利用皮肤电反应、唾液生物标志物和自我报告评估本科生在实验考试活动中的表现

摘要

关于本科生学业成就情绪的研究主要依赖于实验室环境中的自我报告。很少有研究在这些自我报告中纳入生物生理学指标。本方案将描述一种方法，该方法结合自我报告与生物生理学测量，以评估学生在实验考试活动期间的反应与表现。

摘要

在教育研究中，通常使用自我报告法来评估学生对课堂活动的反应和表现。然而，很少纳入唾液生物标志物和皮肤电反应等生物学和生理学指标，这限制了获取更全面信息以深入理解学生表现的可能性。本文介绍了一种用于研究本科生对课堂事件（例如，考试）反应的实验室方案。参与者被要求完成一项代表其学位水平的考试。在实验室考试前后，学生填写了学业成就情绪的自我报告问卷，并接受了与问卷内容相对应的访谈，同时佩戴皮肤电传感器并采集唾液生物样本。通过这三种方法收集的数据，相较于仅使用自我报告，能够更深入地揭示学生的表现情况。该方法可通过更全面的技术手段，提升教育研究的能力，从而更接近实时地获取学生在考试活动中的反应信息。

引言

在学业成就情绪领域，研究表明，了解学生的动机能够预测其学业表现、成就及职业规划¹学生对具有挑战性的课程任务产生情感反应的能力² 对学生的职业发展至关重要。然而，与学业成就情绪相关的更接近实时的反应尚未得到充分探索^3-6本文提出了一种研究学生近实时反应的方法方案。例如，生理反应）在面对典型课堂情境时例如通过唾液生物标志物、皮肤电反应以及自我报告问卷和访谈，评估应激反应（例如，考试应激）。本研究工作将不试图建立这些唾液生物标志物、皮肤电反应与自我报告之间的关联，但未来的研究将致力于深入探讨各反应之间关联的潜在机制。

在课堂环境中，通过自我报告学术成就情绪可用于评估代表人类心理的情感、认知、动机、生理和行为等各个组成部分。由于成本低廉、易于分发且具有可追溯性，自我报告问卷在课堂教学环境中被广泛使用⁷。然而，这种方法也存在一些缺点。例如，自我报告仅限于个体意识层面的心理表征⁸，这可能影响个体对自我的表达方式。此外，自我报告中的语言和语义在不同文化与个体之间可能存在不同的理解⁷；其含义可能随时间推移而变化，或因参与者所处的具体情境而产生不同的解释⁸。此外，在学术环境中，自我报告可能是多维度的、具有个体特异性的，并且依赖于记忆、社会期许性以及个人信念^{7, 9-11}。例如，学生对教师期望和动机的信念可能影响其在课堂活动中的回答方式和表现^{7, 9-11}。因此，有必要采用更接近实时反应的补充方法，以减少使用自我报告时可能出现的抽样偏差和主观性。本研究将结合唾液生物标志物和皮肤电反应，以更深入地理解学生在课堂活动中接近实时的生理与心理反应。

唾液生物标志物的采样在理解个体对各种应激源反应的生理基础方面日益受到关注，这些应激源可能影响认知能力⁹。心理认知的发展在许多物种（包括人类）中均受到激素的影响^7,12。在发育的敏感期，激素能够引起大脑结构的改变，从而对行为产生持久影响⁸。认知的不同方面可能在个体发育的不同阶段受到激素的影响。例如，空间能力已被研究证实可能存在性别差异^13-17，其在产前发育期以及成年期均会受到雄激素（例如，脱氢表雄酮-DHEA、睾酮）的中等程度增强¹⁸。相反，语言能力则与雌激素（例如，雌二醇）和孕激素的增强作用相关¹⁸。人类下丘脑-垂体-肾上腺轴中可检测到诸如皮质醇等应激生理生物标志物^{12-16, 19-21}。当个体将某种情境感知为不可控时，皮质醇水平会升高¹⁹，并可能导致个体出现不同的反应。近期研究已开始利用激素来探讨学业成就情绪，但迄今为止相关研究仍十分有限^20,22。

