一种中小学人工智能素质教育服务平台设计方法与流程

本发明涉及一种软件平台的设计方法，具体是一种中小学人工智能素质教育服务平台设计方法。

背景技术：

1、辽宁师范大学计算机与信息技术学院杜锦绣的论文“人工智能时代下关于ai+教育平台的研究”人工智能与识别技术2019年第4期。研究了人工智能技术带给网络教育平台的有效策略与发展趋势，指出来从虚拟交互、智能分析，情感识别、个性化定制和虚化制度、强化监督、提升学位质量等三个方面构建ai+教育平台的思路。

2、北京大学外国语学院原千惠等人的论文“人工智能教学平台的分析与建议”教育家2020年1月。综述了人工智能教学平台的发展，论述了目前人工智能教学平台大多包括：编程环境，提供编写程序的开发环境——支持以scratch为基础的图形编程(或积木编程)和以python语言、c语言、r语言等为基础的文本编程。硬件设备，除了给平台上创作空间中的动画形象编程，学生还可以通过蓝牙或无线网络把程序与led灯、各式传感器、小车、机器人等开源硬件连接起来，让程序效果真实可感。课程资源，平台可以提供一些教学资源，如人工智能公开课和编程教程。交流社区，绝大多数现有的人工智能教育平台都设置了“社区”，为使用者提供展示、交流的空间。

3、暨南大学网络与教育技术中心炀七平等人论文“人工智能背景下在线教学平台的演变与展望”中国教育信息化2020.15。论文分析了人工智能肤哦教育创新的影响，研究了在线教学平台演变历程。研究发现：在线教学平台在人工智能背景下将向着功能完备化、定位精准化、管理集成化与全面化的趋势发展，预测将会出现开放联通的教务系统、学生行为捕捉与分析系统、智能在线教育生态系统以及其他智能教学工具等，使得在线教育活动体现智能化、个性化、深化学习内容的交互性，提高教育管理的科学性与准确性。

4、广东外语外贸大学英语教育学院魏斌论文“人工智能教育服务平台等设计与实现”电脑知识与技术vol.16,no,34december.2020。从功能设计和实现路线两方面论述了人工智能教育综合服务平台的设计与实现。功能设计主要包括：ai社区、ai实验实训平台和ai云服务模块。实现路线主要包括基于vue的前端设计、基于node的koa框架的服务端设计和基于dcloud的uniapp的跨平台移动端设计。

5、宿州学院信息工程学院高铭悦等人论文“人工智能专业实训教学系统研究与设计”鄂州大学学报2019年7月。提出了人工智能专业实训教学系统的建设方案，设计了实训教学系统总体架构，分析了架构的特点，并对实训教学系统的功能和课程体系结构进行研究，设计了教师功能和学生功能。

6、四川生学教育科技有限公司2018年研发的“基于人工智能的k12教育服务平台”遵循教育信息化建设和软件工程标准,深度融合k12教育行业与人工智能+大数据,搭建涵盖随时随地线上线下课程点播、在线直播、即时在线分享、课程推荐、内容推送、网络阅卷、教学质量诊断监测等服务功能的教育云平台,结合底层物联智能基础设施层,向上支撑智慧教育基础平台提供paas模式服务,全面覆盖pc、智能终端等互联网终端,为学生、家长、教师、社会提供全方位、立体化的“人工智能+教育”大数据公共服务平台,将海量权威k12教育资源信息进行有机、智能的收集,打造k12教育资源的快速入口,为广大的教育用户提供精准、优质的k12教育资源服务。

7、上述系统或平台普遍存在功能单一的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种中小学人工智能素质教育服务平台设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种中小学人工智能素质教育服务平台设计方法，包括如下步骤：

4、(一)模型构建

5、基于“思维+设计+创意+体验”的人工智能素质教育模式的理念，提出和设计了中小学人工智能素质教育的教学功能模型和学习功能模型。

6、1.教学功能模型

7、中小学人工智能素质教育服务平台的教学功能模型由三部分组成，一是教学部分，由教学目标、教学计划和教学课程组成；二是管理部分，由学习管理和学生管理等组成；三是实训部分，由可视化编程系统、实训系统和学习分析等组成，如图1所示。

8、2.学习功能模型

9、中小学人工智能素质教育服务平台的学习功能模型由两部分组成，一是学习部分，由培养目标、我的学习、我的考试和我的收藏等组成；二是学习方式，由线下线上学习和学习分析等组成，如图2所示：

