基于物联网的高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融通平台系统

皮依标 邹霞玲

（江西农业工程职业学院，江西 樟树 331200）

0 引言

在教育改革的推进下，高职学校的学前教育专业已展现出较好的发展势头[1]。目前，如何推进教育公平、改善学前教育质量已经成为热点课题[2]。从农村学前教育的发展情况来看，受经济、自然环境等因素的限制，许多乡镇幼儿园的师资力量相对不足，设备较为简陋，在一定程度上影响了教育的协调发展。其中，以物联网为基础的教育协同平台体系的设计将有助于提高学校的办学质量，为学校的改革和发展提供有力的技术支撑[3]。目前，很多高职学校都在努力建立全方位、智能化以及个性化的教育环境，并运用创新网络科研、透明校务治理、丰富校园文化以及方便农村教育等多种形式为培养学前教育人才提供有利的环境和设施[4]。该文设计了总体教育融通平台系统架构，以CPU为核心节点设计硬件构造，搭建融通平台中的智能资源采集模块、智能监测模块、智能导学传输模块以及可视化展示模块，计算监测样本数据过滤大数据信息，建立推送规则计算偏好推送概率，以此来构建基于物联网的高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融通平台系统。

1 教育融通平台系统总体设计

随着物联网技术的应用，智能教学环境具备互联性、技术性、智能性和嵌入性等特点，能够随时捕捉、分析教师和学生的相关信息，并及时作出反馈，为高等职业教育培训和乡村早期教育服务提供一种基于物联网的教育融通平台系统[5]。该文利用物联网设计的智能化教学系统主要包括智能资源采集模块、智能监测模块、智能导学传输模块以及可视化展示4个模块，如图1所示。

图1 教育融通平台系统总体设计

智能资源采集模块主要实现对系统中学习者的信息管理、高职学前教育人才培养信息采集、农村幼儿教育信息采集和线上/线下活动录入等功能。智能监测模块采用统计分析的方法，有效地对从智能监测模块获取的数据进行整合、统计、分析和使用[6]。智能导学传输模块将RFID标签添加到职业教育培训和乡村早期教育融合的教材中，使其融入物联网，从而实现物联网的多样性、智能性以及可嵌入性。利用5G/4G网络将终端数据库与多媒体库相连，并将其输出至学生或教师所使用的网络终端。可视化展示在平台页面发放新闻资讯、活动公告以及展示官方界面等，为学习者提供便捷快速的网上沟通、强大的信息交换和共享以及网上虚拟团队协作等功能[7]。

2 硬件设计

基于物联网的高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融通平台系统的硬件设计采用IEEE802.15.4收发器，同时综合了ZigBee无线网络的组建、管理以及无线数据处理的功能，并保证了系统的高性能、低功耗。采用32位RISC核心的JN5121的嵌入式处理器，速度快、功耗低，将其设计为主节点的处理器，可以降低CPU的消耗，减少空间占用，简化硬件结构。以CPU为核心的节点硬件设计框图如图2所示。

图2 CPU核心节点硬件设计

该平台系统的设计中采用ZigBee模块的嵌入式CPU作为主节点，因此，该系统中的每个设备都能与ZigBee模块进行数据通信。JN5121芯片利用SHT11和TSL2550实现了板载数据采集，数据信息可由SPI总线获得，JN5121的2路ADC和SPI总线由传感器扩展接口进行引出，并以恒睿电子的RMU900+作为主要的读写器。

3 功能模块设计

3.1 智能资源采集模块

智能资源采集模块采用嵌入式模块化设计，该微型数据收集系统包括传感器网络感知和无线数据传输功能。采集装置能够实时或定时地收集高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融合的相关信息，并将其传输到监测系统中，再由监测系统将采集到的数据通过互联网传输至网络服务器，将各个小网站连接起来，形成一个庞大的收集系统，智能资源采集模块的基本结构如图3所示。

图3 智能资源采集模块结构

智能资源采集模块内容中包括高等职业教育教学计划、教学课程表、学员档案、班级学员名册、成绩统计、学员课时统计、农村幼儿教育思想动态分析、农村线上/线下教育活动记录以及协同平台工作数据库等。系统能够高效采集高职学前教育人才培养信息和农村幼儿教育内容，在接收到的数据经过计算机处理后，可以在一定时间内将数据通过互联网传送至网络数据库，并在传输过程中及时恢复故障，同时具有良好的容错性。

