Name: 用于研究近实时真实考试体验的跨学科、多模式实验设计 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-04T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 s
Description: 了解如何在真实考试环境中使用皮肤电活动传感器和唾液生物标志物采集学生的实时生理与情绪反应。该方法为教育心理学研究提供了一种可复制、低成本的多模态数据收集方案。

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本材料部分基于美国国家科学基金会（NSF）资助项目（编号：EED-1661100）以及授予 Darcie Christensen 的 NSF 研究生研究奖学金（编号：120214）所支持的工作。本文中表达的任何观点、发现、结论或建议不一定代表 NSF 或犹他州立大学（USU）的观点。我们感谢 Sheree Benson 在统计分析方面的有益讨论和建议。
本文作者贡献如下：Villanueva（研究设计、数据收集与分析、撰写、修改）；Husman（研究设计、数据收集、撰写、修改）；Christensen（数据收集与分析、撰写、修改）；Youmans（数据收集与分析、撰写和修改）；Khan（数据收集与分析、撰写、修改）；Vicioso（数据收集与分析、修改）；Lampkins（数据收集与修改）；Graham（数据收集与修改）

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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6。自我效能感与学业情绪相互关联，较低的自我效能感与负性去激活情绪（如焦虑、愤怒、无聊）相关，而较高的自我效能感则与正性激活情绪（如快乐、希望、兴奋）相关6,7,8。此外，自我效能感也被认为与学业表现密切相关6,7,8。
关于课堂情绪的研究以往主要依赖自我报告、观察、访谈以及实物证据（如考试、项目）9,10。尽管这些方法能够提供有关学生课堂体验的丰富背景信息，但仍存在显著局限性。例如，访谈、观察和自我报告均依赖于个体的内省10。其他一些方法则试图比以往研究更接近真实地考察学业情绪，例如基于经验取样法的研究，即研究人员要求学生在上学期间报告自身的情绪状态11。尽管此类研究使我们能够更准确地记录学生的情绪，但其依然依赖自我报告方式，且无法实现即时报告，因为学生必须暂停正在进行的考试任务以填写情绪调查问卷。
近年来，研究人员开始通过采用生物或生理指标来评估情绪，以应对自我报告测量方法存在的问题9，这些生物或生理指标与其他工具或技术（如问卷、观察或访谈）结合使用，构成了教育与心理学研究中的多模态数据收集方式12。例如，包括唾液生物标志物在内的生物技术正被用于&#160;理解生物过程对认知、情绪、学习和表现的影响13,14,15。在认知过程方面，雄激素（如睾酮）已被发现与成人和儿童不同的空间识别模式相关16,17，而下丘脑-垂体-肾上腺皮质激素（如皮质醇）和肾上腺素类激素（如唾液α-淀粉酶或sAA）则与个体的应激反应性相关18,19,20。
皮肤电活动（EDA）是自主神经系统（ANS）激活的一种生理指标，与神经系统的增强激活、认知负荷或强烈&#160;情绪反应相关21,22,23。在测试活动中，EDA 受身体活动性21,22、体表及环境温度24,25,26,27、思维的言语表达28，以及模拟-数字电极与皮肤接触的敏感性和连接程度29的影响。
尽管这些因素可能限制了皮肤电活动（EDA）的应用，但该技术仍能为深入了解近实时考试过程中的情况提供有价值的见解，并可作为探索学术情绪体验（AEE）乃至自我效能感的有前景的工具。因此，通过结合问卷调查方法（用于确定情绪的效价）以及生理和生物学数据（用于测量情绪的激活程度），可以获得学生AEE的准确图景。本文在之前一篇关于考试活动的&#160;出版物30基础上，进一步拓展了研究范围，将多模态方法（包括经验抽样调查、EDA传感器和唾液生物标志物）应用于考试情境中。必须&#160;指出的是，下述方案允许在单一实验设置中同时收集多名参与者的數據。

