盧錦運(yùn) 龔春燕 禹東川 鐘冬梅 薄小麗 吳傳燕 毛遠(yuǎn)航

摘要基于生物大數(shù)據(jù)的教育學(xué)研究，可以為全面深入地認(rèn)識(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)制、掌握學(xué)習(xí)規(guī)律、促進(jìn)能力發(fā)展，以及探索更有效的教學(xué)和評(píng)價(jià)方法提供實(shí)證基礎(chǔ)。通過建立實(shí)驗(yàn)室或讓學(xué)生使用穿戴式設(shè)備直接獲取其腦電、心電、皮膚電等數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)挖掘分析方法，建立評(píng)估模型，研究行為數(shù)據(jù)評(píng)估與生物數(shù)據(jù)的相關(guān)性，促進(jìn)了教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)估的新發(fā)展。

關(guān)鍵詞神經(jīng)教育學(xué)；腦科學(xué)；教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)；生物大數(shù)據(jù)；功能性磁共振成像（fMRI）；腦磁圖（MEG）；皮膚電

中圖分類號(hào)G63

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1002-2384（2018）05-0014-03

在經(jīng)濟(jì)全球化、知識(shí)經(jīng)濟(jì)和顛覆性信息技術(shù)的沖擊下，世界對(duì)未來人才和教育的需求均在發(fā)生深刻變化，未來教育及學(xué)習(xí)范式的變革時(shí)代已經(jīng)到來。在學(xué)習(xí)科學(xué)與腦科學(xué)研究的引領(lǐng)下，“神經(jīng)教育學(xué)”作為研究新領(lǐng)域，是教育學(xué)研究方法的革命性變革。多項(xiàng)研究表明，生理信號(hào)能夠更加誠(chéng)實(shí)地反映個(gè)體在情緒狀態(tài)下自主神經(jīng)系統(tǒng)的工作模式，因而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，基于生物數(shù)據(jù)的識(shí)別研究應(yīng)運(yùn)而生。

借助科學(xué)技術(shù)手段，我們可以獲得在特定場(chǎng)景下學(xué)生“生理-生化-行為”的生物大數(shù)據(jù)，為全面深入地認(rèn)識(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)制、掌握學(xué)習(xí)規(guī)律、促進(jìn)能力發(fā)展，以及探索更有效的教學(xué)和評(píng)價(jià)方法提供實(shí)證基礎(chǔ)。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：基于生物大數(shù)據(jù)的教育學(xué)研究正在起步

目前，基于生物大數(shù)據(jù)的教育學(xué)研究處于起步階段，一些研究成果為教育研究與發(fā)展提供了有益的指導(dǎo)。其中，比較有影響的是來自美國(guó)華盛頓大學(xué)研究?jī)和缙谡Z(yǔ)言發(fā)展的Kuhl教授團(tuán)隊(duì)，他們采用高密度腦電（EEG）、功能性磁共振成像（fMRI）和腦磁圖（MEG）等腦影像工具，研究不同教材、教育方法、學(xué)習(xí)方法等因素與腦影像的相互影響關(guān)系。其中一個(gè)影響比較廣泛的結(jié)論是：嬰兒學(xué)習(xí)與其和人之間的情感交流以及互動(dòng)關(guān)系很大，運(yùn)用電視節(jié)目學(xué)習(xí)母語(yǔ)和外語(yǔ)的效果很有限。[1]

國(guó)際上眾多科學(xué)家對(duì)皮膚電（SC）、腦電（EEG）、肌電（EMG）、心電（ECG）、呼吸（RSP）和血容量搏動(dòng)（BVP）等生理信號(hào)在情感識(shí)別方面的作用有重要理論貢獻(xiàn)。[2]人們可以通過采集人體的各種生理信號(hào)，如腦電、皮膚電、肌電、心電、呼吸和血容量搏動(dòng)等，來推測(cè)個(gè)體當(dāng)前所處的情緒狀態(tài)。例如：麻省理工學(xué)院的Picard教授等人從肌電、呼吸、皮膚電和血容量搏動(dòng)這四種生理信號(hào)中提取40種特征來進(jìn)行4種情緒狀態(tài)的識(shí)別研究，識(shí)別率達(dá)到70%以上。[3]Gruebler等通過肌電信號(hào)獲取受試者的面部肌肉信號(hào)，能分辨笑與皺眉。[4] Katsis通過采集面部肌電信號(hào)、心電信號(hào)、呼吸以及皮膚電活動(dòng)，辨識(shí)賽車手是否處于高度緊張、低度緊張、失望以及歡快的精神狀態(tài)。[5]德克薩斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則研究了成人和兒童在集中注意力時(shí)的專注程度與皮膚電的關(guān)系，證實(shí)被試在專注程度較高時(shí)將激發(fā)更大幅值的皮膚電反應(yīng)。

