動(dòng)畫(huà)教學(xué)模式下大學(xué)生課堂短時(shí)注意力腦電信號(hào)研究

黃婧婕 程麗瑩 石佳佳 杜若瑜,2

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)通信設(shè)備進(jìn)入課堂在所難免，同時(shí)高校課程存在理論性強(qiáng)、抽象化概念多等特點(diǎn)，都使得課堂吸引力下降，大學(xué)生注意力極度分散，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。楊偉文等[1]選取92名在校本科生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果顯示課堂集中時(shí)間少于80%的被試者超過(guò)87%，影響因素主要是授課內(nèi)容的吸引力。李陽(yáng)等[2]對(duì)800名在校大學(xué)生進(jìn)行抽樣調(diào)查，結(jié)果顯示83.8%被試者上課會(huì)玩手機(jī)，具體表現(xiàn)在公共基礎(chǔ)課及選修課，占比超過(guò)60%。由此可見(jiàn)，課堂教學(xué)模式與大學(xué)生課堂注意力缺失現(xiàn)狀存在相關(guān)性。因此通過(guò)科學(xué)的手段改善高校的教學(xué)模式，對(duì)于提升大學(xué)生注意力顯得尤為重要。

進(jìn)入信息社會(huì)以來(lái)，高校教學(xué)模式不再局限于課程內(nèi)容改革，也同時(shí)考慮到信息技術(shù)在教育中的全局性、基礎(chǔ)性地位的鞏固。信息化教學(xué)這一概念應(yīng)運(yùn)而生，它可以劃分為5類:理論指導(dǎo)模式、教學(xué)實(shí)踐模式、技術(shù)支持模式、組織管理模式以及學(xué)習(xí)認(rèn)知模式[3]。而在大部分信息化教學(xué)模式中，信息技術(shù)工具承擔(dān)著很重要的角色，動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)法也隨之納入人們的關(guān)注范圍。目前，對(duì)動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)法的研究方向有很多。史曉原[4]以物流技術(shù)與裝備課程為例，研究其在大學(xué)生物流管理專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用性；吳彬等[5]設(shè)計(jì)微視頻演繹法與多媒體課件講授法對(duì)照實(shí)驗(yàn)，探究微視頻演示對(duì)就業(yè)指導(dǎo)課程教學(xué)效果的影響。以上研究一致認(rèn)為動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)法會(huì)影響大學(xué)生的課堂注意力，因此能夠提高教學(xué)效果。雖然相關(guān)研究已取得很多成就，但還存在以下不足。首先，在以往的研究中，多是從理論層面剖析動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)，很少有采用實(shí)驗(yàn)法研究。其次，對(duì)于學(xué)生課堂注意力的反饋情況是通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷形式或課程成績(jī)反映，此類方法操作簡(jiǎn)單，但實(shí)質(zhì)上是人為判定，主觀性較大。近年來(lái)，腦科學(xué)研究不斷發(fā)展，其中關(guān)于大腦學(xué)習(xí)機(jī)制方面[6]的內(nèi)容為探索高效的教學(xué)模式研究提供了更為科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ǎX機(jī)接口技術(shù)也為觀測(cè)及干預(yù)學(xué)生課堂注意力提供了技術(shù)支撐。然而，目前的研究幾乎沒(méi)有腦認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制的證據(jù)來(lái)證明動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)法對(duì)大學(xué)生課堂注意力存在影響。據(jù)此，本研究從腦科學(xué)認(rèn)知層面出發(fā)，根據(jù)腦電(electroencephalogram,EEG)信號(hào)的特征參數(shù)客觀評(píng)價(jià)動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)法的實(shí)際應(yīng)用效果。

本研究采取傳統(tǒng)講授法和動(dòng)畫(huà)演示法兩類教學(xué)模式的視頻刺激材料誘發(fā)腦電信號(hào)的實(shí)驗(yàn)方法，并對(duì)其進(jìn)行時(shí)頻分析，試圖在alpha、beta頻段尋找具有可識(shí)別注意力集中程度特征值的相關(guān)頻段[7]。最后將腦電信號(hào)特征參數(shù)結(jié)合主觀問(wèn)卷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，探索動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)模式對(duì)大學(xué)生課堂短時(shí)注意力的影響，并為探究其教學(xué)效果提供更加準(zhǔn)確客觀的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 問(wèn)卷調(diào)查

