CN105280044A

CN105280044A - 一种面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统

Info

Publication number: CN105280044A
Application number: CN201510788498.7A
Authority: CN
Inventors: 禹东川
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Fengshi Education Technology (Beijing) Co.,Ltd.
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2035-11-17
Also published as: CN105280044B

Abstract

本发明公开了一种面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，为评估孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的学习状态提供量化指标，也为评估教师的教学课件质量、教学方法、教学效果提供量化指标。包括：教师遥控器、学生互动笔、行为分析系统、便携式脑波仪、现场计算机管理系统、教学云服务器和家校互动终端等设备；其中，教师遥控器控制着整个系统的信息流向；学生互动笔、行为分析系统、便携式脑波仪组成教学现场的信息感知系统，全程记录和分析孤独症谱系障碍儿童在教学进程中的行为、面部表情、以及生理和心理状态；借助现场计算机管理系统，教学云服务器实现教学现场的信息收集与管理；家校互动终端为家长提供教学信息的实时反馈和互动。

Description

一种面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统

技术领域

本发明属于计算机视觉教学技术领域，特别涉及一种集孤独症儿童发展测评、康复训练、教育和信息管理为一体的智能教学系统。

背景技术

孤独症谱系障碍(Autismspectrumdisorder，ASD)是一组以社交障碍、语言交流障碍、兴趣或活动范围狭窄以及重复刻板行为为主要特征的神经发育性障碍。孤独症谱系障碍发病机理尚不明确，且个体差异性很大，其诊断标准从最开始的临床描述变化到目前的第五版美国精神疾病诊断标准(DSM-V)前后历经了70年的时间，70年来诊断标准的重大变化折射出孤独症谱系研究的复杂性和挑战。

2015年5月17日中国残联发布，根据世界卫生组织公布的全球孤独症患病平均水平为62/10000的推算，我国约有学龄前孤独症儿童60万，孤独症人数为164万。第二次全国残疾人抽样调查明确将孤独症列为精神残疾，而且患病比例仍呈上升趋势。但孤独症谱系障碍病因目前不明，有遗传因素、神经系统异常、认知功能异常、免疫异常等病因学理论被相继报道，但截至目前还没有形成统一的结论。

目前孤独症谱系障碍儿童的康复机构采用的方法主要是以应用行为分析(ABA)为主，通过密集的一对一强化训练达到学习目的。但这种高强度和机械重复性的训练过程对于康复工作人员(教师或者医生)和孤独症谱系障碍儿童来说都很枯燥，知识的获取是靠机械记忆的方式获得的，学习过程非常缓慢，必须经常、反复强化训练否则会遗忘，而且传统的ABA方法所获得的知识非常难迁移和泛化。

现有技术中，有专利申请《互动考试评估系统及方法、实时反馈系统》(CN200910199402.8)和《无线教学互动评估系统》(CN201010571072.3)公开了面向正常K-12学生的教学辅助系统方案，但由于没有考虑到孤独症谱系障碍儿童普遍存在的社交障碍、语言交流障碍、兴趣或活动范围狭窄以及重复刻板行为等障碍，无法推广到孤独症谱系障碍儿童使用。值得强调的是，即使对于正常儿童，现有教学辅助系统没有深入考虑到儿童教育的规律，其本质实际上是将原来纸质化的答题考察方式通过电子方式来实现，对于教学进程和状态的考察仍然仅限于学生答题的正确率。

有专利申请《一种针对孤独症儿童康复训练的手持终端系统》(CN201510155431.X)和《提高孤独症儿童社会互动能力的人机互动多模态早期干预系统》(CN201110065146.0)公开了一些孤独症谱系障碍儿童辅助教学方案，但这些技术只涉及到了孤独症谱系障碍儿童教学中的“交互界面设计”，没有涉及孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的教学成效的评估，更没有关注孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的生理和心理状态等重要信息。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：提供一种面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，引入交互技术替代原有的人工操作步骤，全面地记录和分析孤独症谱系障碍儿童在教学过程的进展和状态，并根据分析结果动态调整康复训练方案，实现真正的个性化康复训练与教育。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供一种面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征在于：所述系统包括教师遥控器10、若干学生互动笔20、若干行为分析系统30、若干便携式脑波仪40、现场计算机管理系统50、教学云服务器60和若干家校互动终端70这七大功能单元；其中，所述教师遥控器10控制着整个系统的信息流向，实现各设备间的同步，并决定了教学内容、互动时序和教学进程；所述学生互动笔20获得孤独症谱系障碍儿童在教学过程中希望表达的意图，并将结果通过无线收发模块传送给现场计算机管理系统50；所述行为分析系统30获得孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的行为特征和面部表情识别结果，并将结果通过无线收发模块传送给现场计算机管理系统50；所述便携式脑波仪40分析孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的脑电量化指标，并将结果通过无线收发模块传送给现场计算机管理系统50；所述学生互动笔20、行为分析系统30、便携式脑波仪40组成孤独症谱系障碍儿童在教学现场的信息感知系统，而所述的教学现场的信息感知结果通过现场计算机管理系统50汇集后传送至教学云服务器60上；所述学生互动笔20、行为分析系统30、便携式脑波仪40、教师遥控器10和现场计算机管理系统50通过无线自组网络技术实现无线通讯连接；所述现场计算机管理系统50与教学云服务器60通过GPRS通信技术实现通讯；所述教学云服务器60与家校互动终端70通过GPRS通信技术实现通讯。

