腦機(jī)接口教育應(yīng)用: 原理、潛能與障礙

劉新玉 王東云 師 麗

（1.黃淮學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南駐馬店 463000；2.鄭州大學(xué) 河南省腦科學(xué)與腦機(jī)接口技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450001；3.清華大學(xué) 自動(dòng)化系，北京 100084）

一、引言

作為智慧教學(xué)技術(shù)的典型代表，腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）的教育應(yīng)用伴隨著線上教學(xué)而快速發(fā)展。正確應(yīng)用腦機(jī)接口的感知交互優(yōu)勢，可彌補(bǔ)線上教學(xué)交互和監(jiān)督的不足，豐富學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律探索手段，提升以學(xué)生為中心的個(gè)性化實(shí)踐能力。但是從技術(shù)發(fā)展歷程看，腦機(jī)接口的教育應(yīng)用相對遲緩，應(yīng)用認(rèn)知還不樂觀，應(yīng)用潛能并不明朗，應(yīng)用障礙仍需清除。

作為一種新型的智能交互裝置，目前腦機(jī)接口教育應(yīng)用研究較多關(guān)注提升專注力的神經(jīng)反饋訓(xùn)練，即將大腦內(nèi)部的認(rèn)知狀態(tài)量化后轉(zhuǎn)換為感知系統(tǒng)可以感知的信號(hào)，如聲音、燈光、圖像等。使用者通過調(diào)節(jié)感知信號(hào)的強(qiáng)度，改善大腦專注度。德貝當(dāng)古等（DeBettencourt et al.，2015）利用腦機(jī)接口技術(shù)訓(xùn)練大學(xué)生神經(jīng)反饋，通過調(diào)節(jié)任務(wù)難度提醒受試者即將發(fā)生的失誤，有效改善了受試者的行為表現(xiàn)。

也有研究利用腦機(jī)接口監(jiān)督學(xué)習(xí)狀態(tài)，包括學(xué)習(xí)風(fēng)格判別、情感識(shí)別、專注度監(jiān)測等。課堂使用腦控游戲可以有效減少學(xué)生的學(xué)習(xí)焦慮（Verkijika et al.，2015），利用腦機(jī)接口監(jiān)測學(xué)生注意力也可大幅提高學(xué)生認(rèn)知水平（Katona et al.，2016）。長期的跟蹤監(jiān)測結(jié)果表明，腦機(jī)接口在提高學(xué)生學(xué)習(xí)成績和注意力、改善學(xué)習(xí)態(tài)度和自我效能感等方面都展現(xiàn)出較好的性能（胡航等，2019），對教師改進(jìn)教學(xué)策略也有幫助（王朋利等，2020）。

大腦神經(jīng)連接是學(xué)習(xí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，師生交互是獲得知識(shí)的主要途徑。線上教學(xué)為腦機(jī)接口教育應(yīng)用提供了機(jī)遇，但如何利用腦機(jī)接口技術(shù)彌補(bǔ)線上教學(xué)監(jiān)督和交互的缺失，存在怎樣的教育教學(xué)應(yīng)用潛能以及實(shí)踐應(yīng)用存在哪些障礙仍有待探究。

二、技術(shù)原理

腦機(jī)接口，指通過在大腦內(nèi)部神經(jīng)活動(dòng)與外部控制設(shè)備之間建立直接連接通路，實(shí)現(xiàn)腦與機(jī)之間信息交互與功能整合的新一代智能交互技術(shù)（Nijholt et al.，2022）。腦機(jī)接口由三部分組成：腦、機(jī)和接口（見圖1）。“腦”即大腦，更多地指大腦神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)，如頭皮腦電、皮質(zhì)腦電、局部場電位等；“機(jī)”即機(jī)器，一般指計(jì)算機(jī)、輪椅、假肢、家居等人類能夠控制的設(shè)備；“接口”即利用機(jī)器學(xué)習(xí)或模式識(shí)別算法將神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器能夠識(shí)別的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)大腦和機(jī)器的連接。腦機(jī)接口重在接口，它為從外部定量地了解大腦內(nèi)部狀態(tài)或意圖變化提供了可能（劉新玉等，2021）。腦機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要由信號(hào)采集與處理、特征提取與解碼、量化轉(zhuǎn)換與應(yīng)用三部分組成。