<table><tbody><tr><td>1.1 立方英尺医用冷冻柜</td><td>Compact Compliance</td><td># bci2801863</td><td>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）。</td></tr><tr><td>露营冷藏箱</td><td>Amazon</td><td>（任意尺寸/类型）</td><td>可用于数据采集期间临时存放唾液样本</td></tr><tr><td>E4 传感器</td><td>Empatica Inc</td><td>E4 Wristband Rev2</td><td>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</td></tr><tr><td>EDA Explorer</td><td>https://eda-explorer.media.mit.edu/</td><td>（开源）</td><td>可用于识别并非由运动引起的数据噪声潜在来源</td></tr><tr><td>笔记本电脑</td><td>Dell</td><td>Latitude 3480</td><td>可使用任意台式机或笔记本电脑</td></tr><tr><td>Ledalab</td><td>http://www.ledalab.de/</td><td>（开源）</td><td>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</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>https://www.mathworks.com/products/matlab.html</td><td>（版本随更新而变化）</td><td>用于运行 Ledalab 和 EDA Explorer，以及创建自定义的时间戳程序</td></tr><tr><td>唾液α-淀粉酶酶法检测试剂盒</td><td>Salimetrics</td><td>&amp;lrm;# 1-1902</td><td>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</td></tr><tr><td>唾液皮质醇 ELISA 检测试剂盒</td><td>Salimetrics</td><td># &amp;lrm;1-3002</td><td>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</td></tr><tr><td>测试隔板（隐私遮挡板）</td><td>Amazon</td><td>#60005</td><td>可使用任意品牌的测试遮挡板，只要能覆盖工作区域即可</td></tr><tr><td>网络摄像头</td><td>Amazon</td><td>Logitech c920</td><td>可使用任意网络摄像头，只要其分辨率达到高清 1080p 或更高</td></tr></tbody></table>

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

A Cross-Disciplinary and Multi-Modal Experimental Design for Studying Near-Real-Time Authentic Examination Experiences

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&#160;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&#160;情境（例如在实验设计中增加一个变量）等方面的问题。

本研究旨在探讨本科生工程专业学生在参加模拟考试时，其自我效能感、表现以及生理（EDA 传感器）和生物学（sAA 与皮质醇）反应的影响。所展示的数据为样本的代表性子集：（a）包含问卷调查与皮肤电反应传感器数据的实验设计 A；（b）包含相同考试及唾液生物标志物数据的实验设计 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精细化数据，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，比较了不同实验设计下学生集体反馈的考试难度程度。同时绘制了学生在完成考试题目前所报告的自我效能评分与平均皮肤电活动（EDA）之间的关系。尽管两种设计下的考试难度相同，但在不同自我效能评分下，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，对于中等自我效能（SE）评分的学生，回答考试题目错误者的平均EDA高于正确回答者（...