所述学生互动笔包括微处理器21、无线收发模块22、红外光发射头23、红外摄像头24、图像识别模块25、稳压降压模块26、锂电池27、USB充电模块28这几个功能单元；微处理器21是所述学生互动笔20的控制中心；当学生互动笔20接近经CMYK印刷教材时，微处理器21首先控制红外光发射头23发射红外光，接着通过红外摄像头24接着获得K层布码信息的反射图像，进而通过图像识别模块25对K层布码信息进行解码和比对最终获得内容对应的表达意图，并将学生意图通过无线收发模块22传送给现场计算机管理系统50；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块28实现对锂电池27的充电功能；稳压降压模块26可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源。

所述行为分析系统30包括嵌入式平台31、行为特征分析模块32、面部表情估计器33、摄像机34、无线收发模块35、SD卡读写模块36、电源调节与管理模块37、液晶显示模块38、锂电池39、USB充电模块3A这几个功能单元；嵌入式平台31是所述行为分析系统30的控制中心；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块3A实现对锂电池39的充电功能；电源调节与管理模块37可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；行为特征分析模块32通过摄像机34实时记录和分析孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的行为特征，面部表情估计器33通过摄像机34实时记录和分析孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的面部表情，行为特征和估计结果通过SD卡读写模块36存储在SD卡上，并通过无线收发模块35实时发送给远程的教师遥控器10和现场计算机管理系统50。

其中，行为特征包括孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的配合度、注意力持续、目光接触、语言沟通、刻板行为。所述面部表情识别结果是通过面部表情估计器33实现的，且主要关注孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的正性情绪。所述面部表情估计器33采用了标准化的三层前向神经网络，隐层激励函数是Sigmoid函数，输出层激活函数为线性函数，其输入参数为面部典型特征参数，输出为七种基本表情。所述面部典型特征参数为Ekman的46种动作单元。所述面部表情估计器33通过选取国际上权威的面部表情数据库作为训练数据样本集和测试样本集，采用了标准化的前向神经网络结构设计算法，确定隐层神经元数量、输入层权值与阀值、隐层权值与阀值、输出层权值与阀值结构信息。

所述便携式脑波仪40整体被封装在可头戴的外壳中，主要包括微处理器41、无线收发模块42、SD卡读写模块43、双导脑电采集模块44、电源调节与管理模块45、锂电池46、USB充电模块47等功能单元；微处理器41是所述便携式脑波仪40的控制中心；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块47实现对锂电池46的充电功能；电源调节与管理模块45可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；双导脑电采集模块44采集原始脑电信号，微处理器41从所述原始脑电信号中提取反映大脑活动的脑电波节律，所述脑电波节律通过无线收发模块42实时发送给教师遥控器10和现场计算机管理系统50。上述脑电波节律包括δ波(1-3Hz)、θ波(4-7Hz)、α波(8-13Hz)、β波(14-25Hz)、和γ波(25Hz以上)。双导脑电采集模块44由干电极、参考电极、地电极、三级放大电路、带通滤波器、A/D转换器组成，干电极其中2个布置在双侧前额叶，而参考电极和地电极分别位布置在双耳耳垂；由干电极获得的脑电信号经过三级放大电路放大后再经过带通滤波器获得信噪比较高的信号，该信号再经过高精度A/D转换器处理后可获得稳定的原始脑电信号。

