基于大数据的幼儿教育智慧教学系统及方法与流程

本发明涉及幼儿教育智慧教学的，具体为基于大数据的幼儿教育智慧教学系统及方法。

背景技术：

1、幼儿教育也有广义和狭义之分，从广义上说，凡是能够影响幼儿身体成长和认知、情感、性格等方面发展的有目的的活动，如幼儿在成人的指导下看电视、做家务、参加社会活动，等等，都可说是幼儿教育。而狭义的幼儿教育则特指幼儿园和其他专门开设的幼儿教育机构的教育。幼儿园教育在中国属于学校教育系统，和学校教育一样，幼儿园教育也具有家庭教育和社会教育所没有的优点，如计划性、系统性等。幼儿教育主要指的是对3～6岁年龄阶段的幼儿所实施的教育。幼儿教育是学前教育或说早期教育的后半阶段，前面与0～3岁的婴儿教育衔接，后面与初等教育衔接，是一个人教育与发展的重要而特殊的阶段。“重要”指的是它是一个人发展的奠基时期，许多重要能力、个性品质在这个时期形成基本特点；“特殊”指的是这个阶段是儿童身心发展从最初的不定型到基本定型，转而可以开始按社会需求来学习并获得发展的过渡时期。宝宝大约在出生1年后，才会开始有意义的口语沟通。在此之前，宝宝依赖非语言的沟通方式来表达他的情感与想法的。除了以哭作为直接的沟通之外，身体语言如脸部的表情、手臂与脚的摆动都是。现有幼儿教育教学系统主要侧重幼儿园教学的课堂学习管理，对于幼儿园阶段的学生的行为习惯只能依靠幼教老师进行引导教育，依靠幼教老师无法准确、及时监测每个学生的行为习惯并给予科学合理的教育，从而导致学生不能及时更正不良行为习惯，降低幼儿教育学生学习质量。

2、公开号为cn104951873a的中国发明专利申请公开了一种幼教互动云平台系统，采用包括至少一台服务器，与所述服务器通讯的若干家长端系统、若干教师端系统、若干园长端系统，依次由后台管理账户、家长端用户、教师端用户、园长端用户来控制。本发明为教师、幼儿和家长之间提供了一个信息交流平台，具体而言，包含园长端、教师端、家长端，同时拥有圈子、点评、成长记录、班级相册等激励沟通、了解等功能，通过小红花、排行榜、活动、积分奖励等手段让家长、老师互动起来，让家长深度融入幼儿教育，无缝体验与孩子的共同成长；以上技术方案在对幼教过程中无法准确、及时监测每个学生的行为习惯并给予科学合理的教育，从而导致学生不能及时更正不良行为习惯，降低幼儿教育学生学习质量。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、为解决上述现有幼儿教育教学系统主要侧重幼儿园教学的课堂学习管理，对于幼儿园阶段的学生的行为习惯只能依靠幼教老师进行引导教育，依靠幼教老师无法准确、及时监测每个学生的行为习惯并给予科学合理的教育，从而导致学生不能及时更正不良行为习惯，降低幼儿教育学生学习质量的问题，实现以上实时采集幼儿园学生生理需要目标物和具体行为特征数据、科学引导学生自主搜寻生理需要目标物、智能识别幼教学生的错误行为并给予更正，提高幼儿园教学质量的目的。

3、（二）技术方案

4、本发明通过以下技术方案予以实现：基于大数据的幼儿教育智慧教学方法，所述方法包括如下步骤：

5、s1、采集学生具体行为图像特征数据、学生生理需要目标物关键词数据；

6、s2、对所述学生具体行为图像特征数据、所述学生生理需要目标物关键词数据进行数据预处理，分别生成标准学生具体行为图像特征数据、标准学生生理需要目标物关键词数据；

7、s3、采用数据识别算法将所述标准学生具体行为图像特征数据与学生错误行为图像特征数据进行行为图像特征匹配，依据行为图像特征匹配结果生成学生错误行为判断结果数据；

