論設(shè)計智慧學(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)境開始廣泛搭建，但基于教室教學(xué)物聯(lián)網(wǎng)終端仍然沒有普及。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)、語音識別技術(shù)、有線傳輸技術(shù)和無線傳輸技術(shù)等，收集學(xué)生在教室里的統(tǒng)計數(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)生的不同類型，通過語音方式播放對其感興趣的話題，開導(dǎo)學(xué)生，調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)情緒，提升學(xué)習(xí)熱情。學(xué)校通過收集到的數(shù)據(jù)信息和不同學(xué)生類型的性格特點，向?qū)W生提供不同的教學(xué)方式和指導(dǎo)意見。

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

如圖1所示，在桌面下方、椅子椅座下方、椅腳處放置十個阻應(yīng)變式傳感器，收集被測試者按壓數(shù)據(jù)。桌面嵌入微型攝像頭，收集被測試者圖像數(shù)據(jù)。場景上方安裝場景攝像頭，收集教室里的圖像信息，確定場景類型。智能手環(huán)佩戴在被測試者手腕上，收集被測試者心跳、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)，收集被測試者語音數(shù)據(jù)，接收人機語音交互信息。語音輸出接口用于外接語音設(shè)備或者耳機，播放被測試者感興趣的信息或語音應(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、傳感器類的儀器供電，并把收集的信息通過wifi無線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一發(fā)送到無線接入點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傳感器，桌面下方四個傳感器分為一組，用于收集被測試者上肢動作的按壓變化，椅座下方四個傳感器分為一組，用于測試測試者臀部以及身體的按壓變化，腳部兩個傳感器分為一組，用于收集被測試者腳部的按壓變化。不同組別的傳感器設(shè)置不同優(yōu)先級別，三組傳感器收集被測試者動作變化情況。

被測人員測試時，三組傳感器統(tǒng)計桌面、椅子、腳部總體重量前提下，傳感器收集通過不同方位的傳感器信號量變化，分析該被測人員動作按壓的變化、幅度和時間規(guī)律等，對數(shù)據(jù)長期的收集分析，得出該被測人員屬于安靜、活潑、好動等性格特點的測試依據(jù)。但這份依據(jù)準(zhǔn)確性應(yīng)該建立在被測人員的正在進(jìn)行行為之上，假設(shè)該測試者在寫字、做手工作品、與別人交談等情景，會導(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)合圖像識別技術(shù)來準(zhǔn)確識別該學(xué)生的行為，對這段情景傳感器數(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 圖像識別技術(shù)

人臉識別技術(shù)可以通過計算機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)行身份驗證的一種臉部圖像識別技術(shù)[2]。利用計算機進(jìn)行面部圖像理解時要解決的問題關(guān)鍵在于創(chuàng)建情緒分類庫和表情模型，用這些信息和面部特征與表情的變化關(guān)聯(lián)起來[3]。

對視頻中人的行為識別時，可以根據(jù)視頻中的人物圖像判斷其動作，可以通過組合動作形成行為[4]。

場景有兩種攝像頭，桌面鑲嵌微型攝像頭和場景攝像頭。桌面攝像頭主要觀測被測試者的身份信息、臉部表情、動作。場景攝像頭是桌面攝像頭的一個補充，判斷桌面攝像頭單個視角無法判斷的場景特征，例如上課和下課場景是不一樣的，上課時大部分學(xué)生所坐的位置是很整齊的，動作幅度并沒有那么大。

桌面鑲嵌微型攝像頭收集被測人員面部、上身動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)是否為被測人員身份。通過臉部信息判斷被測試者面部表情和嘴部信息，面部表情可以分為專注、中性表情、高興、憤怒等，并對這些被測試者面部表情信息進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

通過圖像中被測者整體行為，例如手部物品、鍵盤動作、交談等，判斷該行為是什么。假設(shè)在上課的場景，學(xué)生在都在聽課、做筆記、思考和咨詢老師問題，系統(tǒng)通過桌面微型攝像頭圖像和場景攝像頭圖像要先對該行為進(jìn)行識別，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，一個學(xué)生在聽課和思考很難通過圖像進(jìn)行判別），然后對學(xué)生的面部表情、談?wù)摰膬?nèi)容、動作的幅度等做其他判別和統(tǒng)計記錄。

2.3 語音識別功能

語音轉(zhuǎn)換文字技術(shù)是一種語音識別技術(shù)，可以通過把傳入的一段語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，通過函數(shù)轉(zhuǎn)換與參考模式的相似度進(jìn)行相似度比對，找出最大相似度語音語句[5]。 在被測者說話時，通過語音轉(zhuǎn)文字技術(shù)，把語音轉(zhuǎn)換成文字，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)或本地數(shù)據(jù)庫分析，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，例如地理、自然、生活、新聞、學(xué)習(xí)等。通過后臺的數(shù)據(jù)分析和索引，獲取學(xué)生感興趣的話題。同時也能通過臉部識別技術(shù)識別該話是否由該學(xué)生說出，從說話時聲音與臉部的嘴型、人員的身份和時間是否一致等進(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)佩戴在被測者手腕上，通過收集被測試者的心跳、呼吸、血壓和睡眠狀態(tài)一系列信息，通過被測者的內(nèi)在心理波動、心理狀態(tài)等一系列內(nèi)在的信息，對從被測者表面和聲音識別技術(shù)無法判斷的內(nèi)在信息提供一種技術(shù)補充。

2.5 人機交互技術(shù)

人機交互技術(shù)主要是人與計算機之間的信息交換一種技術(shù)，人們可以通過設(shè)備、動作、聲音、腦電波等向計算機傳遞信息[6]。通過人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)人與機器系統(tǒng)的交互，主動了解被測試者的心理狀態(tài)，并聽取被測試者的需求，系統(tǒng)通過模仿老師和學(xué)生進(jìn)行溝通交流的過程，了解學(xué)生的真實心理狀態(tài)，降低因被動的測試，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)計方法。而在心理學(xué)中，心理實驗和調(diào)查都離不開統(tǒng)計方法的應(yīng)用[7]。系統(tǒng)通過長期收集被測試者的動作、聲音、臉部表情、心跳和血壓等一系列變化，甚至通過人機交互主動了解被測試者需求，學(xué)習(xí)被測試者的心理狀態(tài)，或者識別系統(tǒng)未識別行為，最后利用心理與行為科學(xué)統(tǒng)計方法了解學(xué)生的性格特點和心理承受能力等狀況。并使用教學(xué)心理學(xué)知識，根據(jù)不同學(xué)生的性格和行為特點，使用語音通過故事、音樂、人物故事等方式，調(diào)節(jié)被測者心理壓力，提高學(xué)習(xí)興趣。統(tǒng)計的數(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。