圖1 腦機(jī)接口技術(shù)原理

（一）信號(hào)采集與處理

大腦思維活動(dòng)依賴于神經(jīng)元之間的連接和信息交互，神經(jīng)元在信息傳遞中會(huì)在其細(xì)胞表面發(fā)生微弱的電位變化。人們通過記錄電位的連續(xù)變化（即電信號(hào)）感知大腦活動(dòng)。1924年，德國精神病學(xué)家伯格首次記錄了頭皮腦電信號(hào)，開辟了利用腦電 信 號(hào) 解讀 大 腦 活 動(dòng) 的 新 紀(jì) 元（Lebedev et al.，2006）。腦電信號(hào)采集主要包括植入式和非植入式方式：植入式一般需要將電極植入頭皮內(nèi)部，采集到的信號(hào)分辨率和質(zhì)量較高，但植入難度和風(fēng)險(xiǎn)大；非植入式指將檢測設(shè)備置于頭皮或頭皮外部，采集簡單，但信號(hào)分辨率較低，質(zhì)量較差。

植入式采集方式主要包括表征單個(gè)神經(jīng)元電信號(hào)的單單元活動(dòng)（SUA）、表征神經(jīng)元集群信號(hào)的多單元活動(dòng)（MUA）、局部場電位（LFP）和表征大腦皮層表面電信號(hào)的皮質(zhì)腦電（ECoG）；非植入式采集方式主要包括表征頭皮電信號(hào)的頭皮腦電（EEG）、表征大腦活動(dòng)時(shí)氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白變化的功能性近紅外光譜（NIRS）和表征神經(jīng)元活動(dòng)引發(fā)血液動(dòng)力變化的功能性磁共振成像（fMRI）。植入式采集方式主要適合動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床使用，其中功能性近紅外光譜和功能性磁共振成像采集要求較高、價(jià)格昂貴。教育領(lǐng)域采用以頭皮腦電為基礎(chǔ)的非植入采集方式。

（二）特征提取與解碼

如何從采集到的頭皮腦電中提取與大腦內(nèi)部認(rèn)知狀態(tài)相關(guān)的響應(yīng)特征，對于腦機(jī)接口的教育應(yīng)用十分重要。在機(jī)器學(xué)習(xí)或模式識(shí)別中，特征提取指從初始測量數(shù)據(jù)中獲得信息和非冗余的派生值，用于促進(jìn)后續(xù)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和泛化，提高數(shù)據(jù)的可解釋性。頭皮腦電常用的特征提取算法包括功能網(wǎng)絡(luò)、主成分分析、小波變換等（徐暢等，2021），提取可以表征大腦內(nèi)部認(rèn)知活動(dòng)的低維特征，如注意力、專注度、疲勞度等。

解碼指在特征提取的基礎(chǔ)上，利用特定方法將特征還原成所代表的內(nèi)容或轉(zhuǎn)換成所代表的信息，主要分連續(xù)解碼和離散解碼（Chaudhary et al.，2016）。舉例來說，假如你想象字母A，解碼就是利用你想象字母A時(shí)采集到的頭皮腦電還原出字母A。解碼模型的實(shí)際應(yīng)用主要由訓(xùn)練和預(yù)測組成。訓(xùn)練即模型訓(xùn)練，指將提取的頭皮腦電特征與解碼對象對應(yīng)起來；預(yù)測指利用訓(xùn)練好的模型從新提取的頭皮腦電特征中預(yù)測解碼對象。腦機(jī)接口在不同場景的應(yīng)用，解碼對象是不同的，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景構(gòu)建合適的解碼模型。

（三）量化轉(zhuǎn)換與應(yīng)用

量化轉(zhuǎn)換指根據(jù)被控對象的要求將解碼出的信息或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)或機(jī)器可以識(shí)別的信號(hào)，比如輪椅控制需要將解碼出的大腦運(yùn)動(dòng)意圖轉(zhuǎn)換成輪椅的控制指令；專注度預(yù)測指將大腦認(rèn)知狀態(tài)量化成具體數(shù)值。量化轉(zhuǎn)換與應(yīng)用緊密結(jié)合，應(yīng)用場景不同，量化轉(zhuǎn)換的目的也不同。在教育應(yīng)用領(lǐng)域，腦機(jī)接口在替代或恢復(fù)身體喪失的機(jī)能、擴(kuò)展對外部設(shè)備的控制、增強(qiáng)和改善大腦認(rèn)知能力、監(jiān)測大腦內(nèi)部狀態(tài)等方面都有出色的表現(xiàn)，應(yīng)用潛力巨大（Li et al.，2020）。

