輕量級(jí)腦機(jī)接口AR探究工具的科學(xué)課堂應(yīng)用研究

蔡 蘇 李江旭 柳昌灝 周海濤 劉紫鳳

（北京師范大學(xué) 教育學(xué)部，北京 100875）

一、問題提出

教育部（2019）發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》指出：“要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，對(duì)于因受時(shí)空限制而在現(xiàn)實(shí)世界中無(wú)法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過程，以及有危險(xiǎn)性、破壞性和對(duì)環(huán)境有危害的實(shí)驗(yàn)，可用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等技術(shù)手段呈現(xiàn)”（2019）發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》指出：“要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，對(duì)于因受時(shí)空限制而在現(xiàn)實(shí)世界中無(wú)法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過程，以及有危險(xiǎn)性、破壞性和對(duì)環(huán)境有危害的實(shí)驗(yàn)，可用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等技術(shù)手段呈現(xiàn)”。VR/AR技術(shù)融合教育教學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)已引起廣泛關(guān)注。

以往將AR運(yùn)用于科學(xué)教育的研究多關(guān)注學(xué)習(xí)成就、動(dòng)機(jī)和態(tài)度等變量（Arici et al.，2019），關(guān)注的是學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果，而學(xué)生科學(xué)探究能力因常體現(xiàn)在學(xué)習(xí)過程中而被忽視?？茖W(xué)探究過程的評(píng)估，不僅可以通過問卷、量表和訪談等方式記錄學(xué)生科學(xué)探究過程的心理狀態(tài)，還可以使用設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大腦的腦波狀態(tài)（任巖等，2019）。腦機(jī)接口（brain computer interface，BCI）技術(shù)可用于收集學(xué)生的腦電波，幫助研究者通過數(shù)據(jù)了解學(xué)生，具有極大的應(yīng)用潛力（任巖等，2019）。腦機(jī)接口的核心價(jià)值體現(xiàn)為促進(jìn)大腦與計(jì)算機(jī)之間的雙向交互，有學(xué)者稱其為“腦機(jī)交互”（胡航等，2019）。

基于此，本研究試圖使用腦機(jī)接口技術(shù)監(jiān)測(cè)學(xué)習(xí)者科學(xué)探究過程注意力的變化，及與腦電整合的AR探究工具和普通的AR探究工具相比能否顯著提升學(xué)生的注意力，以及注意力的變化能否對(duì)學(xué)生的科學(xué)探究表現(xiàn)產(chǎn)生顯著影響。

設(shè)計(jì)過很多重要場(chǎng)合的高級(jí)定制禮服，被作為很多明星的指定用衣，論經(jīng)驗(yàn)楚艷足以作為老師和前輩?？墒窍胍獜?fù)原出敦煌服飾的美感，楚艷也不得不面對(duì)諸多的艱難險(xiǎn)阻。怎樣才能用設(shè)計(jì)還原那些最打動(dòng)人心的部分呢？

二、文獻(xiàn)綜述

（一）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)教育

科學(xué)探究指學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的科學(xué)問題，并針對(duì)特定的科學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施及結(jié)果的交流與討論（錢長(zhǎng)炎等，2012；張祥，2019）。AR是一項(xiàng)支持將虛擬對(duì)象和真實(shí)世界融合并協(xié)同顯示在真實(shí)環(huán)境的技術(shù)。它的虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互特性使其具有極強(qiáng)的情境塑造能力，能夠在科學(xué)知識(shí)和現(xiàn)實(shí)世界之間構(gòu)建交互的橋梁，為學(xué)生提供體驗(yàn)、探究的機(jī)會(huì)和空間（蔡蘇等，2016；張四方等，2018）。近年來(lái)，研究者嘗試運(yùn)用AR實(shí)驗(yàn)環(huán)境解決科學(xué)教育問題。

目前，AR用于科學(xué)教育的研究主要聚焦于考察AR與傳統(tǒng)媒體不同的優(yōu)勢(shì)，并通過測(cè)試和問卷等方式了解其對(duì)學(xué)生認(rèn)知和非認(rèn)知層面的影響（Boboc et al.，2021；Cai et al.，2021a；宋燕等，2021）。學(xué)業(yè)成績(jī)、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)態(tài)度是相關(guān)研究關(guān)注的三個(gè)最常見變量（Arici et al.，2019）。此外，還有研究涉及實(shí)驗(yàn)操作技能、自我效能、參與度、沉浸感、學(xué)習(xí)興趣等變量（Chang & Hwang，2018；Fidan & Tuncel，2019；Shin et al.，2020）。常見的數(shù)據(jù)收集工具包括成就測(cè)試、問卷調(diào)查和訪談。因此，多數(shù)研究采用定量研究或以定量為主的混合研究。考察學(xué)生學(xué)習(xí)過程的研究通常通過對(duì)課堂觀察獲得的非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)進(jìn)行人工編碼、定性數(shù)據(jù)挖掘和滯后序列分析等方法，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為（Cai et al.，2021b；Chiang et al.，2014）。但這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，操作不易，且數(shù)據(jù)收集和分析只能在學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)束后進(jìn)行，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)并加以提醒。因此，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腦電波狀態(tài)的腦機(jī)接口技術(shù)逐漸進(jìn)入教育研究領(lǐng)域。