所述教师遥控器10包括嵌入式平台11、无线收发模块12、功能选择键盘13、液晶显示模块14、电源调节与管理模块15、锂电池16、USB充电模块17等功能单元；嵌入式平台11是所述教师遥控器10的控制中心；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块17实现对锂电池16的充电功能；电源调节与管理模块15可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；教师遥控器10通过无线收发模块12与现场计算机管理系统50中无线网关57实现无线连接，实现与现场计算机管理系统50、学生互动笔20、行为分析系统30、便携式脑波仪40等设备之间的通讯；功能选择键盘13上共有三个键，分别显示“开始”、“结束”和“结果”三组汉字；当功能选择键盘13上“开始”键被按下时，嵌入式平台11通过无线收发模块12与现场计算机管理系统50中无线网关57实现无线连接，以广播方式发送同步信号实现所有学生互动笔20、所有行为分析系统30、以及所有便携式脑波仪40等设备之间的同步，同时控制现场计算机管理系统50的音响55播送答题提示语音，学生听到答题提示语音后开始答题；当功能选择键盘13上“结束”键被按下时，嵌入式平台11通过无线收发模块12与现场计算机管理系统50中无线网关57实现无线连接，以广播方式发送“结束”信号让学生互动笔20发送学生意图至现场计算机管理系统50、行为分析系统30发送行为特征和面部表情识别结果至现场计算机管理系统50、便携式脑波仪40发送脑电波节律至现场计算机管理系统50，同时控制现场计算机管理系统50的音响55播送答题结束语音，学生听到答题结束提示语音后停止答题；当功能选择键盘13上“结果”键被按下时，嵌入式平台11通过无线收发模块12与现场计算机管理系统50中无线网关57实现无线连接读取现场计算机管理系统50获得的学生意图、行为分析结果和脑电量化指标的统计结果等数据，并将这些数据在液晶显示模块14上显示。

所述现场计算机管理系统50由计算机51、USB接口52、投影仪53、显示器54、音响55、GPRS模块56、无线网关57组成；计算机51与GPRS模块56通过RS232或者USB接口相连，计算机51通过AT指令集实现对GPRS模块56的控制；计算机51通过USB接口52与无线网关57相连，接收来自教师遥控器10发送来的“开始”和“结束”提示语音播放指令，同时接收并存储来自学生互动笔20、行为分析系统30、便携式脑波仪40的数据；计算机51通过GPRS模块54与教学云服务器60实现双向无线通讯，将学生的意图、行为分析结果、面部表情识别结果和脑电量化指标等信息通过GPRS模块实时发送给教学云服务器60，实现教学管理工作的时效性。

所述教学云服务器60包括由计算机61、GPRS模块62、教学信息交互软件平台63、数据库管理模块64；计算机61与GPRS模块62通过RS232或者USB接口相连，计算机61通过AT指令集实现对GPRS模块62的控制；计算机61与现场计算机管理系统50通过GPRS模块62实现双向无线通讯，将现场计算机管理系统50获得的学生的意图、行为分析结果、面部表情识别结果和脑电量化指标等信息实时发布到教学信息交互软件平台63和数据库管理模块64上，而教学信息交互软件平台63将整理数据以短信息、文本或图片的形式发送给家校互动终端70，家长还可通过家校互动终端70上网查询教学信息交互软件平台63上的历史记录。

所述家校互动终端70包括嵌入式平台71、GPRS模块72、教学信息交互模块73、SD卡读写模块74、液晶显示模块75、电源调节与管理模块76、锂电池77、USB充电模块78等功能单元；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块78实现对锂电池77的充电功能；由于锂电池输出电压范围为3.7-4.2V，电源调节与管理模块76可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；嵌入式平台71与GPRS模块72通过RS232或者USB接口相连，嵌入式平台71通过AT指令集实现对GPRS模块72的控制；嵌入式平台71与教务处教学管理系统60通过GPRS模块72实现双向无线通讯；嵌入式平台71通过教学信息交互模块73将获得学生的意图、行为分析结果、面部表情识别结果和脑电量化指标等信息显示在液晶显示模块75上，同时将所获得的数据通过SD读写模块74存储起来，以备历史查询使用。

本发明的有益效果是：本发明是利用信息技术和神经科学技术来辅助解决孤独症谱系障碍儿童康复训练与教学，与目前国内外相关技术而言，本发明具有如下突出特点和进步：

A、将信息技术和神经科学技术引入到孤独症谱系障碍儿童康复训练与教育成效评测中，首次提供了一种基于实证的孤独症谱系障碍儿童康复训练与教学辅助系统以及对应的孤独症谱系障碍儿童康复训练与教学研究方法；

B、本发明全程记录和分析孤独症谱系障碍儿童在教学进程中的行为、面部表情、以及生理和心理状态，为科学地评估教师的教学课件质量、教学方法、教学效果提供量化指标，同时也为科学地评估孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的学习状态提供量化指标，解决现有的ABA教学辅助系统机械学习的局限性；