在教育领域，研究通过生理唤醒测量情绪的身心反应时，常采用皮电反应（GSR）。GSR用于检测皮肤分泌的微量汗液，与自主神经系统（ANS）相关。当个体对某项任务感到紧张或焦虑时，手掌会出汗。因此，情绪调节和认知过程等多种脑功能均可影响出汗的调控。系统激活程度越高（即，高压力、高认知负荷或强烈的情绪反应），汗液分泌越多；而低激活状态（即，无聊、低认知负荷）则分泌较少。由于汗液分泌不断变化，皮肤的电导率也随之改变。因此，GSR被广泛视为量化压力水平或认知负荷的间接指标。GSR通常通过电极带测量，电极与手、手腕或足部接触。由于其成本较低且实施可行，近年来已被应用于课堂教学环境^22,23，相较于现有的神经影像技术具有优势⁷。将皮电反应与唾液生物标志物相结合，可更全面地实时评估学生对课堂活动的反应。

本文讨论的方案旨在结合教育学与生理学技术，建立一种方法学，以帮助教育研究者理解学生在课堂活动中的表现及反应例如，考试）。尽管本研究的重点并非探究情绪与生理及生物学构念之间的基本联系，但该方案可作为研究人员朝此方向推进的起点。本方案将涵盖在考试活动中测量唾液生物标志物和皮肤电反应的方法，并将这些数据与自我报告和访谈所获得的信息进行比较。鉴于工程学科的难度和复杂性，本研究选取了工程类考试及学生作为研究对象。^1,6 并激发参与者的认知和情感反应。

方案

该研究方案已获得犹他州立大学机构审查委员会（IRB）对涉及人类受试者研究的批准。应确保主办机构已批准相应的 IRB 程序，并在本方案实施前、实施过程中及实施后，充分考虑对人类受试者的保护。根据 IRB 规定，外部机构或公司在参与数据收集与分析过程时，必须遵循适当的规程，对受试者信息进行去标识化处理，并保护数据的机密性。

1. 受试者和测试活动的选择

1. 在学期中期或教授讲授完目标课程内容3个月后选择学生参与者，以减少参与者短期记忆的影响。
2. 若参与者存在以下情况，应将其排除在与本研究平行的实验室研究之外：(a) 已知疾病史（例如：心律失常）或代谢紊乱；(b) 左利手或双手同利（可能干扰生理采样）；(c) 心理病史（当前或既往）或行为与情绪障碍史（可能影响自评量表数据的准确性）；(d) 心脏、代谢或认知功能障碍的医学史；(e) 可能妨碍其参与研究中实验室环节的身体残疾；(f) 创伤性脑损伤。希望参与激素研究的女性参与者需遵守第2.5步中说明的额外限制条件。
3. 根据既定的机构审查委员会（IRB）规程进行招募，包括有关保密保护的详细程序和限制。
   注：若企业将接触数据（本研究中，唾液样本和皮肤电反应数据由第三方公司采集），需确保已签订协议，明确数据的妥善处理（例如：冷藏时间）、共享方式（例如：服务器安全性）以及数据销毁的时间表（例如：数据发表后一年内）。应将这些指导原则纳入IRB申请，并遵守所在机构IRB组织要求的相应规范。
4. 选择能够代表学生所需掌握知识与任务复杂性的课程活动。
   注：本方案中选择大一工程专业学生，因其课程内容具有较高难度与复杂性。所选的代表性活动结合了两种常见工程考试中的题型：心理切割平面测试（Mental Cutting Plane Test, MCT）和普渡空间可视化测试（Purdue Spatial Visualization Test, PSVT-R）。MCT考察二维截面对应的三维物体²⁴，而PSVT-R考察物体的三维旋转能力²⁵。这两项测试均用于评估该学生群体的空间能力与言语记忆表现^26,27。