（二）腦機(jī)接口技術(shù)用于教育教學(xué)

1929年，德國(guó)精神病學(xué)家漢斯·貝格爾（Hans Bergar）從顱骨缺損患者的大腦皮質(zhì)處成功檢測(cè)出活動(dòng)電流，并像心電圖一樣用圖標(biāo)的形式表現(xiàn)出來(lái)。這就是腦電圖（EEG）的由來(lái)（蘇珊·格林菲爾德，1998）。人有四種腦電波。當(dāng)人們處于高度清醒狀態(tài)（高度興奮和緊張）時(shí)，大腦在13-25 Hz波段工作，稱為β波；中度清醒（松弛而清醒）時(shí)，大腦在8-13 Hz 波段工作，稱為 α 波；睡眠初期，大腦在 4-8 Hz波段工作，稱為θ波；深度睡眠時(shí)大腦在0.5-4 Hz波段工作，稱為δ波（張旺等，2000）。

隨著技術(shù)的發(fā)展，人們可以使用干電極等簡(jiǎn)單輕便的設(shè)備收集被試的腦電波，被試無(wú)需洗頭涂膠?；诖祟愒O(shè)備的研究還處于探索階段，國(guó)外已有研究者將其用于學(xué)習(xí)過程的認(rèn)知心理實(shí)驗(yàn)。威爾遜和科恩（Wilson & Korn，2007）認(rèn)為，腦機(jī)接口技術(shù)可以提供新的非肌肉通道，用于向外部發(fā)送消息和命令，通常被用來(lái)測(cè)量注意力和焦慮值?；谶@一結(jié)論，絕大多數(shù)研究用腦電檢測(cè)學(xué)習(xí)者的注意力水平，并證明了被測(cè)量數(shù)據(jù)與學(xué)習(xí)者自我報(bào)告的注意力水平之間正相關(guān)（Rebolledo-Mendez et al.，2009）。此外，還有研究利用腦電數(shù)據(jù)為學(xué)生提供監(jiān)督機(jī)制或反饋策略，讓學(xué)生或教師隨時(shí)了解學(xué)習(xí)狀況并作出調(diào)整。林和考?xì)W（Lin & Kao，2018）試圖利用腦機(jī)接口分析在線學(xué)習(xí)者的腦電信號(hào)，從而形成學(xué)習(xí)能量。該研究通過為學(xué)生提供即時(shí)學(xué)習(xí)的預(yù)警監(jiān)督機(jī)制，發(fā)現(xiàn)腦機(jī)接口技術(shù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)具有促進(jìn)作用，同時(shí)能夠使教師理解學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙并及時(shí)給予關(guān)心和鼓勵(lì)。顧宣宣（2018）運(yùn)用腦電開展元認(rèn)知科學(xué)教育研究，發(fā)現(xiàn)可促進(jìn)學(xué)習(xí)者的自我認(rèn)知，形成外部調(diào)節(jié)，提升學(xué)習(xí)效率。楊曉哲（2018）研究發(fā)現(xiàn)基于腦電的反饋策略可以提升學(xué)生的藝術(shù)創(chuàng)造力。

將腦機(jī)接口技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合的研究也有相關(guān)成果。學(xué)生注意力在知識(shí)同化過程中發(fā)揮重要作用，有研究者利用便攜式腦電設(shè)備檢測(cè)學(xué)生使用AR學(xué)習(xí)時(shí)的注意力變化，并對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)方式的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AR對(duì)提升學(xué)生注意力有顯著作用（Bos et al.，2019）。此外，AR 教育應(yīng)用研究關(guān)注的參與度、沉浸感、自我效能、心流體驗(yàn)等變量（Arici et al.，2019）與注意力水平等腦電數(shù)據(jù)密不可分，因此腦機(jī)接口和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的結(jié)合能夠從生理角度揭示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)給學(xué)習(xí)者帶來(lái)的體驗(yàn)感。

目前，簡(jiǎn)易便攜式干電極腦電采集設(shè)備大都來(lái)自于國(guó)外廠家，如Muse頭環(huán)、NeuroSky腦立方耳機(jī)等，主要用于注意力訓(xùn)練和冥想。本研究采用電極數(shù)較多、電極靈敏度較好的輕量級(jí)設(shè)備Muse。該設(shè)備是一個(gè)大腦感知頭環(huán)，包含七個(gè)精確校準(zhǔn)傳感器，其中有兩個(gè)位于額葉區(qū)的前額傳感器（FP1、FP2），兩個(gè)位于顳葉區(qū)的智能導(dǎo)電橡膠耳部傳感器（TP9、TP10）和三個(gè)參考傳感器。Muse頭環(huán)可通過藍(lán)牙與電腦、平板或智能手機(jī)等連接，使用簡(jiǎn)單，不僅可以作為個(gè)人冥想助手，而且可以供醫(yī)院、診所或高校等應(yīng)用于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、大腦健康、心理治療和音樂認(rèn)知等研究（Herrera-Arcos et al.，2017；Mehreen et al.，2019）。

