物理空間中感知數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)分析的動態(tài)校正

邵玉林

摘要：在“人—技”協(xié)同進(jìn)化的教育發(fā)展態(tài)勢下，如何有效促進(jìn)教育形態(tài)的轉(zhuǎn)變和教育質(zhì)量的提升[1]。物理學(xué)習(xí)空間中的學(xué)習(xí)支持服務(wù)亟待重塑，在數(shù)字化技術(shù)支撐下，將傳感技術(shù)引入到物理學(xué)習(xí)空間結(jié)合學(xué)習(xí)分析技術(shù)，獲取學(xué)習(xí)者生理數(shù)據(jù)，推測其學(xué)習(xí)狀態(tài)（情緒、注意力、嗜睡），提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和協(xié)助教師實(shí)時(shí)監(jiān)控，由于傳感器容易受到個體無關(guān)學(xué)習(xí)生理信號的干擾，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，該文基于MATLAB控制工具箱設(shè)計(jì)串聯(lián)滯后—超前校正裝置，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，該方法不但簡化了控制系統(tǒng)校正的過程，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：物理空間;感知數(shù)據(jù);滯后—超前校正;生理數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）03-0011-03

Abstract： How to effectively promote the transformation of educational form and the improvement of educational quality under the situation of "human-technology" co-evolution of educational development. Learning support services in the physical learning space need to be reshaped urgently. Supported by digital technology， sensor technology is introduced into physical learning space and combined with learning analysis technology to acquire learners 'physiological data， speculate their learning state （emotion， attention， sleepiness）， improve students' learning experience and assist teachers to monitor in real-time. Sensors are vulnerable to independent learning. The disturbance of physiological signals causes the instability of the system. In this paper， a series lag-lead correction device is designed based on the control toolbox of MATLAB， and the simulation results are analyzed and compared. This method not only simplifies the process of control system correction， but also improves the stability of the system.

Key words： physical space; perception data; lag-ahead correction; physiological data

1 背景

面對新時(shí)代教育新要求，物理空間的感知數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)分析也正在悄然發(fā)生改變，移動互聯(lián)網(wǎng)重構(gòu)了時(shí)空結(jié)構(gòu)，終端網(wǎng)絡(luò)：“人—物—技”合一新時(shí)空，

將所有的人與物、人與環(huán)境、物與環(huán)境、物與物等各種方式通過網(wǎng)絡(luò)連接得更加碎片化、并發(fā)化、虛擬化。改變了信息知識的傳播以及智慧課堂數(shù)據(jù)的存儲與交互方式，幫助個體和群體找到更適合自身的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)習(xí)空間物理環(huán)境為學(xué)習(xí)者的成長注入新動力新契機(jī)。而我們的教室，從最初階段的粉筆+黑板發(fā)展到今天的多元化設(shè)計(jì)物理學(xué)習(xí)空間，它是集情感感知、位置感知、社會感知、全程記錄、無縫銜接、適應(yīng)性、泛在性、自然交互、深度參與等十大功能為一體的物理學(xué)習(xí)空間[2-3]，在該空間學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也發(fā)生翻天覆地的變化，知識傳輸?shù)倪^程從傳統(tǒng)的課上移動到線上線下，從被動接受知識到主動的參與課堂自主學(xué)習(xí)、自由討論、團(tuán)隊(duì)展示、課題合作多樣化的空間設(shè)計(jì);讓學(xué)生能夠全方位感受真實(shí)情景再現(xiàn)的神奇奧秘，使得教與學(xué)更加支持協(xié)作學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、自主探索創(chuàng)新。

在2012年，美國學(xué)者Brooks作了對比實(shí)驗(yàn) 研究，將傳統(tǒng)教室的教學(xué)成果和新型教室教學(xué)成果，特定的學(xué)習(xí)空間會激發(fā)和促進(jìn)特定的學(xué)習(xí)活動[4]。例如：2017年北京大學(xué)將33間教室中絕大多數(shù)教室開始改造成小班研討教室。2016年清華大學(xué)三教7間教室中的桌椅更換為靈活組合桌椅，便于交流談?wù)揫5]。

物理學(xué)習(xí)空間是指學(xué)習(xí)者通過與物理學(xué)習(xí)空間互動，利用學(xué)習(xí)空間感知數(shù)據(jù)分析技術(shù)自動提取與學(xué)習(xí)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、建模、預(yù)測，例如：Koper[6]認(rèn)為物理學(xué)習(xí)環(huán)境富含數(shù)字、情感感知、自適應(yīng)決策和自適應(yīng)設(shè)備，加拿大學(xué)者麥克菲迪恩（Macfadyen）等基于BlackBoard平臺跟蹤并收集學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，通過分析提取能夠預(yù)測學(xué)生學(xué)業(yè)成就的變量，進(jìn)而識別出存在學(xué)業(yè)危機(jī)的學(xué)生進(jìn)行個性化的預(yù)警與干預(yù)。幫助他們又快又好地學(xué)習(xí)。