三、教育應(yīng)用潛能

線上教育的發(fā)展為腦機(jī)接口提供了機(jī)遇。盡管目前還存在諸多技術(shù)局限，但是作為最成熟的腦科學(xué)技術(shù)，腦機(jī)接口應(yīng)用前景可期。腦機(jī)接口教育應(yīng)用主要有兩個(gè)方向：一是在學(xué)習(xí)活動(dòng)中，通過腦機(jī)接口識(shí)別學(xué)生生理狀態(tài)特征，引導(dǎo)學(xué)生在教師幫助下糾正（或自我糾正）問題，著重于調(diào)整學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)或認(rèn)知活動(dòng)；二是在教學(xué)活動(dòng)中，通過腦機(jī)接口實(shí)時(shí)監(jiān)測學(xué)生的認(rèn)知活動(dòng)，以確定最優(yōu)參數(shù)和條件，著重于調(diào)整教師講授的內(nèi)容和方法。

（一）預(yù)測學(xué)習(xí)效果

從大腦認(rèn)知的角度看，學(xué)習(xí)是大腦獲取外部信息并與大腦內(nèi)部原有信息加工整合形成新的有意義信息的過程。大腦將新形成的信息以神經(jīng)連接或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形式儲(chǔ)存，形成長期記憶，達(dá)到有效學(xué)習(xí)的目的。這個(gè)過程既包含信息加工又包含信息存儲(chǔ)，信息加工和存儲(chǔ)必然引起頭皮腦電的改變。因此，利用腦機(jī)接口技術(shù)量化描述這種頭皮腦電的改變，可以達(dá)到預(yù)測學(xué)習(xí)效果的目的（張靜娜等，2022）。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，學(xué)生能夠糾正學(xué)習(xí)方法，教師可以改進(jìn)教學(xué)方法，從而實(shí)現(xiàn)“教”和“學(xué)”的交互融合，提高學(xué)習(xí)效果。

尼爾豪斯等（Nierhaus et al.，2021）分析了此前沒有接觸過腦機(jī)接口的被試接受兩種不同類型腦機(jī)接口任務(wù)訓(xùn)練后大腦結(jié)構(gòu)和功能的變化。實(shí)驗(yàn)分兩組：一組接受運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口任務(wù)訓(xùn)練（簡稱運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)）。受試者需想象他們正在移動(dòng)手或腳；另一組接受視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口任務(wù)訓(xùn)練（簡稱視覺誘發(fā)電位任務(wù)），受試者需識(shí)別并選擇屏幕上的字母。經(jīng)過一個(gè)小時(shí)訓(xùn)練，研究者利用磁共振斷層掃描儀檢測被試訓(xùn)練前后大腦功能和結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果顯示，接受短暫的腦機(jī)接口任務(wù)訓(xùn)練后，無論是運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)還是視覺誘發(fā)電位任務(wù)，大腦對應(yīng)區(qū)域都發(fā)生了明顯變化。這表明，腦機(jī)接口技術(shù)在預(yù)測大腦學(xué)習(xí)效果方面潛力較大。

（二）培養(yǎng)自控能力

自控能力指個(gè)體控制情緒和約束言行的能力。青少年的大腦處于快速發(fā)育期，學(xué)習(xí)自制力、積極性和主動(dòng)性不高。腦機(jī)接口對自控能力的培養(yǎng)可謂優(yōu)勢明顯、效果顯著。比如，學(xué)生課余時(shí)間利用基于腦機(jī)接口技術(shù)開發(fā)的腦控蜘蛛、腦控賽車、腦控游戲機(jī)等融合娛樂元素的腦控產(chǎn)品訓(xùn)練大腦專注力，可培養(yǎng)自控能力（Nijholt et al.，2022）。此外，學(xué)生也可以利用神經(jīng)反饋訓(xùn)練技術(shù)，根據(jù)自己的特點(diǎn)有意識(shí)地訓(xùn)練和加強(qiáng)自控能力。

黃煒琛等（Huang et al.，2021）利用實(shí)時(shí)神經(jīng)反饋腦機(jī)接口訓(xùn)練系統(tǒng)，在受試者接受情緒調(diào)節(jié)訓(xùn)練時(shí)利用機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)分析其腦電信號(hào)，預(yù)測其情緒狀態(tài)（積極、消極或中性），并將預(yù)測結(jié)果顯示在屏幕上，且告知受試者據(jù)此更新情緒調(diào)節(jié)策略。20名受試者進(jìn)行了10次腦機(jī)接口神經(jīng)反饋訓(xùn)練后，情緒調(diào)節(jié)能力顯著提升，與情緒狀態(tài)關(guān)聯(lián)的腦電編碼模式通過長期訓(xùn)練也得到增強(qiáng)。