（三）心流理論

心流理論將個(gè)人體驗(yàn)分為三個(gè)層次：心流前兆、心流體驗(yàn)和心流結(jié)果（Csikszentmihalyi，1990）。契克森米哈伊（Csikszentmihalyi，1990）認(rèn)為當(dāng)一個(gè)人專注于某件事時(shí)，會(huì)產(chǎn)生心流（flow），表現(xiàn)為注意力高度集中、感覺時(shí)間飛逝、心情愉悅等。這種體驗(yàn)?zāi)苡行p少人在虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中被孤立和被隔絕的感覺，從而激勵(lì)人們重復(fù)參與活動(dòng)（代寶等，2015）。

這是一項(xiàng)成本高昂，技術(shù)和智力密集型的研究。但是，只有探索深海，我們才能挖掘深藏其中的寶藏，更好地了解大海的美以及它的復(fù)雜。

這是一個(gè)下霧的日子，這一天，他又有了餓的感覺。他的身體非常虛弱，他一陣一陣地暈得什么都看不見?，F(xiàn)在，對(duì)他來(lái)說(shuō)，一絆就摔跤已經(jīng)不是稀罕事了；有一次，他給絆了一跤，正好摔到一個(gè)松雞窩里。那里面有四只剛孵出的小松雞，出世才一天光景——那些活蹦亂跳的小生命只夠吃一口；他狼吞虎咽，把它們活活塞到嘴里，象嚼蛋殼似地吃起來(lái)，母松雞大吵大叫地在他周圍撲來(lái)?yè)淙?。他把槍?dāng)作棍子來(lái)打它，可是它閃開了。他投石子打它，碰巧打傷了它的一個(gè)翅膀。松雞拍擊著受傷的翅膀逃開了，他就在后面追趕。

有研究發(fā)現(xiàn)，心流體驗(yàn)與學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)正相關(guān)（蔡林等，2020）。此外，心流還與注意力水平、自我效能、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)投入等相關(guān)（謝文瀾等，2022）。還有研究發(fā)現(xiàn)心流體驗(yàn)在自我效能和學(xué)習(xí)投入之間的中介作用顯著，自我效能感可以對(duì)學(xué)生心流體驗(yàn)的注意力集中和投入度等產(chǎn)生顯著正向影響（蔡林等，2020）。本研究以心流理論為指導(dǎo)，將學(xué)生AR科學(xué)探究活動(dòng)的注意力水平、心流體驗(yàn)與自我效能等概念建立聯(lián)系，探索與腦機(jī)接口技術(shù)整合的AR探究工具對(duì)學(xué)生科學(xué)探究過程的影響。

近年來(lái)，農(nóng)田種糧效益低，輪作模式單一，農(nóng)作物產(chǎn)量降低，遭受病蟲草害的影響的現(xiàn)象較為普遍。為了能穩(wěn)糧增效，在共和縣塘河地區(qū)進(jìn)行“蠶豆—青稞”輪作種植模式的試驗(yàn)。

下班了，吳朝暉走出總編室有些恍惚，覺得以前堅(jiān)守的堤壩怎么松動(dòng)了。自己像一個(gè)在山洞里迷路的游客，好不容易看到一絲亮光，走近才知道是一只老鷹的眼睛。

三、研究設(shè)計(jì)

（一）預(yù)實(shí)驗(yàn)

1.預(yù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證Muse設(shè)備注意力算法的有效性及基于腦機(jī)接口的AR實(shí)驗(yàn)環(huán)境是否可行，本研究在實(shí)驗(yàn)前開展了預(yù)實(shí)驗(yàn)，旨在回答以下兩個(gè)問題：1）通過注意力算法輸出的注意力值與心流體驗(yàn)是否相關(guān)？2）基于腦機(jī)接口的AR實(shí)驗(yàn)環(huán)境技術(shù)接受度如何？研究者招募了來(lái)自北京某小學(xué)5～6年級(jí)、10～13歲的31名學(xué)生。預(yù)實(shí)驗(yàn)要求被試頭戴Muse在AR環(huán)境中完成注意力訓(xùn)練任務(wù)：意念彎勺、爆炸氣球、火箭起飛（見圖1）。根據(jù)被試完成的時(shí)間評(píng)估等級(jí)，研究者要求被試完成任務(wù)后填寫心流體驗(yàn)問卷和技術(shù)接受度問卷，并對(duì)3名被試開展半結(jié)構(gòu)訪談。本實(shí)驗(yàn)使用的量表是心流體驗(yàn)評(píng)估量表（flow experience）（Jackson et al.，2010），共 10 題（Cronbach's α =0.75）；技術(shù)接受度量表（Hwang et al.，2013），共 13題（Cronbach's α = 0.92），分感知有用性（Cronbach's α = 0.94）和感知易用性（Cronbach's α = 0.88）兩個(gè)子維度，問卷測(cè)量方式均為李克特5點(diǎn)量表。

圖1 預(yù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)

本實(shí)驗(yàn)招募了北京某小學(xué)六年級(jí)、10～13歲的41名學(xué)生為被試，其中，實(shí)驗(yàn)組21人，對(duì)照組20人。獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生科學(xué)探究前的學(xué)業(yè)成績(jī)無(wú)顯著差異（見表三）。