前期研究工具是調(diào)查問(wèn)卷，問(wèn)卷是在賈雯[8]的“大學(xué)生英語(yǔ)課堂注意力情況調(diào)查問(wèn)卷”的基礎(chǔ)上，根據(jù)普通大學(xué)生的特點(diǎn)對(duì)部分題目進(jìn)行修訂后完成的。該問(wèn)卷主要包括個(gè)人基本信息、課堂注意力集中程度、課堂注意力影響因素、對(duì)動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)模式感受4部分內(nèi)容，共22題。調(diào)查時(shí)間為2019年9月3—13日，在南京郵電大學(xué)在校學(xué)生中隨機(jī)發(fā)放問(wèn)卷100份，回收得到有效問(wèn)卷84份，問(wèn)卷有效率為84%。

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查法歸納整理大學(xué)生課堂注意力影響因素，同時(shí)利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)模式是否對(duì)大學(xué)生課堂短時(shí)注意力起到積極影響。收集到的問(wèn)卷能夠反映出大學(xué)生對(duì)于動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)模式的主觀感受，為后續(xù)腦電信號(hào)實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

1.2 被試選擇

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查法篩選被試，排除睡眠質(zhì)量、對(duì)任課教師態(tài)度等其他相關(guān)研究已經(jīng)證明的影響大學(xué)生課堂注意力的因素的影響，最終選取30名在校大學(xué)生受試者，男女生各15名，年齡19～22歲。全部受試者均為右利手，身體健康，無(wú)生理疾病，視力正常或矯正后正常，自愿參加本試驗(yàn)，之前均簽署知情同意書(shū)。由于10份腦電信號(hào)數(shù)據(jù)偽跡過(guò)多，為提高數(shù)據(jù)有效性予以剔除，最后得到20份有效數(shù)據(jù)(11例男性，9例女性)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 設(shè)備

EEG信號(hào)采集設(shè)備采用的是美國(guó)神經(jīng)科技公司(Emotiv System)研發(fā)的32導(dǎo)無(wú)線腦電信號(hào)采集系統(tǒng)Emotiv EPOC Flex Saline，電極分布采用10-20國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)分布，通過(guò)非入侵性的腦電波儀技術(shù)感測(cè)被試者大腦神經(jīng)元的電信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線傳輸將EEG信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，能夠?qū)崟r(shí)查看和導(dǎo)出原始EEG、相關(guān)性能指標(biāo)及頻帶功率等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化功能。

1.3.2 刺激材料

本研究首先從中國(guó)大學(xué)MOOC等線上教學(xué)平臺(tái)中選取10組課程視頻，內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)、外語(yǔ)、文史哲等大學(xué)通識(shí)性課程，組間確保課程講述知識(shí)點(diǎn)基本一致，僅在教學(xué)模式層面存在差異性。同時(shí)為避免課程內(nèi)容難度以及學(xué)生學(xué)習(xí)水平對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，由50名在校大學(xué)生填寫(xiě)了對(duì)課程視頻知識(shí)點(diǎn)的了解程度李克特量表(Likert scale)[9]，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析篩選出3組排名靠前的專業(yè)性不強(qiáng)、被試者容易接受的傳統(tǒng)講授法和動(dòng)畫(huà)演示法教學(xué)視頻。這3組視頻講述的知識(shí)點(diǎn)分別是歐拉公式(高等數(shù)學(xué))、通貨膨脹(經(jīng)濟(jì)學(xué))和海森堡不準(zhǔn)確原理(大學(xué)物理)。

根據(jù)相關(guān)研究[10]證實(shí)的長(zhǎng)時(shí)間的觀看視頻和接收信息容易造成學(xué)生視覺(jué)疲勞和注意力分散，教學(xué)視頻的時(shí)間應(yīng)當(dāng)控制在10 min左右。本研究決定采用Premiere軟件對(duì)刺激材料進(jìn)行編輯處理，在不改變視頻內(nèi)容的前提下改變時(shí)長(zhǎng)，每段視頻時(shí)長(zhǎng)控制在170～240 s，以激發(fā)被試者最大限度的課堂短時(shí)注意力，避免視頻時(shí)長(zhǎng)等因素對(duì)結(jié)果的影響。

1.4 試驗(yàn)程序

研究采用2(被試類型：集中×不集中)×2(刺激類型：傳統(tǒng)講授法×動(dòng)畫(huà)演示法)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。其中，被試類型是被試間變量，刺激類型是被試內(nèi)變量。試驗(yàn)開(kāi)始后，采用E-prime心理實(shí)驗(yàn)軟件呈現(xiàn)刺激材料，在受試者正前方的液晶顯示屏上顯示。首先在屏幕中央出現(xiàn)注視點(diǎn)“+”300 ms；然后刺激視頻呈現(xiàn)；刺激結(jié)束后，空屏10 s為休息時(shí)間，結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)試驗(yàn)，視頻刺激呈現(xiàn)的先后順序?yàn)殡S機(jī)選擇；最后要求被試完成關(guān)于刺激內(nèi)容問(wèn)卷。刺激范式見(jiàn)圖1。

