CN110085069A - 多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，该智能教学设备包括教学设备本体，教学设备本体内设有中央处理器以及分别与中央处理器连接的视觉体验单元、听觉体验单元、嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元的至少一种；该智能教学设备中的学习内容可根据学生的学习要求进行切换，每个学习内容对应一组交互体验素材，可以使学生通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等多感官交互体验式学习，增强学生对学习内容的记忆力，该教学设备尤其适用于中小学生教学，可以提高中小学生的学习兴趣。
Description
技术领域
本发明涉及一种多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备
背景技术
传统的教学设备只能简单的播放视频、图片、文字和声音，给人的感受基本上只有听觉和视觉上的感受，营造的气氛过于单调，很难让人产生身临其境的感觉，缺乏共鸣，从而使得学生产生深刻的记忆。
发明内容
本发明的目的是提供一种多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，以解决现有教学设备营造的气氛过于单调的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，包括教学设备本体，所述教学设备本体内设有中央处理器以及分别与所述中央处理器连接的视觉体验单元和听觉体验单元，该教学设备还包括设置在教学设备本体内的嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元的至少一种，所述嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元分别与所述中央处理器连接；所述视觉体验单元用于展示学习内容场景图像和文字；所述听觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的声音；所述嗅觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的气味；所述味觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的味道；所述触觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的触感；所述中央处理器用于根据获取的多媒体数据控制所述视觉体验单元、听觉体验单元、嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元中的至少一个单元工作。
进一步地，该教学设备还包括与用于检测学生注意力的注意力检测单元；所述注意力检测单元包括用于获取学生人脸图像的图像采集单元以及用于获取到的所述学生人脸图像进行图像识别并判断学生注意力是否集中的图像识别单元，所述图像识别单元与所述中央处理连接。
进一步地，所述嗅觉体验单元包括设置在所述教学设备本体内的气味发生装置，所述气味发生装置包括固定在所述教学设备本体内的至少一个精油瓶以及与所述精油瓶配套的二流体瓶盖，所述二流体瓶盖内设有雾化器，精油瓶中的精油通过雾化器实现雾化后由二流体瓶盖顶部的排气口喷出，然后再通过气味导向机构散发至教学设备本体外。
进一步地，所述雾化器为二流体雾化芯，所述二流体雾化芯连接有气泵，精油进入二流体雾化芯后在气泵产生的高压气流的作用下由二流体瓶盖顶部的排气口喷出，最后再通过气味导向机构散发至教学设备本体外。
进一步地，所述气味导向机构包括气味导向室以及设置在所述气味导向室后部的风扇；所述气味导向室的后壁设有与所述风扇的出风口相配合的进风口，所述教学设备本体的前壁与作为导向室的前壁，所述教学设备本体的前壁上设有与所述气味导向室相配合的嗅觉体验口；由所述二流体瓶盖的排气口排出的气体进入所述气味导向室后在风扇的作用下在从所述嗅觉体验口散发出教学设备本体外。
进一步地，所述精油瓶通过夹持机构固定在所述气味导向室的下方；所述夹持机构包括两个向对置的精油瓶支架，所述精油瓶支架的一端与所述气味导向室连接，另一端向下延伸；所述精油瓶支架靠近精油瓶的一侧固定有安装座，所述安装座上固定有硅胶垫，两个精油瓶支架上的硅胶垫形成夹持部件将所述精油瓶夹持住。
