CN111166993A - 一种智能调节学习效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明将采集课堂学生的皮温信号，通过WIFI通信传输给后台管理系统，后台管理系统接收分析皮温信号，根据每个学生不同意识下的不同皮温，相应地自动发出使人清醒的红光，或使人心理放松的绿光，或使人身体放松的蓝光，从而达到调节听课的学习效率。同时后台管理系统还将处理结果反馈到教师机，教师就可以实时了解学生的听课状况。
Description
技术领域
本发明涉及学习效率调节领域，具体指有一种智能调节学习效率的方法。
背景技术
对于学生而言，提高学习效率是一个很重要的问题。许多学生学习成绩不佳，往往与学习效率不高有关。市场上存在各式各样的增强大脑的注意力集中水平和提高记忆效率的电子产品，这些产品都是人有意识地通过一系列训练来达到效果。对于课堂教学学生的注意力的变化，只能通过摄像头记录分析，不能实时调节。
皮温是人体当前某个皮肤部位的平均温度，皮温不仅表达了人体当前的温度、健康等信号，还能够表达多项潜在内容。例如利用皮温、心率、呼吸率等多项生理指标可判断驾车人员是否疲劳驾驶。
针对上述的现有技术存在的问题设计一种通过对皮温信号的分析智能调节学习效率的方法是本发明研究的目的。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种智能调节学习效率的方法，能够有效解决上述现有技术存在的问题。
本发明的技术方案是：
一种智能调节学习效率的方法，通过以下步骤实现：
S1，采集课堂学生的皮温信号并发送到后台管理系统；
S2，后台管理系统分析皮温信号，根据每个学生不同意识下的不同皮温，判断学生的皮温变化情况；
S3，后台系统根据每个学生的皮温变化情况分析其学习效率情况，通过对对应的学生发出不同颜色的光调整其学习效率。
所述S1步骤通过以下步骤实现的：
S1.1，采集学生正常学习状态下的平均皮温信息记录为初始皮温并保存到后台控制系统；
S1.2，每隔0.5-2min采集一次皮温信号发送给后台控制系统。
所述S3步骤中，判断学生的学习效率情况的是通过以下方法实现的：
当前皮温与初始皮温相比下降1OC以上且持续2min以上，则当前该学生学习时间过长或学习强度过大导致大脑疲劳；
当前皮温与初始皮温相比提高1OC以上且持续2min以上，则当前该学生情绪亢奋、大脑处于兴奋状态；
当前皮温与初始皮温相比产生波动1OC以上且持续4min以上时，则当前该学生因内心紧张焦虑或烦躁不安而大脑混乱。
步骤S3通过以下步骤实现：
S3.1，后台管理系统分析当前学生的学习效率情况；
S3.2，后台管理系统根据当前学生的学习效率情况，驱动发光控制芯片驱动发光机构对学生眼部发出不同颜色的光；
S3.3，后台管理系统继续收集学生的皮温信息，当皮温信息逐渐趋向原始皮温信息并平稳时，驱动发光控制芯片降低或关闭发光机构的发光量。
所述S3.2步骤中，驱动发光控制芯片驱动发光机构对学生眼部发出的光的对应关系为：
当前皮温与初始皮温相比显著降低时，驱动发光控制芯片驱动发光机构发出红光；
当前皮温与初始皮温相比显著增高时，驱动发光控制芯片驱动发光机构发出蓝光；
当前皮温与初始皮温相比产生显著的上下波动时，驱动发光控制芯片驱动发光机构发出绿光。
所述红光的波长620-630nm为佳，所述绿光的波长520-530nm为佳，所述蓝光的波长460-470nm为佳；三种光的亮度Lv≤1000cd/m2。
一种智能调节学习效率的系统，包括一眼镜，所述眼镜包含镜框和镜腿，所述镜框上通过支架设置有功能架，所述功能架设置有电源和电源开关、充电接口，所述功能架在其顶端设置有发光窗口和皮温信号采集口，所述功能架在其内部对应设置有信号处理模块、皮温信号采集单元、RGB自动调节的发光窗单元，所述所述控制系统本体通过WIFI通信单元连接到后台管理系统和教师机；所述信号处理模块接收皮温信号采集单元传输来的当前皮温信号，并与预先保存的初始皮温信号进行分析其变化范围，所述后台管理根据皮温变化情况分析使用者的学习效率情况，并控制RGB自动调节的发光窗单元发出不同颜色以及对应亮度的光。
