CN111831102A - 基于幼儿脑优势评估的拓展辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套基于脑优势评估的幼儿拓展辅助的软硬件平台，根据幼儿的脑优势状况，推荐拓展训练教学活动。平台包含幼儿的针对性拓展训练核心调度算法，基于OpenBCI及Depth image的脑电特征抽取以及利用这些信息实现对幼儿行为及脑优势发育的评估，同时采用语音识别、视频电话、3D动画的多媒体结合技术实施拓展训练方案，探索基于Kinect及OpenBCI抽取幼儿在拓展训练中的完成度及参与度信息，以及利用这些信息实现对幼儿活动的准确检测。训练过程中幼儿所有反馈会在终端的可视化表现，为幼儿的个体特性的挖掘及发现提供重要参考。通过上述方式，本发明能够对幼儿脑发育进行一个全面的评估，并提供拓展辅助课程来提升幼儿脑发育情况。

Description

基于幼儿脑优势评估的拓展辅助系统

技术领域

本发明涉及计算机、人机交互领域，特别是涉及一种体感与脑电技术的结合与应用。

背景技术

本项目的理论基础是脑优势理论(HBDI)(如图1所示)，以及利用脑象图进行动力学特征分析。其中，脑优势理论是Ned Herrmann博士在1978年发明，后经脑电仪(PET扫描)证明HBDI理论的成立。全脑优势是一项生理工具，基于脑神经科学发展而来，反映了人的思维、决策方式。依其理论，每个人的大脑均包含了ABCD四个象限，每个象限代表不同的思维方式，而各人在各象限的得分各不相同，得分越高，其思维在该部分就越偏好，表现于外是为人处世的习惯、风格、反应顺序不同。

脑像图(EEQG)如图2所示是依据混沌动力学原理和脑电图学临床判读规则，通过数据编码分析，记录脑自发电位的一种具有物理性质和示意功能的流体几何图像。人类的精神事件、心理品质、思想特征、智力水平、应变能力、整体机能的完美与和谐，充分地表现在基于脑像图的动力学特征之中。

在软件技术方面，现已经具备一套针对性拓展训练核心调度算法。算法基于智能决策支持系统(IDSS)，建立一个丰富的儿童脑优势知识库。通过检测不同儿童的脑象图，评判出儿童不同的大脑思维方式，进而制定出适合不同儿童的拓展训练课程。

分析目前的早教市场，我们可以发现传统的早教方式存在很多弊端，例如系统教育主要靠学校等教育部门来制定一系列的教学大纲，个性化教育主要靠家长来给孩子通过一些课外班、兴趣班的形式对孩子进行教育，教育效果的评估主要考考试。然而这样的方式消耗了大量的人力资源，并且过程无法监控、效果无法评估。

综上所述，我们需要解决的问题有：首先，如何去减少并消除人力资源的浪费；其次，如何去更加准确地对幼儿学习效果的评估；最后是如何更加有针对性、有效性地提升幼儿的学习能力以及学习水平。

发明内容

本发明主要的目的在于解决上文中所提到的难题，通过构建一种基于脑优势评估技术的幼儿拓展辅助平台，根据幼儿的脑优势状况，进行教育分析评估，以达到发掘幼儿内在成长需求的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种一种基于脑优势评估的幼儿拓展辅助的软硬件平台；其特征在于，包括：

(1)将体感技术与脑电技术首次进行结合。

(2)丰富的人机交互技术的融入。

(3)提供更加个性化以及精准化的评估结果。

本发明所采用的硬件设备(图3所示为硬件框架图)主要包括：

(1)OpenBCI脑波接口，其为一个低成本的开源EEG(脑电图)开发平台，整套OpenBCI包括一个兼容Arduino的开源开发板，一套感知头部信号的点击传感器，还有一个开源数据可视化解析软件。在本发明中，我们使用该设备来对幼儿脑波情况进行检测，并绘制出脑象图来体现幼儿的脑波情况。

(2)Kinect体感摄像头：在本发明中，我们使用Kinect体感摄像头来对体感中蕴含的幼儿训练完成度信息进行检测，并通过体感功能来开发幼儿大脑的发育，例如，辅助幼儿进行一些体感游戏等来提高幼儿的脑部发育情况。