C、将家长纳入孤独症谱系障碍儿童教育进程的实时在线信息反馈与互动，实现一线教学、教学管理、与家长三者之间信息的实时反馈与交互，现有的孤独症谱系障碍儿童教学交互系统的技术方案中，普遍存在家长这一重要环节的缺失问题，本发明系统设置的教学服务器和家校互动终端，将学生、教师、教学管理、家长联系在一个系统中，一方面教学管理方可以全面获得当前的所有教学进程状态，另一方面，也同时获得各个孤独症谱系障碍儿童的教学状态，获得的信息全面细致，提高教学管理的效率和实时性，并可进一步用于实现个性化教育服务；

D、本发明系统通过视频监控与分析技术实现了对孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的配合度、注意力持续、目光接触、语言沟通、刻板行为等行为的评定，为孤独症谱系障碍儿童干预和康复提供重要行为学指标；

E、本发明系统通过对大样本量人群长程跟踪可以实现对孤独症谱系障碍儿童学习发展轨迹的建模，最终为孤独症谱系障碍儿童个性化教育提供科学数据支撑。

附图说明

图1为本发明面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统的组成框图。

图2为教师遥控器的系统的组成框图。

图3为学生互动笔的系统的组成框图。

图4为行为分析系统的组成框图。

图5为便携式脑波仪的组成框图。

图6为现场计算机管理系统的组成框图。

图7为教务处教学管理系统的组成框图。

图8为家校互动终端的组成框图。

附图标记：10-教师遥控器、2-为学生互动笔、30-行为分析系统、40-便携式脑波仪、50-现场计算机管理系统、60-教学云服务器、70-家校互动终端、11-嵌入式平台、12-无线收发模块、13-功能选择键盘、14-液晶显示模块、15-电源调节与管理模块、16-锂电池、17-USB充电模块、21-微处理器、22-无线收发模块、23-红外光发射头、24-红外摄像头、25-图像识别模块、26-稳压降压模块、27-锂电池、28-USB充电模块、31-嵌入式平台、32-行为特征分析模块、33-面部表情估计器、34-摄像机、35-无线收发模块、36-SD卡读写模块、37-电源调节与管理模块、38-液晶显示模块、39-锂电池、3A-USB充电模块、41-微处理器、42-无线收发模块、43-SD卡读写模块、44-双导脑电采集模块、45-电源调节与管理模块、46-锂电池、47-USB充电模块、51-计算机、52-USB接口、53-投影仪、54-显示器、55-音响、56-GPRS模块、57-无线网关、61-计算机、62-GPRS模块、63-教学信息交互软件平台、64-数据库管理模块、71-嵌入式平台、72-GPRS模块、73-教学信息交互模块、74-SD卡读写模块、75-液晶显示模块、76-电源调节与管理模块、77-锂电池、78-USB充电模块

具体实施方式

本发明提供的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，具有如下功能：(1)实时记录和分析孤独症谱系障碍儿童的在教学现场的表达意图、行为特征、面部表情、脑电波节律等教学现场综合数据，全面反映学生在教学进程中的行为特征以及生理和心理状态；(2)孤独症谱系障碍儿童的教学现场综合数据经过无线通信技术传送至现场计算机管理系统，并进一步上传到教学云服务器和家校互动终端，实现一线教学、教学管理、与家长三者之间信息的反馈与交互，解决现有孤独症谱系障碍儿童康复训练体系中家长这一重要环节的缺失，提高康复训练管理的效率和实时性。

为了实现上述功能，本发明提供的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，如图1所示，包括：教师遥控器10、若干学生互动笔20、若干行为分析系统30、若干便携式脑波仪40、现场计算机管理系统50、教学云服务器60和若干家校互动终端70等设备；其中，所述学生互动笔20、行为分析系统30、便携式脑波仪40组成孤独症谱系障碍儿童在教学现场的信息感知系统，而所述的教学现场的信息感知结果通过现场计算机管理系统50汇集后传送至教学云服务器60上，教师遥控器10控制着整个系统的信息流向；所述学生互动笔20、行为分析系统30、便携式脑波仪40、教师遥控器10和现场计算机管理系统50通过无线自组网络技术实现无线通讯连接；所述现场计算机管理系统50与教学云服务器60通过Internet通信技术实现通讯；所述教学云服务器60与家校互动终端70通过云服务技术实现通讯，实现家长与教师以及学校教务部门之间的信息反馈与交互。