进一步地，所述味觉体验单元包括至少一个导向管，所述导向管的顶端与设置在教学设备本体的顶部的进料口连通，导向管的底部与一接料斗连通，所述接料斗的底部通过物料导出管与设置在教学设备本体的前壁的底部的味觉体验口连通；所述导向管与接料斗连接的一端设有物料控制室，所述物料控制室内设有物料控制器，所述物料控制器包括一导向筒，所述导向筒上均匀分布有若干挡板，所述导向筒通过连接轴与第一齿轮连接，所述第一齿轮与第二齿轮相啮合，所述第二齿轮与第一电机的输出轴连接；所述第一电机通过第一齿轮驱动第二齿轮转动，再通过连接轴带动导向筒转动，通过导向筒上的挡板控制物料通过的数量和频率。
进一步地，所述触觉体验单元包括迎向教学设备本体的前壁设置的材质体验盘，所述材质体验盘上设有若干沿其周向均匀分布的样品固定槽，所述教学设备本体的前壁上开设有与所述样品固定槽相配合的触觉体验口，所述材质体验盘通过第二电机驱动其转动。
进一步地，所述视觉体验单元包括设置在所述教学设备本体的前壁上且与所述中央处理器连接的触摸显示器。
进一步地，所述听觉体验单元包括设置在所述教学设备本体内切与所述中央处理器连接的扬声器。
本发明的有益效果为：该智能教学设备中的学习内容可根据学生的学习要求进行切换，每个学习内容对应一组交互体验素材，可以使学生通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等多感官交互体验式学习，增强学生对学习内容的记忆力，该教学设备尤其适用于中小学生教学，可以提高中小学生的学习兴趣。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例的原理框图；
图2为本发明一个实施例的内部结构示意图；
图3为本发明一个实施例的内部结构的正视图；
图4为图3的A-A剖视图；
图5为图3的B-B剖视图；
图6为本发明一个实施例的外部结构示意图。
具体实施方式
如图1至图5所示的多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，包括教学设备本体1，所述教学设备本体1内设有中央处理器以及分别与所述中央处理器连接的视觉体验单元和听觉体验单元，该教学设备还包括设置在教学设备本体1内的嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元的至少一种，所述嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元分别与所述中央处理器连接；所述视觉体验单元用于展示学习内容场景图像和文字；所述听觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的声音；所述嗅觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的气味；所述味觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的味道；所述触觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的触感；所述中央处理器用于根据获取的多媒体数据控制所述视觉体验单元、听觉体验单元、嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元中的至少一个单元工作。
使用过程可通过视觉体验单元显示学习内场景图像和文字(如植物、食品诗词以及文章等)，当学习内容为水果识别时候，学生通过点击视觉体验图标时，即可通过显示器查看图像；点击听觉体验图标时，即可通过听觉体验单元播放与所显示的内容相匹配的声音；点击嗅觉体验图标时，即可通过嗅觉体验单元释放与所显示的内容相匹配的气味；点击味觉体验图标时，即可通过味觉体验单元放出与所显示的内容相匹配的食物(如糖果)供学生品尝；点击触觉体验图标时，即可通过触觉体验单元向学生提供与所显示的内容相匹配的材质样品供学生触摸。该智能教学设备中的学习内容可根据学生的学习要求进行切换，每个学习内容对应一组交互体验素材，可以使学生通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等多感官交互体验式学习，增强学生对学习内容的记忆力。此外，该智能教学设备通过将视觉体验单元、听觉体验单元、嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元中集成在一个智能教学设备本体1中，实现了产品化，且提高了学习的便捷性。
根据本申请的一个实施例，该教学设备还包括与用于检测学生注意力的注意力检测单元；所述注意力检测单元包括用于获取学生人脸图像的图像采集单元以及用于获取到的所述学生人脸图像进行图像识别并判断学生注意力是否集中的图像识别单元，所述图像识别单元与所述中央处理连接。
