一种用于研究近实时真实考试体验的跨学科多模态实验设计

摘要

设计了一项实验，用于研究考试经历对学生在高等教育环境和任务中所体验情绪状态的实时影响。该设计是跨学科（如教育心理学、生物学、生理学、工程学）和多模态（如唾液标志物、问卷调查、皮肤电反应传感器）方法相结合的成果。

摘要

在过去十年中，关于教育环境中学生情绪的研究日益增多。尽管研究人员呼吁开展更多依赖情绪体验客观测量方法的研究，但在利用多模态数据来源方面仍存在局限性。传统上，课堂中情绪与情绪调节的研究主要依赖问卷工具、经验取样法、实物证据、访谈或观察程序。这些方法虽然具有价值，但主要 依赖于参与者或观察者的主观判断，且在真实测量学生对课堂活动或任务的实时表现方面存在局限。后者尤其成为许多学者试图在课堂环境中实时客观测量情绪及相关指标的主要障碍。

本研究的目的是提供一种实验方案，用于在真实评估情境下研究学生对考试经历的实时反应。为此，一支由教育心理学家、工程师和工程教育研究人员组成的团队设计了一套实验方案，在确保准确的生理传感器测量所需限制条件的同时，兼顾唾液样本采集的最佳实践以及真实的测试环境。特别是，现有依赖生理传感器的研究通常在与教育环境脱节的实验环境中进行（例如特里尔社会应激测试），或在时间上与任务分离（例如在任务之前或之后），或引入分析误差（例如在学生可能频繁移动的环境中使用传感器）。这限制了我们对学生的课堂活动和任务实时反应的理解。此外，近期研究呼吁在基于多模态方法的学术情绪研究中，应更多地关注招募、可重复性、有效性、实验设置、数据清洗、初步分析以及特定 情境（例如在实验设计中增加一个变量）等方面的问题。

引言

心理学家早已认识到人类情绪在阐明其行为方面的重要性¹。在教育研究领域，学业成就情绪（Academic Achievement Emotions, AEE）已成为情绪研究的重点²。采用学业成就情绪（AAE）框架的研究者认为，在考察学生情绪时，必须考虑学生所处的具体情境背景。学生可能会经历与考试、课堂或学习相关的情绪，这些情绪涉及多个成分的过程，包括情感、生理、动机和认知成分。AEE 表现为两种形式：效价（正性/负性）和激活度（聚焦/非聚焦的能量状态）。正性激活情绪（如愉悦）可能增强元认知等反思性过程，而正性去激活情绪（如自豪）可能导致较低水平的认知加工。负性激活情绪（如愤怒和焦虑）可能激发参与，而负性去激活情绪（如绝望）则可能削弱动机^3,4,5。学业情绪影响我们的学习方式、知觉、决策、反应以及问题解决能力²。为了调节学业情绪，个体必须具备自我效能感（SE）^6,7,8，即个体对自己能够控制其动机、行为及社会环境能力的信心

方案

该研究方案已获得犹他州立大学机构审查委员会（IRB）在一般审查下的批准，适用于涉及人类受试者的研究及这些构念的使用。典型结果来自美国西部一所高等教育机构开设的两个学期的工程静力学课程，每个学期的实验设置略有不同。课程教师编制了内容与实际考试相对应的练习考试，并用于本研究。请注意，下述方案描述的是同时进行的步骤，部分步骤可能存在重叠。

1. 实验设计与学科实践整合的考虑因素

当研究人员考虑此类实验设计时，必须以一种能够补充并支持主要研究目标的方式整合学科知识与研究方法。随着新仪器和新方法的引入，需要增加相应的验证考量。在本研究中，我们将探讨一项实验研究：在一个学期中使用了问卷调查和皮肤电传感器（实验设计A），而在接下来的学期中增加了唾液生物标志物采集（即皮质醇和sAA）（实验设计B）。以下是两种实验设置的注意事项：

1. 使用调查问卷与皮肤电传感器的实验设计
   1. 皮肤电传感器非常敏感。如果受试者的惊吓反应被无意中触发，可能会导致皮肤电反应（EDA）出现显著峰值。在考虑多位受试者进行数据采集时，这一点尤为重要，因为他们的行为可能加剧此类惊吓反应。因此，务必仔细设置工作环境，尽可能减少各种干扰因素。如图所示 图1，如果要探索个体或一组个体的检查体验，需包含测试屏蔽。
      注意：为了提高测试....

