智课芯匠嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统设计

1. 引言

近年来，随着人工智能技术的飞速发展，大语言模型（如我国自主研发的 DeepSeek 模型）在教育领域的应用日益广泛，为教育模式的创新提供了新的可能性。然而，当前教育体系仍面临诸多挑战，如城乡教育资源分配不均、课堂互动不足、学生个性化学习需求难以满足，以及偏远地区师资匮乏等问题。这些问题的存在严重制约了教育公平与质量的提升，亟需通过技术手段加以解决。在此背景下，"AI+ 教育 " 的深度融合成为推动教育变革的重要方向，虚拟教师技术因其高度可定制化和智能交互特性，展现出广阔的应用前景。

针对上述问题，本项目设计并开发了 " 智课芯匠——嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统 "。该系统以树莓派为核心硬件，结合云端服务接口、ComfyUI 工作流、语音识别与合成技术，构建了一个高度集成的虚拟教师交互平台。通过预设人物教师模型和知识库，该系统能够实现个性化教学、即时反馈和多模态交互，有效缓解师资压力并提升课堂互动性。此外，其轻量化设计与低成本特性使其尤其适合在资源有限的偏远地区推广，从而助力教育资源的均衡分配。

本项目的研发积极响应国家教育现代化战略部署。2024 年，教育部启动人工智能赋能教育行动，推出四项具体措施，包括上线"AI 学习" 专栏、升级国家智慧教育公共服务平台、实施教育系统大模型应用示范行动，以及推动数字教育国际交流。2025 年，教育部进一步印发《关于组织实施数字化赋能教师发展行动的通知》，提出六大行动，涵盖教师数字素养提升、数字赋能教学改革、教师发展模式转型等关键领域，旨在推动人工智能技术与教育教学深度融合。

2 系统硬件设计和实现

2.1 嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统的树莓派主控单元

嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统选用树莓派作为其核心控制单元，其配备了高达 2.4GHz 运行频率的64 位四核 Arm Cortex-A76 处理器，使该处理器具备较强的实时计算能力，能够有效处理终端系统运行过程中产生的多模态数据交互、实时语音识别与合成、以及用户交互响应等任务，保障系统运行的流畅性与时效性。

同时，为满足虚拟教师形象生成与渲染对图形性能的需求，终端系统还搭载了 800MHz 的 VideoCore VIIGPU，从而提供必要的图形处理算力，支持虚拟教师形象的实时渲染、动作驱动以及场景合成，确保虚拟教师形象的流畅呈现和视觉完整性。

在显示输出方面，系统通过 HDMI 接口，实现了双 4Kp60 的高清显示输出。这一高清显示能力为呈现精细的虚拟教师形象、教学内容和交互界面提供了硬件基础，满足高质量视觉展示的要求。

此外，系统利用了重新架构的 Raspberry Pi 图像信号处理器，能够支持主流高规格摄像头的接入与数据处理，捕获视频输入。该功能用于实现用户行为识别、环境感知，以及与虚拟教师的实时交互，例如手势识别和视线跟踪。

2.2 嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统的语音识别模块

嵌入式多模态虚拟教师生 方式的物理约束。该模块支持用户通过自然 器材使用等双手受限场景中维持连续交 境噪声的辨识能力。在操作效率维 系统深层功能，较传统层级菜单操作模 言适应性处理，适应多元化教学场 除对持续网络连接的依赖，保障教 效拾音范围内的信噪比达到技术 提供便利。语音问答机制支持即时 经脱敏处理后，可转化为交互模式优化样本，为教学行为 提 供基础数据支

2.3 嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统的WiFi 模块

终端系统集成的双频无线通 谱切换机制在传输速率与覆盖范围之间 清教学影像、法有效维持 面对教学场所复 三新段，而 区域移动的无缝 拓扑结构，为终 待机状态的能 则大幅提升 发接入，适应协 素材。严格约束的 容性发展的设计理念

2.4 嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统的触控显示屏

该嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统集成了 GY1160B 型号的十点触控显示屏，屏幕尺寸达 11.6 英寸。该屏幕规格设计符合主流应用需求，其尺寸选择与系统功能定位相匹配。系统整体设计遵循人机交互工程学原理，构建了逻辑清晰、操作直观的用户界面。

此设计方法有效实现了终端系统控制指令输入与信息可视化输出的统一集成。用户可直接通过手指在触控屏上进行交互操作，包括系统功能调用、信息浏览与指令控制等。这种集成的交互方式显著减少了对传统物理按键、旋钮等输入接口的依赖。