(3)树莓派(Raspberry pi)：与上述设备进行连接，作为的是一个中央处理的设备。在本发明中，我们用树莓派进行数据的采集以及整理和分析，应用全脑优势理论，并通过幼儿的针对性头站训练核心调度算法给出一套优秀的评估结果以及训练方案，从而实现对幼儿的早教的辅助功能。

本发明的有益效果是：

(1)采用体感以及脑电结合的方法对幼儿在拓展训练中的行为进行量化，其有益效果为极大地减少了人力与物力资源的投入，提高了训练效率，并且可以为幼儿脑优势的拓展辅助训练课程提供良好的支持。

(2)通过融入丰富的人机交互技术，例如语音识别、视频电话、3D动画等技术。其好处是可以将学校、家长及亲戚的教育方案进行整合，从而提高幼儿在拓展训练中的社会性以及交流性。

(3)通过图表等形式的表现，可以很好地反馈幼儿地所有的活动以及精神状态，可以帮助教育专家根据这些数据发掘和分析幼儿潜在的训练方向以及专长特征，并进而制定对应的更富有准确性地训练计划。

附图说明

图1是本发明所依据的全脑优势理论模型图；

图2是本发明所采用的脑象图技术图；

图3为本发明的主要硬件架构图

图4为基于右上脑优势图开发的辅助课程

图5图6为基于右下脑优势图设计的一款辅助课程

图7为基于右下脑发育开发的一款网球游戏截图

图8为基于幼儿左上脑优势图开发的一款“2048”游戏

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

全脑理论是一个智力模型，用于描绘思维方式。全脑理论模型的四种方式为：逻辑型。分析的，数学的，技术的和解决问题的；组织型。控制的，保守的，计划的，组织的和实际上管理的；交流型。人际间，情绪的，音乐的，精神上的，和“谈话”模式；空想型。虚构的，综合的，艺术的和概念上模式。参照图1所示，HBDI全脑优势各个象限所代表的含义。左上的A象限代表大脑的运作，因此选择天蓝色作为该象限的代表色。左下角的B象限重条理和组织，体现人的思维方式为脚踏实地，因此其代表色是绿色。右下的C象限以其情绪化、重感情、重人际关系，而以红色为代表，因为这颜色隐含着热烈的感情。右上的D象限以其偏好想象，而以黄色为代表，因为黄色具有朝气。

蓝脑的思维方式是“理性我”。像这类处于这个象限的人通常喜欢在收集事实资料后再做出决定，喜欢通过理性的逻辑思考引导他人。他们通常都善于理财，还能够很好地解决技术问题。理性型自我常会被缺乏逻辑性的意见、过分强调个人感受及含糊不清的指令搞得很沮丧。

绿脑的思维方式是“稳妥我”。他们愿意按部就班地生活，并根据实用、程序化的原则做出决定。工作中，像这样的“稳妥型自我”通常扮演的都是管理、组织或行政等角色。即使是娱乐，他们也喜欢选择那些要求事先计划的活动，如露营、钓鱼、旅游等。对日程不明确、突如其来的人或事、以及无截止期之类的情况很无奈。

红脑的偏好是“感觉我”。处于这个象限的人都善于表达、敏感而且能够领会他人的需要。工作上，像这样的人大都是老师或者培训师，再不就是销售、作家、音乐家、艺术家、社会工作者或其他可以帮助他人的需要善于表达的职业。娱乐时，这种“情绪型”的人喜欢阅读、散步或者边听音乐边放松。缺乏人际沟通、毫无感情色彩的评论或者不愿意眼神交流的人常常会使以感觉为主导的人感到受挫折。

黄脑的偏好则代表“探索我”。所有这样偏好的人都是风险的承担者。期望打破常规，喜欢进行设想，能真正享受惊奇。作为探索者能享受成为企业家、艺术家、咨询师或者战略家而带来的身由感。由于他们的职业往往是激情所在，所以很难区分他们的工作与兴趣爱好。

因此，在拥有了全脑优势理论模型的基础上，我们可以用来分析幼儿的大脑发育情况，以及幼儿的哪一部分脑区情况需要进行改善。然而，如何进行更加准确以及合理的分析，我们需要脑象图技术的支持。