在數(shù)字化技術(shù)支撐下，以物理空間感知數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)分析技術(shù)為引入點(diǎn)提出串聯(lián)—滯后超前校正。獲取學(xué)習(xí)者生理數(shù)據(jù)，推測其學(xué)習(xí)狀態(tài)（情緒、注意力、嗜睡），提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和協(xié)助教師實(shí)時(shí)監(jiān)控，由于傳感器容易受到個體無關(guān)學(xué)習(xí)的生理信號干擾，引起單位階躍響應(yīng)信號系統(tǒng)的不穩(wěn)定，本文利用串聯(lián)—超前滯后校正方法，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。

2 基于物理學(xué)習(xí)空間的感知數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)分析的必要性

自2013年起，法國雅克·阿塔利所著的《未來簡史》，該書描述人類未來將面臨萬物互聯(lián)，傳感先行。離開傳感器，所有關(guān)于物理學(xué)習(xí)空間中的人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等互聯(lián)的智能系統(tǒng)美好暢想都將化為烏有。

也許你會覺得，傳感器離我們的生活是非常遙遠(yuǎn)——實(shí)際上，傳感器無處不在，比如：佩戴過智能手環(huán)的人都知道，這些手環(huán)可以記錄他們的脈搏、步數(shù)、心率等人體的生理信息[7]，每天“微信運(yùn)動榜”獲得的數(shù)據(jù)就是有傳感器捕獲的，將震動傳感器放在物流包里，整個測量的過程中捕獲的數(shù)據(jù)是有一個波形圖顯示，曲線振幅越大，說明我們的包裹受到外界的撞擊力就越大對物流系統(tǒng)起到實(shí)時(shí)監(jiān)督作用，很容易發(fā)現(xiàn)物流公司有沒有“溫柔對待”那些需要呵護(hù)托運(yùn)的包裹。

基于傳感器自適應(yīng)學(xué)習(xí)分析最早是一個校企聯(lián)合研發(fā)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目是德國聯(lián)邦教育與研究部資助的。主要負(fù)責(zé)人是Niels Pinkwart教授，Niels Pinkwart教授是柏林洪堡大學(xué)的（Humboldt University of Berlin）教育技術(shù)領(lǐng)域的國際知名學(xué)者[8]，早期，我國增強(qiáng)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的人性化和智能化的目的是彌補(bǔ)教學(xué)過程師生間、生生間實(shí)時(shí)交互的情感缺失[9-10]，近年來，隨著人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，正在研究基于物理學(xué)習(xí)空間的感知數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)分析技術(shù)，采集學(xué)習(xí)者的生理數(shù)據(jù)，用傳感器感知學(xué)習(xí)者行為、注意力、情緒、認(rèn)知等與學(xué)習(xí)相關(guān)的特征，構(gòu)建這些學(xué)伴系統(tǒng)如何利用這些感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行干預(yù)和改善個體的學(xué)習(xí)過程，并為其提供個性化反饋[11]。通過感知學(xué)習(xí)者正受到外界因素的影響處于沮喪情緒狀態(tài)中，預(yù)測和提醒他們何時(shí)需要休息和調(diào)整，使得多元化設(shè)計(jì)得教與學(xué)的環(huán)境不斷適配學(xué)習(xí)者的心理狀態(tài)，激發(fā)學(xué)習(xí)者內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機(jī)和自我調(diào)節(jié)情緒管理的閉環(huán)系統(tǒng)。

3 串聯(lián)—滯后超前校正的基本原理

自動控制系統(tǒng)最終目標(biāo)是完成某種工程任務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者最初總是要根據(jù)技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)比較確定組成控制系統(tǒng)的控制對象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、功率放大器及測量元件等，這些元素確定后，不可以更改，它們成為系統(tǒng)“不可變部分”或“固有部分”，但是 由“固有部分”組成的控制系統(tǒng)[12]，一般不能滿足給定的性能指標(biāo)要求，必須經(jīng)過調(diào)整參數(shù)或者增加的附加裝置才能改善系統(tǒng)的性能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程：

當(dāng)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性與性能指標(biāo)相差很大且精度要求較高時(shí)，采用超前校正或只采用滯后校正不能滿足性能指標(biāo)，則采用串聯(lián)—滯后超前校正。

它們分別與滯后和超前裝置的傳遞函數(shù)形式通過，故具有滯后—超前作用。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

由仿真圖形可知：未加校正前單位階躍響應(yīng)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，系統(tǒng)處在發(fā)散震蕩環(huán)節(jié)，加了串聯(lián)—滯后超前校正裝置后，變成了穩(wěn)定的單位階躍響應(yīng)。

5 結(jié)束語

信息技術(shù)重構(gòu)了時(shí)空結(jié)構(gòu)，智能傳感技術(shù)對現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)空間的重塑，改變了信息和知識的傳播、存儲與交互方式，使得大數(shù)據(jù)時(shí)代的教育環(huán)境更具有可測性、情景性、感知性、交互性。故在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能感知等技術(shù)的包裹下引發(fā)新一輪的教育改革。

由于智能傳感容易受到個體無關(guān)學(xué)習(xí)生理信號的干擾，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，本文基于MATLAB/Simulink控制工具箱設(shè)計(jì)串聯(lián)滯后—超前校正裝置，從仿真結(jié)果可以看出，不但簡化了控制系統(tǒng)校正的過程，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】