腦電波信號(hào)處理及其在教育中的應(yīng)用研究

張瑞 聶民昆 張政 班嵐

關(guān)鍵詞：腦電波;信號(hào)處理;AI;網(wǎng)絡(luò)課程

中圖分類號(hào)：TN911.7;TP311.52 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）06-0045-03

Keywords：Electroencephalogram（EEG）;signal processing;AI;network course

0 ?引 ?言

隨著信息時(shí)代的來臨，信息技術(shù)經(jīng)歷著高速的發(fā)展，在這一發(fā)展趨勢(shì)下，中國(guó)社會(huì)千百年來的傳統(tǒng)教育受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)教育的變革無疑已經(jīng)成為必然，但是如何乘著信息時(shí)代的東風(fēng)為教育注入數(shù)字化、信息化的新生力量，一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，如電子白板、電子班牌、教學(xué)PAD等越來越多的依托互聯(lián)網(wǎng)的新型教育形式正在不斷被提出。傳統(tǒng)教育正在發(fā)生著翻天覆地的變化。而另一方面隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于腦電波的研究也在不斷的升溫，近年來腦電波領(lǐng)域取得了一個(gè)又一個(gè)的成果，更有專家預(yù)測(cè)，10年后腦電波意念控制便可能成為主流。那么如果將潛力如此巨大的腦電波應(yīng)用到教育領(lǐng)域，會(huì)不會(huì)給傳統(tǒng)教育帶來意想不到改變呢？本文通過對(duì)腦電波中β波的研究，利用β波可以表示人腦的注意力這一特性。將腦電波運(yùn)用到教育領(lǐng)域，并提出了一些新型的教育方式。

1 ?腦電波概述

早在十八世紀(jì)，就已經(jīng)有了與生物電信號(hào)相關(guān)的研究，科學(xué)家在對(duì)青蛙的肌肉以及周圍神經(jīng)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了帶電現(xiàn)象，生物電信號(hào)由此被發(fā)現(xiàn)。隨著研究不斷取得進(jìn)展，人類腦電現(xiàn)象在二十世紀(jì)被首次記錄到。而隨著人們對(duì)于生物電的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)生物電現(xiàn)象在自然界中是普遍存在的，各種生物的體內(nèi)都存在生物電。大到鯨魚小到微生物，其體內(nèi)無數(shù)的細(xì)胞都在或多或少的產(chǎn)生著生物電。對(duì)于人類而言，人腦更是生物電的密集發(fā)生區(qū)。如果把人體的細(xì)胞看作是一個(gè)個(gè)微型電池，那么人腦就是一臺(tái)巨型發(fā)電站。但由于人腦的復(fù)雜性以及腦電波本身受影響因素較多的原因，對(duì)于腦電波的研究一直存在著諸多限制。而隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，一個(gè)個(gè)技術(shù)難題被攻克，時(shí)至今日對(duì)于普通人來說腦電波不再只是一個(gè)概念，各種各樣的與腦電波有關(guān)的科技產(chǎn)物進(jìn)入了人們的視線。

人類身體各個(gè)部分的組成是非常神奇的，磁場(chǎng)效應(yīng)更是神奇。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，人們?cè)谶M(jìn)行思考的過程中，由于人們意識(shí)發(fā)生不同的轉(zhuǎn)變，會(huì)引發(fā)不同的磁場(chǎng)作用，這種作用會(huì)形成生物電流，這就是我們所說的腦電波。人們的思考方式以及思考程度不一樣，會(huì)讓腦電波的強(qiáng)弱發(fā)生變化，如果人們的思考程度以及思考方式變化過大且過于頻繁，就容易使大腦出現(xiàn)疲憊的狀態(tài)。白領(lǐng)在工作的過程中，以及學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，由于工作的強(qiáng)度以及學(xué)習(xí)時(shí)間的長(zhǎng)短、學(xué)習(xí)內(nèi)容的難易變化等，都容易使其思考方式以及思考程度在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的變化，從而出現(xiàn)大腦疲憊的情況。通過對(duì)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)的過程中，比周末在家或者出去游玩更容易感到饑餓，這也是大腦疲憊的重要體現(xiàn)之一。

