基于物聯網的高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融通平臺系統

皮依標 鄒霞玲

（江西農業工程職業學院，江西 樟樹 331200）

0 引言

在教育改革的推進下，高職學校的學前教育專業已展現出較好的發展勢頭[1]。目前，如何推進教育公平、改善學前教育質量已經成為熱點課題[2]。從農村學前教育的發展情況來看，受經濟、自然環境等因素的限制，許多鄉鎮幼兒園的師資力量相對不足，設備較為簡陋，在一定程度上影響了教育的協調發展。其中，以物聯網為基礎的教育協同平臺體系的設計將有助于提高學校的辦學質量，為學校的改革和發展提供有力的技術支撐[3]。目前，很多高職學校都在努力建立全方位、智能化以及個性化的教育環境，并運用創新網絡科研、透明校務治理、豐富校園文化以及方便農村教育等多種形式為培養學前教育人才提供有利的環境和設施[4]。該文設計了總體教育融通平臺系統架構，以CPU為核心節點設計硬件構造，搭建融通平臺中的智能資源采集模塊、智能監測模塊、智能導學傳輸模塊以及可視化展示模塊，計算監測樣本數據過濾大數據信息，建立推送規則計算偏好推送概率，以此來構建基于物聯網的高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融通平臺系統。

1 教育融通平臺系統總體設計

隨著物聯網技術的應用，智能教學環境具備互聯性、技術性、智能性和嵌入性等特點，能夠隨時捕捉、分析教師和學生的相關信息，并及時作出反饋，為高等職業教育培訓和鄉村早期教育服務提供一種基于物聯網的教育融通平臺系統[5]。該文利用物聯網設計的智能化教學系統主要包括智能資源采集模塊、智能監測模塊、智能導學傳輸模塊以及可視化展示4個模塊，如圖1所示。

圖1 教育融通平臺系統總體設計

智能資源采集模塊主要實現對系統中學習者的信息管理、高職學前教育人才培養信息采集、農村幼兒教育信息采集和線上/線下活動錄入等功能。智能監測模塊采用統計分析的方法，有效地對從智能監測模塊獲取的數據進行整合、統計、分析和使用[6]。智能導學傳輸模塊將RFID標簽添加到職業教育培訓和鄉村早期教育融合的教材中，使其融入物聯網，從而實現物聯網的多樣性、智能性以及可嵌入性。利用5G/4G網絡將終端數據庫與多媒體庫相連，并將其輸出至學生或教師所使用的網絡終端。可視化展示在平臺頁面發放新聞資訊、活動公告以及展示官方界面等，為學習者提供便捷快速的網上溝通、強大的信息交換和共享以及網上虛擬團隊協作等功能[7]。

2 硬件設計

基于物聯網的高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融通平臺系統的硬件設計采用IEEE802.15.4收發器，同時綜合了ZigBee無線網絡的組建、管理以及無線數據處理的功能，并保證了系統的高性能、低功耗。采用32位RISC核心的JN5121的嵌入式處理器，速度快、功耗低，將其設計為主節點的處理器，可以降低CPU的消耗，減少空間占用，簡化硬件結構。以CPU為核心的節點硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 CPU核心節點硬件設計

該平臺系統的設計中采用ZigBee模塊的嵌入式CPU作為主節點，因此，該系統中的每個設備都能與ZigBee模塊進行數據通信。JN5121芯片利用SHT11和TSL2550實現了板載數據采集，數據信息可由SPI總線獲得，JN5121的2路ADC和SPI總線由傳感器擴展接口進行引出，并以恒睿電子的RMU900+作為主要的讀寫器。

3 功能模塊設計

3.1 智能資源采集模塊

智能資源采集模塊采用嵌入式模塊化設計，該微型數據收集系統包括傳感器網絡感知和無線數據傳輸功能。采集裝置能夠實時或定時地收集高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融合的相關信息，并將其傳輸到監測系統中，再由監測系統將采集到的數據通過互聯網傳輸至網絡服務器，將各個小網站連接起來，形成一個龐大的收集系統，智能資源采集模塊的基本結構如圖3所示。

圖3 智能資源采集模塊結構

智能資源采集模塊內容中包括高等職業教育教學計劃、教學課程表、學員檔案、班級學員名冊、成績統計、學員課時統計、農村幼兒教育思想動態分析、農村線上/線下教育活動記錄以及協同平臺工作數據庫等。系統能夠高效采集高職學前教育人才培養信息和農村幼兒教育內容，在接收到的數據經過計算機處理后，可以在一定時間內將數據通過互聯網傳送至網絡數據庫，并在傳輸過程中及時恢復故障，同時具有良好的容錯性。