2017年10月，重慶市教育評(píng)估院應(yīng)邀參加愛爾蘭科克大學(xué)（UCC）舉辦的“大數(shù)據(jù)挖掘與模型建構(gòu)的研討會(huì)”，并做了“基于重慶基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析的兒童能力模型研究”專題報(bào)告，會(huì)間與歐盟大數(shù)據(jù)分析中心負(fù)責(zé)人、愛爾蘭科克大學(xué)數(shù)理學(xué)院院長(zhǎng)飛馬（Finbarr OSullivan）教授和黃健教授（Jian Haung）進(jìn)行了深度訪談。據(jù)介紹，他們開展了多年的幼兒腦電分析，形成了圖形大數(shù)據(jù)，建立了幼兒不同階段的數(shù)據(jù)模型，揭示了不同幼兒學(xué)習(xí)的生物反應(yīng)，這些研究成果不僅揭示了兒童語(yǔ)言學(xué)習(xí)過程的神經(jīng)機(jī)制，而且為兒童語(yǔ)言教育的評(píng)估提供了基于實(shí)證的科學(xué)手段。

國(guó)內(nèi)基于生物大數(shù)據(jù)的研究成果也較為豐富。例如：西南大學(xué)劉光遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)研究通過不同的計(jì)算機(jī)算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和一些現(xiàn)代優(yōu)化算法，提高通過各種生理參數(shù)來進(jìn)行情感識(shí)別的準(zhǔn)確度。[6]北京師范大學(xué)劉嘉教授、東南大學(xué)禹東川教授等，整合了腦科學(xué)、發(fā)展心理學(xué)、教育學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和信息技術(shù)等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)，開展從基因、神經(jīng)遞質(zhì)、腦功能結(jié)構(gòu)，到生理、行為等多個(gè)層次的青少年綜合素質(zhì)測(cè)評(píng)研究，研制出包括個(gè)體化形成性測(cè)評(píng)系統(tǒng)、課堂教學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)、神經(jīng)信息反饋系統(tǒng)等一系列兒童發(fā)展評(píng)測(cè)儀器，并將其應(yīng)用于教育實(shí)踐。[7]

二、重慶實(shí)踐：將生理數(shù)據(jù)引入學(xué)生發(fā)展和教育評(píng)價(jià)研究

當(dāng)前，生物大數(shù)據(jù)在教育領(lǐng)域的研究和實(shí)踐成果，大多集中在通過腦影像設(shè)備獲取腦認(rèn)知狀態(tài)的相關(guān)研究。目前，腦電波在監(jiān)測(cè)個(gè)體注意力和學(xué)習(xí)狀態(tài)方面已經(jīng)有了較為成熟的研究成果，但是采集腦電波的設(shè)備在實(shí)際教育教學(xué)過程中佩戴不方便，大范圍地推廣和長(zhǎng)時(shí)間佩戴有難度。

皮膚電等生理數(shù)據(jù)在學(xué)生發(fā)展和教育評(píng)價(jià)領(lǐng)域的研究實(shí)踐尚少，由于皮膚電等生理信號(hào)可借助腕帶式設(shè)備在教學(xué)環(huán)境中長(zhǎng)期大量地采集數(shù)據(jù)，因此在學(xué)生學(xué)習(xí)、活動(dòng)、運(yùn)動(dòng)及能力發(fā)展研究方面具有較大的研究潛力和應(yīng)用價(jià)值。皮膚電與體內(nèi)的汗腺有關(guān)，而汗腺由交感神經(jīng)控制，因此皮膚電是生理性覺醒的信號(hào)，因而可以被用來監(jiān)測(cè)情感和交感神經(jīng)反應(yīng)，并進(jìn)而具備監(jiān)測(cè)學(xué)生在上課過程中的認(rèn)知與情緒狀態(tài)的可能性。

