型，生成针对当前直播网课的客观题测试数据的页面排序，输出至教师端口，辅助教师生成客观题测试；
S3、获取学生端口反馈的客观题测试数据的答案分布，构建主观题处理模型，基于不同的分类方式调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接；
S4、基于前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案，智能进行教学分析处理，辅助教师进行后续课程内容规划。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的教学信息处理方法，其特征在于：所述构建客观题处理模型包括：
获取直播网课的音频数据、直播页面数据、页面停留时长信息数据；
所述直播页面数据包括直播页面标注信息数据、页面关联数据；所述页面关联数据指在后续页面讲解中教师返回到前序页面的次数，在后续页面每返回一次前序页面，对应的前序页面关联次数数据加1；
所述直播页面标注信息数据指教师在教学中在当前页面新增文字或符号标注数据；
根据直播网课的音频数据，生成声音关键词：
对直播网课完整的音频数据进行随机切分，标注出重复的相同音频数据，计算相邻两组的相同音频数据之间的时间差值，设置时间差值数据阈值，对超出时间差值数据阈值予以舍弃，将剩余的时间差值计入集合A，并对集合A内数据计算平均值，记为
；
所述声音关键词的判断包括：
其中，
代表声音关键词的判断函数，设置阈值/>
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构建页面优先级模型：
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代表页面i在客观题处理模型中的页面优先级顺序评估值；
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代表教师在页面i的停留时长；/>
代表课程总时长；/>
为判断函数，页面i存在标注数据，取1，反之取0；/>
代表页面i存在的声音关键词数量；按照每个页面的优先级顺序评估值进行排序，输出至教师端口。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的教学信息处理方法，其特征在于：所述构建主观题处理模型包括：
S3-1、获取学生的客观题测试数据答案，构建一个种群，所述种群中包含有R组被选择数据，R表示学生数量，每一组被选择数据中对应该学生的错题编码，设置初始迭代次数G=1，对被选择数据中的错题编码进行随机组合，构建偏差值计算模型：Cj=∑Yx；∑范围在x=1至x=n；
其中，Cj代表被选择数据j对应的偏差值；
代表被选择数据j中错题编码组合方式中的任一种, 所述错题编码组合方式中包括单独一组错题编码，n代表被选择数据j中所有错题编码组合方式的集合；
S3-2、计算种群中所有编码的偏差值的期望值与标准差；若不满足正态分布，则设置迭代次数G=G+1，所述迭代通过利用随机选择，每次选择两个被选择数据，偏差值高的留下，不断循环直至选择出的种群数量达到
，其中/>
，/>
为系统预设的常数；
S3-3、对新种群重复步骤S3-1和S3-2，直至满足正态分布或者达到迭代次数阈值，输出当前被选择数据对应的学生记为一个组合；
S3-4、在原始R组被选择数据中删除记入组合的学生，重复步骤S3-1、S3-3，直至所有学生都存在组合为止，将所有组合输出至教师端口，按照组合分别对应调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的教学信息处理方法，其特征在于：所述教学分析处理包括：基于前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案，计算题目错误率，对错误率最高的题目进行标记，智能输出至教师端口。
5.一种基于数字孪生的教学信息处理系统，其特征在于：该系统包括：内容数据传输模块、教学页面处理模块、数字孪生平台分配模块、辅助分析模块；
所述内容数据传输模块用于获取教师端口直播网课的内容数据，所述内容数据包括直播网课的音视频信息数据、直播页面数据、页面停留时长信息数据；所述教学页面处理模块用于根据教师端口直播网课的内容数据构建客观题处理模型，生成针对于当前直播网课的客观题测试数据的页面排序，输出至教师端口，辅助教师生成客观题测试；所述数字孪生平台分配模块用于获取学生端口反馈的客观题测试数据的答案分布，构建主观题处理模型，基于不同的分类方式调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接；所述辅助分析模块基于前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案，智能进行教学分析处理，辅助教师进行后续课程内容规划；
所述内容数据传输模块的输出端与所述教学页面处理模块的输入端相连接；所述教学页面处理模块的输出端与所述数字孪生平台分配模块的输入端相连接；所述数字孪生平台分配模块的输出端与所述辅助分析模块的输入端相连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的教学信息处理系统，其特征在于：所述内容数据传输模块包括数据获取单元、数据调用单元；
所述数据获取单元用于获取教师端口直播网课的内容数据；所述数据调用单元用于对直播网课的内容数据进行调用；
所述数据获取单元的输出端与所述数据调用单元的输入端相连接。
7.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的教学信息处理系统，其特征在于：所述教学页面处理模块包括页面排序单元、输出单元；
所述页面排序单元用于根据教师端口直播网课的内容数据构建客观题处理模型，生成针对于当前直播网课的客观题测试数据的页面排序；所述输出单元用于将页面排序输出至教师端口，辅助教师生成客观题测试；
所述页面排序单元的输出端与所述输出单元的输入端相连接。
8.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的教学信息处理系统，其特征在于：所述数字孪生平台分配模块包括分类单元、数字孪生平台调用单元；
所述分类单元用于获取学生端口反馈的客观题测试数据的答案分布，构建主观题处理模型，对学生进行分类；所述数字孪生平台调用单元基于不同的分类方式调用不同的数字孪生平台接口，与相对应的学生端口进行连接；
所述分类单元的输出端与所述数字孪生平台调用单元的输入端相连接。
9.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的教学信息处理系统，其特征在于：所述辅助分析模块包括数据汇总单元、辅助分析单元；
所述数据汇总单元用于汇总前序课程的客观题测试数据答案与主观题测试数据答案；所述辅助分析单元用于计算题目错误率，对错误率最高的题目进行标记，智能输出至教师端口。
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