下面具体介绍本发明系统每个部分的设计方案和实施方式。

1、教师遥控器10。如图2所示，教师遥控器10包括嵌入式平台11、无线收发模块12、功能选择键盘13、液晶显示模块14、电源调节与管理模块15、锂电池16、USB充电模块17等功能单元；嵌入式平台11是所述教师遥控器10的控制中心；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块17实现对锂电池16的充电功能；电源调节与管理模块15可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；教师遥控器10通过无线收发模块12与现场计算机管理系统50中无线网关57实现无线连接，实现与现场计算机管理系统50、学生互动笔20、行为分析系统30、便携式脑波仪40等设备之间的通讯；功能选择键盘13上共有三个键，分别显示“开始”、“结束”和“结果”三组汉字；当功能选择键盘13上“开始”键被按下时，嵌入式平台11通过无线收发模块12与现场计算机管理系统50中无线网关57实现无线连接，以广播方式发送同步信号实现所有学生互动笔20、所有行为分析系统30、以及所有便携式脑波仪40等设备之间的同步，同时控制现场计算机管理系统50的音响55播送答题提示语音，学生听到答题提示语音后开始答题；当功能选择键盘13上“结束”键被按下时，嵌入式平台11通过无线收发模块12与现场计算机管理系统50中无线网关57实现无线连接，以广播方式发送“结束”信号让学生互动笔20发送学生意图至现场计算机管理系统50、行为分析系统30发送行为特征和面部表情识别结果至现场计算机管理系统50、便携式脑波仪40发送脑电波节律至现场计算机管理系统50，同时控制现场计算机管理系统50的音响55播送答题结束语音，学生听到答题结束提示语音后停止答题；当功能选择键盘13上“结果”键被按下时，嵌入式平台11通过无线收发模块12与现场计算机管理系统50中无线网关57实现无线连接读取现场计算机管理系统50获得的学生意图、行为分析结果和脑电量化指标的统计结果等数据，并将这些数据在液晶显示模块14上显示。

2、学生互动笔20。如图3所示，学生互动笔包括微处理器21、无线收发模块22、红外光发射头23、红外摄像头24、图像识别模块25、稳压降压模块26、锂电池27、USB充电模块28这几个功能单元；微处理器21是所述学生互动笔20的控制中心；当学生互动笔20接近经CMYK印刷教材时，微处理器21首先控制红外光发射头23发射红外光，接着通过红外摄像头24接着获得K层布码信息的反射图像，进而通过图像识别模块25对K层布码信息进行解码和比对最终获得内容对应的表达意图，并将学生意图通过无线收发模块22传送给现场计算机管理系统50；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块28实现对锂电池27的充电功能；由于锂电池输出电压范围为3.7-4.2V，稳压降压模块26可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的3.3V电源。3、根据权利要求1和2所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是所述学生互动笔所能识别的教材需要采用四分色模式(CMYK)印刷，其中：教材内容使用CMY印刷，而K层则用来印经特殊编码排列的黑色码点。

3、行为分析系统30。如图4所示，行为分析系统30包括嵌入式平台31、行为特征分析模块32、面部表情估计器33、摄像机34、无线收发模块35、SD卡读写模块36、电源调节与管理模块37、液晶显示模块38、锂电池39、USB充电模块3A这几个功能单元；嵌入式平台31是所述行为分析系统30的控制中心；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块3A实现对锂电池39的充电功能；电源调节与管理模块37可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；行为特征分析模块32通过摄像机34实时记录和分析孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的行为特征，面部表情估计器33通过摄像机34实时记录和分析孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的面部表情，行为特征和估计结果通过SD卡读写模块36存储在SD卡上，并通过无线收发模块35实时发送给远程的教师遥控器10和现场计算机管理系统50。值得提及的是：所述行为特征包括孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的配合度、注意力持续、目光接触、语言沟通、刻板行为；面部表情估计器33采用了标准化的三层前向神经网络，隐层激励函数是Sigmoid函数，输出层激活函数为线性函数，其输入参数选取Ekman的46种动作单元作为面部典型特征参数，输出为七种基本表情；面部表情估计器33通过选取国际上权威的面部表情数据库作为训练数据样本集和测试样本集，采用了标准化的前向神经网络结构设计算法，确定隐层神经元数量、输入层权值与阀值、隐层权值与阀值、输出层权值与阀值结构信息。