参照图2所示为几组脑象图像，脑象图技术是运用电子计算机成像技术接受人脑电波，依据大脑各脑区处理信息能力的强弱、耗氧量的多少，并将其转换为图形。因此，运用脑象图技术，我们可以更加清晰地了解到幼儿地脑部发育情况，从而更有针对性地提出更为精确的评估结果以及训练课程。而大脑各脑区的信息情况的采集，我们采用的是OpenBCI设备，通过大量实验以及测试证明，该设备的具有极高的精确度以及准确度。

在训练课程的设计，我们采用的思想是通过体感结合来提高幼儿的兴趣以及参与度，并通过设计对应不同脑区的游戏来进行辅助性提高幼儿脑部发育情况。游戏的设计是基于Processing语言进行编程与设计的，并通过Kinect体感摄像头同幼儿进行体感互动。如图四所示为我们根据幼儿右上脑优势图设计的一款辅助课程，通过将两个残缺图形进行选择可以拼接成一个完整的图形，可以开发幼儿的想象力与统筹整合能力来开发幼儿的右上脑的发育。如图5所示是我们根据右下脑优势图设计的一款辅助课程，游戏开始左侧会出现一些图形，在这段时间内幼儿需要记忆图形。十秒钟结束后，图6出现，需要幼儿根据记忆来选择出来左侧的图形。该课程可以开发幼儿的记忆能力，从而提升幼儿的右下脑发育。同样针对右下脑发育，如图7所示，是我们设计开发的一个网球游戏，幼儿通过手势控制可以控制球拍的上下摆动来进行对球的击打。如图8所示，是我们根据幼儿左上脑优势图开发的一款“2048”游戏，通过收拾控制数字块的上下左右移动，然后进行碰撞来生成更大的数字来获取分数。该课程可以通过数学连加的模式开发幼儿的逻辑推理能力、感知能力以及对事物的分析能力，从而开发左上脑的发育情况。针对左下脑的拓展辅助，我们设计的课程是通过情节设定，例如组织一次春游、组织运动会，幼儿在其中作为一个组织者，此时需要他们考虑一些什么或者如何去组织人等问题。此时，当情景设定好之后，幼儿需要对Kinect体感摄像头进行语言以及肢体的叙述，通过进行多次以及多种情景的训练可以帮助幼儿提高组织以及统筹的能力，从而对左下脑的发展进行提高。

本发明所采用的中央处理设备为树莓派(Raspberry Pi)它是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100以太网接口(A型没有网口)，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能。在本发明中，树莓派的作用是将数据进行收集、分析和处理，具体工作是首先对脑波设备所采集的幼儿脑波数据进行收集并通过核心调度算法来生成脑象图，然后对脑象图进行分析来获取幼儿的脑部发育情况并给出相应的结果评估以及辅助策略。在这一部分中，我们首次提出采用核心调度算法，核心调度算法的主要思想是首先我们采集幼儿的脑波数据并调查幼儿其相应的特长与喜好，与我们全脑优势理论的四部分大脑对应起来，利用这些已知的数据作为我们的分析数据库。在使用时，采集测试幼儿的脑波数据，同时利用我们已知的数据库和神经网络算法，得出测试者其脑部优势是哪部分，接着对其设计相应的拓展训练来促进幼儿的优势发展同时也可对孩子在欠缺的方面进行相应的训练优化。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于脑优势评估的幼儿拓展辅助的软硬件平台；其特征在于，包括：

(1)将体感技术与脑电技术首次进行结合。

(2)丰富的人机交互技术的融入。

(3)提供更加个性化以及精准化的评估结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于脑优势评估的幼儿拓展辅助的软硬件平台，其特征在于：

(1)项目首次采用了体感及脑电结合的方法对幼儿在拓展训练中的行为进行量化。这一技术不但可以极大地减少人力资源的投入，提高训练效率，而且可以为幼儿脑优势的拓展辅助训练课程提供良好支持。

(2)丰富的人机交互技术的融入。例如，语音识别、视频电话、3D动画等技术。可以将学校、家长及亲戚的教育方案整合，提高幼儿在拓展训练中的社会性及交流型。

(3)幼儿所有活动及精神状态反馈，可以通过图表等形式表现，教育专家可以根据这些数据发掘分析幼儿潜在的训练方向及专长特征，并进而制定对应的训练计划。

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