评估参与的多维度来表征学习:神经生理学角度

摘要

本文旨在描述学习者在任务中参与的多个维度（行为、情感和认知）的收集和同步所涉及的技术。

摘要

在最近关于敬业度概念的理论综合中，Fredricks、Blumenfeld 和 Paris¹ 通过其多个维度来定义敬业度：行为、情感和认知。他们观察到，没有对单个类型的参与进行联合研究，关于维度之间的互动或协同作用的信息很少;因此，更多的研究将有助于创建微调的教学干预。受益于神经科学的最新技术进步，本文提出了一种最近开发的方法，用于在学习任务中收集和同步有关多维参与的数据。该技术涉及在四台不同的计算机上收集 （a） 脑电图、（b） 皮肤电图、（c） 眼动追踪和 （d） 面部情绪识别数据。这会导致从多个来源收集的数据出现同步问题。专业集成软件中的后同步使研究人员能够更好地了解参与的多个维度之间的动态。对于课程开发人员来说，这些数据可以为实现更好的教学/学习效率提供明智的指导。这项技术还为脑机交互领域开辟了可能性，可以开发自适应学习或评估环境。

引言

参与起着学习了至关重要的作用。对于克拉克和迈耶^2，"所有的学习要求参与，"不管交货媒体。张某等 ³还建议，增加学生的参与可以提高学习效果，如解决问题和批判性思维能力。定义参与仍然是一个挑战。在他们的文献综述，Fredricks，布鲁门菲尔德和巴黎¹定义参与其多面性:"行为参与借鉴了参与的念头;它包括参与学术和社交或课外活动。 （...）情感投入包括正面和负面的反应老师，同学，学者和学校，被推定为创建联系的对象和影响力的意愿做的工作。最后，认知参与借鉴心理投资的理念;它采用体贴，并愿意尽努力NEC埃森理解复杂的思想，掌握高难度的技巧。"

Fredricks，布鲁门菲尔德和巴黎¹还声称，注重行为，情绪和认知，参与的概念中，可提供学习更丰富的特性。这些作者指出，研究一个健壮体分别针对接合的每个部件，但这些部件并没有被研究结合。他们还观察到的信息很少关于尺寸之间，更多的研究可能有助于规划微调教学干预的相互作用。作为在这个方向迈出的一步，本文介绍的开发是为了收集，并在学习任务分析的定量和定性数据，同步，对行为，情绪和认知参与研究的方法论。

使神经科学到教育

BehavIOR，因此行为的参与，一直是教育研究中央重点:主要集中于发生在长....

方案

该协议由法国精品行业institutionnel德拉RECHERCHE AVEC DESêtreshumains（CIER）DE L'魁北克大学蒙特利尔（分校），这是赞同HEC-蒙特利尔的Tech3Lab研究机构获得了道德证书。该协议描述了每个那在我们的实验室环境和设备进行了具体步骤。尽管提供精确的软件的路径，以澄清的方法，这种技术是转让，并且可以与其他专有眼睛跟踪，自动面部情感识别，皮肤电活动和脑电图设备和软件被复制。

1.设置实验室环境

1. 打开眼跟踪器，脑电图放大器，四个记录计算机和扬声器。
2. 准备录音设备的设置:
   1. 根据制造商的recomme准备脑电图设置与所需的材料nded程序。准备脑电图软件为即将到来的参与者。启动眼球跟踪软件，并创建了软件的一个新的参与者的个人资料。开始摄像软件和摄像机。
   2. 启动同步软件，用于在60秒标记的项目创建的具体子程序。启动生理测量软件（记录电活动），并打开该项目创建的具体布局。调整参与者的椅子来的最高水平。

2.参与者准备

1. 请参与者阅读并签署道德的知情同意书。
2. 开展颅骨测量脑电图:
   1. 查找（按10 - 20参照系）的锆石的位置上参与者的头部。沉浸脑电图净在盐水溶液（氯化钾）（见步骤1.2.1），并按照制造商的标准启动一个定时器....