為了推進(jìn)神經(jīng)教育學(xué)在教育中的實(shí)踐應(yīng)用，重慶市教育評(píng)估院將基于腦電、皮膚電的采集和認(rèn)知計(jì)算技術(shù)引入試點(diǎn)學(xué)校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以腦電、皮膚電、心率、皮表溫度等為主要生理指標(biāo)，通過在學(xué)校建立實(shí)驗(yàn)室收集腦電數(shù)據(jù)，以腕帶式設(shè)備的形式采集皮膚電、心率、皮表溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行分析，建立起一種新的生態(tài)模式。我們一方面通過可穿戴設(shè)備對(duì)學(xué)生皮膚電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)分析；另一方面通過實(shí)驗(yàn)室定期采集學(xué)生腦電、心電、皮膚電等若干方面數(shù)據(jù)。我們嘗試將這些數(shù)據(jù)運(yùn)用到教育教學(xué)當(dāng)中，促使師生之間和學(xué)生之間的互動(dòng)模式、信息表征及可視化情景得以展現(xiàn)，由此判斷個(gè)體在學(xué)習(xí)過程中的課堂參與程度及狀態(tài)，掌握學(xué)生的專注程度、認(rèn)知狀態(tài)和情緒情感變化，從而為教師教學(xué)提供實(shí)時(shí)反饋，對(duì)其正在進(jìn)行的教學(xué)過程進(jìn)行研判，為教師創(chuàng)造與學(xué)生心理需求同步的教學(xué)情境提供實(shí)證數(shù)據(jù)，為評(píng)價(jià)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)提供更有效的工具，以達(dá)到提高教學(xué)效率和學(xué)習(xí)效能的目的。[8]

首先，我們?cè)诒本煼洞髮W(xué)劉嘉教授、東南大學(xué)禹東川教授的支持下，整合了來自哥倫比亞大學(xué)、愛爾蘭科克大學(xué)、芬蘭教育研究中心等高?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)的境內(nèi)外相關(guān)人員，建立了核心團(tuán)隊(duì)。接著，選擇試點(diǎn)學(xué)校，并在每所試點(diǎn)學(xué)校建立實(shí)驗(yàn)室，每所實(shí)驗(yàn)室有200平方米的場(chǎng)所，學(xué)生按要求在自然狀態(tài)下進(jìn)行活動(dòng)。然后，制定數(shù)據(jù)收集的標(biāo)準(zhǔn)化流程（包括生物傳感器的佩戴和生物樣本采集的過程等）和主試指導(dǎo)語(yǔ)，在此基礎(chǔ)上對(duì)主試進(jìn)行培訓(xùn)和考核，確保數(shù)據(jù)收集的品質(zhì)和一致性。最后，組織學(xué)生佩戴相應(yīng)的生物信號(hào)傳感器（如腦電、肌電、皮膚電、心電、運(yùn)動(dòng)等），或者采集其生物樣本（如唾液），按照標(biāo)準(zhǔn)化流程獲得生物數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步分析獲得學(xué)生的反應(yīng)力、注意力、記憶力和創(chuàng)造力等多個(gè)指標(biāo)。

三、初步效果：基于生物數(shù)據(jù)判斷教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)的真實(shí)有效

為了更好地說明研究效果，我們基于所采集的全市數(shù)億全量數(shù)據(jù)，采用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)、項(xiàng)目反應(yīng)理論（IRT）進(jìn)行變量的相關(guān)性分析。

重慶市教育評(píng)估院利用專業(yè)工具測(cè)量出某區(qū)域某學(xué)校五年級(jí)學(xué)生的生理信號(hào)分析數(shù)據(jù)，包括短時(shí)記憶、工作記憶、認(rèn)知靈活性、注意力和言語(yǔ)流暢性，并與學(xué)生的英語(yǔ)、數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)進(jìn)行相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)顯示：該校五年級(jí)學(xué)生英語(yǔ)學(xué)習(xí)成績(jī)與其工作記憶、言語(yǔ)流暢性的相關(guān)性相對(duì)較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.229、0.244（P<0.01）；數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)成績(jī)與學(xué)生言語(yǔ)流暢性的相關(guān)性相對(duì)較高，相關(guān)系數(shù)為0.26（P<0.01）（見表1）。由此我們可以得出如下結(jié)論：學(xué)生的言語(yǔ)流暢性、工作記憶會(huì)顯著影響學(xué)生的英語(yǔ)和數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)發(fā)展，言語(yǔ)流暢性得分越高，學(xué)生英語(yǔ)學(xué)業(yè)表現(xiàn)越好，相對(duì)而言，其他生理信號(hào)分析數(shù)據(jù)與學(xué)生學(xué)業(yè)發(fā)展的關(guān)系不明顯。

