一种基于人工智能的学生实验辅助指导系统及其方法

摘要

本发明公开了一种基于人工智能的学生实验辅助指导系统，包括微处理器，所述微处理器上连接有键盘、读卡器、麦克风、显示器、扬声器、人脸识别及指纹识别，所述微处理器和外设安装在实验箱上，微处理器设置在实验箱内部，实验箱左前方设置麦克风和扬声器。本发明可以支持同一学生对某个实验的重复操作和学习，进而不断改错进步。此外，通过大数据还可以针对同一个实验、同一个班级、不同学生的整体实验操作技能进行分析评价，为提高实验教学质量助力。

说明书

技术领域

本发明涉及电路接线检测及实验辅助技术领域，特别涉及一种基于人工智能的学生实验辅助指导系统及其方法。

背景技术

目前各职业教育学院都建立了实训设施，其中电学实验中学生实训接线需要大量的练习，当练习结束后，需要老师对线路进行检查。由于一个老师带有很多学生，所以无法在实训课堂上对所有学生的接线情况进行现场具体指导。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于人工智能的学生实验辅助指导系统及其方法，采用人工智能技术在学生实验接线完毕后对其实验结果进行评价，并给出具体的实验指导意见，减轻传统实验给实验指导老师带来的负担。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于人工智能的学生实验辅助指导系统，包括微处理器1，所述微处理器1上连接有键盘2、读卡器3、麦克风4、显示器5、扬声器6、人脸识别7及指纹识别8，所述微处理器1和外设安装在实验箱上，微处理器1设置在实验箱内部，实验箱左前方设置麦克风4和扬声器6。

所述的微处理器1采用嵌入式为低功耗处理器LPC2103，内部含有多路模数转换器A/D通道及通用输入输出GPIO接口，所述AD通道接收电平信号A

所述GPIO接口，接收数字信号V

所述实验箱侧面设置有键盘2，键盘2用于设置系统的调试及运行参数。

所述的读卡器3用于读取校园一卡通、身份证信息，对做实验学生身份的进行登记。

所述的麦克风4用于微处理器1接收做实验学生发出的语音信号；该信号由微处理器1进行语音识别，便于人机交互。

所述的显示器5用于显示系统的调试及运行信息，设置在实验箱上可自由旋转，显示器5安装在实验箱右上方。

所述的扬声器6通过微处理器1控制其输出，用于语音指导学生进行实验；所述的人脸识别7、指纹识别8通过微处理器1接收其信号输入，对做实验学生身份的进行登记。

所述的读卡器3、人脸识别7、指纹识别8用于单独或混合模式对做实验学生身份的进行登记，根据实际情况自由选择。

一种基于人工智能的学生实验辅助指导方法，包括以下步骤；

101、学生启动实验辅助指导系统，系统初始化自检；

102、学生登记，可通过读卡器3、人脸识别7、指纹识别8等方式进行登录；

103、学生选择需要学习的实验并进行实验操作，如接线、插件等；

104、学生完成实验操作后可对麦克风4讲出“提交实验”，进行实验任务的提交；

105、微处理器1通过GPIO及AD通道自动检测相应实验节点电位情况，实验节点电位情况分为数字信号检测和模拟量的检测；

106、分析实验结果是否正确，进而，系统将播报不同的语音；

107、系统判断学生操作存在错误，进行语音纠错指导；

108、如果学生没有听懂，可以通过麦克风4讲出“再次指导”，直至领悟；

109、学生根据指导内容，改正错误；

110、如果系统判断学生操作正确，则进行语音鼓励：“您的操作完全正确，请再接再厉”；

111、大数据自动记录该学生本次实验操作情况；

112、系统对近期特定学生群体进行整体评价，形成教学效果反馈，作为提高教学质量的基本着力点；

113、结束。

本发明的有益效果：

1、采用自动检测技术，由微处理器对实验电路各个关键点进行自动检查纠错，减轻了实验老师逐一检查的负担。

2、基于人工智能语音识别技术，通过扬声器对学生的实验情况进行分析指导，还可对同一实验重复语音指导直至学生领悟，准确高效。

3、通过大数据分析，可针对特定范围学生群体的实验操作水平进行整体分析评价，便于对症下药，提高实验教学质量。

附图说明

图1是本发明的硬件结构图。

图2是本发明的系统工作流程图。

图3是本发明的实验箱局部俯视图。

图4为本发明的实验箱局部剖视图。

图5是本发明的实验电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

参见附图1本发明的硬件结构图。

系统硬件以微处理器1为主控核心，读取人脸识别模块7、指纹识别模块8及读卡器3内容，获取学生身份信息。通过键盘2设置系统的调试及运行参数，并由显示器5进行显示。通过GPIO和AD通道分别采集电路各节点的电位情况，与正确值进行比较，判断本次实验是否存在错误及出错位置，并通过扬声器6进行原因分析和指导，或对正确的操作进行鼓励。此外，学生可通过麦克风4与系统进行交互，如提交实验、请求再次指导等。