4、便携式脑波仪40。如图5所示，便携式脑波仪40整体被封装在可头戴的外壳中，主要包括微处理器41、无线收发模块42、SD卡读写模块43、双导脑电采集模块44、电源调节与管理模块45、锂电池46、USB充电模块47等功能单元；微处理器41是所述便携式脑波仪的控制中心；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块47实现对锂电池46的充电功能；由于锂电池输出电压范围为3.7-4.2V，电源调节与管理模块45可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的3.3V和5V电源；双导脑电采集模块44由干电极、三级放大电路、带通滤波器、A/D转换器等单元组成，干电极其中2个布置在双侧前额叶，而参考电极和地电极分别位布置在双耳耳垂)；由干电极获得的脑电信号经过三级放大电路放大后再经过带通滤波器获得信噪比较高的信号，该信号再经过高精度A/D转换器处理后获得稳定的原始脑电信号，微处理器41将通过现有的公知技术从原始脑电信号中提取反映大脑活动节律的δ波(1-3Hz)、θ波(4-7Hz)、α波(8-13Hz)、β波(14-25Hz)、γ波(25Hz以上)功率谱；大脑活动节律的δ波、θ波、α波、β波、γ波功率谱等指标将通过无线收发模块42实时发送给远程的教师遥控器10和现场计算机管理系统50。

5、现场计算机管理系统50。如图6所示，现场计算机管理系统50由计算机51、USB接口52、投影仪53、显示器54、音响55、GPRS模块56、无线网关57等组成；计算机51与GPRS模块56通过RS232或者USB接口相连，计算机51通过AT指令集实现对GPRS模块56的控制；计算机51通过USB接口52与无线网关57相连，接收来自教师遥控器10发送来的“开始”和“结束”提示语音播放指令，同时接收并存储来自学生互动笔20、行为分析系统30、便携式脑波仪40的数据；计算机51通过GPRS模块56与教学云服务器60实现双向无线通讯，将学生的意图、行为分析结果、面部表情识别结果和脑电量化指标等信息通过GPRS模块实时发送给教学云服务器60，实现教学管理工作的时效性。

6、教学云服务器60。如图7所示，教学云服务器60包括由计算机61、GPRS模块62、教学信息交互软件平台63、数据库管理模块64；计算机61与GPRS模块62通过RS232或者USB接口相连，计算机61通过AT指令集实现对GPRS模块62的控制；计算机61与现场计算机管理系统50通过GPRS模块62实现双向无线通讯，将现场计算机管理系统50获得的学生的意图、行为分析结果、面部表情识别结果和脑电量化指标等信息实时发布到教学信息交互软件平台63和数据库管理模块64上，而教学信息交互软件平台63将整理数据以短信息、文本或图片的形式发送给家校互动终端70，家长还可通过家校互动终端70上网查询教学信息交互软件平台63上的历史记录。

7、家校互动终端70。如图8所示，家校互动终端70包括嵌入式平台71、GPRS模块72、教学信息交互模块73、SD卡读写模块74、液晶显示模块75、电源调节与管理模块76、锂电池77、USB充电模块78等功能单元；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块78实现对锂电池77的充电功能；由于锂电池输出电压范围为3.7-4.2V，电源调节与管理模块76可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；嵌入式平台71与GPRS模块72通过RS232或者USB接口相连，嵌入式平台71通过AT指令集实现对GPRS模块72的控制；嵌入式平台71与教务处教学管理系统60通过GPRS模块72实现双向无线通讯；嵌入式平台71通过教学信息交互模块73将获得学生的意图、行为分析结果、面部表情识别结果和脑电量化指标等信息显示在液晶显示模块75上，同时将所获得的数据通过SD读写模块74存储起来，以备历史查询使用。

以上显示和描述了本发明的基本原理,主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征在于：所述系统包括教师遥控器(10)、若干学生互动笔(20)、若干行为分析系统(30)、若干便携式脑波仪(40)、现场计算机管理系统(50)、教学云服务器(60)和若干家校互动终端(70)这七大功能单元；其中，所述教师遥控器(10)控制着整个系统的信息流向，实现各设备间的同步，并决定了教学内容、互动时序和教学进程；所述学生互动笔(20)获得孤独症谱系障碍儿童在教学过程中希望表达的意图，并将结果通过无线收发模块传送给现场计算机管理系统(50)；所述行为分析系统(30)获得孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的行为特征和面部表情识别结果，并将结果通过无线收发模块传送给现场计算机管理系统(50)；所述便携式脑波仪(40)分析孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的脑电量化指标，并将结果通过无线收发模块传送给现场计算机管理系统(50)；所述学生互动笔(20)、行为分析系统(30)、便携式脑波仪(40)组成孤独症谱系障碍儿童在教学现场的信息感知系统，而所述的教学现场的信息感知结果通过现场计算机管理系统(50)汇集后传送至教学云服务器(60)上；所述学生互动笔(20)、行为分析系统(30)、便携式脑波仪(40)、教师遥控器(10)和现场计算机管理系统(50)通过无线自组网络技术实现无线通讯连接；所述现场计算机管理系统(50)与教学云服务器(60)通过GPRS通信技术实现通讯；所述教学云服务器(60)与家校互动终端(70)通过GPRS通信技术实现通讯。

