輕量級生理反饋技術的教育應用及測量
——基于2015—2020年的文獻綜述

翟雪松 束永紅 楚肖燕 朱雨萌

(1.浙江大學 教育學院，浙江杭州 310058； 2.安徽建筑大學 電信學院，安徽合肥 230022)

一、引 言

生理反饋技術(Biofeedback)通過檢測傳感器采集到的受試者的生理信號，即時或延時地呈現給受試者技術路線，并在信息學、生物學、心理學等多學科交叉衍生的影響下，不斷發(fā)展、成熟的一種技術(Scrimin et al., 2018)。隨著生理反饋技術的日趨成熟，教育研究者從關注學習績效、行為活動等外在表現，逐漸轉變到對影響學習行為內在機理的情感、認知、健康等因素的探究(牟智佳，2020)。近年來，很多學校開始不同程度地加大生理反饋實驗室建設和相關實驗研究的投入，集中體現于高資產、重量級教育裝備建設(如肌電采集、腦波儀、近紅外腦電，核磁共振等)，且研究范式以小樣本的案例研究或實驗研究為主。

然而，這些高資產、重量級的生理反饋教育裝備投入大、實驗環(huán)境復雜、實驗樣本有限，與實際教學場景和學習環(huán)境相距較遠，可能偏離教育目標和目的。這種跟風式建設首先需直面的問題是，我國教育發(fā)展環(huán)境相對復雜，城鄉(xiāng)、區(qū)域、校級發(fā)展不均衡。教育財政投入大規(guī)模導向高資產的教育裝備投入，在很大程度上耗費有限的教育基礎設施和普惠性教育資源的投入。其次，除了必要的科學研究外，教育實驗應該因地制宜地與區(qū)域教育實踐內容和環(huán)境相結合。而現有生理反饋研究場景多為標準化實驗室，且絕大多數聚焦案例研究，樣本采集的規(guī)模性和多樣化有較大限制，使得這類研究在很大程度上缺乏區(qū)域教育教學人才培養(yǎng)和生態(tài)建設意義，其研究結論也受到部分教育實踐者的質疑和挑戰(zhàn)(楊海茹等，2019)。最后，一些重量級生理反饋技術本身發(fā)展還不完備，如腦機接口的科學研究及實踐應用并不成熟，大部分研究仍屬以動物為樣本的探索性研究。因此，以現有的有限案例發(fā)現指導普遍性的教育實踐，其有效性需謹慎對待。

為了彌合生理反饋應用在教育實驗和實踐的矛盾，近年來，輕量級生理反饋技術成為解決這一矛盾的技術工具。輕量技術在信息科學中被定義為其組件受外在環(huán)境依賴性小的技術手段(林信良，2006)。有別于核磁共振、腦電波等高資產設備，輕量級生理反饋技術，如心率和皮電傳感，具有投入低、無侵入、不接觸、易操作、技術發(fā)展成熟等特點，更易于在教學實踐中采集和分析數據。教育技術的研究需要從實驗室走向課堂，從重復性建設轉向因地制宜的發(fā)展，從盲目追求試驗數據的可獲得性轉向數據的教育解釋意義。本研究通過系統(tǒng)綜述法(systematic review)，回顧了近五年半(2015.1-2020.6)輕量生理反饋技術教育應用的特征和測量方式，思考輕量級生理反饋技術如何實現替代重量級技術發(fā)揮同樣的教育應用效果，以期為未來教育實踐者提供輕量技術重量級功用的技術思路。

二、研究背景與問題

(一)生理反饋技術教育應用的特點

生理反饋技術早期主要在醫(yī)學研究中探索抑郁癥、焦慮癥等心理疾病的生理學機制。醫(yī)護人員利用生理參數作為判斷病情和治療進展的依據，指導患者通過反饋的生理參數進行反思訓練，完成心理暗示與調節(jié)(Malik，1996)。近年來，隨著該技術在教育研究中的不斷應用和迭代，教育研究者圍繞解決教育問題、技術路線和測量工具三個問題展開了持續(xù)探究，具體表現在：