（三）識(shí)別學(xué)習(xí)風(fēng)格

不同個(gè)體的基因、環(huán)境、習(xí)慣等差異會(huì)造成大腦發(fā)育不同，形成不同的思維方式。有些人可能理性思維強(qiáng)，適合學(xué)習(xí)需要較強(qiáng)邏輯、推理和分析能力的理科課程；有些人可能偏感性思維，更適合學(xué)習(xí)需要較強(qiáng)情感、想象和創(chuàng)意能力的文科課程。思維方式的不同會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)風(fēng)格的差異，利用腦機(jī)接口技術(shù)可以科學(xué)和精準(zhǔn)地判斷這種差異。利用腦機(jī)接口識(shí)別學(xué)習(xí)風(fēng)格不僅可以為學(xué)生的文理分科選擇提供依據(jù)，也可以幫助教師將教學(xué)風(fēng)格和學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格進(jìn)行匹配以改進(jìn)教學(xué)策略，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果。已有研究表明，教師教學(xué)風(fēng)格和學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格的匹配有助于提高課堂教學(xué)效果（Naimie et al.，2010），且主動(dòng)適應(yīng)教師教學(xué)風(fēng)格的學(xué)生學(xué)習(xí)成績更優(yōu)異（Leng et al.，2020）。

王朋利等（2020）利用腦機(jī)接口技術(shù)獲取廣州市某小學(xué)四至六年級(jí)240名學(xué)生的注意力特征，搭建了基于支持向量機(jī)算法的學(xué)習(xí)風(fēng)格識(shí)別模型。該模型可以識(shí)別視覺型、聽覺型、讀寫型和動(dòng)覺型等學(xué)習(xí)風(fēng)格的學(xué)生，平均正確率為75.8%，單次最高識(shí)別正確率83.3%，識(shí)別結(jié)果與瓦克知覺學(xué)習(xí)風(fēng)格量表的識(shí)別結(jié)果具有較高一致性。研究者依據(jù)上述學(xué)習(xí)風(fēng)格對學(xué)生進(jìn)行智能分班，并根據(jù)風(fēng)格偏好設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)施教學(xué)策略，學(xué)生學(xué)習(xí)效果得到顯著提升。

（四）監(jiān)測學(xué)習(xí)狀態(tài)

學(xué)習(xí)狀態(tài)是注意力、專注度、疲勞程度等的綜合表現(xiàn)，對課堂教學(xué)效果至關(guān)重要。在學(xué)生最佳學(xué)習(xí)狀態(tài)講授最重要的知識(shí)已成為教師教學(xué)的共識(shí)。檢測學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，不僅可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)上課狀態(tài)較差的學(xué)生，還可以監(jiān)控學(xué)生整體上課情況，適時(shí)變換教學(xué)模式，提高學(xué)習(xí)效果?？ㄍ屑{等（Katona et al.，2016）利用腦機(jī)接口技術(shù)開發(fā)了平均注意力測量系統(tǒng)，對改善上課期間學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)有較大幫助?？虑宄龋?019）通過腦機(jī)接口技術(shù)采集學(xué)生讀寫過程中的注意力變化，發(fā)現(xiàn)注意力變化可用于推測學(xué)生的學(xué)習(xí)類型，繼而用于因材施教。

胡航等（2019）借助意念耳機(jī)設(shè)備（MindSet），設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套針對英語聽力的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，即利用腦電信號(hào)估測學(xué)生專注度值，監(jiān)測和調(diào)節(jié)學(xué)生注意力變化。實(shí)驗(yàn)組和對照組學(xué)習(xí)同一內(nèi)容，需回答的問題也一樣。不同之處是實(shí)驗(yàn)組學(xué)生利用意念耳機(jī)設(shè)備監(jiān)測專注度值，根據(jù)專注度值確定是學(xué)習(xí)還是回答問題；對照組學(xué)生可在任意時(shí)間暫停學(xué)習(xí)，回答問題。對某大學(xué)100名大一新生持續(xù)1個(gè)月的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的學(xué)業(yè)成績、學(xué)習(xí)態(tài)度和自我效能感等的改善顯著優(yōu)于對照組學(xué)生。

（五）優(yōu)化學(xué)習(xí)能力

學(xué)習(xí)與大腦密切相關(guān)。腦機(jī)接口技術(shù)可以解析大腦對外部信息進(jìn)行加工和存儲(chǔ)時(shí)神經(jīng)元的信息處理機(jī)制，識(shí)別神經(jīng)生理學(xué)層面的信息加工模式，然后通過有意識(shí)的訓(xùn)練或反向輸入幫助學(xué)生優(yōu)化學(xué)習(xí)能力。在某種意義上，腦機(jī)接口的發(fā)展可能有助于提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力，加快或改善知識(shí)在大腦的傳輸和存儲(chǔ)，縮短學(xué)習(xí)時(shí)長。不過，這種依靠現(xiàn)代技術(shù)獲得的“鯉魚躍龍門式”的躍升，如果使用不當(dāng)極有可能只會(huì)讓少教學(xué)生擁有 “進(jìn)化”的條件和資本，違背教育公平政策（劉新玉等，2021）。