8、s4、当所述标准学生生理需要目标物关键词数据存在时，采集学生空间位置坐标数据；采用数据搜索算法将所述标准学生生理需要目标物关键词数据与学生生理需要目标物位置坐标数据按照生理需要目标物关键词进行搜索，分析出学生生理需要目标物位置坐标并标识生成学生生理需要具体目标物位置坐标数据；

9、s5、采用数据识别算法依据所述学生空间位置坐标数据、所述学生生理需要具体目标物位置坐标数据、幼儿园园区空间地理模型数据进行分析规划出学生空间位置坐标点到学生生理需要目标物位置坐标点的最短路线，并将所述最短路线标识生成学生生理需要目标物最短路线数据；

10、s6、当所述学生错误行为判断结果数据为存在错误行为时，将与所述标准学生具体行为图像特征数据匹配的对应所述学生错误行为图像特征数据与学生正确行为视频讲解数据按照学生错误行为类型数据编号为所述学生错误行为图像特征数据搜索匹配对应的所述学生正确行为视频讲解数据，将匹配的所述学生正确行为视频讲解数据标识生成学生正确行为讲解教育数据并展示输出；

11、s7、当学生正确行为讲解教育数据展示完成时，将所述学生生理需要目标物最短路线数据进行展示输出引导学生到达学生生理需要的目标物位置。

12、优选的，所述采集学生具体行为图像特征数据、学生生理需要目标物关键词数据的操作步骤如下：

13、s11、通过学生佩戴云镜头实时在线采集幼儿教学学生的行为图像特征并生成学生具体行为图像特征数据，所述学生具体行为包括学生幼儿教育学习行为、学生幼儿教育玩耍行为、学生幼儿教育休息行为、学生幼儿就餐行为中任意一种；

14、通过学生佩戴语音识别设备实时在线采集幼儿教学学生的生理需要目标物关键词数据并生成学生生理需要目标物关键词数据，所述学生生理需要目标物包括食物目标物、喝水目标物、排泄目标物中任意一种。

15、优选的，对所述学生具体行为图像特征数据、所述学生生理需要目标物关键词数据进行数据预处理，分别生成标准学生具体行为图像特征数据、标准学生生理需要目标物关键词数据的操作步骤如下：

16、s21、采用中值滤波法对学生具体行为图像特征数据进行图像特征数据降噪预处理后生成标准学生具体行为图像特征数据；

17、采用中值滤波法对学生生理需要目标物关键词数据进行生理需要目标物关键词数据降噪预处理后生成标准学生生理需要目标物关键词数据。

18、优选的，所述采用数据识别算法将所述标准学生具体行为图像特征数据与学生错误行为图像特征数据进行行为图像特征匹配，依据行为图像特征匹配结果生成学生错误行为判断结果数据的操作步骤如下：

19、s31、建立学生错误行为图像特征数据集合，；其中表示第种学生错误行为图像特征数据，表示学生错误行为图像特征数据类型数量的最大值；所述学生错误行为包括损坏教学器材行为、随意抛洒液体行为、餐盘剩余食物行为和殴打同学行为；

20、s32、采用数据识别算法将所述标准学生具体行为图像特征数据与学生错误行为图像特征数据集合中的学生错误行为图像特征数据进行行为图像特征匹配，依据行为图像特征匹配结果生成学生错误行为判断结果数据；所述数据识别算法判断学生错误行为的具体操作步骤如下：

21、s321、初始化错误行为识别大象种群氏族数量n、设置最大迭代次数t；

22、s322、用适应度函数计算每个错误行为识别大象个体的适应度值，即计算学生错误行为图像特征数据集合中学生错误行为图像特征数据与标准学生具体行为图像特征数据的适应度值，得到当前最优错误行为识别大象个体位置，即得到与标准学生具体行为图像特征数据最匹配的学生错误行为图像特征数据在学生错误行为图像特征数据集合搜索空间中的位置；