1)生理反饋技術可以在很大程度上回答學習績效成因和在線學習環(huán)境下的自我調控問題。首先，學習認知理論的發(fā)展受到了缺乏認知加工測量的挑戰(zhàn)。先前研究大多通過學習結束后的間接測量獲取數據。這種測量要么使用主觀的自我報告，要么通過工作時間、錯誤率等滯后測試方法評估學習者的感知或認知，這在時間維度上降低了結果的準確性(Anmarkrud et al., 2019)。生理反饋工具憑借監(jiān)測精度高、捕捉實時性強等特點，彌合了學習行為測量滯后的問題，便于及時調整教學策略。第二個問題是完全開放的在線自主學習環(huán)境下缺少學習者的自我監(jiān)督和反饋措施。傳統(tǒng)的教育信息系統(tǒng)仍然只提供學情分析，無法提示專注度、投入度等非智力因素，難以激發(fā)學習者的元認知等高階認知能力。近年來，生理反饋技術開始與自主學習策略(如刺激回憶法)融合運用，幫助學習者在線上自主學習環(huán)境下反思自我生理參數與學習效能的關系，從而激發(fā)元認知(Zhai et al., 2018)。

2)生理反饋在教育技術研究的路線上，經歷了自發(fā)、誘發(fā)、結合教育大數據的生物信息統(tǒng)計三個階段。自發(fā)階段指觀測學習行為的生理信號變化，依據前期生理-行為對應指標的研究成果解釋學習行為。如亞里克斯·丹(Dan & Reiner, 2018)等人利用α腦波在幅值20～100μV內的升降程度，比較學習者在虛擬3D與2D環(huán)境下面對相同任務時的認知負荷，發(fā)現3D虛擬環(huán)境學習的α波會隨之降低，從而得出3D環(huán)境下認知負荷更小的結論。誘發(fā)階段指給予學習者一定的外界刺激后觀測生理的變化。這在腦電研究中，也稱為事件相關電位(Lindeman et al., 2011)。如單鵬和裴佳音(Shan & Pei ,2018)以網絡成癮學生戒斷反應為研究對象，采用非線性動態(tài)分析方法和事件相關電位技術，采集網絡成癮學生的腦電信號、前額葉SPN和P300波形數據，從行為學和腦電圖角度分析網絡成癮學生的行為特征和腦神經系統(tǒng)變化，提出網絡成癮學生戒斷教育的管理方法。還有研究者在探索學習者異步遠程協作時發(fā)現，EEG中的F3、F4電極可作為情感變化的依據，T3、T4電極可以作為認知相關依據(Robinson & Millward, 2019)。

第三個階段指采集和清洗大量的生理參數，通過人工智能算法對信號進行處理和有效提取，把監(jiān)測到的生理數據轉換為可以對外部設備進行控制的指令信號，對所學內容進行自適應的控制調整。顯然，這一階段需要采集學習者的生理參數，因此，測量工具的輕量化是實現這一目的的重要途徑。

根據信息學對量級技術的定義，生理反饋技術也可以依據受外在教育條件的依賴程度，如依據教育裝備的經費投入和測量復雜性分為兩類：一類是以腦電波技術、核磁共振、近紅外多模態(tài)生理采集儀為代表的重量級生理反饋技術，一類是以心率、皮溫、皮電等為例的輕量級生理反饋技術。隨著各類基于生理反饋的教育研究實驗室的不斷興建，這在很大程度上增加了學習者生理數據的易獲取性，并呈現出兩大特征：一是研究大多采用重量級生理反饋技術為測量工具。由于教育領域生理實驗室規(guī)劃大多缺乏相關建設經驗，往往參照甚至照搬生物醫(yī)學及實驗心理學領域的建設方案和標準，因而產生重量級技術投入的傾向；二是多模態(tài)生理數據的綜合解釋逐步取代單一數據的分析。單一的生理參數往往只能解釋某一維度的狀態(tài)，較難準確地解釋這一狀態(tài)的成因。如使用腦波觀測注意力時，仍然需要其他技術探究注意力背后的故事。因此，基于生理反饋的多模態(tài)數據被用來相互驗證。