由于学生在学习过程中的注意力不是会一直集中的，当学生学习一段时间注意力就会被分散，导致学习效率变低，故本申请通过设置注意力检测单元可以对学生的注意力进行检测，可以通过配套设置在教学设备本体1上的摄像头实时采集学生的面部图像，通过图像识别单元根据采集到的面部图像判断学生的注意力是否集中，若是，则可以采用普通式视频教学方式；否则，启动多感官交互体验模式；采用这种模式不仅可以维持学生的注意力，还可以使得学生可以体验身临其境的感觉，从而使得学生产生深刻的记忆。
注意力检测算法主要包括两个方面，第一：根据得到检测到的人脸，进行人脸的姿态角估计，从而判断出小孩是否存在左顾右盼，不认真等行为。第二：在人脸正向面对显示屏时，进行眼球注视方向跟踪，以此来进行注意力检测的依据。程序框图如下：
在三维空间中，人脸的旋转可以由三个欧拉角来表示：pitch围绕X轴旋转，对应人脸的俯仰角，表现为人脸的低头和抬头。yaw围绕Y轴旋转，对应人脸的偏航角，表现为人脸的左顾右盼。roll围绕Z轴旋转，对应人脸的翻滚角，表现为人脸的歪头等行为。
而现有的人脸姿态估计大部分采用关键点的3D脸部模型如(左眼角，右眼角，鼻尖，左嘴角，右嘴角等位置)，然后通过人脸关键检测出图片中对应的脸部关键点，采用OpenCV的solvePnP函数解出旋转向量，最后将旋转向量转换为欧拉角。获取相应的人脸姿态角信息。存在的问题是精度不高，由于脸部模型点的定义是人为定义，鲁棒性不高。
本申请中的图像识别单元通过从摄像头获取的图像，直接输入深度模型进行人脸姿态估计，融合视线估计，不仅大大级高了计算的精度也提高了计算速度。具体计算方法如下：
1、将摄像头采集到图片，进行人脸检测，检测到的人脸区域灰度处理后，采用最近邻插值法将图像调整为96×96大小的图像，归一化成后输入到卷积网络。
灰度化公式：
Gary(i,j)＝0.299*R(i,j)+0.587*G(i,j)+0.144*B(i,j)
其中R(i,j),G(i,j),B(i,j)表示图像对应的在该像素点的红，绿，蓝通道像素值。
最近邻插值法：
xd＝xs*fx
yd＝ys*fy
fx＝wd/ws
fy＝hd/hs
其中，xd,yd,wd,hd为目标图像坐标以及长宽，xs,ys,ws,hs为源图像坐标以及长宽。
2、考虑到模型大小和计算速度，将输入的图像进行3层卷积以及最大值池化操作，每次丢弃一些特征检测器，防止过拟合。
卷积计算公式：
其中表示第层的第i个特征映射，f()表示激活函数，是连接第层神经元i和第层神经元神经元j的权重。卷积核由训练权重所确定。代表第层的第j个偏置值。Mj代表输入映射集合。
最大值池化:
其中imax,jmax代表对应的pool核区域最大的那个元素的索引。
3、最后进行全连接操作和回归，输出层为3x1大小，分别代表头部姿势俯仰，偏航和侧倾角。
全连接：
hw,b(x)＝f(wTx+b)
其中x表示输入神经元，hw,b(x)代表输出的神经元，w表示连接神经元的权重，b是偏置值。
4、在得到的人脸姿态角后，若发现脸部正对朝向显示器，那么进一步的进行人眼注视方向的判断，否则直接跳过该步骤，进入步骤6。
判断：
pitch∈[pmin,pmax],yaw∈[ymin,ymax]
其中人脸正视显示器时pitch,pmin,pmax对应俯仰角的最小值，最大值。yaw,ymin,ymax对应的偏航角最小值，最大值。
5、应用瞳孔角膜反射法对视线进行估计。通过一个视线映射函数模型来估计视线方向，将从眼睛图像提取的二维眼动特征作为映射函数的自变量输入，函数的因变量即为所求的视线方向或注视点。
视线映射函数模型表示为：
其中(Px,Py)为视线落点，(Vx,Vy)为瞳孔反射光斑向量。
6、进一步的提出一种新的对人脸姿态和视线估计得到的结果进行注意力程度P的计算方法，其定义为：
P＝α1fa+α2fs,α1+α2＝1
其中P为注意力程度，α1,α2为权重，根据实验结果选取合适的权重值。fa，fs分别对应单位时间内面部正视和视线正视时的帧率。其中Nt为特定时间内总的帧数。Na,Ns分别代表特定时间内正视显示器和视线落在显示器范围内的总帧数。
根据本申请的一个实施例，所述嗅觉体验单元包括设置在所述教学设备本体1内的气味发生装置，所述气味发生装置包括固定在所述教学设备本体1内的至少一个精油瓶5以及与所述精油瓶5配套的二流体瓶盖，所述二流体瓶盖内设有雾化器，精油瓶5中的精油通过雾化器实现雾化后由二流体瓶盖顶部的排气口喷出，然后再通过气味导向机构散发至教学设备本体1外。显然地，可通过在教学设备本体1内设置多个气味发生装置实现不同的嗅觉体验。