對(duì)腦電波進(jìn)行研究的首要條件是需要得到人腦中所含的腦電波，雖然人體無時(shí)無刻都有著腦電信號(hào)的產(chǎn)生與消亡，但這些都是肉眼無法觀察到的，而且這些信號(hào)都極其微弱，通常只有5～100μV，想要對(duì)這些不可見的微小信號(hào)進(jìn)行采集便需要使用單片機(jī)。將連接有單片機(jī)的電極置于人腦中采集大腦表層的腦電信號(hào)，但是使用單片機(jī)所采集到的腦電信號(hào)并不能直接用于研究，這是因?yàn)樵谖覀兊娜梭w中存在著很多的干擾，例如：肌電信號(hào)等。因此，在腦電波采集到之后，還需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行篩選。而且，在我們生活周圍，腦電波所受到的干擾是多方面的，就如同信號(hào)的傳播，信號(hào)在傳播的過程中，受到干擾是難以避免的，受到的干擾越多，接收到的信號(hào)的質(zhì)量就越差，人腦也一樣。腦電在對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采集的過程中，也會(huì)受到多個(gè)方面的影響，這些影響會(huì)對(duì)信號(hào)的接收造成影響。學(xué)生學(xué)習(xí)的過程，就是大腦對(duì)腦電波信號(hào)進(jìn)行接收的過程，受到的干擾越少，信號(hào)就越強(qiáng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也就越好。人體內(nèi)部生物電現(xiàn)象的產(chǎn)生是非常平常的，例如神經(jīng)傳導(dǎo)。當(dāng)人體內(nèi)的神經(jīng)元受到外界刺激之后，會(huì)將收集到的生物電進(jìn)行傳遞，讓下一個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行接收，這種現(xiàn)象是隨時(shí)都在發(fā)生的。人們?cè)谌粘９ぷ饕约吧钪?、學(xué)生在學(xué)習(xí)當(dāng)中，所有的微小表情以及動(dòng)作等，都有神經(jīng)電流的活動(dòng)參與其中，從而產(chǎn)生強(qiáng)弱程度不同的生物電信號(hào)。因此，在對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的過程中，人體各個(gè)方面所產(chǎn)生的生物電也摻雜其中，生物電的強(qiáng)弱不一樣，對(duì)腦電測(cè)量產(chǎn)生的影響也是不一樣的。因此，我們需要將得到的初始信號(hào)進(jìn)行過濾，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)我們可以知道對(duì)人體有用的腦電波分為四類，而且都分布在0.05～100Hz之間，因此在所有信號(hào)中我們需要保留0.05～100Hz內(nèi)的信號(hào)，使用帶通濾波電路將此范圍之外的信號(hào)大幅度的減弱，除此之外我們需要使用頻譜插值法祛除50Hz的工頻噪聲。最后得到的才是我們要研究的有用信號(hào)。通過查閱相關(guān)資料我們可以知道通常研究腦電波便是研究0.5～35Hz內(nèi)的四個(gè)波段，分別被叫做α波、β波、θ波和δ波，如表1所示。

在將腦電波運(yùn)用到教育領(lǐng)域時(shí)，絕大多數(shù)是運(yùn)用了腦電波在分析計(jì)算過后可以表示注意力這一特性。隨著新課程改革的不斷推進(jìn)，陳舊的教學(xué)模式正在不斷被淘汰、被拋棄，各類新型的教學(xué)方式以及教育理念不斷被提起，也在不斷地被廣大教育工作者進(jìn)行實(shí)踐和改進(jìn)。目前，教育數(shù)字化以及教育信息化在教學(xué)中出現(xiàn)的頻率越來越高，為校園教育注入了新鮮血液。通過實(shí)際效果我們可以看到，數(shù)字化教育以及信息化教育讓教育系統(tǒng)和教育資源更加完善。將腦電波在教育中進(jìn)行運(yùn)用，其中一方面可以表現(xiàn)在教學(xué)成果的可視化上。例如：運(yùn)用腦電波可以反應(yīng)人的注意力強(qiáng)弱這一特性，在學(xué)生聽一節(jié)普通的課程時(shí)，采集學(xué)生的實(shí)時(shí)腦電波信號(hào)并加以分析，通過觀察學(xué)生在聽課過程中腦電波的變化強(qiáng)弱，進(jìn)而分析學(xué)生的大腦興奮程度，以及注意力集中程度，以此就可以看出學(xué)生對(duì)本節(jié)課程的感興趣程度。將此方法運(yùn)用到學(xué)校課程評(píng)測(cè)中，通過學(xué)生的實(shí)際反饋，可在一定程度上評(píng)判某一課程是否被學(xué)生所認(rèn)可。這對(duì)于學(xué)校自身教學(xué)系統(tǒng)的完善也起到了極大的促進(jìn)作用。