3.2 智能监测模块

在基于物联网的高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融通平台系统设计中，智能监测模块将大数据全部放入内存中，通过数据库中的Div和Table容器进行网页数据降噪处理。利用网页模板抽取物联网信息，去除版权信息、导航链接以及广告信息等无意义数据，使用模式树表示物联网网页的布局结构，由模式树的节点信息熵进一步消除噪声，净化网页信息[8]。将半结构化格式的网络大数据转换为正式结构，利用系统配置向导，选择包括数据类别的匹配信息，按照配对信息生成1组动态代码，将其视为网络信息的动态编译，形成1个数据树表的正式结构。构建虚假无效数据的识别规则库，利用聚类算法聚类分析网络大数据，设网络信息中有价值的数据样本为C={c1，c2，…，cn}，其中n为有价值数据样本的数量，选取样本数据特征项，包括概念、短语、词组和字等，统计特征项的特征频度，特征在数据集C中出现的次数越多，判断该样本数据的贡献越大。计算样本数据ci的信息增益D（ci），如公式（1）所示。

式中：e为样本数据ci的特征项；E为ci的特征项集合；d（ci，e）为特征项e的频次。

信息增益D（ci）值越大，判断样本数据包括某一属性的信息量越大。统计具有相同特征项的样本数据，如果信息增益D（ci）超过0.85，判断数据属于同一类型。网络大数据分类完毕后，识别每簇数据中的虚假无效数据，设同一类型任意2个数据为ci、cj，选择概率最大的数据作为簇内的聚类中心，计算簇内数据ci与聚类中心F的马氏距离G（ci，F），如公式（2）所示。

式中：m为大数据维度；H（cig）、H（Fg）分别为数据ci、聚类中心F在m维空间的坐标g∈（1，m）。按照马氏距离由大到小的顺序排序簇内数据，判断G（ci，F）值大的样本数据与聚类中心相关性低，将其视为虚假无效数据并过滤删除，完成并实现基于物联网的网络大数据信息过滤系统设计任务。

3.3 智能导学传输模块

基于物联网的高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融通平台系统设计中，智能导学传输模块仅需要把数据包发送给目标节点，不需要进行数据的分组、编码、加密以及截取等操作，即可保证数据的传输质量。智能导学传输模块工作框架设计如图4所示。

图4 智能导学传输模块构建框图

在高职学前教育人才培养和农村幼儿教育导学内容的传输过程中，4G模块经4G网络基站将接收到的串行数据传送至互联网，再由UDP/TCP/UDP数据传送至云端服务器。云平台还能将TCP/UDP的相关数据传输至互联网，再由4G/5G基站反馈至4G/5G模块，完成双向通信任务，每次传输的数据最大长度取决于从1到1024个字节的包装长度。当监控主机收到数据时，可以将数据通过FTP发送到系统服务器，并显示在门户网站上，数据传输的设计流程如图5所示。

图5 数据传输流程设计

首先，确定数据传输的时间，如果数据传输指令被执行，就将实时的数据传输给监视主机，否则将弹出等待传输的时间窗。在数据传输期间，必须判定传输时间是否超出预期时间，如果超时，就中断数据传输，进入等待传输状态，如果没有超时，就继续判定数据接收成功。如果数据接收不到，就进入等待传输状态，为下一次传输做好准备，如果数据已被接收，就对接收的数据进行CRC循环冗余校验。假设发送信息用信息多项式C（X）表示，将C（X）左移R位，则可表示C（X）×2，这样C（X）的右边就会空出R位，这就是校验码的位置，通过C（X）×2除以生成多项式G（X）得到的余数就是校验码。多项式和二进制数有直接对应关系：二进制数的最高位对应X的最高次幂，以后的对应多项式的各幂次，有此幂次项对应1，无此幂次项对应0。之后，将循环冗余校验后的数据存入数据库的数据信息并以不同的形式呈现。