所述信号处理单元、WIFI通信单元由集成ESP8266EX、W25Q80及外围元件构成，所述ESP8266EX是具有信号处理能力的WIFI通信芯片， W25Q80是FLASH存储芯片。
所述皮温信号采集单元采用红外测温传感器，所述红外测温传感器采用TN901。
RGB自动调节的发光窗单元采用三基色LED灯。
本发明的优点：
本发明将采集课堂学生的皮温信号，通过WIFI通信传输给后台管理系统，后台管理系统接收分析皮温信号，根据每个学生不同意识下的不同皮温，相应地自动发出使人清醒的红光，或使人心理放松的绿光，或使人身体放松的蓝光，从而达到调节听课的学习效率。同时后台管理系统还将处理结果反馈到教师机，教师就可以实时了解学生的听课状况。
附图说明
图1为智能调节学习效率的系统的功能示意图。
图2为智能调节学习效率的系统的结构示意图。
图3为智能调节学习效率的系统的结构示意图。
图4为实施例二所采用的采集、处理、发光电路、WIFI通信电路图。
图5为实施例二所采用的电源电路图。
图6为本发明的实验数据。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：
实施例一：
一种智能调节学习效率的方法，通过以下步骤实现：
S1，采集课堂学生的皮温信号并发送到后台管理系统；
S2，后台管理系统分析皮温信号，根据每个学生不同意识下的不同皮温，判断学生的皮温变化情况；
S3，后台系统根据每个学生的皮温变化情况分析其学习效率情况，通过对对应的学生发出不同颜色的光调整其学习效率。
进一步地，所述S1步骤通过以下步骤实现的：
S1.1，采集学生正常学习状态下的平均皮温信息记录为初始皮温并保存到后台控制系统；
S1.2，每隔1min采集一次皮温信号发送给后台控制系统。
进一步地，所述S3步骤中，判断学生的学习效率情况的是通过以下方法实现的：
当前皮温与初始皮温相比下降1OC以上且持续2min以上，则当前该学生学习时间过长或学习强度过大导致大脑疲劳；
当前皮温与初始皮温相比提高1OC以上且持续2min以上，则当前该学生情绪亢奋、大脑处于兴奋状态；
当前皮温与初始皮温相比产生波动1OC以上且持续4min以上时，则当前该学生因内心紧张焦虑或烦躁不安而大脑混乱。
进一步地，步骤S3通过以下步骤实现：
S3.1，后台管理系统分析当前学生的学习效率情况；
S3.2，后台管理系统根据当前学生的学习效率情况，驱动发光控制芯片驱动发光机构对学生眼部发出不同颜色的光；
S3.3，后台管理系统继续收集学生的皮温信息，当皮温信息逐渐趋向原始皮温信息并平稳时，驱动发光控制芯片降低或关闭发光机构的发光量。
进一步地，所述S3.2步骤中，驱动发光控制芯片驱动发光机构对学生眼部发出的光的对应关系为：
当前皮温与初始皮温相比下降1OC以上且持续2min以上，则当前该学生学习时间过长或学习强度过大导致大脑疲劳；
当前皮温与初始皮温相比提高1OC以上且持续2min以上，则当前该学生情绪亢奋、大脑处于兴奋状态；
当前皮温与初始皮温相比产生波动1OC以上且持续4min以上时，则当前该学生因内心紧张焦虑或烦躁不安而大脑混乱。
进一步地，所述红光的波长620-630nm为佳，所述绿光的波长520-530nm为佳，所述蓝光的波长460-470nm为佳；三种光的亮度Lv≤1000cd/m2。
参考图1-3，一种智能调节学习效率的系统，包括一眼镜，所述眼镜包含镜框11和镜腿12，所述镜框11上通过支架5设置有功能架2，所述功能架2设置有电源和电源开关222、充电接口221，所述功能架2在其顶端设置有发光窗口211和皮温信号采集口231，所述功能架2在其内部对应设置有信号处理模块、皮温信号采集单元、RGB自动调节的发光窗单元，所述所述控制系统本体通过WIFI通信单元连接到后台管理系统和教师机；所述信号处理模块接收皮温信号采集单元传输来的当前皮温信号，并与预先保存的初始皮温信号进行分析其变化范围，所述后台管理根据皮温变化情况分析使用者的学习效率情况，并控制RGB自动调节的发光窗单元发出不同颜色以及对应亮度的光。