對(duì)被試的心流體驗(yàn)和注意力值進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析的結(jié)果見表一。被試的注意力值與心流體驗(yàn)之間存在顯著相關(guān)性（p＜ 0.010），且兩者之間高度正相關(guān)（r = 0.815 ＞ 0）。由于心流體驗(yàn)反映了被試參與實(shí)驗(yàn)的投入程度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示注意力值能代表心流體驗(yàn)的程度，因此該注意力算法能通過注意力值反映被試的注意力水平。

表一 注意力值與心流體驗(yàn)的相關(guān)性

對(duì)第一個(gè)問題“你在本次活動(dòng)中學(xué)到了什么？”有學(xué)生回答“今天學(xué)習(xí)了杠桿原理后我覺得更會(huì)玩蹺蹺板了”“書上阿基米德說(shuō)給我一個(gè)支點(diǎn)我能翹起地球，今天學(xué)完后我更明白他為什么這么說(shuō)了”。學(xué)生表示能大致說(shuō)出觀察到的現(xiàn)象和所學(xué)到的知識(shí)，對(duì)教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)內(nèi)容有較深刻的理解。

表二 技術(shù)接受度

在訪談中，被試均認(rèn)為本次實(shí)驗(yàn)活動(dòng)有趣，樂意使用這套實(shí)驗(yàn)環(huán)境。例如，第三位學(xué)生說(shuō)：“感覺像是在玩游戲，用大腦控制（虛擬物體）的感覺很神奇”。同時(shí)，第一位學(xué)生有更多的創(chuàng)新想法：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)很好玩，要是內(nèi)容多些就更好了，比如用意念控制機(jī)器人”。此外，被試均認(rèn)為基于腦機(jī)接口的AR注意力軟件顯示的注意力值能正確反映其注意力水平，這與技術(shù)接受度有用性維度的數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。例如，第二位學(xué)生說(shuō)：“當(dāng)我屏住呼吸集中精神時(shí)小火箭會(huì)上升，當(dāng)我放松時(shí)它就掉下來(lái)?！盇R呈現(xiàn)的場(chǎng)景將學(xué)生的注意力具象化。同時(shí)他們表示首次接觸實(shí)驗(yàn)環(huán)境有個(gè)適應(yīng)的過程，使用該軟件兩個(gè)場(chǎng)景后逐漸掌握了方法，能通過集中注意力控制場(chǎng)景中虛擬物體的變化。學(xué)生表示：“剛開始時(shí)我不知道怎么操作，但是在吹氣球時(shí)掌握了，后面（操作）小火箭就比較順利了?！薄皠傞_始時(shí)像戴了緊箍咒，總要調(diào)（頭環(huán)松緊），但調(diào)好了就不用管了，結(jié)束后差點(diǎn)忘了自己頭上還戴了這個(gè)”?？梢姡辉囉斜匾煜ぬ搶?shí)結(jié)合的AR場(chǎng)景和頭環(huán)設(shè)備，這與技術(shù)接受度易用性維度的數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。此外，學(xué)習(xí)者對(duì)使用Muse和平板進(jìn)行AR探究的認(rèn)可度較高，但Muse設(shè)備使用前需正確佩戴，否則容易造成接觸不良影響信號(hào)傳輸。關(guān)于能否控制自己的注意力，有學(xué)生認(rèn)為能夠通過集中注意力控制場(chǎng)景AR物體的變化，部分學(xué)生覺得注意力檢測(cè)存在延遲，但處于可接受的范圍。正如第二位學(xué)生所說(shuō)：“我能控制自己的專注度，這個(gè)軟件讓我知道專心是什么感覺”。這表明基于腦機(jī)接口的AR注意力軟件在一定程度上能讓學(xué)生掌握注意力集中的方法，從而達(dá)到鍛煉注意力的目的。

總體而言，該注意力算法可以測(cè)量學(xué)生的注意力，可運(yùn)用于后續(xù)的軟件開發(fā)和實(shí)證研究，部分實(shí)驗(yàn)對(duì)象認(rèn)為軟件中的注意力值變化較為頻繁。從腦電信號(hào)記錄看，注意力確實(shí)呈小幅波動(dòng)，這說(shuō)明算法的精度還有待提升。被試感覺整套“腦機(jī)接口+AR”的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有用，且使用起來(lái)不復(fù)雜，但需要時(shí)間適應(yīng)和研究者的指導(dǎo)。

（二）AR軟件

預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該注意力算法可用于后續(xù)AR科學(xué)探究工具的開發(fā)。本研究使用Unity 3D開發(fā)引擎和Vuforia工具包實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能，并將軟件打包為APK文件在安卓移動(dòng)終端使用。實(shí)現(xiàn)基于腦機(jī)接口的AR工具還需通過Muse Monitor軟件將Muse信號(hào)通過內(nèi)置算法轉(zhuǎn)化為注意力Concentration值，即數(shù)值為0-100之間的整數(shù)，數(shù)值越高表示注意力水平越高。