结果

图2和3示出的屏幕截图的整合和行为，情感和认知参与数据的同步在行为分析软件应用程序的结果。在两个图中，左手区组织的研究对象和编码方案。在中间部分，视频（带有红点）示出了在任务期间被检者的眼睛注视。主体的参与行为可以根据他/她的任务中寻找和执行什么操作来推断。在较低部分，一个时间标记同步地滚动数据的三条轨道:将EDA（觉醒）及面部情感价为情感投入和认知接合脑电图参与指数。当数据从所有受试者采集，软件还提供了最终可以用来在其他统计分析软件进行分析，个体间基本的描述性统计。

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图2.多维数据参与，在解决问题的任务开始。在解决问题阶段开始的受试者的屏幕截图。学习者在阅读介绍问题:眼睛注视是第三行。此时（红线表示时间光标），被检者的觉醒刚过预期要解决的问题的一个峰，但仍高与基线相比，情绪价似乎中性，脑电图认知参与看来在其最大。

讨论

在该协议中的关键步骤方面，首先应当指出，数据的质量始终是神经生理学收集技术的主要焦点。在这种方法中，研究助理必须特别注意​​指示主题，以尽量减少头部运动，这将干扰价监测（失去正确的杆面角度的摄像头），或产生的脑电图myographic文物。在另一方面，平衡必须保持真正的解决问题和干预措施更符合人体工程学的数据集合所做的真实性之间。同样重要的是要注意，脑电图数据收集是受环境中的电磁波动。传统的脑电图设备尝试从与法拉第笼电磁隔离波动的设备。但是，由于某些本方法中使用的设备将产生电磁波动（主要是眼睛跟踪设备）的法拉第笼的内部，第是的做法是无效的。我们尤其应注意接地和屏蔽所有电气设备克服了电磁问题。

至于修改，并与技术故障排除，初始同步策略，依靠同步软件的能力，正是"开始"在多台计算机和程序的数据收集在一起。由于计算机和程序之间的关键和不一致的延迟进行观察，收集后的同步成为必要。因此，一个syncbox设备加入到该体系结构。该syncbox发送TTL标记所有的计算机和收集数据的程序。同步成为计算第一syncbox标记之间的延迟的问题。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
EGI GSN-32	EGI		密集阵列脑电图
Netstation v.5.0	EGI		脑电图数据收集软件：EEG 是使用 Netstation 采集软件和 EGI 放大器 （Electrical Geodesics， Inc） 通过 32 电极密集阵列脑电图 （dEEG） 测地线传感器网络收集的。顶点（记录位点 Cz）是用于记录的参考电极。阻抗保持在 50 k&Omega 以下;采样率为 250 Hz。
Facereader v.4	诺达思		面部表情识别软件
Syncbox	诺达思		Syncbox通过向EGI放大器发送晶体管-晶体管逻辑（TTL）信号，向Tobii Studio v 3.2发送击键信号，开始脑电图和眼动数据的共同配准。
罗技 C600 网络摄像头		960-000396	网络摄像头，用于收集发送到 mediarecorder 的视频数据，并将在 Facereader 中进行分析
Observer XT	诺达思		集成和同步软件：诺达思 Observer XT（诺达思信息技术）用于同步所有行为、情感和认知参与数据。
屏幕 LED 照明	诺达思		霓虹灯位于计算机屏幕上，以便正确照亮受试者的面部
MediaRecorder	诺达思		视频数据收集软件
Tobii 60X	Tobii		收集眼球运动模式：  用于在实验期间以 60Hz 的频率记录受试者的眼球运动模式。
Tobii Studio v.3.2	Tobii		眼动追踪数据采集分析软件
Analyzer 2	脑电		信号处理软件
Acqknowledge v.4.0	Biopac	ACK100M	生理信号采集和处理软件
Control III 杀菌剂解决方案	Maril 产品。	10002REVA-20002-1	用于脑电图头盔的消毒液：EGI
Unipark	QuestBack AG		调查环境