实施例二：
参考图4-5，优选地，所述信号处理单元、WIFI通信单元由集成U2 ESP8266EX、U3W25Q80及外围元件构成，所述ESP8266EX是具有信号处理能力的WIFI通信芯片， W25Q80是FLASH存储芯片。所述皮温信号采集单元采用红外测温传感器，所述红外测温传感器采用U1TN901。RGB自动调节的发光窗单元采用三基色LED灯。
U2相关引脚功能：1、29-30脚模拟电源端；3、4脚功率电源端；2脚天线端；6脚芯片内部ADC端；7脚使能端；9脚SPI_CLK端；10脚SPI_MISO端；11、17脚数字电源端；12脚SPI_MOSI端；14-16脚通用I/O端，外接三基色LED灯；18-23脚外接SPI_FLASH端，分别连接U3的1-3、5-7脚；25脚U0RXD端，26脚U0TXD端，25-26脚外接接口J1，构成USB数据口；27-28脚外接40MHz晶体振荡器；31脚串联12K电阻端；32脚复位端；33脚接地端。
U3 W25Q80相关引脚功能：1脚选片端；2脚数据输出端；3脚写保护端；4脚接地端；5脚数据输入端；6脚串行时钟输入端；7脚保持输入端；8脚电源端。
RGB自动调节的发光窗单元，采用三基色LED灯，通过U2的3个I/O端连接，每个I/O端分别接2个LED灯，用于左右眼调节。其中LED1、LED2为R（红）色，LED3、LED4为G（绿）色，LED5、LED6为B（蓝）色。亮度调节采用PWM(脉冲宽度调制)调光方法，即在40kHz的频率下以0%～100%的不同占空比来导通和关断LED灯。40kHz的频率由U2内部分频得到。
红外测温传感器U1的D脚与U2的10脚相连，将采集的皮温信号传输给信号处理单元U2；U1的C脚与U2的9脚相连，用于时钟同步；U1的A脚与U2的12脚相连，用于采集控制；信号处理单元与WIFI通信单元共同采用U2来实现。
使用方法及原理：带上眼镜架，打开电源开关，学习活动开始时，皮温信号采集单元采集初始温度，并通过信号处理单元和WIFI通信单元，发送到后台管理系统单元保存，然后每隔1分钟采集一次，并与初始温度比较分析。当后台管理系统发现学习者额头的表皮温度显著降低时，判断为因学习时间过长或学习强度过大出现大脑疲劳。后台管理系统将通过WIFI通信单元发出光线调节控制信号，再通过信号处理单元控制发光窗单元发出红光，光线的强度与表皮温度的变化量成正比。红光通过刺激眼部红锥状细胞，提高大脑兴奋程度。当表皮温度上升到初始温度时，表示大脑兴奋程度逐渐回升，红光强度相应减弱直至消失，使学习者恢复正常状态；当后台管理系统发现学习者额头的表皮温度显著波动时，判断为因内心紧张焦虑或烦躁不安引起大脑混乱。信号处理单元控制发光窗单元发出绿光，绿光通过刺激眼部绿锥状细胞，降低大脑活动平静下来。当表皮温度逐渐平稳时，绿光强度相应减弱直至消失，使学习者从心理上得到放松，恢复正常状态；当后台管理系统发现学习者额头的表皮温度显著升高时，判断为因情绪亢奋大脑过于兴奋。信号处理单元控制发光窗单元发出蓝光，蓝光通过刺激眼部蓝锥状细胞，降低大脑兴奋程度。当表皮温度下降到初始温度时，表示大脑兴奋程度逐渐下降，蓝光强度相应减弱直至消失，使学习者恢复正常状态。当后台管理系统发现发出光线调节控制信号无效时，将通过教师机通知教师进行人工干预。如更换眼镜或重启眼镜。
实验数据
参考表图6，表1是学习者的正常学习状态的平均表皮温度，学习者注意力集中，表皮温度在33.5℃左右，偏差不超过1℃。
表2是当前该学生学习时间过长或学习强度过大导致大脑疲劳，可以看出，在3-4min或者10-11min表皮温度显著下降超过1℃且连续2min，通过施加红光调整学习者的状态，学习者在5-6min或者12-13min皮温恢复到平稳且接近初始皮温，学习效率重新提高。
表3是当前该学生情绪亢奋、大脑处于兴奋状态，可以看出，在4-5min或者14-15min表皮温度显著上升超过1℃且连续2min，通过施加蓝光调整学习者的状态，学习者在6-7min或者16-18min皮温恢复到平稳且接近初始皮温，学习效率重新提高。