阿克蒂爾克等（Aktürk et al.，2022）利用腦機(jī)接口技術(shù)對46名年輕人記憶任務(wù)時(shí)的大腦進(jìn)行經(jīng)顱交流電刺激（tACS），發(fā)現(xiàn)受試者接受刺激后大腦記憶容量顯著增大，且增大效應(yīng)可以保持較長時(shí)間，遠(yuǎn)超過經(jīng)顱交流電刺激時(shí)間；萊因哈特等（Reinhart et al.，2019）發(fā)現(xiàn)經(jīng)顱交流電刺激有助于逆轉(zhuǎn)大腦記憶老化，恢復(fù)老年人工作記憶。利用經(jīng)顱交流電刺激老年人（60-76歲）大腦，可以使老年人的圖像識(shí)別記憶任務(wù)完成時(shí)間和準(zhǔn)確率達(dá)到年輕人（20-29歲）水平。利用腦機(jī)接口技術(shù)改善大腦認(rèn)知水平在面向卒中患者、健康被試及兒童等的實(shí)驗(yàn)中也得到了證實(shí)（Wegemer et al.，2019）。

（六）評價(jià)教學(xué)質(zhì)量

教學(xué)質(zhì)量評價(jià)因缺乏科學(xué)有效的方法，一直被人詬病?，F(xiàn)有評教辦法一般基于學(xué)生評分，人為操縱空間大，且學(xué)生如果不認(rèn)真對待，很難反映真實(shí)的教學(xué)效果。腦機(jī)接口技術(shù)客觀、個(gè)性化的特點(diǎn)，能夠?yàn)榻虒W(xué)質(zhì)量評價(jià)提供新的解決思路。利用腦機(jī)接口技術(shù)開展教學(xué)質(zhì)量評價(jià)有兩條途徑：一是將每堂課學(xué)生的專注時(shí)長、學(xué)習(xí)狀態(tài)等信息算作分值，期末將總分值作為教師的評教成績，讓教學(xué)評價(jià)貫穿于教學(xué)全過程；二是檢測學(xué)生的大腦狀態(tài)，剔除沒有認(rèn)真對待評教學(xué)生的評分，提高教學(xué)評價(jià)的可信度。

（七）評估在線教育

新冠疫情的持續(xù)蔓延使在線教育應(yīng)用廣泛。與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式相比，在線教育更加靈活、開放和適應(yīng)性強(qiáng)，任何人在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)都可自由學(xué)習(xí)。但是，在線教育的多元化和學(xué)習(xí)工具的多樣性，使在線教育學(xué)習(xí)效果的評估缺乏有效手段。在線教育的特點(diǎn)是以學(xué)生為中心的個(gè)性化、分散學(xué)習(xí)，且擁有相對獨(dú)立、封閉的學(xué)習(xí)空間，這為基于腦機(jī)接口的在線教育評估提供了便利。教師可以利用腦機(jī)接口設(shè)備全程監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)過程的大腦狀態(tài)，通過量化大腦學(xué)習(xí)狀態(tài)數(shù)據(jù)評估不同在線教育工具的教學(xué)效果。

賈米勒等（Jamil et al.，2022）設(shè)計(jì)了線上教學(xué)腦機(jī)接口應(yīng)用范例。該研究假設(shè)師生坐在不同房間使用在線教學(xué)工具，并佩戴腦機(jī)接口設(shè)備。學(xué)生也可佩戴其他輔助設(shè)備，如使用眼動(dòng)儀監(jiān)視注視區(qū)域。上課過程中，研究者同時(shí)采集老師和學(xué)生的頭皮腦電信號(hào)，監(jiān)控學(xué)生上課狀態(tài)，如專注度、疲勞度等。上課狀態(tài)的監(jiān)控不僅能夠幫助學(xué)生快速調(diào)節(jié)自我狀態(tài)，也可以讓老師監(jiān)測學(xué)生的參與度，評估學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