(二)生理反饋技術教育應用的挑戰(zhàn)

雖然生理反饋技術近年來不斷融入教育研究和實踐的場景和案例中，但仍然面臨三大問題：1)從技術層面來說，生理反饋技術仍在探索當中，實驗結論尚不成熟。因此，大規(guī)模應用于教育場景不具有現實意義。再加上缺乏可持續(xù)的投入，重量技術投入給后期維護和更新帶來較大挑戰(zhàn)。2)從實驗層面看，生理反饋技術在教學實驗和實踐的比重失衡。大量研究設備投入在教育實驗中，復雜的實驗過程，如設備調試、場景搭建等都對教育實驗產生較大的干擾。實驗者雖然通過后期的數據清洗剔除無規(guī)律數據，但無法克服學生在非真實教學情境下帶來的心理和學習習慣偏差。學生容易抑制或改變學習行為常態(tài)，引發(fā)霍桑效應。3)研究結論存在數據采集多，分析解釋能力弱的問題。在學科交叉和多模態(tài)數據分析趨勢的帶動下，眾多教育研究實驗傾向利用生理反饋技術采集多維數據，通過描述、對比反映教育問題。這給未來教育研究留下兩個誤區(qū)：一是工具導向。常常采取不同的技術手段，重復觀測同樣的教育問題。二是現象導向。由于技術工具復雜，很多實驗往往只能進行一輪，只能得出單次觀測數據與學習結果的關系，缺少采用生理反饋技術和教學設計進行多輪磨合促進學習績效和感知的研究。這種導向歸根結底還是重量級技術在教學實踐場所應用受限所致。

相對而言，輕量級生理反饋技術約束性小、成本低、測量方法簡易成熟，可以較大規(guī)模地在正式或非正式教學場所開展教學研究，防止教育實驗與實踐的割裂。特別是在教育大數據的驅動下，輕量級生理反饋及信息分析技術更易于較大規(guī)模地數據采樣，具有更可行和廣闊的應用空間。因此，為了解輕量級生理反饋技術在教育領域的發(fā)展程度，以及該類工具實際應用等問題，本研究回顧了近五年輕量級技術的教育應用和測量，從“輕技術”，甚至“去技術”視角，反思教育實踐研究如何選擇適度技術量級和相應的技術路線。

三、研究方法

生理反饋技術應用于教育研究的方案和工具較為多元，本研究采取關鍵詞檢索和Horner標準相結合的方式篩查中外文獻：首先，以“生理反饋”為主題詞在中國知網和以“biofeedback”為主題詞在Web of Science核心數據庫搜索。中國知網的類別限定在高等教育、基礎教育、教育理論與教育管理類；Web of Science中的搜索類別選擇為education and educational research，時間均為2015年1月—2020年6月，研究共搜到文獻595篇。通過學科歸屬后發(fā)現，教育類的生理反饋工具包括：腦電波(含近紅外輔助)、核磁共振、眼球隨動技術、肌電反饋以及心率檢測、呼吸檢測、皮溫和皮電八類。依據信息技術對重量級和輕量級的分類標準，前四類用于重量級生理反饋，后四類屬輕量級生理反饋工具；其次，分別以“心率”“呼吸” “皮溫”“皮電”為主題詞，在中國知網以相同的步驟搜索獲得42篇文獻；同樣以“Heart rate”或“Breathing”或“Skin temperature”或“Electron-Dermal Activity ” 為主題詞在Web of Science核心數據庫二次搜索，時間跨度為2015年1月—2020年6月，累計獲得519篇英文文獻；剔除書籍、文獻綜述以及報道，共獲得119篇中英文論文；再次，執(zhí)行Horner標準篩查規(guī)則。該標準被廣泛應用于評估教育綜述篩查方法的質量，是以“基于證據”的特定要求剔除不符合標準的文章。本文最終對基于篩查的67篇文獻進行內容分析(見圖1)。同時有三位教育技術專家對篩查結果進行一致性檢驗，有效觀察值個數104，Cohen’s kappa=0.825。當Cohen’s kappa>0.75時，編碼信度非常好，可以認為本研究篩選論文符合選題要求。