圖1 刺激范式圖解Figure 1 Stimulus paradigm diagram

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用基于Matlab平臺(tái)的Eeglab工具箱對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理工作，依據(jù)腦神經(jīng)科學(xué)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)40 Hz的腦電信號(hào)與注意力集中、解答問(wèn)題時(shí)的精神狀態(tài)有密切關(guān)系[11]，提取4～50 Hz范圍內(nèi)的頻率，對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立主成分分析(independent component analysis，ICA)并使用Adjust功能輔助判斷去除眼電偽跡，得到干凈的腦電信號(hào)。

時(shí)域分析法主要是直接提取EEG信號(hào)的波形特征參數(shù)，如幅度峰值檢測(cè)、過(guò)零節(jié)點(diǎn)分析、方差分析、直方圖分析、相關(guān)分析等；頻域分析方法主要是從頻域提取EEG腦電信號(hào)的信息，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)特征提取。功率譜估計(jì)是頻域分析的一種重要手段，其主要思想是把EEG信號(hào)在時(shí)域范圍的幅度變化轉(zhuǎn)變?yōu)樵陬l域范圍的功率變化，從而可以直接觀察到 EEG 信號(hào)變化的節(jié)律與分布[12]。

EEG腦電信號(hào)是非平穩(wěn)、時(shí)變隨機(jī)信號(hào)，在不同時(shí)間包含了不同的頻率成分，所以單純從時(shí)域或者頻域不能準(zhǔn)確地分析腦電信號(hào)[13]。因此本研究對(duì)干凈的腦電信號(hào)進(jìn)行疊加獲得總平均圖后，把時(shí)域和頻域結(jié)合起來(lái)對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，試圖在alpha、beta頻段尋找具有可識(shí)別注意力集中程度特征值的相關(guān)頻段。

2 結(jié)果

2.1 主觀分析

問(wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示， 在“上課注意力集中程度”選項(xiàng)，有2/3的學(xué)生較集中，1/3的學(xué)生很不集中，甚至沒(méi)有學(xué)生認(rèn)為自己非常集中。

通過(guò)分析上課注意力不集中的各原因的問(wèn)卷回答率，排在第1位的是課堂教學(xué)模式的影響，95.24%的學(xué)生選擇了本項(xiàng)目。第2、第3位的影響因素是熬夜導(dǎo)致的疲勞和手機(jī)等外部因素，總的答題率分別為85.71%和65.1%。根據(jù)卡方檢驗(yàn)結(jié)果，性別對(duì)于這3項(xiàng)表現(xiàn)出一致性，并沒(méi)有差異性，是男、女生均認(rèn)可的影響其上課注意力的最重要的因素，由此可以得出結(jié)論：教學(xué)模式對(duì)學(xué)生課堂注意力的影響最關(guān)鍵也最直接，次重因素中，學(xué)生由于熬夜至上課犯困，也處于重要地位。該結(jié)論與相關(guān)研究所證實(shí)的結(jié)論一致。

2.2 腦電信號(hào)時(shí)頻分析結(jié)果

將所有被試者觀看視頻的腦電信號(hào)根據(jù)刺激材料性質(zhì)分成兩類，并且疊加求平均進(jìn)行時(shí)頻分析，采用t檢驗(yàn)，P<0.01表明差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，當(dāng)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果中出現(xiàn)紅點(diǎn)時(shí)，即代表相關(guān)性強(qiáng)，結(jié)果表明F3、AF4、FC6通道尤為明顯。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別是F3、AF4、FC6通道的時(shí)頻分析圖，圖中結(jié)果顯示在這3個(gè)通道下，傳統(tǒng)教學(xué)模式實(shí)驗(yàn)組與動(dòng)畫(huà)教學(xué)模式實(shí)驗(yàn)組的腦電信號(hào)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。

圖2 腦電信號(hào)時(shí)頻分析圖Figure 2 Time-frequency analysis of EEG signals

在進(jìn)行事件相關(guān)譜擾動(dòng)分析時(shí)，可以看出動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)模式實(shí)驗(yàn)組腦電信號(hào)活動(dòng)更顯著，能量更活躍。同時(shí)根據(jù)多次時(shí)間截取分析結(jié)果顯示，被試者觀看刺激材料30～150 s時(shí)間窗內(nèi)的腦電信號(hào)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