課堂質(zhì)量的高低不僅受到學(xué)校方面的重點(diǎn)關(guān)注，家長(zhǎng)方面對(duì)其的關(guān)注比起學(xué)校來也不遑多讓。在教育教學(xué)方面，高質(zhì)量的課堂教學(xué)不僅能夠幫助學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，還能夠提升學(xué)生的理解能力并擴(kuò)展其思維深度，幫助學(xué)生對(duì)課堂學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行消化和吸收。通過對(duì)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的掌握情況與理解能力息息相關(guān)，而理解能力的好壞，主要取決于學(xué)生的注意力集中程度。因此，想要提升課堂質(zhì)量，就需要提高學(xué)生們?cè)诼犝n時(shí)的注意力。課堂教學(xué)效果好，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率就高。同時(shí)也說明高效率、高質(zhì)量的課堂能夠起到吸引學(xué)生注意力的作用。

隨著教育數(shù)字化與信息化的不斷發(fā)展以及關(guān)于可穿戴設(shè)備研究的不斷升溫，目前一種新興的學(xué)校教育方式進(jìn)入了校園，通過腦電波與可穿戴設(shè)備的結(jié)合以及課堂實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的建立，老師們可以實(shí)時(shí)的了解每位學(xué)生的聽課狀態(tài)，提高每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。不僅如此，老師和學(xué)生們還可以通過觀看課后反饋總結(jié)出每一節(jié)課所反映的問題，進(jìn)而有利于教師提高教學(xué)質(zhì)量，有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的問題。這對(duì)于傳統(tǒng)校園教學(xué)來說無疑是一種革命。

在網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)課程憑借著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)漸漸占據(jù)了教育領(lǐng)域的半壁江山。但是隨著網(wǎng)絡(luò)課程的興起，網(wǎng)絡(luò)課程所帶來的一系列問題也展現(xiàn)了出來，比如學(xué)生聽課時(shí)因?yàn)闊o人看管，所以沒有約束力，學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)極其糟糕，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)教育擁有著其自身的局限性，因?yàn)楦糁聊焕蠋熍c學(xué)生之間沒有任何的交流，老師們?cè)谥v課過程中不能看到學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)生們也由于無法看到老師，所以絲毫沒有約束感。這不僅大大降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，也會(huì)使學(xué)生慢慢滋生出厭學(xué)情緒。因此在這一背景下，腦電波的應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域的作用將會(huì)變得尤為關(guān)鍵。通過檢測(cè)每一位聽課學(xué)生的實(shí)時(shí)注意力狀態(tài)，并將其反饋給授課老師，這樣老師們便可以在屏幕前給學(xué)生講課的同時(shí)，又能看到每一位學(xué)生的聽課狀態(tài)，并對(duì)聽課狀態(tài)不好的學(xué)生加以提醒，這種更加嚴(yán)謹(jǐn)化的課堂狀態(tài)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)教育的益處顯然是巨大的。

而且隨著“大數(shù)據(jù)”“云計(jì)算”等智能技術(shù)的發(fā)展，“AI”智能教育成為了一種更加新興的教育理念。并且由于腦電波在傳統(tǒng)教育中的驚艷表現(xiàn)，隨著這一理念的提出，人們便將目光投向了腦電波，希望建立一種“AI”智能與腦電波智能穿戴為一體的教育方式。這一方式的首要任務(wù)便是建立網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)，通過網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)，將教師在日常授課過程中得到的信息資源實(shí)時(shí)共享。教師通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將授課過程中得到的學(xué)生興趣集中點(diǎn)（比如絕大部分學(xué)生都感興趣的課程或授課方式等）共享出去，為更多的教師們帶來更多有建設(shè)性的意見，形成一種高度的教學(xué)資源共享。

最后則是腦電波在學(xué)生選擇興趣類教育時(shí)的作用，隨著人們對(duì)于教育的重視程度越來越高，興趣類教育的種類也越來越多，更是出現(xiàn)了學(xué)前興趣班，但是由于學(xué)前興趣班的受眾為幼兒，他們還不能明確的表達(dá)自己的喜好或興趣，因此大部分家長(zhǎng)便會(huì)按照自己的想法決定孩子要學(xué)的內(nèi)容，但這顯然是不科學(xué)的。在這種情況下，腦電波便展露了它的不凡之處，家長(zhǎng)們可以在學(xué)生試學(xué)課程時(shí)采集其腦電波并分析其狀態(tài)，進(jìn)而找到能最大地激發(fā)起孩子腦電波波動(dòng)的課程，使選課更加科學(xué)。但對(duì)于這種方式，也有很多人存在異議，因?yàn)橛變旱拇竽X尚且發(fā)育不全，因此影響因素過多，而且很多家長(zhǎng)對(duì)于腦電波檢測(cè)對(duì)幼兒是否存在傷害性持懷疑態(tài)度。