圖1 Horner文獻篩查規(guī)則

四、研究發(fā)現

本研究發(fā)現分三個部分：

(一)輕量級生理反饋技術教育研究應用的描述性分析

從學段和學科看(見圖2)，高等教育階段38篇，基礎教育10篇，特殊教育19篇。輕量生理反饋技術雖然主要聚焦在高等教育領域，但是基礎教育和特殊教育領域都有一定規(guī)模的嘗試，可見該技術在全學段應用和推廣的可能性和價值。在學科方面，輕量生理反饋技術覆蓋了15個學科，輻射面較廣，說明其技術應用教學場景具有普適性。醫(yī)學27篇，主要聚集在特殊教育領域，輕量級生理反饋工具以其輕接觸等特性，更易于輔助特殊群體在認知、情感及身心健康方面的調節(jié)，彌補了重量級生理反饋工具通常難以在特殊教育領域廣泛應用的缺陷。

圖2 輕量生理反饋技術在學段和學科應用的描述性統(tǒng)計

從近五年研究目的和效果看，輕量級生理反饋技術在教育研究中主要聚焦情感識別與干預、認知識別與干預和健康識別與干預(見表一)。從文獻分布看，近一半研究(33篇)為情感的識別和干預訓練研究，同時也涉及現代教育評價的核心維度，包括學生的認知提升和健康改善研究。

表一 輕量生理反饋技術的教育研究目的、結論和工具

從研究結論看，輕量級生理反饋技術在絕大部分教育綜合類研究(62篇)中都能有效實現研究目標?？傮w上說，輕量級生理反饋技術的研究目的和研究結論基本上與重量級技術一致。

技術工具使用主要包括心率、皮溫、呼吸和皮電四類。心率反饋指通過單位時間內心臟跳動的次數和心率變異性(HRV)觀測生理變化。皮膚溫度是掌握人體能量代謝變化、分析人體體溫反饋等生理活動的重要參數。皮膚溫度的變化規(guī)律可用于判斷情感狀態(tài)變化等。呼吸反饋指將受試者的呼吸參數等信息提供給被試本人，通過一系列的呼吸反饋訓練使受試者能夠自我調節(jié)，達到生理調節(jié)的作用，從而實現生理功能平衡(劉官正等，2011)。皮電反饋(Electro- Dermal Activity，EDA)指機體受到刺激時皮膚電傳導的變化(Malmivuo & Plonsey,1995)。皮膚電活動指當皮膚接收到交感神經系統(tǒng)信號時，皮膚表面測量到的電的變化。交感神經系統(tǒng)在生理活動(如體力消耗或認知負荷變化)時被激活，當毛孔充滿汗液時，其電導性增加；當情感平靜時，汗腺分泌減少，皮膚導電性降低而引起皮電降低。因此，皮電的高低往往被用來判斷情感的變化。通過表一可以看出，四類工具在三類教育研究目的中均有覆蓋，說明其應用范圍較廣。值得關注的是，有12項研究同時運用了多模態(tài)的輕量生理參數，其中7項研究采用了心率+皮電，另5項研究采用了心率+皮溫+皮電。