10、(二)总体框架设计

11、平台的设计思路是采用云计算技术构建一个高弹性和高可靠的信息化素质教育服务平台，实现“六个统一、五个开放、三个特点、一个目标”的建设思路：

12、六个统一：统一传输网络、统一安全保障、统一运维管理、统一身份认证、统一备份、统一恢复；

13、五个开放：在建设中要遵循开放的技术架构、开放的技术规范、开放的应用接口、开放的服务平台、开放的基础资源；

14、三个特点：建立高弹性、高可用、高可靠的开放的共享和服务平台；实现按需服务，按质、按量付费；分层架构，共享互备，分层交付；

15、一个目标：实现教育信息化建设“一切皆为服务”的思想。

16、1.平台信息框架设计

17、中小学人工智能素质教育服务平台信息框架架构由线下体验环境、线上虚拟体验环境、ai素质教育体系和数据集中四部分组成。线下体验环境由智能交互、虚实体验、线下体验和艺术创造组成。线上虚拟体验环境由在线创作系统、可视化编程系统、音乐智能教学系统和线下体验环境组成。ai素质教育体系由教学体系、教学模式、课程体系和课程结构组成。数据集中由ai素质教育数据库、知识图谱和ai创意素材库组成。中小学人工智能素质教育服务平台信息框架架构如图3所示：

18、2.总体设计

19、平台采用前后端分离的架构开发,其中前端开发采用vue+element ui组件实现,后端系统采用spring boot框架开发，前后端之间通过restful架构的接口进行通信。restful架构是遵循统一rest风格接口原则的web服务，使用标准的http方法如get，post和delete对url资源进行增删改查的操作。系统总体结构如图4所示:

20、3.总体框架

21、中小学生素质教育平台总体框架由“六层一库”组成，“六层”为：基础设施层、服务层、应用层、接入层、展现层、用户层。“一库”为数据资源库。平台总体框架如图5所示：

22、综合门户是平台的服务功能入口和使用向导，为用户提供全面的服务目录、准确的功能搜索、便捷的线上交流的功能特性。综合门户分为前台应用和后台管理两部分。

23、前台应用主要有新闻动态、报名中心、课程展示、作品展示、热门讲师、帮助中心、友情链接、注册登录、教师认证、班级管理、作业管理、留言管理、微课管理、考试管理、课程管理、学员管理等功能。

24、后台管理主要有用户管理、权限管理(数据权限、接口权限、用户权限、角色管理)、日志管理(通用日志、接口日志、错误日志)、报表管理(考试分析、作业分析、课程分析、习题分析、学习情况分析)、系统字典、菜单管理、参数管理等功能。

25、4.平台技术架构

26、平台技术架构基于html5标准开发，其技术架构由表现层、数据交换层、服务支持层、服务实现层、存储层和运行环境组成，前台应用vue开发，后台采用先进的基于springboot的单体式相结合的技术架构开发，保障平台管理的开放性、拓展性，后台维护的便捷性、易维性。系统数据库采用mysql数据库和neo4j图形数据库相结合的方法。系统自适应windows、android和ios，采用响应式布局，兼容不同屏幕尺寸及分辨率。前端页面框架化，适应后续的可扩展性，基于开源requirejs,前端css文件、js文件等采用模块化集成，支持渐近增强，保证用户在更高端的设备上享有更好的体验。平台技术架构如图6所示：

27、5.平台功能设计

28、中小学人工智能素质教育服务平台功能设计，主要包括平台总体功能、门户端功能、教师端功能、学生端功能和管理端功能的设计，如图7-11所示：

29、(1)平台总体功能设计

30、(2)平台门户功能设计

31、6.平台代码结构设计

32、基于vue.js组件化的构建思想，一个系统或平台可以由多个页面组件构成，同时一个页面组件也可以由多个功能组件构成，服务平台基于组件化的思想进行开发。

33、门户端代码结构如图所示，主组件app.vue是由头部导航组件header.vue、路由管理组件router-view和底部导航组件footer.vue组成。通过点击header.vue里的导航按钮切换路由管理组件router-view的显示组件。门户端代码结构如图12所示：

34、教师端代码结构如图所示，主组件app.vue是由登录组件login.vue和路由管理组件router-view组成。由权限控制组件router-view只有登录后显示。路由管理组件router-view由菜单导航组件sidebar.vue、标签组件tags.vue、头部组件top.vue、内容显示窗口路由管理组件router-view组成。通过点击菜单导航组件sidebar.vue里的导航按钮切换路内容显示窗口管理组件router-view的显示内容组件。教师端代码结构如图13所示：

35、学生端代码结构如图所示，主组件app.vue是由登录组件login.vue和组件pupil.vue组成。由权限控制组件pupil.vue只有登录后跳转显示。pupil.vue下子组件由路由控制显示部分。学生端代码结构如图14所示：

36、7.实训平台

37、中小学人工智能素质教育实训平台构建有线上系统、编程系统、接口系统和目标系统组成的人工智能素质教育实训平台，为学生提供线上线下教学环境。基于线下教学环境搭建线上实训环境，构建“思维+设计+创意+体验”的线下线上一体化教学环境。人工智能素质教育实训平台框架如图15所示：

38、线上系统：是以可视化编程系统为基础，通过可视化编程系统、语言编程系统和创意设计系统，实现线上虚拟教学实践过程。

39、线下系统：由可视化编程系统、语言编程系统、创意设计系统、接口系统和目标系统组成线下教学和体验环境。其中：接口系统集成各类智能传感器，实现编程系统与目标系统中间接口。目标系统为线下教学的硬件教学设备的集成，为人工智能素质教育提供比较完备的人工智能技术应用模拟场景。