结果

本研究旨在探讨本科生工程专业学生在参加模拟考试时的自我效能感、表现以及生理（皮肤电活动传感器）和生物学（唾液α-淀粉酶和皮质醇）反应的影响。所展示的数据为样本的代表性子集：（a）一组包含问卷调查和皮肤电反应传感器数据（实验设计A）；（b）另一组在相同考试基础上增加了唾液生物标志物数据（实验设计B）。尽管本研究收集了情绪数据，但我们不会展示这些数据，因为我们的目标是展示实时的细粒度数据，而非在考试开始、中期或结束等预设时间点采集的情绪数据。

如图4所示，比较了学生集体反馈下不同实验设计的考试难度程度。同时绘制了学生在完成考试题目前所报告的自我效能得分与平均皮肤电活动（EDA）之间的关系。尽管两种实验设计的考试难度相同，但在不同自我效能得分下，正确回答与错误回答之间的平均EDA值呈现出相反的差异。在实验设计A（EDA传感器和问卷）中，相对于正确回答问题的学生，自我效能得分为中等但回答错误的学生其平.......

讨论

尽管生理测量指标已在多种真实学习情境中得到应用，但设计研究环境时必须充分考虑当前技术的局限性。我们的设计在确保测试环境真实性的同时，兼顾了技术条件的限制。在实验流程中，合理限制受试者的活动范围、减少意外中断以及对受试者的测试反应进行时间戳标记，均为关键步骤。

皮肤电传感器设备所需的空间和费用可能使资金有限的研究人员难以开展相关研究。然而，这些传感器一旦购入，便可无限次使用。唾液生物标志物必须在实验室中进行处理，且每个样本的前处理和后处理费用均较高。还需考虑所使用的特定实验室条件和设备，因为可能需要采用不同的唾液检测验证方法，以确定检测间和检测内的变异系数（CV）百分比。

该方案在多模态方法研究学术情绪的应用方面迈出了重要一步。该方案通过在复制真实测试环境的同时对参与者反应进行时间戳记录，最大限度地提高了皮肤电活动（EDA）测量的精确性，从而实现了对学生课业和课堂学习更客观的实时研究，解决了以往聚焦于学习与表现的研究中存在的局限性。该技术可进行修改，以纳入需要记录键盘敲击的在线学习活动。此外，该方案也可用于欺骗性研究，其中测试难.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1.1 立方英尺医用冷冻柜	Compact Compliance	# bci2801863	可使用任意冷冻柜，只要其温度可降至 -20 摄氏度以下；此类设备可用于在进行唾液检测前长期保存唾液样本（约 4 个月）。
露营冷藏箱	Amazon	（任意尺寸/类型）	可用于数据采集期间临时存放唾液样本
E4 传感器	Empatica Inc	E4 Wristband Rev2	可使用任意可记录皮电活动（EDA）和加速度测量数据的 EDA 传感器或品牌
EDA Explorer	https://eda-explorer.media.mit.edu/	（开源）	可用于识别并非由运动引起的数据噪声潜在来源
笔记本电脑	Dell	Latitude 3480	可使用任意台式机或笔记本电脑
Ledalab	http://www.ledalab.de/	（开源）	在完成滤波步骤后，可用于分离张力性和时相性皮电活动（EDA）信号
MATLAB	https://www.mathworks.com/products/matlab.html	（版本随更新而变化）	用于运行 Ledalab 和 EDA Explorer，以及创建自定义的时间戳程序
唾液α-淀粉酶酶法检测试剂盒	Salimetrics	‎# 1-1902	对于唾液检测试剂盒，应计划由公司代为分析样本和/或前往分子生物学实验室进行处理
唾液皮质醇 ELISA 检测试剂盒	Salimetrics	# ‎1-3002	对于唾液检测试剂盒，应计划由公司代为分析样本和/或前往分子生物学实验室进行处理
测试隔板（隐私遮挡板）	Amazon	#60005	可使用任意品牌的测试遮挡板，只要能覆盖工作区域即可
网络摄像头	Amazon	Logitech c920	可使用任意网络摄像头，只要其分辨率达到高清 1080p 或更高