(二)輕量級生理反饋技術的教育應用

1．情緒檢測與控制

情感認知理論認為，情感或情緒產生于對刺激情境的評價，受環(huán)境事件、生理狀況和認知過程三種因素的影響(Power & Dalgleish, 2000)。因此，情感和情緒不僅是瞬時特征，更處于動態(tài)變化中。采用生理反饋技術可以更客觀和智能地實時識別學生情感。例如，個體的情感激動、壓力增大時皮膚導電性顯著增加(張怡雯，2019)，在無關狀態(tài)、低情感狀態(tài)、高情感狀態(tài)下皮膚溫度依次升高(Wei & Ma，2017)。一項關于中學生生理喚醒與學業(yè)成績的研究發(fā)現，一般對立情感的生理變化都呈現相同的趨勢，如愉快和悲傷情感下的心率和皮電基本有一致的變化趨勢(馬惠霞等，2016)。但也有研究者通過實驗觀察到痛苦時的平均心率通常低于興高采烈時的平均心率(Lydon et al., 2015)。由此發(fā)現，情感具有極高的復雜性，且多數情況下都是內隱而非外顯的，但個體在情感活動時必然有生理激活成分，這些變化往往不能僅依靠單一的生理反饋工具就能判斷，需要結合多模態(tài)的生理反饋工具及定性報告等綜合判斷。

生理反饋訓練可以改善學生情感的負面影響。例如，有研究通過教研究生與本科生正念呼吸法以緩解學生的學業(yè)焦慮與壓力，使學生注意力更多地投入到專業(yè)技能培養(yǎng)上，保持良好的學習動機和學習興趣，提高個人反思、學習能力，提升自我效能感(Jasna et al., 2017)。同時，傳統(tǒng)的正念呼吸練習一般在課外實施，課程內練習的機會較少，因此如何更好地將現有的正念呼吸練習運用到課程體系中仍是個挑戰(zhàn)(Jasna et al., 2017)。其中，腦電和皮溫反饋被認為是減輕焦慮的有效技術手段。秦劍峰等人通過選擇皮電、皮溫、右腦注意力波生物反饋療法對大學生手機依賴者進行系統(tǒng)訓練，發(fā)現該方法能有效減輕學生焦慮等負面情感，減輕大學生對手機的依賴(秦劍峰等，2020)。

因此，從情感角度分析，輕量級生理反饋技術一方面可以用于學習或任務實施過程的情感測量，并根據結果提出適當反饋；另一方面可以用于改善負面情感對自身的影響，增強或維持學生的情感水平，提高學習效率。

2.認知探究與控制

認知是人在處理具體任務時通過信息加工產生的心理資源總量。過量的認知負荷會直接影響人的學習狀態(tài)，引發(fā)注意力低下、效率降低等問題。隨著在線學習的普及，在線學習者需要接受和處理的信息量成倍遞增，信息結構更加復雜，導致學習過程中學習者認知負荷過高，難以在無監(jiān)督的狀態(tài)下完成學習任務(Sweller,1999)，而傳統(tǒng)認知負荷測量多采用問卷法等主觀分析方法，缺乏成熟、客觀的認知負荷監(jiān)測工具。因此，基于生理信號采集的認知計算，成為具有美好前景的認知評估方法(方超等，2019)。

輕量級生理反饋技術同樣開始被教育研究者用來探索生理反饋與認知負荷之間的關系。研究發(fā)現，在任務復雜度較高的情況下，心率往往更高，皮電水平隨著任務難度的增加而增加。拉爾穆索等(Larmuseau et al., 2020)使用工作記憶測驗(顏色詞測試)表明，皮溫是識別應激水平變化的可靠指標。王朋利等(2020)通過腦機接口可穿戴頭環(huán)設備收集不同學習者的學習注意力數據，發(fā)現基于腦機接口技術能有效識別學生的認知風格。

輕量級生理反饋技術為認知訓練提供了可能。教育研究者雖然已經意識到認知訓練的重要性，然而現實中缺少訓練的方法和工具?；诤粑答伒纳窠浄答佊柧毐徽J為是一種有效提高學習能力的認知訓練方法。賈斯娜等(Jasna et al., 2017)的研究發(fā)現，呼吸反饋訓練和正念冥想練習均被發(fā)現能改善神經類疾病導致的行為和認知障礙。沖動行為控制良好的學習者，其心率變異性會增加，而控制力差的學習者,心率變異性不會發(fā)生變化。因此，從認知角度分析，輕量級生理反饋技術可以用于對學習或任務實施過程的認知監(jiān)控、測量，根據結果提出適當反饋，也可以用于認知訓練，增強或維持學生的注意力水平，提高學習效率。心率變異性可以視為認知努力程度的敏感指標(Larmuseau et al., 2020)。