40、(三)可视化编程系统设计

41、可视化编程系统基于图形化，利用图形化、模块化和异构对象构建和实现可视化展示，完成编程要素对象、设计元素、逻辑单元和通用流程等异构对象的可视化交互操作。改善传统抽象ai知识与编程语言的门槛限制和对老师辅导的高度依赖，针对中小学语言和逻辑表达能力情况，让学生能够快速掌握设计思维、计算思维、逻辑思维，逐步掌握工程化和系统化思维方式。结合目前计算机视觉和自然语言处理处理技术，通过自生成模块研发，构建生成、发布、展示平台，在编程过程中实现与现实生活学习场景互动，让学生更好的理解和学习人工智能技术，进行实践与应用。

42、1.总体框架

43、可视化编程系统总体框架由应用层、接口层、功能层、对象层和引擎层组成，如图16所示：

44、2.技术架构

45、可视化编程系统技术架构采取三层架构设计方法，基础支撑层、引擎资源层和用户交互层，编程相关标准和评价体系基于整体设计，贯穿全过程。支撑软硬件系统环境采用目前成熟的云框架体系，确保系统具有良好的扩展性。如图17所示：

46、3.可视化编程语言设计

47、可视化编程语言由运动、外观、事件、控制、侦测、算法和变量7大类共计76条语句组成，其中：运动类包含移动、跳转、旋转等18条语句；运算类包含算数、逻辑和函数等18条语句；侦测类包含碰撞、鼠标和计时等14条语句；控制类包含重复、条件和克隆等11条语句；外观类包含长、宽和高增减等10条语句；事件类包含事件点击、接受和广播等5条语句；变量类为用户自定义变量。如图18所示：

48、(四)中小学人工智能素质教育知识体系设计

49、基于知识图谱的技术研究和中小学人工智能教育领域的概念等，结合课题初步分类的中小学人工智能素质教育的数据分类，构建了中小学人工智能素质教育知识体系原型，该体系的构建定位在课题研究的范畴领域，主要包括人工智能原理与技术、人工智能教育、人工智能的研究和应用领域知识、人工智能素质教育的相关知识和与人工智能素质教育配套素材类知识等，中小学人工智能素质教育知识体系如图19所示：

50、(五)创意课程体系设计

51、1.教学模式与流程

52、针对目前我国中小学人工智能教育课程现状，基于我国中小学生不同年龄段的认知特点、素质教育的内容要求、前期学情调研、ai创意创作工具调研等基础，确立了以“提高人工智能认知，提高创意创新能力、强化人工智能素质”为主的教学目标，明确了课程设计将“结合中小学素质教育内容(美育为主)”开展层层递进，具体包括ai是什么、ai有何用、ai优与劣等内容，提出了由“一对一名师授课、个性化定制课程内容、沉浸感互动体验、自主研发适龄教材、国际化教学理念、智能监管随时回看”的教学模式。设计了基于steam，强化a(艺术)的创新课程理念和由“创作主题、范例学习、模仿设计、自由创作、分享交流”的教学流程。完成从感知、到认知、再到反思的探索性实践过程。教学模式、教学流程如图20、21所示：

53、2.课程体系模型

54、中小学人工智能素质教育课程体系模型分为4层，第一层为课程理念，基于人工智能与艺术创造力的融汇，构建人工智能素质教育课程体系，旨在培养每位学生的智能素养；第二层为课程目标，通过课程学习，培养中小学生的逻辑思维、计算思维、设计思维、工程思维、创新思维和认知能力、观察能力、专注能力、学习能力、动手能力。第三层为教学阶段，分为启蒙(学龄前)、基础(小学)、进阶(初中)和应用(高中)。第四层为教学模式，建立“思维+设计+创意+体验”的线下线上教学模式；第五层为课程类型，共计六类，思维、设计、动漫、音乐、创意和赋能。人工智能素质教育课程体系模型如图22所示：

55、3.课程体系框架

56、基于steam教育理念pbl学习法，在建构主义、联通主义、学习科学等新的教育理论研究成果的指导下，研究建立设计人工智能素质教育的个性、多元和精准的“思维+设计+创意+体验”的线下线上人工智能素质教学模式、课程结构和课程内容，促进学生完成语言认知、数理逻辑、工程科技、艺术设计、创新能力的人工智能素质教育。

57、中小学人工智能素质教育课程体系框架由教学阶段、教学层次、学生年龄、教学课程、教学平台、认知能力和学生素质等组成。中小学人工智能素质教育课程体系框架如图23所示。

58、本专利的优点在于：

59、1、本发明提出构建人工智能素质教育服务平台，试图构建集艺术创造、智能感知、互动交互和虚实体验等功能于一体，包括可视化编程系统、线下实训系统、创意课程体系和教学管理与服务系统等组成中小学人工智能素质教育服务平台。平台的特征在于艺术创造力与人工智能技术融汇，平台定位为中小学人工智能素质教育提供技术和应用支撑，在人工智能素质教育服务平台的总体设计方面具有一定的创新性。