23、s323、更新种群中每个错误行为识别大象个体的位置，错误行为识别大象位置更新公式为，其中表示在第次迭代中错误行为识别大象个体相对错误行为识别大象种群氏族中族长在学生错误行为图像特征数据集合搜索空间中的位置；表示在第次迭代中错误行为识别大象个体相对错误行为识别大象种群氏族中族长在学生错误行为图像特征数据集合搜索空间中的位置；表示错误行为识别大象个体相对错误行为识别大象种群氏族中族长在学生错误行为图像特征数据集合搜索空间中的最佳位置，即与标准学生具体行为图像特征数据最匹配的学生错误行为图像特征数据在学生错误行为图像特征数据集合搜索空间中的位置，是取值为的位置影响因子，表示错误行为识别大象种群氏族中族长对错误行为识别大象个体的位置影响因子，表示取值的随机数；更新当前最优错误行为识别大象个体的位置，最优错误行为识别大象个体位置更新公式为，其中是取值为的中心位置影响系数，表示错误行为识别大象种群氏族中族长对整个错误行为识别大象个体中心位置的影响系数，表示整个错误行为识别大象种群个体在错误行为识别大象种群氏族中族长影响下错误行为识别大象种群的中心位置错误行为识别大象个体在学生错误行为图像特征数据集合搜索空间中的位置；

24、s324、计算更新之后的每个错误行为识别大象个体的适应度值，分析出错误行为识别大象种群，得到更新后的错误行为识别大象种群最优和最差的错误行为识别大象个体位置，即在学生错误行为图像特征数据集合搜索空间中分析出与标准学生具体行为图像特征数据最匹配的学生错误行为图像特征数据和最不匹配的学生错误行为图像特征数据的位置；

25、s325、更新当前最差错误行为识别大象个体位置，即在学生错误行为图像特征数据集合搜索空间中更新与标准学生具体行为图像特征数据最不匹配的学生错误行为图像特征数据的位置，更新最差错误行为识别大象个体位置公式为，其中表示错误行为识别大象个体相对错误行为识别大象种群氏族中族长在学生错误行为图像特征数据集合搜索空间中的最差位置，和表示学生错误行为图像特征数据集合搜索空间的上限和下限；表示取值的随机函数；保留最优错误行为识别大象个体位置，即保留与标准学生具体行为图像特征数据最匹配的学生错误行为图像特征数据的位置；

26、s326、当满足最大迭代次数，则输出学生错误行为判断结果数据，否则重复执行s322步骤直至满足最大迭代次数；

27、当与匹配成功，表示学生具体行为存在错误行为，则学生错误行为判断结果数据为存在错误行为；

28、当与为匹配成功，表示学生具体行为不存在错误行为，则学生错误行为判断结果数据为不存在错误行为。

29、优选的，当所述标准学生生理需要目标物关键词数据存在时，采集学生空间位置坐标数据；采用数据搜索算法将所述标准学生生理需要目标物关键词数据与学生生理需要目标物位置坐标数据按照生理需要目标物关键词进行搜索，分析出学生生理需要目标物位置坐标并标识生成学生生理需要具体目标物位置坐标数据的操作步骤如下：

30、s41、当标准学生生理需要目标物关键词数据存在时，通过位置传感器采集学生空间位置坐标并生成学生空间位置坐标数据；其中表示以幼儿园地面为基面建立空间直角坐标系中学生空间位置的横坐标，表示以幼儿园地面为基面建立空间直角坐标系中学生空间位置的纵坐标，表示以幼儿园地面为基面建立空间直角坐标系中学生空间位置的竖坐标；

31、s42、建立学生生理需要目标物位置坐标数据集合，；其中表示第种学生生理需要目标物位置坐标数据，表示学生生理需要目标物类型数量的最大值，，其中表示以幼儿园地面为基面建立空间直角坐标系中第种学生生理需要目标物位置的横坐标，表示以幼儿园地面为基面建立空间直角坐标系中第种学生生理需要目标物位置的纵坐标，表示以幼儿园地面为基面建立空间直角坐标系中第种学生生理需要目标物位置的竖坐标；

32、s43、采用xgboost算法将所述标准学生生理需要目标物关键词数据与所述学生生理需要目标物位置坐标数据集合中所述学生生理需要目标物位置坐标数据按照生理需要目标物关键词进行搜索，分析出所述标准学生生理需要目标物关键词数据对应的所述学生生理需要目标物位置坐标数据并标识生成学生生理需要具体目标物位置坐标数据。