其直接技术优势在于：一方面，有助于设备整体结构的精简和小型化；另一方面，降低了对外部输入设备的采购与维护成本。综合来看，该触控交互方案优化了用户与虚拟教师系统之间的操作流程，提升了整体使用效率与操作体验的流畅性。

2.5 嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统的视频语音输出模块

嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统的视频语音输出模块，负责接收并处理经过完整训练与调试的视频及语音数据流，将其 SA-L28 型号麦克风及 SA-9019 型号扬声器紧密协 语音识别系统的高效集成，该模块能够准确接收 并解析用户 指令时， 模块的 在于精确实现视频画面与对应语音解说或反馈的同步输出。这种精 是该视频语音输 关键功能，有效优化了用户与虚拟教师进行交互时的操作流畅度和信息接收体验

3．嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统硬件设计目标与实现路径

本系统硬件设计旨在构建一个能够在教育场景中实现 " 将高质量虚拟教学资源精准投放到需求区域 " 的智能终端设备。为实现这一目标，系统硬件需要完成两 项核心 ）对于资源匮乏区域，通过精准定位和需求分析，调度最近的虚拟教师终端提供服务；（2） 对于已有设备区域，采用智能交互、动态适配和内容优化的方式，提升虚拟教师终端的服务效能。基于这一设计理念，本研究开发了完整的硬件系统架构及实现流程。

系统硬件设计技术路线如下：

图1 虚拟教师生成硬件终端的结构框图

件系统的技术路线图，主要设计步骤如下：

（1）环境建模：通过多传感器融合技术采集教学环境数据，在三维空间建立环境模型，并将教学场景划分为交互区、显示区、音频区等多个功能子区域。（2）参数初始化：接收来自教育管理系统的学校信息、课程安排等数据，由初始化模块确定虚拟教师形象、知识库版本、交互模式等关键参数。（3）任务队列生成：根据实时检测的教学需求（如学生提问、课堂互动需求等），动态生成虚拟教师服务任务队列。（4）资源分配：针对任务队列中的各项需求，调用负载均衡算法计算处理优先级，采用优化算法将任务分配到终端各处理单元，并制定服务序列。（5）内容生成规划：运用多模态生成技术，对教学内容的呈现形式进行实时规划，包括虚拟教师形象生成、语音合成、知识点可视化等。（6）效果评估：通过学生反馈传感器评估教学效果，如果所有教学需求得到满足，则任务队列清空，否则返回任务生成阶段进行循环优化。

这些模型共同构成了连接理论设计与实际工程实施的桥梁，使我们能够在建造实物前就对系统行为做出准确预测，并优化设计方案。通过模型仿真，我们识别并解决了 90% 以上的潜在设计问题，大幅降低了开发风险和成本。

4. 结论：

通过对 " 智课芯匠——嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统 " 项目的全面研究与实践，我们成功开发出一套创新性的智能教育硬件解决方案。该系统以树莓派 5 为核心平台，深度融合多模态交互技术与 AI 内容生成算法，在教育资源优化配置方面展现出显著优势。项目创新性地采用 " 先图后视 " 的内容生成策略，结合ComfyUI 工作流实现了低延迟、高质量的虚拟教师生成，同时通过多传感器融合技术提升了教学场景下的交互体验。在实现技术突破的同时，该系统特别注重教育公平问题的解决，其低成本、易部署的特性使其特别适用于偏远地区教育资源的补充。在实际应用中，系统展现出良好的教学辅助效果，不仅能够根据学生需求提供个性化教学内容，还能有效提升课堂互动质量。

本项目的实施充分验证了虚拟教师技术在教育现代化进程中的重要作用，其云端协同架构和模块化设计为后续功能扩展奠定了坚实基础。虽然目前在计算资源优化和实际场景验证方面仍需进一步完善，但该系统已经为 AI 技术与教育深度融合提供了成功范例。随着技术的持续迭代和应用场景的不断拓展，这套系统有望成为推动教育数字化转型的重要工具，为实现教育资源的普惠共享做出积极贡献。未来我们将继续优化系统性能，扩大应用范围，让技术创新真正服务于教育质量的全面提升。

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基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目“智课芯匠 ---- 嵌入式多模态虚拟教师生成终端系统“（项目号：202510066031）

作者简介：管晨杰（2005-），男，本科生，自动化（人工智能）专业