由于AR能夠創(chuàng)造沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，有研究將心流理論應(yīng)用到AR教學(xué)。例如，研究者開展了利用AR工具模擬宇宙行星運(yùn)動(dòng)的科學(xué)探究活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)使用基于AR的學(xué)生的心流體驗(yàn)和動(dòng)機(jī)提升明顯，且優(yōu)于對(duì)照組學(xué)生（Chen et al.，2022）。伊瓦內(nèi)斯等（Ibá?ez et al.，2014）發(fā)現(xiàn)在學(xué)習(xí)電磁學(xué)時(shí)，使用AR探究的參與者與使用基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的參與者相比能獲得更高水平的心流體驗(yàn)。

田笑著開車走了，車子帶起的秋風(fēng)把女人推了一下，使她立馬就打了個(gè)冷戰(zhàn)。她一邊裹緊了風(fēng)衣朝前走，一邊想看來(lái)只能單身一輩子了。

該工具注重AR軟件與學(xué)習(xí)者的交互功能，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)了交互式探究學(xué)習(xí)環(huán)境。以AR科學(xué)探究工具“杠桿原理”為例，學(xué)生通過使用平板電腦的攝像頭掃描特定的標(biāo)記卡片即可看到虛擬實(shí)驗(yàn)裝置，虛擬杠桿兩端為可調(diào)節(jié)的砝碼，學(xué)生可以調(diào)節(jié)砝碼的質(zhì)量和力臂大小，點(diǎn)擊“開始”按鈕即可讓砝碼受到重力作用。裝置會(huì)給出結(jié)果反饋（偏左/偏右/兩端平衡），學(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)任務(wù)單就可以完成杠桿平衡實(shí)驗(yàn)。

所謂制度追求價(jià)值的考量，完善制度最重要的是把社會(huì)主義的基本價(jià)值取向充分地反映在制度安排之中。馬克思主義經(jīng)典作家對(duì)社會(huì)主義社會(huì)的價(jià)值取向有過系統(tǒng)而豐富的論述，這些價(jià)值追求的實(shí)現(xiàn)必須通過制度安排才能做到。中國(guó)特色社會(huì)主義的理論和實(shí)踐探索告訴我們，建設(shè)中國(guó)特色社會(huì)主義最重要的價(jià)值訴求是兩條，一是人民當(dāng)家作主，堅(jiān)持人民主體地位，一是維護(hù)社會(huì)公平正義。只有堅(jiān)持這兩條價(jià)值原則，才能保證人民共享發(fā)展成果，走共同富裕道路，才能促進(jìn)社會(huì)和諧，促進(jìn)人的全面發(fā)展。黨的領(lǐng)導(dǎo)、解放和發(fā)展社會(huì)生產(chǎn)力、改革開放等都是實(shí)現(xiàn)如上價(jià)值訴求的條件保證和路徑選擇。

有研究者指出，運(yùn)用AR開展教學(xué)需使用輔助教學(xué)支架，否則容易降低學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)（Chu et al.，2019；Kerawalla et al.，2006）。目前常見的支架包括流程圖、模型、工作樣例、概念圖、提示等，在基于本文的教學(xué)環(huán)境中，提示是一種較為切實(shí)可行的方式。真實(shí)課堂環(huán)境的聲音提示容易擾亂課堂秩序，因此本研究采用文字提示方式（Yoon et al.，2018），將預(yù)實(shí)驗(yàn)使用的注意力算法作為輸入信號(hào)，與上述主題為“杠桿原理”的AR科學(xué)探究工具結(jié)合，設(shè)計(jì)基于注意力算法的反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生開展科學(xué)探究的注意力水平值，并以支架式教學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用文字反饋的方式給予提醒。學(xué)生學(xué)習(xí)過程中如果注意力較低，將會(huì)收到“集中注意力，想一想”的提醒反饋（見圖2）。

圖2 集成了腦電注意力反饋的AR科學(xué)探究工具截圖界面

（三）樣本T檢驗(yàn)

2.預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表三 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)前測(cè)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)

（四）實(shí)驗(yàn)流程

在正式開始科學(xué)探究前，研究者向?qū)嶒?yàn)組和對(duì)照組的學(xué)生介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和AR工具使用注意事項(xiàng)，并完成知識(shí)前測(cè)和科學(xué)探究參與自我效能問卷填寫。實(shí)驗(yàn)開始后實(shí)驗(yàn)組采用基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具，對(duì)照組使用沒有腦機(jī)接口的常規(guī)AR科學(xué)探究工具。兩種工具除有無(wú)注意力提示外，呈現(xiàn)的知識(shí)內(nèi)容和交互方式等相同。兩組學(xué)生在AR環(huán)境完成主題為“杠桿原理”的科學(xué)探究任務(wù)（見圖3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后本研究完成知識(shí)后測(cè)及科學(xué)探究參與自我效能后測(cè)問卷、心流體驗(yàn)問卷和認(rèn)知負(fù)荷問卷，最后隨機(jī)選擇實(shí)驗(yàn)組的四名學(xué)生開展訪談（見圖4）。

圖3 基于腦機(jī)接口的AR杠桿原理探究活動(dòng)

