論設(shè)計(jì)智慧學(xué)生桌椅判斷學(xué)生行為的可行性

袁立

摘要：目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在迅速的發(fā)展，智慧校園中基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)環(huán)境開(kāi)始廣泛搭建，但基于教室教學(xué)物聯(lián)網(wǎng)終端仍然沒(méi)有普及。智慧學(xué)生桌椅是在智慧教室中日常學(xué)生桌子和椅子加入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、有線傳輸技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)等，收集學(xué)生在教室里的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)手段分析學(xué)生上課的行為、性格和心理。該技術(shù)作為輔助教學(xué)手段的工具，根據(jù)學(xué)生的不同類(lèi)型，通過(guò)語(yǔ)音方式播放對(duì)其感興趣的話題，開(kāi)導(dǎo)學(xué)生，調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)情緒，提升學(xué)習(xí)熱情。學(xué)校通過(guò)收集到的數(shù)據(jù)信息和不同學(xué)生類(lèi)型的性格特點(diǎn)，向?qū)W生提供不同的教學(xué)方式和指導(dǎo)意見(jiàn)。

關(guān)鍵字：智慧學(xué)生桌椅;物聯(lián)網(wǎng);智慧校園;行為;性格

1 產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)

如圖1所示，在桌面下方、椅子椅座下方、椅腳處放置十個(gè)阻應(yīng)變式傳感器，收集被測(cè)試者按壓數(shù)據(jù)。桌面嵌入微型攝像頭，收集被測(cè)試者圖像數(shù)據(jù)。場(chǎng)景上方安裝場(chǎng)景攝像頭，收集教室里的圖像信息，確定場(chǎng)景類(lèi)型。智能手環(huán)佩戴在被測(cè)試者手腕上，收集被測(cè)試者心跳、呼吸、血壓、溫度和睡眠狀態(tài)等信息。桌面鑲嵌微型麥克風(fēng)，收集被測(cè)試者語(yǔ)音數(shù)據(jù)，接收人機(jī)語(yǔ)音交互信息。語(yǔ)音輸出接口用于外接語(yǔ)音設(shè)備或者耳機(jī)，播放被測(cè)試者感興趣的信息或語(yǔ)音應(yīng)答。數(shù)據(jù)采集終端放置在桌面攝像頭下方，為攝像頭、收音設(shè)備、傳感器類(lèi)的儀器供電，并把收集的信息通過(guò)wifi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一發(fā)送到無(wú)線接入點(diǎn)AP，AP再把信息上送到服務(wù)器進(jìn)行分析處理。

2 技術(shù)應(yīng)用

2.1 傳感器技術(shù)

阻應(yīng)變式傳感器是一種使用阻應(yīng)變片測(cè)量方法獲取壓力參數(shù)的電阻應(yīng)變式傳感器[1]。在桌面下方、椅子椅座下方、椅腳處下方放置十個(gè)傳感器，桌面下方四個(gè)傳感器分為一組，用于收集被測(cè)試者上肢動(dòng)作的按壓變化，椅座下方四個(gè)傳感器分為一組，用于測(cè)試測(cè)試者臀部以及身體的按壓變化，腳部?jī)蓚€(gè)傳感器分為一組，用于收集被測(cè)試者腳部的按壓變化。不同組別的傳感器設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)別，三組傳感器收集被測(cè)試者動(dòng)作變化情況。

被測(cè)人員測(cè)試時(shí)，三組傳感器統(tǒng)計(jì)桌面、椅子、腳部總體重量前提下，傳感器收集通過(guò)不同方位的傳感器信號(hào)量變化，分析該被測(cè)人員動(dòng)作按壓的變化、幅度和時(shí)間規(guī)律等，對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期的收集分析，得出該被測(cè)人員屬于安靜、活潑、好動(dòng)等性格特點(diǎn)的測(cè)試依據(jù)。但這份依據(jù)準(zhǔn)確性應(yīng)該建立在被測(cè)人員的正在進(jìn)行行為之上，假設(shè)該測(cè)試者在寫(xiě)字、做手工作品、與別人交談等情景，會(huì)導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)的變化，導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出不準(zhǔn)確，因此應(yīng)該結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別該學(xué)生的行為，對(duì)這段情景傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行屏蔽和刪除，該段數(shù)據(jù)應(yīng)不作為依據(jù)。

2.2 圖像識(shí)別技術(shù)

人臉識(shí)別技術(shù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)提取人臉部的特征信息，如眼睛、嘴唇、膚色和鼻子等一系列特征，并根據(jù)臉部的信息進(jìn)行身份驗(yàn)證的一種臉部圖像識(shí)別技術(shù)[2]。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行面部圖像理解時(shí)要解決的問(wèn)題關(guān)鍵在于創(chuàng)建情緒分類(lèi)庫(kù)和表情模型，用這些信息和面部特征與表情的變化關(guān)聯(lián)起來(lái)[3]。

對(duì)視頻中人的行為識(shí)別時(shí)，可以根據(jù)視頻中的人物圖像判斷其動(dòng)作，可以通過(guò)組合動(dòng)作形成行為[4]。

場(chǎng)景有兩種攝像頭，桌面鑲嵌微型攝像頭和場(chǎng)景攝像頭。桌面攝像頭主要觀測(cè)被測(cè)試者的身份信息、臉部表情、動(dòng)作。場(chǎng)景攝像頭是桌面攝像頭的一個(gè)補(bǔ)充，判斷桌面攝像頭單個(gè)視角無(wú)法判斷的場(chǎng)景特征，例如上課和下課場(chǎng)景是不一樣的，上課時(shí)大部分學(xué)生所坐的位置是很整齊的，動(dòng)作幅度并沒(méi)有那么大。