2. 实验课前准备

1. 至少在实验课程开始前1至2周，为志愿者参与者举办一次说明会。详细解释机构审查委员会（IRB）知情同意书中所有术语。根据制造商的操作规程，演示galvanic皮肤传感器的使用与佩戴方法，以及唾液激素样本采集的正确数据收集流程。²⁸说明该研究的风险与益处。
2. 建立一个参与者可以报名参加的日程安排。如果参与者报名参加研究中的唾液生物标志物部分，务必安排在早晨早餐前的时间段，因为此时皮质醇水平最低，并需包含在指定时间段内报名的相关告知事项（更多信息请参见步骤 2.5）。
   注意：确保所有参与者为本研究提供至少三个可选时间段。以随机方式安排参与者，以尽量减少偏差并获得更具统计学有效性的结果。
3. 在定向环节，为每位志愿者预先佩戴好电化学腕部传感器，确保传感器绑带将传感器牢固固定于受试者腕部。输入受试者的研究编号代码以及供应商提供的腕部传感器唯一条形码，以确保后续实验室环节（如需要）的一致性。
4. 根据制造商方案，在采样日前向参与者发送有关数据采集流程、限制条件及前置要求的提醒²⁸.
   注意：操作示例及限制条件可包括：(a) 在白天采集样本期间或研究开始前至少1小时内，禁止进食、服用膳食或能量补充剂以及含糖饮料；(b) 在数据采集前1小时内禁止饮水；(c) 禁止刷牙或使用口腔漱洗液；(d) 禁止使用化学产品（例如，护手霜、乳液、润唇膏、香水、染料）在规定的接触区域（例如，手腕，面部，嘴唇）；（f）不使用任何护发产品或进行发型整理；以及（g）不进行任何体力活动（例如，快走、骑车、跑步、举重）24 小时 研究开始前
5. 对于女性参与者，应在月经周期第一天后的第10至12天之间采集唾液样本，以尽量减少唾液采集期间的激素波动²⁸.
   注意：在所述时间段内，如果女性参与者正在接受任何形式的激素治疗，例如口服避孕药、宫内节育器、乳膏或喷雾剂（口服、局部或阴道用）、舌下含服片或含化片、贴剂、膜剂、注射剂，需等待 12 - 36 小时 以使处理效应在摄入/施用后达到稳定。采集唾液样本的时间线将根据生物标志物及公司唾液检测试剂盒的规格而有所不同。女性参与者的皮肤电反应采集按照第3.2节进行。男性参与者的唾液采集按照第3.1.5.1节进行，皮肤电反应采集按照第3.2节进行。