圖4 實(shí)驗(yàn)流程

（五）研究工具

本次實(shí)驗(yàn)的學(xué)業(yè)成績(jī)測(cè)試題源于教材課后試題。問卷涉及學(xué)習(xí)者科學(xué)探究參與自我效能、心流體驗(yàn)評(píng)估和認(rèn)知負(fù)荷?？茖W(xué)探究參與問卷（Cronbach's α = 0.89）來(lái)自麥吉爾學(xué)習(xí)者探究參與自我效能問卷（Ibrahim et al.，2016），分為分析和解釋數(shù)據(jù)（Cronbach's α = 0.71）、實(shí)施調(diào)查（Cronbach's α=0.81）、知識(shí)應(yīng)用（Cronbach's α = 0.72）、定義問題（Cronbach's α = 0.73）和概念性知識(shí)理解（Cronbach's α = 0.78）五個(gè)維度，共 17 題，采用李克特 5 點(diǎn)量表。心流體驗(yàn)問卷來(lái)自杰克遜心流問卷（Jackson et al.，2010），共10題，也采用李克特5點(diǎn)量表（Cronbach's α = 0.84）。認(rèn)知負(fù)荷問卷（Cronbach's α = 0.91）來(lái)自黃國(guó)禎等（Hwang et al.，2013）的認(rèn)知負(fù)荷問卷，分心智負(fù)荷（Cronbach's α = 0.83）和心智努力（Cronbach's α = 0.83）兩個(gè)維度，共 8 題，其中心智負(fù)荷表示被試對(duì)任務(wù)難度或任務(wù)挑戰(zhàn)性的態(tài)度，心智努力表示被試對(duì)任務(wù)呈現(xiàn)的格式及解說(shuō)方式的態(tài)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，研究者邀請(qǐng)4名學(xué)生開展半結(jié)構(gòu)訪談。

四、研究結(jié)果

（一）實(shí)驗(yàn)組學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)提升明顯

研究者分別對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的學(xué)業(yè)成績(jī)進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果顯示（見表四），實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的學(xué)業(yè)成績(jī)?cè)谕瓿煽茖W(xué)探究后顯著提升（p＜0.001）。以前測(cè)學(xué)業(yè)成績(jī)得分為協(xié)變量，對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的后測(cè)學(xué)業(yè)成績(jī)進(jìn)行協(xié)方差分析的結(jié)果表明，在滿足方差齊性的情況下（p= 0.371），實(shí)驗(yàn)組后測(cè)成績(jī)?cè)?.05水平上顯著高于對(duì)照組，因此實(shí)驗(yàn)組成績(jī)提升更明顯。

表四 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)橫縱比較

（二）實(shí)驗(yàn)組自我效能感更強(qiáng)

研究者分別對(duì)兩組學(xué)生的科學(xué)探究參與自我效能得分進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果顯示（見表五），他們的探究參與自我效能在0.001水平上均有顯著提升。再以自我效能的前測(cè)得分為協(xié)變量，對(duì)兩組自我效能后測(cè)得分進(jìn)行協(xié)方差分析的結(jié)果表明，在滿足方差齊性的情況下（p= 0.133），實(shí)驗(yàn)組自我效能的后測(cè)得分在0.050水平上顯著高于對(duì)照組。這表明實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的科學(xué)探究參與的自我效能感更強(qiáng)。

此外，還有多學(xué)科診療的住院開展形式。一是進(jìn)行多學(xué)科會(huì)診；二是定期病例討論會(huì)，疑難病例討論，制定特殊病例的個(gè)體化多學(xué)科綜合治療方案；三是積極舉辦研討會(huì)。

表五 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組自我效能的橫縱比較

研究者將前測(cè)對(duì)應(yīng)維度水平作為協(xié)變量，對(duì)五個(gè)維度分別展開協(xié)方差分析的結(jié)果見表六。實(shí)施調(diào)查維度滿足方差齊性（p= 0.405）在 0.050 水平上存在顯著差異，實(shí)驗(yàn)組其他維度的成績(jī)普遍高于對(duì)照組。

表六 兩組自我效能五維度得分對(duì)比

（三）實(shí)驗(yàn)組科學(xué)探究沉浸度更高

對(duì)心流體驗(yàn)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果表明，兩組學(xué)生的心流體驗(yàn)存在顯著差異（見表七），實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的心流體驗(yàn)得分在p=0.001的水平上顯著高于對(duì)照組，說(shuō)明他們的科學(xué)探究過程的沉浸度更高。

表七 兩組心流體驗(yàn)得分對(duì)比

（四）實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的認(rèn)知負(fù)荷無(wú)顯著差異

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，山東省公辦園教師月工資收入3500元以下者占86.29%，民辦園占98.07%，公辦園為教師全部辦理“五險(xiǎn)一金”的占21.32%，民辦園僅為12.08%?？梢?，學(xué)前教師的工資普遍較低，辦理“五險(xiǎn)一金”的比例也很低，微薄的工資收入和缺位的社會(huì)保障待遇直接影響學(xué)前教師的職業(yè)吸引力，造成學(xué)前教師的大量流失，使本就匱乏的師資力量雪上加霜。