33、优选的，所述采用数据识别算法依据所述学生空间位置坐标数据、所述学生生理需要具体目标物位置坐标数据、幼儿园园区空间地理模型数据进行分析规划出学生空间位置坐标点到学生生理需要目标物位置坐标点的最短路线，并将所述最短路线标识生成学生生理需要目标物最短路线数据的操作步骤如下：

34、s51、建立幼儿园园区空间地理模型数据；

35、s52、采用如s32步骤中数据识别算法依据所述学生空间位置坐标数据、所述学生生理需要具体目标物位置坐标数据、所述幼儿园园区空间地理模型数据分析，计量出所述学生空间位置坐标数据到所述学生生理需要具体目标物位置坐标数据在所述幼儿园园区空间地理模型数据中的最短路线，将所述最短路线标识生成学生生理需要目标物最短路线数据。

36、优选的，当所述学生错误行为判断结果数据为存在错误行为时，将与所述标准学生具体行为图像特征数据匹配的对应所述学生错误行为图像特征数据与学生正确行为视频讲解数据按照学生错误行为类型数据编号为所述学生错误行为图像特征数据搜索匹配对应的所述学生正确行为视频讲解数据，将匹配的所述学生正确行为视频讲解数据标识生成学生正确行为讲解教育数据并展示输出的操作步骤如下：

37、s61、建立学生正确行为视频讲解数据集合，其中表示学生错误行为图像特征数据对应的学生正确行为视频讲解数据，表示学生错误行为图像特征数据对应的学生正确行为视频讲解数据，表示学生错误行为图像特征数据对应的学生正确行为视频讲解数据；

38、s62、当所述学生错误行为判断结果数据为存在错误行为时，采用如s32步骤中数据识别算法获取s32步骤中与所述标准学生具体行为图像特征数据匹配成功的所述学生错误行为图像特征数据，并将所述学生错误行为图像特征数据与学生正确行为视频讲解数据集合中的学生正确行为视频讲解数据按照学生错误行为类型数据编号为所述学生错误行为图像特征数据搜索匹配出对应的所述学生正确行为视频讲解数据，将匹配出的所述学生正确行为视频讲解数据标识生成学生正确行为讲解教育数据；

39、s63、将所述学生正确行为讲解教育数据通过学生穿戴显示设备输出展示给学生观看，提示教育学生更正错误行为，所述穿戴显示设备包括智能手表、vr显示器中任意一种。

40、优选的，所述当学生正确行为讲解教育数据展示完成时，将所述学生生理需要目标物最短路线数据进行展示输出引导学生到达学生生理需要的目标物位置的操作步骤如下：

41、s71、当学生正确行为讲解教育数据展示完成时，将所述学生生理需要目标物最短路线数据通过穿戴显示设备进行展示输出引导学生按照学生生理需要目标物最短路线到达学生生理需要的目标物位置。

42、实现所述基于大数据的幼儿教育智慧教学方法的系统，所述系统包括幼儿教育数据采集模块、幼儿教育教学分析管理模块、幼儿教育教学引导管理模块；

43、所述幼儿教育数据采集模块包括学生具体行为图像数据采集单元、学生生理需要目标物数据采集单元、学生相关采集数据预处理单元；

44、所述学生具体行为图像数据采集单元，通过云镜头采集学生具体行为图像特征数据；所述学生生理需要目标物数据采集单元，通过语音识别设备采集学生生理需要目标物关键词数据；所述学生相关采集数据预处理单元，对所述学生具体行为图像特征数据、所述学生生理需要目标物关键词数据进行数据预处理，分别生成标准学生具体行为图像特征数据、标准学生生理需要目标物关键词数据；

45、所述幼儿教育教学分析管理模块包括学生错误行为图像数据存储单元、学生错误行为分析单元、学生空间位置采集单元、学生生理需要目标物位置存储单元、幼儿园园区空间地理模型存储单元、学生生理需要目标物位置坐标搜索单元、学生生理需要目标物路径规划单元；