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。

在过去的十年中，针对学生在教育环境中情绪的研究有所增加。尽管研究人员呼吁开展更多相关研究……

该方案可供社会科学、心理学、教育学、工程学及其他领域中希望利用生物识别技术与多种方法来理解考试、课堂及类似真实体验的研究人员使用。该技术的主要优势在于，旨在识别数据中由运动伪影导致的潜在噪声来源。此外，该方案易于实施，并最大限度减少了昂贵软件的使用。尽管我们的目标并非诊断疾病，但通过皮肤电传感器和唾液生物标志物所使用的技术，有可能检测出受试者体内的生理和生物学异常。该方法可为教育心理学研究提供洞见，用于探索课堂中的动机与情绪构念。此外，该技术也可应用于市场营销、商业、设计及其他涉及个体认知与情绪过程的研究领域。研究人员在使用该方法时面临的主要困难是在考虑现有生理学和生物学技术局限性的同时，对拟研究的事件进行时间同步。理解皮肤电活动的过程尤为重要，特别是皮肤电传感器的工作原理，因为目前可用的开源滤波技术较为有限。鉴于该技术旨在结合多种方法和跨学科专业知识用于准实验设计，对该方法进行可视化演示至关重要，以便研究人员能够观察到成功实施该方法所需的并行且协调的操作步骤。首先设置一个干扰最少的工作环境。意外激活的惊吓反应可能会导致皮肤电活动（EDA）显著升高。确保问卷问题的呈现与皮肤电传感器同步。使用计算机的内部时钟来确定数据采集的时间范围；如果使用任何支持蓝牙的皮肤电传感器，请将时间同步至格林尼治标准时间。确保所有设备（包括问卷、测试流程、皮肤电传感器和网络摄像头）的时间同步至同一标准至关重要，以避免各数据源记录时间出现偏差。如有需要，可设置网络摄像头从不同角度采集受试者的面部图像。有关相机位置的建议，请参阅论文正文。对于皮肤电反应传感器读数，需指定一段时间，让参与者处于放松状态，以建立基线 EDA 数据。在考试开始时，指导参与者凝视测试屏蔽物 5 至 15 分钟，或在计算机中预设此提示。采集唾液样本时，准备一个装有干冰的冷藏箱，其内部温度应为零下20摄氏度，以防止皮质醇样本中的酶在室温下降解。若采用拭子采集法，应指导参与者将拭子置于内侧脸颊或舌下60秒。建立一个标记系统，使参与者能够在唾液样本准备就绪时通知研究人员。实验前，需提前为参与者安排检查时段，评估其健康状况和饮食习惯，记录用于采集皮肤电活动（EDA）数据的手部优势，并提醒参与者在实验当天避免摄入含糖或含咖啡因的产品。在参与者到达之前，确保传感器已正确校准，软件已完成更新，并使用70%酒精棉片清洁传感器表面。将EDA传感器佩戴在受试者的非优势手腕上，使传感器的按钮朝下对准拇指方向。让受试者从第二和第三手指之间的缝隙向手腕中段区域画一条假想线，并将传感器电极置于该位置。要求受试者调整传感器绑带。启动传感器时，应遵循制造商的规程，以确保其设置为可采集数据的状态。对于本方案中使用的设备，需按下传感器按钮持续三秒钟。此时绿色指示灯将间歇闪烁，随后红色指示灯闪烁，最后灯光逐渐熄灭。在淡出过程中，按下按钮一次并持续一秒钟，如果指示灯闪烁红色，则表示正在记录数据。要关闭传感器，请按住按钮三秒钟，腕带底部的绿灯将逐渐熄灭。通过将传感器连接到计算机并在管理软件系统中上传数据，以获取传感器中的数据。如果采集唾液样本，在受试者进入实验房间后，为其倒入一盎司水，并要求其漱口后吞下。在检查过程中，使用时间提示来提醒受试者何时采集唾液。留出60秒时间进行样本采集，然后将其送回检查。采集唾液样本时，应佩戴新的丁腈手套，以尽量减少手部油脂中的粉尘颗粒或污染物转移到样本管中。立即将样本转移至已准备好的冷藏箱中，冷藏箱内部温度为零下20摄氏度。为了提供真实的测试体验，应与课程讲师协商，使考试内容与课程内容保持一致，并选择一种可在实验环境中复制的课程内容评估方式。同时，确保测试环境与实验设置相一致。为应对测试过程中可能出现的中断情况，应延长额外的答题时间，并设计考试程序，以便在调查提示中断学生答题时，能够使其返回到特定的考试题目继续作答。确保所有受试者的中断时间保持一致。在整个测试过程中，通过从一个简单问题开始，并在每道测试题之间为受试者提供30秒的休息时间，纳入校准和放松阶段。最后，确保时间戳程序能够记录测试过程中的任何变更，以便实现数据源的匹配。在实验方案中，必须考虑校准和放松阶段，特别是对于皮肤电反应传感器和唾液生物标志物，因为需要基线值来确定信号噪声或异常数据。本研究测试了两种实验设计：设计A包含皮肤电反应传感器和问卷调查，设计B则额外增加了唾液生物标志物。尽管考试难度相同，但在不同自我效能评分下，正确回答与错误回答之间的平均皮肤电反应值呈现出相反的差异。在实验设计B中，于考试开始时、中期、结束时以及考试结束后20分钟，分别测量了平均皮肤电活动（EDA）、皮质醇以及唾液α-淀粉酶（sAA）的水平。EDA水平从考试开始到结束逐渐下降，但在考试结束后20分钟恢复，这一趋势与皮质醇和sAA的变化一致。统计学显著性差异显示，EDA与sAA在考试开始和中期之间存在显著相关性，而EDA与皮质醇的显著相关性则出现在考试中期与结束之间。到第20分钟时，皮肤电活动（EDA）与唾液淀粉酶（sAA）之间，以及皮质醇与唾液淀粉酶之间均显示出显著差异。请确保仪器和实验流程的同步尽可能实现自动化，并在实验开始前检查是否存在错误。该流程支持整合其他生物指标数据，例如眼动触发信号、肌电图，以及其他包含开放式问题和视频提示等形式的服务。研究人员可利用该技术探索认知、情感、生理与行为表现之间的关联。

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用于研究近实时真实考试体验的跨学科、多模式实验设计

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。...

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

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