3.2 智能監測模塊

在基于物聯網的高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融通平臺系統設計中，智能監測模塊將大數據全部放入內存中，通過數據庫中的Div和Table容器進行網頁數據降噪處理。利用網頁模板抽取物聯網信息，去除版權信息、導航鏈接以及廣告信息等無意義數據，使用模式樹表示物聯網網頁的布局結構，由模式樹的節點信息熵進一步消除噪聲，凈化網頁信息[8]。將半結構化格式的網絡大數據轉換為正式結構，利用系統配置向導，選擇包括數據類別的匹配信息，按照配對信息生成1組動態代碼，將其視為網絡信息的動態編譯，形成1個數據樹表的正式結構。構建虛假無效數據的識別規則庫，利用聚類算法聚類分析網絡大數據，設網絡信息中有價值的數據樣本為C={c1，c2，…，cn}，其中n為有價值數據樣本的數量，選取樣本數據特征項，包括概念、短語、詞組和字等，統計特征項的特征頻度，特征在數據集C中出現的次數越多，判斷該樣本數據的貢獻越大。計算樣本數據ci的信息增益D（ci），如公式（1）所示。

式中：e為樣本數據ci的特征項；E為ci的特征項集合；d（ci，e）為特征項e的頻次。

信息增益D（ci）值越大，判斷樣本數據包括某一屬性的信息量越大。統計具有相同特征項的樣本數據，如果信息增益D（ci）超過0.85，判斷數據屬于同一類型。網絡大數據分類完畢后，識別每簇數據中的虛假無效數據，設同一類型任意2個數據為ci、cj，選擇概率最大的數據作為簇內的聚類中心，計算簇內數據ci與聚類中心F的馬氏距離G（ci，F），如公式（2）所示。

式中：m為大數據維度；H（cig）、H（Fg）分別為數據ci、聚類中心F在m維空間的坐標g∈（1，m）。按照馬氏距離由大到小的順序排序簇內數據，判斷G（ci，F）值大的樣本數據與聚類中心相關性低，將其視為虛假無效數據并過濾刪除，完成并實現基于物聯網的網絡大數據信息過濾系統設計任務。

3.3 智能導學傳輸模塊

基于物聯網的高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融通平臺系統設計中，智能導學傳輸模塊僅需要把數據包發送給目標節點，不需要進行數據的分組、編碼、加密以及截取等操作，即可保證數據的傳輸質量。智能導學傳輸模塊工作框架設計如圖4所示。

圖4 智能導學傳輸模塊構建框圖

在高職學前教育人才培養和農村幼兒教育導學內容的傳輸過程中，4G模塊經4G網絡基站將接收到的串行數據傳送至互聯網，再由UDP/TCP/UDP數據傳送至云端服務器。云平臺還能將TCP/UDP的相關數據傳輸至互聯網，再由4G/5G基站反饋至4G/5G模塊，完成雙向通信任務，每次傳輸的數據最大長度取決于從1到1024個字節的包裝長度。當監控主機收到數據時，可以將數據通過FTP發送到系統服務器，并顯示在門戶網站上，數據傳輸的設計流程如圖5所示。

圖5 數據傳輸流程設計

首先，確定數據傳輸的時間，如果數據傳輸指令被執行，就將實時的數據傳輸給監視主機，否則將彈出等待傳輸的時間窗。在數據傳輸期間，必須判定傳輸時間是否超出預期時間，如果超時，就中斷數據傳輸，進入等待傳輸狀態，如果沒有超時，就繼續判定數據接收成功。如果數據接收不到，就進入等待傳輸狀態，為下一次傳輸做好準備，如果數據已被接收，就對接收的數據進行CRC循環冗余校驗。假設發送信息用信息多項式C（X）表示，將C（X）左移R位，則可表示C（X）×2，這樣C（X）的右邊就會空出R位，這就是校驗碼的位置，通過C（X）×2除以生成多項式G（X）得到的余數就是校驗碼。多項式和二進制數有直接對應關系：二進制數的最高位對應X的最高次冪，以后的對應多項式的各冪次，有此冪次項對應1，無此冪次項對應0。之后，將循環冗余校驗后的數據存入數據庫的數據信息并以不同的形式呈現。