3.健康監(jiān)測與改善

越來越多的教育學者認為，僅僅關注學習績效與感知已不能滿足學生全面發(fā)展的評價標準，學習者的身心健康已成為教育評價的第三個重要維度，它與個體技能、學習績效、自我效能感顯著相關(傅蕾, 2016) 。雖然學生身心健康已有一定數量的研究，但少有學者探究如何在學習過程中監(jiān)測學習者的身心健康狀況。輕量級反饋技術可以通過便捷的方式實時監(jiān)測學生的健康狀態(tài)，并能實時提供反饋結果。例如，心率反饋是監(jiān)測分析學生健康狀態(tài)的典型方法。利用心率監(jiān)測器，結合非結構化訪談，教師可以根據結果提出相應的教學意見，提高教學效率，保障學生健康(Oliver et al., 2019)。未來教育可能會基于這些生理數據的差異，對不同學生提出個性化學習措施。

從學科分類看，輕量級生理反饋技術在醫(yī)學領域應用較多，多應用于特殊教育中神經類疾病患者身心健康類的康復。輕量級工具成本低，使用方便，這對我國特殊教育的發(fā)展具有重大意義。對于有神經障礙的學習者，有節(jié)奏的呼吸訓練可以幫助其改善相關癥狀。此外，一項探究體育活動與學習成績之間關系的研究發(fā)現，便攜式心率儀可以在體育活動中提供良好的監(jiān)測及提示作用(Mullender-Wijnsma et al., 2015)。羅莎等(Rosa et al., 2016)對神經發(fā)育障礙疾病(語言、肢體不協調等行為和認知障礙)兒童開展了長期與短期呼吸訓練對比研究，探測有規(guī)律的呼吸訓練對改善兒童此類疾病有無作用。結果表明，長期呼吸訓練有助于改善患病兒童的健康及大腦活動。

(三)輕量級生理反饋技術的測量方式

本研究第三個子問題是，基于輕量級生理反饋技術的教育應用，總結四類技術的測量方式。

1.心率反饋

心跳和心率變異性是備受教育領域關注的兩個生理指標。心跳指單位時間內心臟跳動的次數，相比其他生理信號，測量心跳的技術工具具有外顯性好、易于施測等優(yōu)勢(Malik，1996)。心率變異性指心率在兩次心跳間隔時間內的波動量，被認為是自主神經系統(tǒng)活動的代表性指標(見表二)。當學習者從事運動或高認知任務時，心跳變化幅度增大，速度加快，可以達到 110-180次/分；經常參加體育鍛煉的個體靜息心率可能低于60次/分，這是由于長期的耐力訓練使得靜息狀態(tài)的迷走神經作用加強，心交感神經作用減弱導致(李雙潔，2020)。在高階認知任務中，喚醒水平的提升會使個體處于挑戰(zhàn)性狀態(tài)，從而導致心跳加速(Strain et al., 2013)。因此，我們可以用心跳反映運動強度和生理負荷量。

另一方面，心率變異性分析方法主要有時域分析、頻域分析、非線性分析等。其中，頻域指標的低頻功率(Low Frequency，LF)、高頻功率(High Frequency， HF)反映交感神經與副交感神經的相對活躍程度。先前研究證實，在個體學習過程中，當學習者的壓力增大，認知負荷增高時低頻功率上升； 學習壓力下降時，低頻功率/高頻功率比率上升。當個體精神不佳，情感低落時，低頻功率/高頻功率比率下降(Kim & Jo, 2019)。在時域分析指標中，RR間期的標準差(SDNN)值反映自主神經系統(tǒng)對心率調節(jié)的整體作用及活性水平，在時間壓力下顯著增大可以反映心臟交感神經處于明顯興奮狀態(tài)(徐蕾等，2019)；相鄰RR間期差值的均方根(RMSSD)是反映心臟迷走神經功能的最佳量化指標，可以靈敏地反映任務的認知負荷。當該值小幅度下降時，迷走神經功能變弱，可能造成精神疲勞(楊琳等，2020)。因此，心率與心率變異性測量指標能很好地反映個體在任務過程中的認知、情感變化。