46、所述学生错误行为图像数据存储单元，用于存储学生错误行为图像特征数据；所述学生错误行为分析单元，采用数据识别算法将所述标准学生具体行为图像特征数据与学生错误行为图像特征数据进行行为图像特征匹配，依据行为图像特征匹配结果生成学生错误行为判断结果数据；所述学生空间位置采集单元，通过位置传感器采集学生空间位置坐标数据；所述学生生理需要目标物位置存储单元，用于存储学生生理需要目标物位置坐标数据；所述幼儿园园区空间地理模型存储单元，用于存储幼儿园园区空间地理模型数据；所述学生生理需要目标物位置坐标搜索单元，采用数据搜索算法将所述标准学生生理需要目标物关键词数据与学生生理需要目标物位置坐标数据按照生理需要目标物关键词进行搜索，分析出学生生理需要目标物位置坐标并标识生成学生生理需要具体目标物位置坐标数据；所述学生生理需要目标物路径规划单元，采用数据识别算法依据所述学生空间位置坐标数据、所述学生生理需要具体目标物位置坐标数据、幼儿园园区空间地理模型数据进行分析规划出学生空间位置坐标点到学生生理需要目标物位置坐标点的最短路线，并将所述最短路线标识生成学生生理需要目标物最短路线数据；

47、所述幼儿教育教学引导管理模块包括学生正确行为视频数据存储单元、学生正确行为习惯检索及展示教育单元、学生生理需要目标物寻找引导单元；

48、所述学生正确行为视频数据存储单元，用于存储学生正确行为视频讲解数据；所述学生正确行为习惯检索及展示教育单元，将与所述标准学生具体行为图像特征数据匹配的对应所述学生错误行为图像特征数据与学生正确行为视频讲解数据按照学生错误行为类型数据编号为所述学生错误行为图像特征数据搜索匹配对应的所述学生正确行为视频讲解数据，将匹配的所述学生正确行为视频讲解数据标识生成学生正确行为讲解教育数据并通过穿戴显示设备展示输出；所述学生生理需要目标物寻找引导单元，将所述学生生理需要目标物最短路线数据通过穿戴显示设备展示输出引导学生到达学生生理需要的目标物位置。

49、（三）有益效果

50、本发明提供了基于大数据的幼儿教育智慧教学系统及方法。具备以下有益效果：

51、一、通过学生具体行为图像数据采集单元，利用云镜头实时捕捉幼儿园学生的行为图像特征，为后续精确识别学生错误行为提供数据支撑，提高了幼儿教育教学的质量；学生生理需要目标物数据采集单元，利用语音识别设备准确获取幼儿园学生的生理需要目标物关键词，为后续引导学生自主到达具体目标物位置提供数据支撑；学生相关采集数据预处理单元，对采集的学生具体行为图像参数、学生生理需要目标物关键词参数进行数据降噪预处理，提高幼儿教育教学相关数据采集的精度。

52、二、通过学生错误行为图像数据存储单元和学生错误行为分析单元相互配合，预设学生错误行为图像参数结合智能识别算法与学生具体行为图像参数进行匹配，实现对幼儿教育教学过程学生的错误行为智能识别；学生生理需要目标物位置坐标搜索单元，利用数据搜索算法对幼儿教育教学过程中学生生理需要目标物位置坐标进行在线高效搜索，实现幼儿教育教学过程所需目标物的精确定位；学生生理需要目标物路径规划单元，利用智能识别算法依据为学生规划出到达生理需要目标物位置的最短路径，为实现科学引导学生自主获取生理需要物品，提高了幼儿教育教学的质量。

53、三、通过学生正确行为视频数据存储单元和学生正确行为习惯检索及展示教育单元相互配合，预设学生错误行为对应的正确行为视频讲解数据，结合智能识别算法智能检索出学生错误行为对应的正确行为视频讲解数据并展示引导学生改正错误行为，实现幼儿教育教学学生良好行为习惯的高效培养；学生生理需要目标物寻找引导单元，利用穿戴显示设备直观引导学生自主到达学生生理需要的目标物位置，实现幼儿教育教学学生良好生活学习习惯的高效培养，提高了幼儿教育教学的工作效率，保证了幼儿教育教学的学生的安全性。