一种基于人工智能的学生实验辅助指导方法，参见附图2本发明的系统工作流程图。

101、学生启动实验辅助指导系统，系统初始化自检；

102、学生登记，可通过读卡器3、人脸识别7、指纹识别8等方式进行登录；

103、学生选择需要学习的实验并进行实验操作，如接线、插件等；

104、学生完成实验操作后可对麦克风4讲出“提交实验”，进行实验任务的提交；

105、微处理器1通过GPIO及AD通道自动检测相应实验节点电位情况，实验节点电位情况分为数字信号检测和模拟量的检测；

106、分析实验结果是否正确，进而，系统将播报不同的语音；

107、系统判断学生操作存在错误，进行语音纠错指导。例如：“您好！检测到继电器未正常工作，可能是由于继电器阴极电位错误引起的，请检查继电器部分接线是否正确或三极管是否处于导通状态”；

108、如果学生没有听懂，可以通过麦克风4讲出“再次指导”，直至领悟；

109、学生根据指导内容，改正错误；

110、如果系统判断学生操作正确，则进行语音鼓励：“您的操作完全正确，请再接再厉”；

111、大数据自动记录该学生本次实验操作情况；

112、系统对近期特定学生群体进行整体评价，如同一教师、同一班级的不同学生的操作情况，形成教学效果反馈，作为提高教学质量的基本着力点；

113、结束。

参见附图3图4本发明的实验箱局部剖面图。

图3为实验箱俯视图，图4为主剖图。在使用时，学生可通过实验箱上的读卡器3、人脸识别7、指纹识别8中的一个或多个进行身份认证，完成登录。键盘2可自由伸缩，空闲时嵌入实验箱侧壁内，用于设置系统的调试及运行参数，并由显示器5进行显示，显示器5安装在实验箱右上方，空闲时可通过旋转贴附在箱体顶面，减小空间。学生可在实验板面的圆形端口进行元器件的插件和接线任务。通过实验箱左前方的麦克风4和扬声器6与系统进行语音互动，微处理器1作为主控中心，安装在实验箱内部，除连接并控制上述外设外，还可通过GPIO及AD通道分别对数字信号和模拟量进行采样检测、比较运算，自动评阅，为学生提供多次指导。

本发明的特点还在于，本发明的指导系统不止局限于一种实验电路，可以支持多种实验电路的自动辅导。学生合理选取相应电路的元器件，进行插件和接线操作，完成实验并提交后，微处理器1自动检测实验电路关键节点的电信号情况，可以通过GPIO直接检测数字信号，或通过AD通道检测模拟量。自动评阅后，将电位错误的节点通过扬声器6对学生进行纠错指导。同时，学生通过麦克风4与系统交互，如“再次指导”等，实验辅助指导系统还可以支持同一学生对某个实验的重复操作和学习，进而不断改错进步。此外，通过大数据还可以针对同一个实验、同一个班级、不同学生的整体实验操作技能进行分析评价，为提高实验教学质量助力。

参见附图5：本发明的实验电路举例。

优选地，以基础加法器和继电器实验为例，进一步说明本实验的接线和插件自动检测方法，在进行加法器实验时，某学生将a接线端和b接线端分别接至电压输入，同时合理选择电阻R

进一步地，结合图5，若某新生学习“1V+2V＝3V的加法器实验”，在提交实验后，若微处理器1检测到a接线端和b接线端电压分别为1V和2V，且同时检测到f端口电压为3V，则说明该学生实验正确，扬声器6进行语音鼓励：“您的操作完全正确，请再接再厉”。若f端口输出错误，则自动排查从输入到输出的中间部分，进行过程纠错，首先检查d与e端口电压是否相等，若不相等则说明运放损坏，扬声器6进行语音提醒“运放器件存在问题，请更换”。微处理器1根据检测到的e端口电压情况例如检测到某次实验e端口电压为1.5V，结合f点电压，自动计算出R

另外，在数电实验中由输入模式下的GPIO进行电平检测。如某次实验的继电器没有正常工作，则微处理器从电源地开始逐点为该学生排查错误。如微处理器1判断V

此外，如果学生没有完全理解，可通过麦克风4请求再次指导。需要说明的是，以上取一例说明了本发明可实现的多种插件接线式实验的一种，其他实验只需改变所需器件及电路连接拓扑，仍可使用本实验辅助指导系统，实现学生自主实验，高效指导。