表二 心率測量指標

2.呼吸反饋

呼吸反饋是把受試者的呼吸狀況反饋給受試者本人的一種方法，讓受試者按照一定的呼吸模式(如頻率、深度等 )開展呼吸訓練，發(fā)揮生理調節(jié)作用，從而實現生理功能平衡。在呼吸反饋中，呼吸頻率、呼吸深度以及呼吸比是最重要的三個測量參數。呼吸頻率隨年齡、性別和生理狀態(tài)而異(見表三)。研究表明，在靜息狀況下，成人呼吸頻率約15-25次/分，兒童約為20次/分，女性一般比男性快1-2次/分。此外，研究者還發(fā)現，低速率的呼吸訓練更有益身心健康 (如4-12次/分的呼吸頻率) (Song & Lehrer, 2003)。呼吸深度(深呼吸、淺呼吸)是另一個重要的呼吸參數，它可通過潮氣量判斷。潮氣量(tidal volume, VT)指平靜呼吸時每次吸入或呼出的氣量，它與年齡、性別、體積表面、呼吸習慣、機體新陳代謝有關。靜息狀態(tài)時，成人個體潮氣量為8-10毫升/千克，兒童為6-10毫升/千克。當個體深度呼吸時，潮氣量上升，表明個體正處于穩(wěn)定情感、緩解疲勞的狀態(tài)。呼吸比指呼氣和吸氣的時間比例，是影響呼吸反饋效果的又一個重要參數。通常，吸氣時心率會加快，呼氣時心率減慢，呼氣時交感神經張力減弱。因此，研究者多數認為，適當延長呼氣時間(呼氣時間與吸氣時間比大于1)，能獲得更好的呼吸反饋效果(Meuret et al., 2001)，但這一比值不是越大越好，最合適的呼吸比尚待研究。

表三 呼吸測量指標

3.皮溫反饋

皮膚溫度測量方法主要分兩類:第一類是接觸皮膚測溫，測溫時須將溫度傳感器貼伏于身體表面待測部位，如常用的熱電偶測皮溫方法；第二類是非接觸性皮膚測溫。它無需與身體接觸，僅通過接受人體紅外輻射或微波輻射測定皮溫，如通過微波熱像儀和紅外熱像儀等采集數據，這也是在教育實踐中易于實施的方法。人體皮膚溫度并不穩(wěn)定，各部位之間的溫度差異大。不同情感刺激時，身體各部位皮膚溫度隨之變化。文獻表明，皮溫也可以通過咽喉、胸腔等部位測量，但教育研究很難采集到咽喉等隱藏部位的溫度，通常是和其他生理反饋工具同時使用，如結合皮膚導電性共同判斷情感變化狀態(tài)。麻超(2015)等人通過改變大學生對負性信息的注意回避降低其焦慮水平，研究發(fā)現社交干預前后個體皮溫值具有顯著性差異。但另一項研究發(fā)現，學習過程中認知負荷的高低與皮溫沒有顯著差異(Larmuseau et al., 2020)。一般來說，用皮溫研究認知負荷的研究仍然論據不足。需注意的是，皮膚溫度不僅是由身體內部傳到皮膚的熱量與皮膚和外部環(huán)境間的熱平衡決定，還受局部血流量、皮膚散熱性等因素影響(楊海蘭，2014)。

4.皮電反饋

皮電反饋主要包括皮膚電導水平和手指皮膚溫度。皮膚電活動受神經系統(tǒng)調節(jié), 皮膚電導與喚醒水平呈線性相關(Nicholas et al., 2020)。在應激條件下，皮電水平通常比心電、腦電更敏感, 表現出的變化相對明顯, 因而研究者更傾向于使用皮電作為情感調節(jié)的電生理指標(張偉達等，2016)。文獻綜述發(fā)現，通常情況下，當學習者處于緊張、恐懼和焦慮情緒時，皮電的導電性會升高，反之當導電性降低時，學習者的情緒恢復到平靜狀態(tài)。但是，皮膚電阻的個體差異能達到二三十倍以上，因此皮電更適合組內實驗計算，不適合組間的皮電數值比較(謝科等，2018)。未來，隨著可穿戴式皮電傳感器的廣泛應用，便攜式腕部皮電探測器同樣可以識別皮電信號，且識別值更為精準，從而極大地解決影響被試的學習過程及測量、校準問題(Nicholas et al., 2020)。