3.4 可視化展示模塊

基于物聯網的高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融通平臺系統設計的可視化展示模塊集成了資訊發布展示、活動培訓公告、資源需求對接、學生智能評估、學生發展規劃以及學生管理等多功能、多系統的綜合性數字展示界面。同時，平臺提供線上聊天交互系統，支持不同用戶進行日常聯系、管理以及發布通知等操作，融通平臺可視化界面如圖6所示。

圖6 融通平臺可視化界面

綜上所述，基于物聯網的高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融通平臺系統中的用戶與資源是多對多的關系，用戶可以閱覽多種資源，并通過上傳、下載以及推送等主要方式與資源產生互動關系。根據學習主題、學習進度可以將該領域內最好的資源提供給用戶，使用戶能夠在短時間內完成資源共享，利用交互數據創造更多的空間，個性化資源推送的設計流程如圖7所示。

圖7 個性化資源推送流程

個性化資源推送會根據推送規則進行系統計算，根據不同的客戶群體推送不一樣的信息和內容。推送服務器根據用戶學習記錄分析用戶學習主題，并接收對應用戶學習主題的子列表，推送服務器在子列表中選擇集中度指數小于用戶學習集中度的內容，以生成推送指令，服務器響應接收到的推送指令，并推送相應的內容至用戶終端，推送規則運算S如公式（3）所示。

式中：m為第一次采集推送的偏好概率；為標準指數；n為第二次采集推送的偏好概率；為歷史第二采集的平均值；α、β分別為第一采集、第二采集的增強指數；f為計算推送概率與標準指數之間的關系公式，f需要滿足。

在此基礎上，將用戶屬性、用戶學習狀態以及用戶操作行為等屬性與資源屬性相結合，并對該融通平臺中評價最高的相關資源、教師指定資源以及擴展資源等進行匹配，最終把匹配的結果反饋給學習者，以提高學習資源的利用率，并達到個性化學習的目的。

4 測試試驗

4.1 試驗準備

基于物聯網的高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融通平臺系統的試驗主處理器采用ARM7（advancedRISCmachines）內核芯片，ARMv4T（Newman）結構，三級流水線處理，指令和數據緩存具有空間統一的特性，功耗為0.6 mW/MHz，時鐘速率為60 MHz，每條指令的平均運行時間為1.9個時鐘周期，通過嵌入式CIE調試技術使系統的設計更簡單。該系統具有模塊化的特點，可以根據使用者的要求靈活增加傳感器模塊，組合起來方便、快捷，能夠適應各種用戶的要求。ZigBee采用2.4 GHz的免費網絡，功耗低、可靠性高、成本低、容量大且安全性較高。系統控制程序在namenode5上運行，由Hadoop函數庫管理負載均衡。

4.2 試驗結果

在基于物聯網的高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融通平臺系統設計中，交互及信息上傳的準確及時是最重要的部分，完美實現融通才能完成對高職學前教育人才的培養。采用5個不同時間段的數據節點進行試驗，以此為最終試驗結果，相應的試驗數據見表1。

表1 試驗結果

由表1可知，5個平臺數據節點的信息上傳速度都約為1s，上傳速度較快，可以在第一時間獲取農村幼兒教育信息及相關的學前教育信息；平臺數據過濾能力較強，各個節點中均沒有無效內容，資源采集的準確率最高為98.21%，可有效為各類用戶提供所需內容；智能監測速率最低為98.15%，可實時采集高職學前教育人才的培養軌跡。因此，該融通平臺整體運行效果較好，可以實現高職學前教育人才培養和農村幼兒教育的相互融通，可以為構建高效、快捷的教育橋梁以及促進高職教育的前進、革新奠定基礎。

4 結語

隨著網絡技術、信息技術的不斷普及，物聯網技術在教育教學中的應用也越來越深入，并由理論研究逐步向教學實踐滲透，對推動教育教學改革的作用也更明顯。該文設計了總體教育融通平臺系統架構，以CPU為核心節點設計硬件構造，搭建融通平臺中的智能資源采集模塊、智能監測模塊、智能導學傳輸模塊以及可視化展示模塊，以此來構建基于物聯網的高職學前教育人才培養和農村幼兒教育融通平臺系統。運用物聯網技術和理論構建綜合教學體系，實現了優化教學環境、資源、教學模式的目標，有效改進了教學模式，提高了教學效果，為我國高等職業教育的發展提供了有力支撐。