3.4 可视化展示模块

基于物联网的高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融通平台系统设计的可视化展示模块集成了资讯发布展示、活动培训公告、资源需求对接、学生智能评估、学生发展规划以及学生管理等多功能、多系统的综合性数字展示界面。同时，平台提供线上聊天交互系统，支持不同用户进行日常联系、管理以及发布通知等操作，融通平台可视化界面如图6所示。

图6 融通平台可视化界面

综上所述，基于物联网的高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融通平台系统中的用户与资源是多对多的关系，用户可以阅览多种资源，并通过上传、下载以及推送等主要方式与资源产生互动关系。根据学习主题、学习进度可以将该领域内最好的资源提供给用户，使用户能够在短时间内完成资源共享，利用交互数据创造更多的空间，个性化资源推送的设计流程如图7所示。

图7 个性化资源推送流程

个性化资源推送会根据推送规则进行系统计算，根据不同的客户群体推送不一样的信息和内容。推送服务器根据用户学习记录分析用户学习主题，并接收对应用户学习主题的子列表，推送服务器在子列表中选择集中度指数小于用户学习集中度的内容，以生成推送指令，服务器响应接收到的推送指令，并推送相应的内容至用户终端，推送规则运算S如公式（3）所示。

式中：m为第一次采集推送的偏好概率；为标准指数；n为第二次采集推送的偏好概率；为历史第二采集的平均值；α、β分别为第一采集、第二采集的增强指数；f为计算推送概率与标准指数之间的关系公式，f需要满足。

在此基础上，将用户属性、用户学习状态以及用户操作行为等属性与资源属性相结合，并对该融通平台中评价最高的相关资源、教师指定资源以及扩展资源等进行匹配，最终把匹配的结果反馈给学习者，以提高学习资源的利用率，并达到个性化学习的目的。

4 测试试验

4.1 试验准备

基于物联网的高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融通平台系统的试验主处理器采用ARM7（advancedRISCmachines）内核芯片，ARMv4T（Newman）结构，三级流水线处理，指令和数据缓存具有空间统一的特性，功耗为0.6 mW/MHz，时钟速率为60 MHz，每条指令的平均运行时间为1.9个时钟周期，通过嵌入式CIE调试技术使系统的设计更简单。该系统具有模块化的特点，可以根据使用者的要求灵活增加传感器模块，组合起来方便、快捷，能够适应各种用户的要求。ZigBee采用2.4 GHz的免费网络，功耗低、可靠性高、成本低、容量大且安全性较高。系统控制程序在namenode5上运行，由Hadoop函数库管理负载均衡。

4.2 试验结果

在基于物联网的高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融通平台系统设计中，交互及信息上传的准确及时是最重要的部分，完美实现融通才能完成对高职学前教育人才的培养。采用5个不同时间段的数据节点进行试验，以此为最终试验结果，相应的试验数据见表1。

表1 试验结果

由表1可知，5个平台数据节点的信息上传速度都约为1s，上传速度较快，可以在第一时间获取农村幼儿教育信息及相关的学前教育信息；平台数据过滤能力较强，各个节点中均没有无效内容，资源采集的准确率最高为98.21%，可有效为各类用户提供所需内容；智能监测速率最低为98.15%，可实时采集高职学前教育人才的培养轨迹。因此，该融通平台整体运行效果较好，可以实现高职学前教育人才培养和农村幼儿教育的相互融通，可以为构建高效、快捷的教育桥梁以及促进高职教育的前进、革新奠定基础。

4 结语

随着网络技术、信息技术的不断普及，物联网技术在教育教学中的应用也越来越深入，并由理论研究逐步向教学实践渗透，对推动教育教学改革的作用也更明显。该文设计了总体教育融通平台系统架构，以CPU为核心节点设计硬件构造，搭建融通平台中的智能资源采集模块、智能监测模块、智能导学传输模块以及可视化展示模块，以此来构建基于物联网的高职学前教育人才培养和农村幼儿教育融通平台系统。运用物联网技术和理论构建综合教学体系，实现了优化教学环境、资源、教学模式的目标，有效改进了教学模式，提高了教学效果，为我国高等职业教育的发展提供了有力支撑。