3. 实验室课程当天

注意：以下步骤按建议的数据采集顺序呈现，假设参与研究的人员为1至2名。然而，若有两名以上研究人员共同参与该研究，则其中部分步骤可并行开展。

1. 唾液生物标志物
   1. 向参与者提供一份检查清单，用于列出在研究前24小时内进行的身体活动（例如，体力活动、食物和饮料摄入、乳液或激素类产品的使用），具体如制造商操作说明²⁸中所述（见步骤2.4和2.5）。
      注：如果参与者在检查清单中进行了任何或全部活动，则应重新安排其在另一天参与研究。如果仅未满足饮水限制条件，可要求参与者延长在实验室的时间，根据制造商指南，等待适当时间（约1小时）后再进行唾液采集。
   2. 请参与者填写唾液检测试剂盒提供的健康信息检查表²⁸。确保所有唾液采集管在实验前后均已预先标记并标注时间戳。
      注：唾液皮质醇的反应时间约为20分钟^19,20，因此唾液采集程序应在该时间范围内完成。请按照步骤3.1.5及制造商指南²⁸进行唾液采集操作。
   3. 保留健康信息检查表和运输信息的副本，用于后续记录、追踪和进一步分析。务必在保存检查表项目时遵守机构审查委员会（IRB）的协议和程序。为每位参与者完成实验室活动、人员和采集管的时间线记录。
   4. 确保所有处理唾液样本的参与者和研究人员始终佩戴无菌手套，以最大限度减少交叉污染。
   5. 在采集唾液时，指导参与者在嘴唇前端聚集唾液，再吐入采集管中，以减少气泡形成，避免影响结果准确性，具体操作依据制造商说明²⁸。
      1. 指导参与者不要用嘴唇或手指接触采集管的管口，以免引入污染（唾液采集管法）。为促进唾液分泌，可建议参与者闻一闻柑橘类水果（如柠檬）或前倾头部，以加快唾液生成。
   6. 若唾液样本无法立即分析，应将所有采集的唾液样本在-20 ^oC下保存最多7天。若需更长时间保存（最长30天），则样本必须储存在-80 ^oC。
   7. 向第三方公司寄送冷冻样本时，应准备好装有干冰的密封泡沫箱，并附上参与者预先填写好的健康信息表密封副本。确保参与者在表格的标识栏中填写其唯一的研究ID代码，以防止私人信息被发送至公司。
   8. 准备就绪后，将采集管寄送至公司，用于分析唾液谱1：睾酮、孕酮、脱氢表雄酮（DHEA）、皮质醇和雌二醇的生物标志物。生物标志物的分析由制造商根据既定协议²⁸完成。将样本放入免疫分析仪中，以450 nm波长读取样本的光密度。
      注：所有生物标志物均需采用固相竞争性酶联免疫分析法。固定量的标记生物标志物与对应每种生物标志物的抗体结合位点进行竞争。孵育后，未结合的成分被洗去，加入酶底物溶液，生成代表该生物标志物的颜色。例如，孕酮初始呈蓝色，与酶反应后变为黄色。
2. 皮肤电反应
   1. 使用预包装的70%酒精棉片或含少量70%异丙醇的无菌纱布清洁皮肤电传感器，以去除前一位参与者留下的残留物。在每次数据采集会话或每位参与者前后（以先到者为准）均需清洁设备。
   2. 在研究会话前1小时，提醒参与者清洁并擦干双手。
      注：唾液样本采集与皮肤电反应联合采集时，需考虑采集时间点。例如，唾液皮质醇采集应在20分钟内完成（步骤3.1.2），而皮肤电传感器的安装与校准则需5至10分钟，具体如步骤3.2.6所述。
   3. 在安装皮肤电反应传感器前，先将新的或清洁的运动腕带佩戴于参与者的非优势书写手手腕。允许参与者在数据采集前佩戴腕带1小时。
      注：运动腕带应根据唯一的腕带ID预先标记，以避免参与者之间的交叉污染。
   4. 1小时后，取下运动腕带并安装皮肤电传感器。确保传感器接触手腕的正中神经，以保证脉搏和心率的准确采集。将传感器的腕带部分紧密固定于手腕。
   5. 按下皮肤电传感器的指示灯。等待指示灯由红色变为绿色，再变为白色；白色表示数据采集已开始。
   6. 要求参与者佩戴皮肤电腕带传感器一段固定时间（5至10分钟），期间非优势手保持静止，以校准并采集基础张力数据。
      注：当皮肤电反应数据趋于平稳且无明显尖峰或噪声时，即获得基础数据。使用制造商提供的软件（通过制造商分配的账户）打开会话，确认数据正在被采集²⁹。
   7. 启动包含代表性问题集的幻灯片演示，问题集应带有时间戳，对应第1.5节中描述的考试活动。要求参与者在完成每张幻灯片后记录时间，以便将采集的GSR数据与事件时间戳进行比对。
   8. 定期检查皮肤电传感器指示灯是否为白色，并确认数据正在被采集。
      注：本研究中使用的传感器采样率基于制造商的技术规格和能力（采样率为8 Hz，低电流为1100 mAh）。通过皮肤电活动（EDA）测得的皮肤电反应以微西门子（µS）表示，分为张力性（对考试事件或自评/访谈问题的基础反应）和相位性（对考试事件或自评/访谈问题的急性即时反应，超过特定µS阈值）。
   9. 准备备用电池和传感器，以防会话期间出现数据采集问题。会话结束时，按下指示灯直至关闭。小心取下腕部传感器，并用酒精擦拭清洁。
   10. 从制造商软件中提取数据²⁹。登录账户并点击“Sessions”（会话）。选择研究日期并点击“Download”（下载）标签，以.csv格式下载数据以便使用。
   11. 追踪研究中事件的时间线。从腕部传感器软件会话中下载数据。以UNIX纪元时间格式下载，即自1970年1月1日起（不计闰秒）经过的秒数。若需在数据中追踪时间线，可使用开源时间戳转换器³⁰将UNIX时间转换为GMT时区。转换方法：直接使用数据表中的时间进行换算（1年 = 365.24天 = 31556926秒）。
   12. 从腕部传感器软件会话中提取皮肤电数据。点击任意所需会话的“View”（查看）。研究人员可选择以实时方式或按设定时间段展示数据。
3. 自评问卷与情绪询问
   1. 在幻灯片演示前后，分别提供前测和后测问卷。在第二次采集点（考试结束时），先采集最终唾液样本，然后在采集EDA数据的同时提供自评问卷。记录所有时间点。
      注：本研究采用经Broughton及其同事³¹开发的情绪主题量表的修改版本。
   2. 在佩戴皮肤电传感器期间，向参与者提出与自评问卷内容相对应的问题。
      注：请注意，若同时采集唾液样本（如步骤3.1.2和3.3.3所述），需考虑时间线安排。
   3. 尽可能在实验记录本中记录日期和时间，用于交叉核对GSR数据与自评反应的时间对齐。此外，在幻灯片演示中加入说明，指导参与者在完成每张幻灯片的指令后标注时间，以便将定时事件与GSR数据进行比对。
   4. 确保基于计算机的软件具有统一的指导说明，且每张幻灯片均清晰标注。若研究需要按键设置，应在幻灯片说明中明确指出每张幻灯片应按下的按键。
4. 收尾工作
   1. 在收集完所有信息后，取下腕部传感器，并按与步骤3.2.5相反的顺序关闭传感器数据。引导参与者前往指定房间，提供食物、饮料，并提供未来经济补偿的收据（如机构审查委员会知情同意书中已注明）作为参与研究的补偿。
   2. 通过电子邮件发送感谢参与的通知，并提供可供讨论研究结果的时间段选项。