桌面鑲嵌微型攝像頭收集被測(cè)人員面部、上身動(dòng)作圖像信息上送到圖像分析系統(tǒng)分析。省先進(jìn)行人員身份認(rèn)證，確認(rèn)是否為被測(cè)人員身份。通過(guò)臉部信息判斷被測(cè)試者面部表情和嘴部信息，面部表情可以分為專(zhuān)注、中性表情、高興、憤怒等，并對(duì)這些被測(cè)試者面部表情信息進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

通過(guò)圖像中被測(cè)者整體行為，例如手部物品、鍵盤(pán)動(dòng)作、交談等，判斷該行為是什么。假設(shè)在上課的場(chǎng)景，學(xué)生在都在聽(tīng)課、做筆記、思考和咨詢(xún)老師問(wèn)題，系統(tǒng)通過(guò)桌面微型攝像頭圖像和場(chǎng)景攝像頭圖像要先對(duì)該行為進(jìn)行識(shí)別，判別該學(xué)生在做什么（但不是所有的行為都可以進(jìn)行判別，一個(gè)學(xué)生在聽(tīng)課和思考很難通過(guò)圖像進(jìn)行判別），然后對(duì)學(xué)生的面部表情、談?wù)摰膬?nèi)容、動(dòng)作的幅度等做其他判別和統(tǒng)計(jì)記錄。

2.3 語(yǔ)音識(shí)別功能

語(yǔ)音轉(zhuǎn)換文字技術(shù)是一種語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，可以通過(guò)把傳入的一段語(yǔ)音信息變成聲音波形圖，然后提取波形圖的特征信息集合獲取記憶樣本模式，通過(guò)函數(shù)轉(zhuǎn)換與參考模式的相似度進(jìn)行相似度比對(duì)，找出最大相似度語(yǔ)音語(yǔ)句[5]。 在被測(cè)者說(shuō)話時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音轉(zhuǎn)文字技術(shù)，把語(yǔ)音轉(zhuǎn)換成文字，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)或本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)分析，分析談?wù)撛撛捠菍儆谀囊环矫娴膬?nèi)容，并將內(nèi)容進(jìn)行分類(lèi)，例如地理、自然、生活、新聞、學(xué)習(xí)等。通過(guò)后臺(tái)的數(shù)據(jù)分析和索引，獲取學(xué)生感興趣的話題。同時(shí)也能通過(guò)臉部識(shí)別技術(shù)識(shí)別該話是否由該學(xué)生說(shuō)出，從說(shuō)話時(shí)聲音與臉部的嘴型、人員的身份和時(shí)間是否一致等進(jìn)行判定，提高判斷的精確度。

2.4 智能手環(huán)技術(shù)

智能手環(huán)佩戴在被測(cè)者手腕上，通過(guò)收集被測(cè)試者的心跳、呼吸、血壓和睡眠狀態(tài)一系列信息，通過(guò)被測(cè)者的內(nèi)在心理波動(dòng)、心理狀態(tài)等一系列內(nèi)在的信息，對(duì)從被測(cè)者表面和聲音識(shí)別技術(shù)無(wú)法判斷的內(nèi)在信息提供一種技術(shù)補(bǔ)充。

2.5 人機(jī)交互技術(shù)

人機(jī)交互技術(shù)主要是人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換一種技術(shù)，人們可以通過(guò)設(shè)備、動(dòng)作、聲音、腦電波等向計(jì)算機(jī)傳遞信息[6]。通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器系統(tǒng)的交互，主動(dòng)了解被測(cè)試者的心理狀態(tài)，并聽(tīng)取被測(cè)試者的需求，系統(tǒng)通過(guò)模仿老師和學(xué)生進(jìn)行溝通交流的過(guò)程，了解學(xué)生的真實(shí)心理狀態(tài)，降低因被動(dòng)的測(cè)試，導(dǎo)致誤判的可能性。

2.6 心理學(xué)和行為科學(xué)

心理與行為科學(xué)統(tǒng)計(jì)是屬于行為科學(xué)，心理與行為科學(xué)中要把觀察結(jié)果直觀地展示給大家，必然要用到統(tǒng)計(jì)方法。而在心理學(xué)中，心理實(shí)驗(yàn)和調(diào)查都離不開(kāi)統(tǒng)計(jì)方法的應(yīng)用[7]。系統(tǒng)通過(guò)長(zhǎng)期收集被測(cè)試者的動(dòng)作、聲音、臉部表情、心跳和血壓等一系列變化，甚至通過(guò)人機(jī)交互主動(dòng)了解被測(cè)試者需求，學(xué)習(xí)被測(cè)試者的心理狀態(tài)，或者識(shí)別系統(tǒng)未識(shí)別行為，最后利用心理與行為科學(xué)統(tǒng)計(jì)方法了解學(xué)生的性格特點(diǎn)和心理承受能力等狀況。并使用教學(xué)心理學(xué)知識(shí)，根據(jù)不同學(xué)生的性格和行為特點(diǎn)，使用語(yǔ)音通過(guò)故事、音樂(lè)、人物故事等方式，調(diào)節(jié)被測(cè)者心理壓力，提高學(xué)習(xí)興趣。統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)并作為老師了解學(xué)生性格和狀態(tài)的依據(jù)之一。