（八）輔助特殊教育

特殊教育指運(yùn)用特殊的方法、設(shè)備和措施教育特殊對象，狹義地講，指針對視力障礙、聽力障礙、弱智兒童及問題兒童等開展教育。無論是身體功能缺失還是心理功能障礙，腦機(jī)接口在功能替代、恢復(fù)、增強(qiáng)、補(bǔ)充、改善等方面都是特殊教育的福音。比如，腦控打字、腦控翻書、腦控輪椅、智能假肢、人工耳蝸等技術(shù)可以延展身體機(jī)能、提高殘障學(xué) 生 的 自 理 能力（Mehmood et al.，2017）。2019年第三屆中國腦機(jī)接口比賽中，天津大學(xué)學(xué)生創(chuàng)造了新的腦控打字記錄，每分鐘輸入69個(gè)漢字（翟永冠等，2020），這一速度超過了普通人手打速度。此外，腦機(jī)接口的感知交互優(yōu)勢也可以擴(kuò)展特殊教育群體與外界溝通的方式，提高其溝通能力（徐振國等，2018）。

四、應(yīng)用障礙

從醫(yī)療康復(fù)到智能家居，從游戲娛樂到教育科技，腦機(jī)接口影響著以智能交互為核心的整個(gè)教育領(lǐng)域，但是它走的是非主流路線（魏寧等，2020），理論基礎(chǔ)并不扎實(shí)，作用也不明顯。腦機(jī)接口主要以人為研究對象，但教育涉及太多倫理隱患，極大地限制了其研究和發(fā)展（顧心怡等，2021）。

（一）突破理論研究

科學(xué)和技術(shù)密不可分，兩者互相聯(lián)系、互相依賴、互相促進(jìn)。腦機(jī)接口應(yīng)用實(shí)踐需要腦科學(xué)理論的支持。腦科學(xué)與教育的聯(lián)系十分緊密（Purdy，2008）。腦機(jī)接口教育應(yīng)用離不開對學(xué)習(xí)認(rèn)知和學(xué)習(xí)行為規(guī)律的探究，需要基于對注意力、洞察力、記憶力、創(chuàng)造力、想象力等智力因素的量化描述，以及對學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)意志力、學(xué)習(xí)態(tài)度等非智力因素的判別。但是，大腦還有大量的未解之謎，人類還難以從頭皮腦電及復(fù)雜的神經(jīng)元連接關(guān)系中解析出思維活動(dòng)規(guī)律。無論是“從腦到機(jī)”還是“從機(jī)到腦”，目前依然處于盲人摸象階段，支撐腦機(jī)接口教育應(yīng)用的腦科學(xué)與教育學(xué)交叉研究還需深入，主要包括以下方面：

1）信息感知機(jī)制解析。感知信息是學(xué)習(xí)的第一步。知識(shí)以信息的形式存在，無論信息以什么介質(zhì)為載體，都可以概括為光線、聲音、觸覺、味道、氣味五種基本要素，它們經(jīng)人的五種器官感知后傳到大腦以供加工、提煉、識(shí)別和存儲(chǔ)。解析大腦信息感知機(jī)制能為腦機(jī)接口教育應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2）信息傳遞機(jī)理研究。感官獲取外部信息后，神經(jīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息的分類和傳遞，依據(jù)信息來源和類型將其分配給不同的皮層加工。信息感知和傳遞機(jī)理的研究可以促進(jìn)知識(shí)建構(gòu)，也有助于提升腦機(jī)接口的信息提取能力。

3）學(xué)習(xí)的注意機(jī)制。注意機(jī)制是為了識(shí)別和篩選信息。當(dāng)外感官獲取外部信息并傳遞給相應(yīng)皮層后，內(nèi)感官開始識(shí)別這些信息。識(shí)別首先需要利用大腦原有存儲(chǔ)的信息檢索同類信息，找到與新傳入信息盡可能匹配的相關(guān)信息，與之比較并賦予意義，從而完成對信息的識(shí)別，形成瞬間注意并在大腦建立新的神經(jīng)連接，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的建構(gòu)。因此，解析學(xué)習(xí)注意機(jī)制將為優(yōu)化學(xué)習(xí)能力奠定理論基礎(chǔ)。

4）長期記憶機(jī)理研究。記憶就是對信息的存儲(chǔ)，學(xué)習(xí)的目的是將感知到的外界信息以神經(jīng)連接的形式存儲(chǔ)到大腦形成長期記憶，以供人使用時(shí)有效提取。長期記憶的形成也代表著學(xué)習(xí)過程的完成。對長期記憶機(jī)理的研究可以加快學(xué)習(xí)進(jìn)度、縮短學(xué)習(xí)時(shí)長。目前學(xué)界對長期記憶的機(jī)理已有初步認(rèn)識(shí)，但是距離實(shí)踐應(yīng)用還任重道遠(yuǎn)。