表四 皮電測量指標

五、結論、討論與展望

2020年10月發(fā)布的《深化新時代教育評價改革總體方案》明確指出，創(chuàng)新評價工具，利用人工智能、大數據等現代信息技術，探索開展學生各年級學習情況全過程縱向評價、德智體美勞全要素橫向評價(國務院，2020)。融合認知、情感的多模態(tài)學習狀態(tài)評估是從學習分析視角對學習過程和學習結果進行評估和測量的一種方式；提升學習者對學習過程及其行為的感知與認知，也是未來智慧教育發(fā)展的重要趨勢(胡藝齡等, 2019)。本研究通過對輕量級生理反饋技術教育研究的綜述，認為該技術契合了這一重要發(fā)展趨勢。人體生物信息的數字化應用將大規(guī)模開展，生理反饋應用技術在傳統(tǒng)課堂、在線學習及虛擬現實環(huán)境中為學生提供認知、情感、健康的多維評價，促進不同背景學生的個性化推薦學習。

輕量級生理反饋技術的教育應用場景未來可能出現三大趨勢：首先，技術便攜性會推進非正式場館教育研究，美育和勞動教育的評測方式將更加客觀真實、可測可視。相比重量級設備，輕量級生理反饋技術更容易整合可穿戴工業(yè)設計，特別是在5G高傳輸、低延遲的網絡環(huán)境中，該技術更易發(fā)揮無干擾、無接觸優(yōu)勢，采集非正式場景的學習者行為特征。除了代表性的手環(huán)外，植入輕量級傳感器的勞動工具和美學工具會基于多維生理參數記錄和分析勞動過程和創(chuàng)作過程，這會極大地豐富新時期勞動教育和美學教育的理論創(chuàng)新和解釋。特別是虛擬現實技術的快速發(fā)展，能為生理信號融入情景化學習、遠程實踐等提供有力支持(王雪等，2019)。

其次，多模態(tài)生理反饋技術將會推動學習行為從分析走向干預。一直以來，多模態(tài)生理信號采集技術大多用于通過觀測和記錄生理、行為等數據，對學習狀態(tài)進行評估和解釋(牟智佳，2019)。文獻綜述發(fā)現，集合學生心率、呼吸、皮溫等多模態(tài)生理信息更可用于有效執(zhí)行干預措施，改善學習者的情感、行為及健康狀態(tài)。多模態(tài)的輕量級生理反饋技術干預手段更簡便、操作性強，適合大范圍實施。

最后，生理反饋數據將可能成為教育大數據的一部分，與教育管理數據和學習資源數據互融互通，形成“互聯網+教育”大平臺。隨著輕量生理反饋技術的普及，學習者在網絡、現實場景中的行為軌跡特征和行為模型會越來越豐富，且日漸形成較為系統(tǒng)的生理參數數據源。這一數據源的構建會逐步與教育管理系統(tǒng)互通，強化教育治理現代化決策(如貧困生資助)的科學性。同樣，生理反饋數據庫與教育資源平臺的互融，將會聯通學習內容和個體特征的關聯性，為未來職業(yè)生涯規(guī)劃提供有效參考。

本研究也存在以下局限：本文僅綜述了近五年半的文獻，在輕量級生理反饋技術的選擇上可能未能窮盡所有技術工具；同時，文獻中的技術測量屬于實驗研究或小規(guī)模教學研究，測量參數未能考慮到應用的普適性。未來研究更期待新興輕量生理反饋技術的應用及測量方式和參數的標準化研究。