根据本申请的一个实施例，所述雾化器为二流体雾化芯，所述二流体雾化芯连接有气泵52，精油进入二流体雾化芯后在气泵52产生的高压气流的作用下由二流体瓶盖顶部的排气口喷出，最后再通过气味导向机构散发至教学设备本体1外。采用二流体雾化方式喷出的雾粒直径细小，可保证雾化效果，且不会堵塞喷头，维护工作量少。雾化器除了选择二流体雾化芯还可以选用超声波雾化片。
根据本申请的一个实施例，所述气味导向机构包括气味导向室71以及设置在所述气味导向室71后部的风扇6；所述气味导向室71的后壁设有与所述风扇6的出风口相配合的进风口711，所述教学设备本体1的前壁与作为导向室的前壁，所述教学设备本体1的前壁上设有与所述气味导向室71相配合的嗅觉体验口14；由所述二流体瓶盖的排气口排出的气体进入所述气味导向室71后在风扇6的作用下在从所述嗅觉体验口14散发出教学设备本体1外。但设置多个气味发生装置时，各个气味发生装置相应的导向室之间因当相互隔离。
根据本申请的一个实施例，所述精油瓶5通过夹持机构固定在所述气味导向室71的下方；所述夹持机构包括两个向对置的精油瓶支架7，所述精油瓶支架7的一端与所述气味导向室71连接，另一端向下延伸；所述精油瓶支架7靠近精油瓶5的一侧固定有安装座73，所述安装座73上固定有硅胶垫74，两个精油瓶支架7上的硅胶垫74形成夹持部件将所述精油瓶5夹持住。
根据本申请的一个实施例，所述味觉体验单元包括至少一个导向管2，所述导向管2的顶端与设置在教学设备本体1的顶部的进料口12连通，所述进料口12还设有密封盖121；导向管2的底部与一接料斗4连通，所述接料斗4的底部通过物料导出管与设置在教学设备本体1的前壁的底部的味觉体验口13连通；所述导向管2与接料斗4连接的一端设有物料控制室21，所述物料控制室21内设有物料控制器，所述物料控制器包括一导向筒，所述导向筒上均匀分布有若干挡板32，所述导向筒通过连接轴33与第一齿轮22连接，所述第一齿轮22与第二齿轮31相啮合，所述第二齿轮31与第一电机的输出轴连接；所述第一电机通过第一齿轮22驱动第二齿轮31转动，再通过连接轴33带动导向筒转动，通过导向筒上的挡板32控制物料通过的数量和频率。同理，导向管2可以根据需要多个，使用过程中可以通过进料口12向导向管2中投放与教学内容味道相关的糖果或其他固体食品，当用户点击味觉体验图标时，中央处理器控制相应的电机转动，相应的物料控制室21中的挡板32随电机转动控制糖果或其他固体食品的输出量，其中第一电机应选用步进电机。
根据本申请的一个实施例，所述触觉体验单元包括迎向教学设备本体1的前壁设置的材质体验盘8，所述材质体验盘8上设有若干沿其周向均匀分布的样品固定槽81，所述教学设备本体1的前壁上开设有与所述样品固定槽81相配合的触觉体验口15，所述材质体验盘8通过第二电机83驱动其转动，第二电机83为步进电机，其固定在电机支架上，材质体验盘8卡扣在体验盘支座上。通过在材质体验盘8上的样品固定槽81内布置与教学内容相关材质的样品，通过控制第二电机带动材质体验盘8转动，使材质体验盘8上的样品固定槽81与教学设备本体前部的触觉体验口5相重合，使学生可以通过触摸感知材质特性，使学习更加生动，以提高学生的印象。
根据本申请的一个实施例，所述视觉体验单元包括设置在所述教学设备本体1的前壁上且与所述中央处理器连接的触摸显示器11。触摸显示屏一方面为学生提供视觉体验，另一方面还可实现人机交互。
根据本申请的一个实施例，所述听觉体验单元包括设置在所述教学设备本体1内切与所述中央处理器连接的扬声器9，扬声器9作为该智能教学设备的声频输出，为学生提供听觉体验。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，包括教学设备本体，所述教学设备本体内设有中央处理器以及分别与所述中央处理器连接的视觉体验单元和听觉体验单元，其特征在于，该教学设备还包括设置在教学设备本体内的嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元的至少一种，所述嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元分别与所述中央处理器连接；所述视觉体验单元用于展示学习内容场景图像和文字；所述听觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的声音；所述嗅觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的气味；所述味觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的味道；所述触觉体验单元用于形成与所述学习内容场景图像和文字相匹配的触感；所述中央处理器用于根据获取的多媒体数据控制所述视觉体验单元、听觉体验单元、嗅觉体验单元、味觉体验单元和触觉体验单元中的至少一个单元工作。