表4是当前该学生因内心紧张焦虑或烦躁不安而大脑混乱，可以看出，在10-13min表皮温度显著波动且连续4min，通过施加绿光调整学习者的状态，学习者在14-18min皮温恢复到平稳且接近初始皮温，学习效率重新提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种智能调节学习效率的方法，其特征在于：通过以下步骤实现：
S1，采集课堂学生的皮温信号并发送到后台管理系统；
S2，后台管理系统分析皮温信号，根据每个学生不同意识下的不同皮温，判断学生的皮温变化情况；
S3，后台系统根据每个学生的皮温变化情况分析其学习效率情况，通过对对应的学生发出不同颜色的光调整其学习效率。
2.根据权利要求1所述的一种智能调节学习效率的方法，其特征在于：所述S1步骤通过以下步骤实现的：
S1.1，采集学生正常学习状态下的平均皮温信息记录为初始皮温并保存到后台控制系统；
S1.2，每隔0.5-2min采集一次皮温信号发送给后台控制系统。
3.根据权利要求1所述的一种智能调节学习效率的方法，其特征在于：所述S3步骤中，判断学生的学习效率情况的是通过以下方法实现的：
当前皮温与初始皮温相比下降1OC以上且持续2min以上，则当前该学生学习时间过长或学习强度过大导致大脑疲劳；
当前皮温与初始皮温相比提高1OC以上且持续2min以上，则当前该学生情绪亢奋、大脑处于兴奋状态；
当前皮温与初始皮温相比产生波动1OC以上且持续4min以上时，则当前该学生因内心紧张焦虑或烦躁不安而大脑混乱。
4.根据权利要求3所述的一种智能调节学习效率的方法，其特征在于：步骤S3通过以下步骤实现：
S3.1，后台管理系统分析当前学生的学习效率情况；
S3.2，后台管理系统根据当前学生的学习效率情况，驱动发光控制芯片驱动发光机构对学生眼部发出不同颜色的光；
S3.3，后台管理系统继续收集学生的皮温信息，当皮温信息逐渐趋向原始皮温信息并平稳时，驱动发光控制芯片降低或关闭发光机构的发光量。
5.根据权利要求4所述的一种智能调节学习效率的方法，其特征在于：所述S3.2步骤中，驱动发光控制芯片驱动发光机构对学生眼部发出的光的对应关系为：
当前皮温与初始皮温相比显著降低时，驱动发光控制芯片驱动发光机构发出红光；
当前皮温与初始皮温相比显著增高时，驱动发光控制芯片驱动发光机构发出蓝光；
当前皮温与初始皮温相比产生显著的上下波动时，驱动发光控制芯片驱动发光机构发出绿光。
6.根据权利要求5所述的一种智能调节学习效率的方法，其特征在于：所述红光的波长620-630nm为佳，所述绿光的波长520-530nm为佳，所述蓝光的波长460-470nm为佳；三种光的亮度Lv≤1000cd/m2。
7.一种智能调节学习效率的系统，包括一眼镜，所述眼镜包含镜框和镜腿，所述镜框上通过支架设置有功能架，所述功能架设置有电源和电源开关、充电接口，其特征在于：所述功能架在其顶端设置有发光窗口和皮温信号采集口，所述功能架在其内部对应设置有信号处理模块、皮温信号采集单元、RGB自动调节的发光窗单元，所述所述控制系统本体通过WIFI通信单元连接到后台管理系统和教师机；所述信号处理模块接收皮温信号采集单元传输来的当前皮温信号，并与预先保存的初始皮温信号进行分析其变化范围，所述后台管理根据皮温变化情况分析使用者的学习效率情况，并控制RGB自动调节的发光窗单元发出不同颜色以及对应亮度的光。
8.根据权利要求7所述的一种智能调节学习效率的系统，其特征在于：所述信号处理单元、WIFI通信单元由集成ESP8266EX、W25Q80及外围元件构成，所述ESP8266EX是具有信号处理能力的WIFI通信芯片， W25Q80是FLASH存储芯片。
9.根据权利要求7所述的一种智能调节学习效率的系统，其特征在于：所述皮温信号采集单元采用红外测温传感器，所述红外测温传感器采用TN901。
10.根据权利要求7所述的一种智能调节学习效率的系统，其特征在于：RGB自动调节的发光窗单元采用三基色LED灯。
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