2.根据权利要求1所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征在于：所述学生互动笔包括微处理器(21)、无线收发模块(22)、红外光发射头(23)、红外摄像头(24)、图像识别模块(25)、稳压降压模块(26)、锂电池(27)、USB充电模块(28)这几个功能单元；微处理器(21)是所述学生互动笔(20)的控制中心；当学生互动笔(20)接近经CMYK印刷教材时，微处理器(21)首先控制红外光发射头(23)发射红外光，接着通过红外摄像头(2)4接着获得K层布码信息的反射图像，进而通过图像识别模块(25)对K层布码信息进行解码和比对最终获得内容对应的表达意图，并将学生意图通过无线收发模块(22)传送给现场计算机管理系统(50)；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块(28)实现对锂电池(27)的充电功能；稳压降压模块(26)可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源。

3.根据权利要求1所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是：所述行为分析系统(30)包括嵌入式平台(31)、行为特征分析模块(32)、面部表情估计器(33)、摄像机(34)、无线收发模块(35)、SD卡读写模块(36)、电源调节与管理模块(37)、液晶显示模块(38)、锂电池(39)、USB充电模块(3A)这几个功能单元；嵌入式平台(31)是所述行为分析系统(30)的控制中心；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块(3A)实现对锂电池(39)的充电功能；电源调节与管理模块(37)可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；行为特征分析模块(32)通过摄像机(34)实时记录和分析孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的行为特征，面部表情估计器(33)通过摄像机(34)实时记录和分析孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的面部表情，行为特征和估计结果通过SD卡读写模块(36)存储在SD卡上，并通过无线收发模块(35)实时发送给远程的教师遥控器(10)和现场计算机管理系统(50)。

4.根据权利要求3所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是：所述行为特征包括孤独症谱系障碍儿童在教学过程中的配合度、注意力持续、目光接触、语言沟通、刻板行为。

5.根据权利要求3所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是所述面部表情估计器(33)采用了标准化的三层前向神经网络，隐层激励函数是Sigmoid函数，输出层激活函数为线性函数，其输入参数为面部典型特征参数，输出为七种基本表情。

6.根据权利要求5所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是所述面部典型特征参数为Ekman的46种动作单元。

7.根据权利要求5和6所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是所述面部表情估计器(33)通过选取国际上权威的面部表情数据库作为训练数据样本集和测试样本集，采用了标准化的前向神经网络结构设计算法，确定隐层神经元数量、输入层权值与阀值、隐层权值与阀值、输出层权值与阀值结构信息。

8.根据权利要求1所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是所述便携式脑波仪(40)整体被封装在可头戴的外壳中，主要包括微处理器(41)、无线收发模块(42)、SD卡读写模块(43)、双导脑电采集模块(44)、电源调节与管理模块(45)、锂电池46、USB充电模块(47)功能单元；微处理器(41)是所述便携式脑波仪(40)的控制中心；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块(47)实现对锂电池(46)的充电功能；电源调节与管理模块(45)可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；双导脑电采集模块(44)采集原始脑电信号，微处理器(41)从所述原始脑电信号中提取反映大脑活动的脑电波节律，所述脑电波节律通过无线收发模块(42)实时发送给教师遥控器(10)和现场计算机管理系统(50)。

9.根据权利要求8所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是所述脑电波节律包括δ波(1-3Hz)、θ波(4-7Hz)、α波(8-13Hz)、β波(14-25Hz)、和γ波(25Hz以上)。

10.根据权利要求9所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是双导脑电采集模块(44)由干电极、参考电极、地电极、三级放大电路、带通滤波器、A/D转换器组成，干电极其中2个布置在双侧前额叶，而参考电极和地电极分别位布置在双耳耳垂；由干电极获得的脑电信号经过三级放大电路放大后再经过带通滤波器获得信噪比较高的信号，该信号再经过高精度A/D转换器处理后可获得稳定的原始脑电信号。