5）學(xué)習(xí)行為與認(rèn)知規(guī)律。根據(jù)個(gè)體學(xué)習(xí)行為和認(rèn)知規(guī)律授課是提高課堂教學(xué)效果的基本共識(shí)。深入了解學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和認(rèn)知規(guī)律，并據(jù)此因材施教，對于實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)至關(guān)重要。腦機(jī)接口技術(shù)的感知交互優(yōu)勢為研究學(xué)習(xí)行為和認(rèn)知規(guī)律提供了可能，而學(xué)習(xí)行為和認(rèn)知規(guī)律的研究也可促進(jìn)腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新。

（二）優(yōu)化技術(shù)設(shè)備

腦機(jī)接口技術(shù)與設(shè)備的成熟度不足是影響其教育應(yīng)用的主要瓶頸。頭皮腦電信號(hào)十分微弱（10-20 μV）、成份復(fù)雜、易受噪聲干擾，穩(wěn)定可靠高質(zhì)量的信號(hào)檢測技術(shù)、高效精確專業(yè)的特征提取與信息解碼算法有待創(chuàng)新和突破。作為一種交叉性技術(shù)，腦機(jī)接口技術(shù)目前面臨較大挑戰(zhàn)，尤其是擁有神經(jīng)科學(xué)、電子科學(xué)、信息科學(xué)等背景的復(fù)合型行業(yè)人才緊缺，主要體現(xiàn)在以下方面：

1）精準(zhǔn)腦電檢測技術(shù)。腦電信號(hào)十分微弱，易受噪聲干擾，且不同個(gè)體最佳采集位點(diǎn)也有差異。如何根據(jù)個(gè)體差異精準(zhǔn)檢測出與任務(wù)相關(guān)的頭皮腦電還需深入研究。

2）腦電標(biāo)準(zhǔn)化處理流程。腦電信號(hào)具有非高斯、非平穩(wěn)、非線性的特點(diǎn)，節(jié)律成份復(fù)雜。處理腦電信號(hào)且不說處理流程差異，僅僅是處理時(shí)間窗、濾波頻帶、特征維數(shù)等參數(shù)差異就會(huì)對處理結(jié)果產(chǎn)生較大影響（高上凱，2007）。處理參數(shù)、處理方法和處理流程的不同會(huì)使同一數(shù)據(jù)的分析結(jié)果千差萬別。因此，規(guī)范腦電標(biāo)準(zhǔn)化處理流程十分重要（蒲江波，2021）。

3）腦電實(shí)時(shí)解碼算法。腦機(jī)接口的教育應(yīng)用往往需要對大腦認(rèn)知活動(dòng)加以實(shí)時(shí)解碼（陳菁菁等，2022）。而實(shí)時(shí)解碼需要面對的是大腦長期連續(xù)的工作，在這個(gè)過程中大腦不可能一直處于“工作狀態(tài)”，工作狀態(tài)的腦電信號(hào)或多或少會(huì)呈現(xiàn)一定規(guī)律，但是“非工作狀態(tài)”的腦電信號(hào)沒有固定模式，這會(huì)為腦電信息的準(zhǔn)確解讀帶來困難。

4）大腦認(rèn)知活動(dòng)的精確量化。學(xué)習(xí)過程中認(rèn)知活動(dòng)包含情感、注意力、專注度、疲勞度等參數(shù)，這些參數(shù)越精準(zhǔn)，腦機(jī)接口應(yīng)用效果就越好（Sitaram et al.，2017）。但是這些參數(shù)的量化，既沒有標(biāo)準(zhǔn)可以參考，也沒有統(tǒng)一的量化區(qū)間，不同個(gè)體不同試次的結(jié)果也會(huì)有較大差異。如何精確量化大腦內(nèi)部活動(dòng)仍需研究。

5）腦機(jī)交互適應(yīng)學(xué)習(xí)。在腦機(jī)接口運(yùn)行中，腦電信號(hào)經(jīng)過一系列的處理被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的指令，再通過命令的執(zhí)行對外部世界產(chǎn)生影響。為了適應(yīng)外部世界的變化，大腦必然會(huì)通過反饋調(diào)整工作模式，致使腦電隨之發(fā)生改變。如果不能實(shí)時(shí)更新腦電處理的算法，腦機(jī)接口就會(huì)因?yàn)椴荒苓m應(yīng)大腦的變化而無法正確解讀大腦的信息。因此，腦機(jī)交互適應(yīng)學(xué)習(xí)是突破腦機(jī)接口應(yīng)用的關(guān)鍵。