由于在theta波段差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此在對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行特征分析時(shí)不再對(duì)theta頻段進(jìn)行研究，只對(duì)alpha和beta頻段進(jìn)行深入分析。從圖2(c)中可以看出，在FC6通道下，20～35 Hz頻段差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，即大腦興奮的頻段，而在其他頻段的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 討論

3.1 注意力的相關(guān)腦功能區(qū)

研究表明，額葉是人類記憶加工的重要腦區(qū)[10]。本研究通過(guò)EEG時(shí)頻分析，結(jié)合圖3的電極位置圖，從極點(diǎn)的分布中可以清楚看到，F(xiàn)3、AF4、FC6 3個(gè)極點(diǎn)都集中在前額葉部分。本研究驗(yàn)證了Shimamura等[14]關(guān)于前額葉與注意力、記憶功能有密切關(guān)系的結(jié)論，從側(cè)面證實(shí)了本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

圖3 電極位置圖Figure 3 Electrode location map

3.2 動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)模式的優(yōu)越性

問(wèn)卷調(diào)查“不同教學(xué)模式對(duì)你課堂注意力的影響”項(xiàng)目結(jié)果顯示，有24.29%的學(xué)生反映課堂教學(xué)過(guò)程中動(dòng)畫(huà)演示時(shí)集中程度很高，有68.57%的學(xué)生認(rèn)為較高，而近67.42%的同學(xué)認(rèn)為老師板書(shū)講課時(shí)集中程度比較差。

相關(guān)事件譜結(jié)果顯示，時(shí)間窗為30～150 s時(shí)，動(dòng)畫(huà)教學(xué)模式視頻組的腦電信號(hào)能量更活躍，且beta波此時(shí)在腦電信號(hào)能量中占比較大，外在表現(xiàn)為注意力集中。該時(shí)間窗下，視頻刺激材料存在明顯差異。

同時(shí)，主觀試題反映的結(jié)果是，與動(dòng)畫(huà)教學(xué)模式刺激材料相關(guān)的問(wèn)題正確率高達(dá)80%，而傳統(tǒng)教學(xué)模式涉及問(wèn)題正確率僅為50%，這也從側(cè)面驗(yàn)證了動(dòng)畫(huà)教學(xué)模式更能夠提高學(xué)生課堂短時(shí)注意力。

4 結(jié)論

目前，高校“隱形逃課”現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，如何改善教學(xué)模式提高大學(xué)生課堂注意力也顯得越來(lái)越重要。本文中通過(guò)分析腦電信號(hào)來(lái)研究動(dòng)畫(huà)教學(xué)模式對(duì)大學(xué)生課堂短時(shí)注意力的影響，期望找到在alpha、beta頻段的某些具有強(qiáng)相關(guān)性的時(shí)間段，對(duì)大學(xué)生課堂注意力的判斷具有可行的高識(shí)別率的特征，為高校教學(xué)模式改革提供新的思路，并得到了以下結(jié)論：動(dòng)畫(huà)教學(xué)模式下大學(xué)生課堂短時(shí)注意力更集中，前額葉區(qū)域更明顯，同時(shí)beta波段的部分特殊頻段存在可識(shí)別注意力集中程度的特征值，可為今后研究可穿戴腦電信號(hào)技術(shù)監(jiān)測(cè)課堂注意力提供一定的參考依據(jù)[15]。

本研究還存在一些不足。首先，視頻刺激材料的選擇基于主觀篩選的方式，教學(xué)模式的內(nèi)在差異性無(wú)法驗(yàn)證，盡管進(jìn)行了可行性分析，但是被試者對(duì)于相關(guān)理論知識(shí)的熟悉程度不同會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。其次，實(shí)驗(yàn)中被試者較少，后續(xù)研究中需要進(jìn)一步增加被試者數(shù)量，提高數(shù)據(jù)可靠性。最后，由于相關(guān)研究多基于圖片刺激，視頻刺激的范式較少，使得信號(hào)數(shù)據(jù)分析過(guò)程較為復(fù)雜，很難找到對(duì)應(yīng)時(shí)頻域的信號(hào)特征。因此本研究的成果僅能為高校采取動(dòng)畫(huà)教學(xué)模式提供參考依據(jù)，具體教學(xué)效果仍需進(jìn)一步印證。