11.根据权利要求1所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征在于：所述教师遥控器(10)包括嵌入式平台(11)、无线收发模块(12)、功能选择键盘(13)、液晶显示模块(14)、电源调节与管理模块(15)、锂电池(16)、USB充电模块(17)等功能单元；嵌入式平台(11)是所述教师遥控器(10)的控制中心；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块(17)实现对锂电池(16)的充电功能；电源调节与管理模块(15)可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；教师遥控器(10)通过无线收发模块(12)与现场计算机管理系统(50)中无线网关(57)实现无线连接，实现与现场计算机管理系统(50)、学生互动笔(20)、行为分析系统(30)、便携式脑波仪(40)等设备之间的通讯；功能选择键盘(13)上共有三个键，分别显示“开始”、“结束”和“结果”三组汉字；当功能选择键盘(13)上“开始”键被按下时，嵌入式平台(11)通过无线收发模块(12)与现场计算机管理系统(50)中无线网关(57)实现无线连接，以广播方式发送同步信号实现所有学生互动笔(20)、所有行为分析系统(30)、以及所有便携式脑波仪(40)等设备之间的同步，同时控制现场计算机管理系统(50)的音响(55)播送答题提示语音，学生听到答题提示语音后开始答题；当功能选择键盘(13)上“结束”键被按下时，嵌入式平台(11)通过无线收发模块(12)与现场计算机管理系统(50)中无线网关(57)实现无线连接，以广播方式发送“结束”信号让学生互动笔(20)发送学生意图至现场计算机管理系统(50)、行为分析系统(30)发送行为特征和面部表情识别结果至现场计算机管理系统(50)、便携式脑波仪(40)发送脑电波节律至现场计算机管理系统(50)，同时控制现场计算机管理系统(50)的音响(55)播送答题结束语音，学生听到答题结束提示语音后停止答题；当功能选择键盘(13)上“结果”键被按下时，嵌入式平台(11)通过无线收发模块(12)与现场计算机管理系统(50)中无线网关(57)实现无线连接读取现场计算机管理系统(50)获得的学生意图、行为分析结果和脑电量化指标的统计结果等数据，并将这些数据在液晶显示模块(14)上显示。

12.根据权利要求1所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是所述现场计算机管理系统(50)由计算机(51)、USB接口(52)、投影仪(53)、显示器(54)、音响(55)、GPRS模块(56)、无线网关(57)组成；计算机(51)与GPRS模块(56)通过RS232或者USB接口相连，计算机(51)通过AT指令集实现对GPRS模块(56)的控制；计算机(51)通过USB接口(52)与无线网关(57)相连，接收来自教师遥控器(10)发送来的“开始”和“结束”提示语音播放指令，同时接收并存储来自学生互动笔(20)、行为分析系统(30)、便携式脑波仪(40)的数据；计算机(51)通过GPRS模块(54)与教学云服务器(60)实现双向无线通讯，将学生的意图、行为分析结果、面部表情识别结果和脑电量化指标等信息通过GPRS模块实时发送给教学云服务器(60)，实现教学管理工作的时效性。

13.根据权利要求1所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是所述教学云服务器(60)包括由计算机(61)、GPRS模块(62)、教学信息交互软件平台(63)、数据库管理模块(64)；计算机(61)与GPRS模块(62)通过RS232或者USB接口相连，计算机(61)通过AT指令集实现对GPRS模块(62)的控制；计算机(61)与现场计算机管理系统(50)通过GPRS模块(62)实现双向无线通讯，将现场计算机管理系统(50)获得的学生的意图、行为分析结果、面部表情识别结果和脑电量化指标等信息实时发布到教学信息交互软件平台(63)和数据库管理模块(64)上，而教学信息交互软件平台(63)将整理数据以短信息、文本或图片的形式发送给家校互动终端(70)，家长还可通过家校互动终端(70)上网查询教学信息交互软件平台(63)上的历史记录。

14.根据权利要求1所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是所述家校互动终端(70)包括嵌入式平台(71)、GPRS模块(72)、教学信息交互模块(73)、SD卡读写模块(74)、液晶显示模块(75)、电源调节与管理模块(76)、锂电池(77)、USB充电模块(78)等功能单元；通过与计算机USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块(78实现对锂电池(77)的充电功能；由于锂电池输出电压范围为3.7-4.2V，电源调节与管理模块(76)可以对系统所有功能单元提供稳定可靠的电源；嵌入式平台(71)与GPRS模块(72)通过RS232或者USB接口相连，嵌入式平台(71)通过AT指令集实现对GPRS模块(72)的控制；嵌入式平台(71)与教务处教学管理系统(60)通过GPRS模块(72)实现双向无线通讯；嵌入式平台(71)通过教学信息交互模块(73)将获得学生的意图、行为分析结果、面部表情识别结果和脑电量化指标等信息显示在液晶显示模块(75)上，同时将所获得的数据通过SD读写模块(74)存储起来，以备历史查询使用。

15.根据权利要求1所述的面向孤独症谱系障碍儿童的智能教学系统，其特征是所述系统根据不同应用场所可采用不同的组织形式，既可以用于多人群体训练，也可以用于一对一训练，还可以在家庭使用。