我們同時(shí)將被試的性別和年齡與生理信號(hào)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，從結(jié)果可以看出，生理信號(hào)分析數(shù)據(jù)各個(gè)指標(biāo)均不存在顯著的性別差異（見表2）和年齡差異（見表3）。

另外，我們采用項(xiàng)目反應(yīng)理論（IRT）對(duì)學(xué)生發(fā)展的各個(gè)指數(shù)進(jìn)行量尺分?jǐn)?shù)計(jì)算，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用雙變量相關(guān)分析進(jìn)一步探尋生理信號(hào)分析指標(biāo)與學(xué)生發(fā)展的規(guī)律。從結(jié)果表明：學(xué)生的短時(shí)記憶、工作記憶、言語(yǔ)流暢性與數(shù)學(xué)成績(jī)顯著正相關(guān)，學(xué)生的工作記憶和認(rèn)知靈活性與英語(yǔ)成績(jī)、抗挫折能力、問題解決能力、人際交往能力、同伴關(guān)系均顯著正相關(guān)，學(xué)生的注意力和言語(yǔ)流暢性均與學(xué)生英語(yǔ)成績(jī)顯著正相關(guān)（見表4）。

盡管我們的研究還處于起步階段，但是對(duì)于基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)可能是新的發(fā)展方向。如何制定數(shù)據(jù)采集與分析的標(biāo)準(zhǔn)化流程（包括測(cè)試場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)化、生物數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化、生物數(shù)據(jù)分析方法的標(biāo)準(zhǔn)化等）、如何確保生物數(shù)據(jù)分析結(jié)果的高信效度，以及如何在數(shù)據(jù)分析中進(jìn)行因素控制等問題，將是生物數(shù)據(jù)分析能否應(yīng)用于教育質(zhì)量評(píng)估的重大研究課題。雖然生物數(shù)據(jù)采集有一定的困難，大范圍測(cè)試尚有較大難度，但已可以為提升教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)的科學(xué)性與有效性提供更多思考和努力方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] Kuhl P K，Tsao F M，Liu H M. Foreign-language experience in infancy：Effects of short-term exposure and social interaction on phonetic learning.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2003，100（15）.

[2] Kukolja D，Horvat M. Comparative analysis of emotion estimation methods based on physiological measurements for real time applications[J].International Journal of Human-Computer Studies，2014，72（10-11）.

[3] Picard R W，Vyzas E，Healey J. Toward machine emotional intelligence： analysis of affective physiological state[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis & Machine Intelligence，2001，23（10）.

[4] Gruebler A，Suzuki K. Measurement of distal EMG signals using a wearable device for reading facial expressions[C]// Engineering in Medicine & Biology Society. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc，2010.

[5] Katsis C D，Katertsidis N，Ganiatsas G，et al. Toward Emotion Recognition in Car-Racing Drivers：A Biosignal Processing Approach[J]. IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics - Part A：Systems and Humans，2008，38（3）.

[6] 熊勰，劉光遠(yuǎn)，溫萬惠.基于智能算法的生理信號(hào)情感識(shí)別[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011，（3）.

[7][8] 禹東川.基于腦電的課堂注意力監(jiān)測(cè)：構(gòu)建“可視化”教學(xué)生態(tài)[J].中小學(xué)管理，2016，（7）.

注釋：

① 本文系國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔烙?jì)的中國(guó)兒童社會(huì)情緒能力評(píng)測(cè)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：61273224）和“基于近紅外腦功能成像技術(shù)的孤獨(dú)癥譜系障礙兒童社會(huì)功能評(píng)估”（項(xiàng)目編號(hào)：61673113）的研究成果之一。本文通訊作者為龔春燕。