在學(xué)生的心理活動(dòng)中，注意力是非常重要的組成部分。而且，注意力的集中程度決定了學(xué)生在日常學(xué)習(xí)中的學(xué)習(xí)效率，那么想要提高學(xué)生的注意力又應(yīng)該怎么做呢？相關(guān)研究人員通過腦電波信號(hào)收集系統(tǒng)做過一系列的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)采取不同的方式對(duì)注意力正常的人員進(jìn)行了測(cè)試。將測(cè)試人員分為兩組：一組采取聲音刺激;一組采取圖片刺激。圖片刺激就是做兩張一樣的圖片，將其中一張圖片的部分內(nèi)容進(jìn)行細(xì)微的改變，圖片均為兩兩一組，程度由易到難。聲音刺激主要是讓實(shí)驗(yàn)參與者進(jìn)行英語聽力訓(xùn)練，程度同樣是由易到難，在實(shí)驗(yàn)過程中，分別將第一組幾個(gè)階段的所花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行記錄，第二組在每段聽力中所獲取的信息進(jìn)行記錄。然后，通過對(duì)腦電波集中度曲線進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)圖片組難度較小階段，注意力集中度較低，難度較大階段，注意力集中度較高。與此同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)在切換下一張圖片的時(shí)候，注意力數(shù)據(jù)出現(xiàn)了波動(dòng)。聽力組的情況與圖片組的相似，難度越高，注意力集中程度越高，切換片段時(shí)注意力集中情況也出現(xiàn)了波動(dòng)。教師在教學(xué)過程中，應(yīng)該對(duì)該實(shí)驗(yàn)所展示的結(jié)果進(jìn)行重視，盡可能的讓教學(xué)方式多樣化，如將傳統(tǒng)的黑板板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合等。長(zhǎng)時(shí)間采用傳統(tǒng)板書比較容易讓學(xué)生產(chǎn)生疲勞，而多媒體教學(xué)可以將聲音和圖片盡量好的結(jié)合，對(duì)腦電波信號(hào)的接受進(jìn)行刺激，從而提升學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的注意力，讓課堂教學(xué)效果和質(zhì)量得到提升。

而除此之外，腦電波也可以運(yùn)用到注意力訓(xùn)練方面。查詢相關(guān)資料我們可以知道，傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法主要是自身訓(xùn)練以及懸垂念動(dòng)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐研究，二者對(duì)于注意力訓(xùn)練的作用是不可否認(rèn)的。但是，這兩種訓(xùn)練方式主要是運(yùn)用物體將注意力在某一個(gè)部位進(jìn)行集中，或者通過某一個(gè)動(dòng)作使注意力進(jìn)行集中，其效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是完成任務(wù)的時(shí)間長(zhǎng)短。張曉妍在“基于腦電的注意力個(gè)性化訓(xùn)練研究”一文中對(duì)腦電在注意力以及個(gè)性化訓(xùn)練等方面的作用進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，該作者對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了采集，并使用一百個(gè)QT用程序?qū)ο嚓P(guān)的框架進(jìn)行了開發(fā)，搭建了一個(gè)頗具實(shí)用性的注意力訓(xùn)練系統(tǒng)。從該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，腦電對(duì)注意力的訓(xùn)練方式是存在可行性的，并且與傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式相比，具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。從而相關(guān)方面的專家以及學(xué)者發(fā)現(xiàn)，利用腦電波對(duì)學(xué)生的注意力進(jìn)行訓(xùn)練可以作為一種新型的注意力訓(xùn)練方式進(jìn)行實(shí)踐以及推廣。

3 ?結(jié) ?論

通過對(duì)腦電波信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們能夠明白它與注意力之間的關(guān)系，因此在教學(xué)的過程中，我們需要對(duì)此理論多加運(yùn)用，充分提升學(xué)生的注意力，獲得更好的教學(xué)效果。

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作者簡(jiǎn)介：張瑞（1996.09-），男，漢族，河南鄭州人，本科，研究方向：機(jī)械工程;聶民昆（1997.10-），男，漢族，廣東江門人，本科，研究方向：機(jī)械工程;張政（1997.12-），男，漢族，河南登封人，本科，研究方向：機(jī)械工程;班嵐（1984.04-），女，回族，遼寧凌源人，講師，碩士，研究方向：光機(jī)電檢測(cè)。