6）個(gè)體自適應(yīng)參數(shù)優(yōu)化。腦機(jī)接口對大腦認(rèn)知或意圖的預(yù)測性能依賴于模型的構(gòu)建，模型參數(shù)的訓(xùn)練則有賴于不同個(gè)體腦電信號(hào)，但是不同個(gè)體腦電信號(hào)差異較大，甚至同一個(gè)體不同時(shí)間段的腦電信號(hào)也存在較大差異（翟雪松等，2022）。更重要的是，腦電信號(hào)處理能采集到的訓(xùn)練集數(shù)目十分有限，如何只用少量樣本訓(xùn)練性能優(yōu)異的模型參數(shù)，也是腦機(jī)接口需要關(guān)注的研究方向。

7）便攜式普及型腦機(jī)接口系統(tǒng)。腦機(jī)接口是一類高新技術(shù)，目前商業(yè)化的腦機(jī)接口系統(tǒng)價(jià)格普遍昂貴，不易普及使用。如果沒有普通群體可以接受的價(jià)格成本，很難推廣使用。

8）舒適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。腦機(jī)接口技術(shù)有效采集到頭皮腦電的前提是需要使用者正確佩戴電極帽，但是長期佩戴電極帽并不舒適（任巖等，2019）。市面上已有易于佩戴的電極帽，但質(zhì)量有待優(yōu)化。

（三）健全制度保障

腦機(jī)接口以大腦為研究對象，可以讀取大腦的意圖、情感、偏好、專注力、健康狀況等信息（陳麗娜等，2019），且隨著技術(shù)的成熟，可讀取的信息會(huì)越來越多。如果數(shù)據(jù)得不到保護(hù)，會(huì)極大地侵犯使用者的隱私。更重要的是，如果信息采集者不主動(dòng)告知信息采集的內(nèi)容和目的，使用者很難知道，其知情權(quán)將受到侵犯（馮澤華，2022）。此外，腦機(jī)接口作為潛在有助于優(yōu)化個(gè)體學(xué)習(xí)能力的技術(shù)，如果不加以干預(yù)，極有可能只會(huì)讓極少數(shù)學(xué)生擁有快速“進(jìn)化”的能力，從而成為某種意義上的“優(yōu)等生”。因此，如何保護(hù)作為弱勢一方的學(xué)生的權(quán)利，已迫在眉睫。目前教育領(lǐng)域關(guān)于腦機(jī)接口的法律法規(guī)及約束制度幾乎空白（肖峰，2022），完善的制度保障刻不容緩。制定相關(guān)法律法規(guī)制度，切實(shí)保護(hù)使用者的隱私和權(quán)利，不僅是對腦機(jī)接口使用者的保護(hù)，也是對開發(fā)者的監(jiān)督。

（四）加強(qiáng)科普宣傳

盡管國家的重視和資本的青睞使得腦機(jī)接口得到了越來越多人的關(guān)注，但是腦機(jī)接口的普及程度還稍顯不足，知道并真正接觸過的人還不多。筆者利用微信平臺(tái)調(diào)查大學(xué)生群體對腦機(jī)接口技術(shù)的認(rèn)知程度（Liu et al.，2022）發(fā)現(xiàn)，腦機(jī)接口對于大學(xué)生而言還比較陌生，接觸過的大學(xué)生不多，一半以上大學(xué)生甚至沒有聽說過（51.2%），而且無論是接觸還是未接觸的大學(xué)生在潛意識(shí)里都認(rèn)為它可能存在危害，51.1%的大學(xué)生明確認(rèn)為有危害，認(rèn)為沒有危害的僅占4.1%，這表明人們對腦機(jī)接口還存在較大誤解。讓更多的人知道并接受腦機(jī)接口這一顛覆性技術(shù)是個(gè)難題，也是所有新技術(shù)面臨的共性問題。事實(shí)上腦機(jī)接口僅僅是個(gè)極低電磁輻射的普通電子設(shè)備，其危害程度甚至遠(yuǎn)不及電腦、手機(jī)等。人們對未知事物的偏見可以理解，但要消除人們對腦機(jī)接口的偏見可能需要付出更多的時(shí)間和精力。加強(qiáng)腦機(jī)接口技術(shù)的宣傳普及，讓腦機(jī)接口技術(shù)真正能夠走進(jìn)普通大眾的生活，消除大眾對腦機(jī)接口的誤解和猜疑，還任重道遠(yuǎn)。

總體來看，本文以教育應(yīng)用為抓手，從技術(shù)原理、應(yīng)用潛能和應(yīng)用障礙三方面探討了腦機(jī)接口技術(shù)的生存之路，以期能夠明晰腦機(jī)接口教育教學(xué)應(yīng)用的實(shí)踐創(chuàng)新方向。與傳統(tǒng)的主流教學(xué)方式相比，這些非主流技術(shù)在后疫情時(shí)代將何去何從，還有待觀察。