结果

本节展示了从各项测量指标（包括自评量表）中可获得的代表性结果示例。图示旨在说明添加唾液生物标志物等测量指标的实用性图1）和皮肤电反应（图2）到自我报告（图3）以从课堂事件中获取更广泛的信息例如，考试）。为将自我报告与特定测量指标进行三角验证（例如，皮肤电反应），其他技术（如访谈）可提供一种有用的对比方法（图3）。结果在 图1 表明，在比较考试开始和结束时的激素水平时，参与者的生理反应存在性别差异。例如，男性体内的雌二醇水平升高，而女性体内的孕酮水平升高（p  <0.05）。高水平的雌二醇与言语任务执行过程中大脑的激活相关³² 而孕酮则与空间能力（如物体的心理旋转）相关^12-16,雌性个体通过增加睾酮（testosterone）水平表现出空间活动能力的增强（p <0.05），而DHEA在性别间无显著差异（p = 0....

讨论

本方案描述了将自报告问卷与访谈、唾液生物标志物以及皮肤电反应相结合，以研究实验课期间课堂活动中个体差异的方法。对于希望识别教学环境中学业成就情绪、情绪调节及对不同活动的情感反应的研究人员而言，特别是在评估阶段，本方案具有诸多优势。例如．，考试）。传统上，人们通常使用自我报告和学业成绩来了解学生在课堂上或课程中能力的发展情况，而我们的方法则能够更全面地反映学生在学术活动期间接近实时的反应。

要确保本方案的成功，必须在白天采集唾液生物标志物和皮肤电反应数据，确保参与者了解本研究的行为和生物学限制（例如，健康状况），并持续对参与者进行随访。此外，在处理样本时应格外小心，所有操作均需在无菌条件下进行。本研究的一些局限性包括女性唾液数据采集的允许时间窗口（例如，月经结束后10至12天内），以及在实时采集皮肤电反应数据时难以精确同步事件时间（例如，唾液皮质醇采集可能需要20分钟，而皮肤电传感器校准则需5分钟）。因此，数据采集过程应准确记录参与者在实验室环节中完成各任务的时间戳，以确保后续统计分析和数据三角验证的准确性。最后...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
唾液采集套件	ZRT Laboratories	Female/Male Saliva Profile I	在寄送样本前需先在该公司注册创建账户；本方案建议采集昼夜节律唾液样本
皮肤电反应腕部传感器及腕带	Empatica, Inc.	E3P.v4	M/L 尺寸适用于大多数人群，但手腕较细者可能需要购买更小尺寸
E-Prime 软件	Psychology Software Tools	E-Prime 2.0 Professional	建议时间戳记录与软件操作分开进行