氫動(dòng)力汽車主要借助氫燃料與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在提供動(dòng)力的同時(shí)，也有效避免了環(huán)境污染，是一種優(yōu)勢(shì)非常明顯的新能源汽車產(chǎn)品。但是，氫燃料電池價(jià)格較高，氫燃料儲(chǔ)存和運(yùn)輸難度較大，氫氣需要通過電解水或應(yīng)用天然氣來(lái)制作獲取，因此，在一定程度上消耗了寶貴的能源，與可持續(xù)發(fā)展的觀念不符。

表八 兩組認(rèn)知負(fù)荷及其子維度得分對(duì)比

（五）訪談結(jié)果

被試的技術(shù)接受度描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表二。無(wú)論是總體技術(shù)接受度還是子維度感知有用性和感知易用性，其均值都在4分以上（滿分為5），可見基于腦機(jī)接口的AR注意力軟件有用且易于使用。

對(duì)認(rèn)知負(fù)荷及其兩個(gè)子維度心智負(fù)荷和心智努力分別進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)（見表八）的結(jié)果表明，兩組學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷不存在顯著差異。其中，心智負(fù)荷表示被試對(duì)任務(wù)難度或任務(wù)挑戰(zhàn)性的態(tài)度，心智努力表示被試對(duì)于任務(wù)呈現(xiàn)的格式及解說(shuō)方式的態(tài)度，兩者仍沒有顯著差異。

對(duì)于第二個(gè)問題“你覺得使用這種方式學(xué)習(xí)有利于科學(xué)探究嗎？”有學(xué)生回答：“老師以前上課時(shí)會(huì)拿舊的天平做實(shí)驗(yàn)演示，今天使用平板電腦學(xué)習(xí)很先進(jìn)，可以自己動(dòng)手做（實(shí)驗(yàn)），比那個(gè)（天平）方便，也好玩?！薄斑@種（學(xué)習(xí)）方式讓我可以親手做實(shí)驗(yàn)，生動(dòng)形象?！睂W(xué)生認(rèn)為AR能激發(fā)他們對(duì)科學(xué)探究的興趣，原來(lái)做杠桿原理實(shí)驗(yàn)會(huì)因?yàn)樘炱胶晚来a存在磨損和腐蝕等情況，實(shí)驗(yàn)儀器精準(zhǔn)度存在問題，使用AR可以避免這些問題，也讓原本肉眼不可見的信息（如力臂）清晰顯示。

對(duì)于第三個(gè)問題“你覺得使用此軟件有助于提升學(xué)習(xí)專注度嗎？”有學(xué)生回答：“這個(gè)軟件能鼓勵(lì)我集中精力，增強(qiáng)繼續(xù)探究的動(dòng)力。”學(xué)生認(rèn)為基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具可以提升其科學(xué)探究信心，注意力反饋系統(tǒng)在注意力不集中時(shí)加以提醒，起到良好的監(jiān)督作用，有助于保持良好的心理狀態(tài)持續(xù)探究。對(duì)于第四個(gè)問題“你本次學(xué)習(xí)中有感覺困難的時(shí)候嗎？”有學(xué)生回答：

“我使用這個(gè)軟件時(shí)總?cè)滩蛔∪タ刺嵝训淖??！薄坝袝r(shí)做實(shí)驗(yàn)時(shí)這個(gè)（提醒文字）總是出現(xiàn)后隨即消失。”學(xué)生認(rèn)為腦電波反饋提示讓界面變得更復(fù)雜，對(duì)其判斷造成干擾，讓其無(wú)法“自由”探究。綜合學(xué)生對(duì)第三、四個(gè)問題的回答可以得出，兩組學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷無(wú)顯著差異的原因：一方面反饋系統(tǒng)讓學(xué)生在注意力不集中時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整，另一方面反饋界面可能干擾學(xué)生。

總體而言，基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具促進(jìn)了學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)，提升了學(xué)生參與科學(xué)探究的信心，腦電信號(hào)的反饋內(nèi)容起到了監(jiān)督作用，對(duì)提升學(xué)生專注度有積極效果，可提升科學(xué)探究的效率，然而注意力反饋方式還有待優(yōu)化。

五、結(jié)論與討論

本研究聚焦學(xué)生在AR環(huán)境中開展科學(xué)探究的學(xué)習(xí)過程，通過兩輪實(shí)驗(yàn)探索了基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具在科學(xué)課堂的應(yīng)用。本研究通過預(yù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了腦電注意力算法的有效性及基于腦機(jī)接口的AR實(shí)驗(yàn)環(huán)境的可行性；準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具，以杠桿原理為知識(shí)點(diǎn)，針對(duì)小學(xué)生開展實(shí)證研究，發(fā)現(xiàn)該工具有助于提升學(xué)生的科學(xué)探究成績(jī)，提高學(xué)生科學(xué)探究參與的自我效能和達(dá)成心流狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為未來(lái)虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)習(xí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建提供參考。

預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，學(xué)生使用軟件的心流體驗(yàn)與注意力算法值顯著正相關(guān)，即注意力算法值可以反映學(xué)生的心流狀態(tài)，而心流狀態(tài)能反映個(gè)體注意力的真實(shí)水平，因此該注意力算法可真實(shí)反映個(gè)體的注意力水平。