2.根据权利要求1所述的多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，其特征在于，该教学设备还包括与用于检测学生注意力的注意力检测单元；所述注意力检测单元包括用于获取学生人脸图像的图像采集单元以及用于获取到的所述学生人脸图像进行图像识别并判断学生注意力是否集中的图像识别单元，所述图像识别单元与所述中央处理连接。
3.根据权利要求1或2所述的多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，其特征在于，所述嗅觉体验单元包括设置在所述教学设备本体内的气味发生装置，所述气味发生装置包括固定在所述教学设备本体内的至少一个精油瓶以及与所述精油瓶配套的二流体瓶盖，所述二流体瓶盖内设有雾化器，精油瓶中的精油通过雾化器实现雾化后由二流体瓶盖顶部的排气口喷出，然后再通过气味导向机构散发至教学设备本体外。
4.根据权利要求3所述的多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，其特征在于，所述雾化器为二流体雾化芯，所述二流体雾化芯连接有气泵，精油进入二流体雾化芯后在气泵产生的高压气流的作用下由二流体瓶盖顶部的排气口喷出，最后再通过气味导向机构散发至教学设备本体外。
5.根据权利要求3所述的多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，其特征在于，所述气味导向机构包括气味导向室以及设置在所述气味导向室后部的风扇；所述气味导向室的后壁设有与所述风扇的出风口相配合的进风口，所述教学设备本体的前壁与作为导向室的前壁，所述教学设备本体的前壁上设有与所述气味导向室相配合的嗅觉体验口；由所述二流体瓶盖的排气口排出的气体进入所述气味导向室后在风扇的作用下在从所述嗅觉体验口散发出教学设备本体外。
6.根据权利要求5所述的多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，其特征在于，所述精油瓶通过夹持机构固定在所述气味导向室的下方；所述夹持机构包括两个向对置的精油瓶支架，所述精油瓶支架的一端与所述气味导向室连接，另一端向下延伸；所述精油瓶支架靠近精油瓶的一侧固定有安装座，所述安装座上固定有硅胶垫，两个精油瓶支架上的硅胶垫形成夹持部件将所述精油瓶夹持住。
7.根据权利要求1或2所述的多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，其特征在于，所述味觉体验单元包括至少一个导向管，所述导向管的顶端与设置在教学设备本体的顶部的进料口连通，导向管的底部与一接料斗连通，所述接料斗的底部通过物料导出管与设置在教学设备本体的前壁的底部的味觉体验口连通；所述导向管与接料斗连接的一端设有物料控制室，所述物料控制室内设有物料控制器，所述物料控制器包括一导向筒，所述导向筒上均匀分布有若干挡板，所述导向筒通过连接轴与第一齿轮连接，所述第一齿轮与第二齿轮相啮合，所述第二齿轮与第一电机的输出轴连接；所述第一电机通过第一齿轮驱动第二齿轮转动，再通过连接轴带动导向筒转动，通过导向筒上的挡板控制物料通过的数量和频率。
8.根据权利要求1或2所述的多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，其特征在于，所述触觉体验单元包括迎向教学设备本体的前壁设置的材质体验盘，所述材质体验盘上设有若干沿其周向均匀分布的样品固定槽，所述教学设备本体的前壁上开设有与所述样品固定槽相配合的触觉体验口，所述材质体验盘通过第二电机驱动其转动。
9.根据权利要求1或2所述的多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，其特征在于，所述视觉体验单元包括设置在所述教学设备本体的前壁上且与所述中央处理器连接的触摸显示器。
10.根据权利要求1或2所述的多感官交互增强学习记忆强度智能教学设备，其特征在于，所述听觉体验单元包括设置在所述教学设备本体内切与所述中央处理器连接的扬声器。
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