在準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生的科學(xué)探究成績(jī)進(jìn)行協(xié)方差分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組的科學(xué)探究成績(jī)顯著高于對(duì)照組，說(shuō)明基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具能顯著提升學(xué)生的科學(xué)探究成績(jī)，對(duì)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)有積極作用。這一結(jié)論與此前研究者的觀點(diǎn)相似。有學(xué)者研究在線同步教學(xué)中注意力反饋和監(jiān)督報(bào)警機(jī)制對(duì)學(xué)生成績(jī)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，注意力與報(bào)警次數(shù)和學(xué)習(xí)成績(jī)之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，且持續(xù)注意和注意警報(bào)頻次對(duì)學(xué)習(xí)成績(jī)有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)作用（Chen & Wang，2018）。穆里斯（Muris，2006）對(duì)兒童的注意力控制和學(xué)習(xí)成績(jī)之間的關(guān)系開展了全球調(diào)查，發(fā)現(xiàn)兩者呈正相關(guān)。學(xué)生訪談中也提到，基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具加深了他們對(duì)學(xué)習(xí)概念的印象及對(duì)知識(shí)的理解，這也是成績(jī)提高的原因所在。

通過對(duì)兩組學(xué)生科學(xué)探究參與自我效能的協(xié)方差分析，本研究發(fā)現(xiàn)使用基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具的學(xué)生的科學(xué)探究參與自我效能比使用普通的AR科學(xué)探究工具的學(xué)生有更顯著的提升，說(shuō)明本研究設(shè)計(jì)與開發(fā)的探究工具有利于提高學(xué)生參與科學(xué)探究的信心。訪談中有學(xué)生表示其注意力不足時(shí)，基于注意力的反饋鼓勵(lì)其繼續(xù)探究，可見基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具能及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生注意力問題并給予提醒，有利于學(xué)生探究。

為考察基于腦電信號(hào)的注意反饋系統(tǒng)的有效性，本研究在準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了學(xué)生的心流體驗(yàn)，作為學(xué)生使用基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)注意力水平的參考。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組的心流體驗(yàn)顯著高于對(duì)照組。由于基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具融入注意力反饋系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者使用該系統(tǒng)時(shí)會(huì)根據(jù)收到的腦電信號(hào)反饋?zhàn)晕艺{(diào)節(jié)注意力，有助于他們保持高水平注意力，達(dá)成心流狀態(tài)。訪談結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)本次實(shí)驗(yàn)活動(dòng)表現(xiàn)出較大興趣，學(xué)習(xí)過程投入度較高。同時(shí)，基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具便于操作，讓學(xué)生能自然地進(jìn)入探究式學(xué)習(xí)情境，專注探究過程。

氫氣的選擇性抗氧化作用——治療疾病的基礎(chǔ)。氫氣可以與自由基發(fā)生中和反應(yīng)，發(fā)揮選擇性抗氧化的生物學(xué)效應(yīng)。自由基是指含有未成對(duì)電子的原子、分子或原子團(tuán)。正常情況下體內(nèi)的自由基并不會(huì)引發(fā)疾病，因?yàn)槠洚a(chǎn)生和清除保持著動(dòng)態(tài)平衡，此外，人體需要一定數(shù)量的自由基參與正常的生命活動(dòng)。但是當(dāng)氧化反應(yīng)增強(qiáng)或抗氧化能力受損時(shí)，動(dòng)態(tài)平衡被打破，異常增多的自由基會(huì)導(dǎo)致機(jī)體細(xì)胞的氧化損傷，即產(chǎn)生氧化應(yīng)激。

兩組被試的認(rèn)知負(fù)荷沒有顯著差異，一定程度上說(shuō)明基于腦機(jī)接口的AR科學(xué)探究工具的文字提示沒有對(duì)學(xué)生造成過多干擾。學(xué)界對(duì)AR學(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷一直有爭(zhēng)議，有研究證實(shí)通過使用AR與虛擬對(duì)象交互可以有效降低認(rèn)知負(fù)荷（楊廣軍，2006），也有部分研究者從AR軟件設(shè)計(jì)角度關(guān)注如何降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷（Yim & Seong，2010）。與此相反，有研究者認(rèn)為AR給學(xué)生造成了學(xué)習(xí)材料的負(fù)載和較重的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)（Ak?ay?r et al.，2016）， 學(xué)生可能會(huì)因?yàn)檫^多的學(xué)習(xí)材料、難以理解其內(nèi)容（K?l??，2007）和需要學(xué)習(xí)操作方式（Bujak et al.，2013；Lai et al.，2019；Wei et al.，2015）而受到干擾。

本研究依據(jù)基于腦機(jī)接口采集的注意力信號(hào)值，在平板電腦的AR界面使用文字反饋，可能在一定程度上加重了學(xué)生操作軟件的認(rèn)知負(fù)荷，尤其是對(duì)第一次接觸AR的學(xué)生來(lái)說(shuō)，熟悉AR的操作方式本身可能就是挑戰(zhàn)，因此他們既要熟悉AR操作方式，又要關(guān)注知識(shí)學(xué)習(xí)?；谧⒁饬Φ奈淖址答佒辉趯W(xué)生注意力水平較低時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)困難導(dǎo)致注意力不集中的學(xué)生而言，可能因頻繁出現(xiàn)的提醒，加重了他們的心智負(fù)荷。