Interdyscyplinarny i multimodalny projekt eksperymentalny do badania autentycznych doświadczeń egzaminacyjnych w czasie zbliżonym do rzeczywistego
4 września 2019
Opracowano eksperymentalny projekt w celu zbadania wpływów doświadczenia egzaminacyjnego w czasie rzeczywistym, aby ocenić emocjonalną rzeczywistość, której doświadczają studenci w środowisku i zadaniach szkolnictwa wyższego. Projekt ten jest wynikiem podejścia interdyscyplinarnego (np. psychologia edukacyjna, biologia, fizjologia, inżynieria) i multimodalnego (np. markery śliny, ankiety, czujnik elektrodermalny).
Protokół pozwala naukowcom z dziedziny nauk społecznych, psychologii, edukacji, inżynierii i innych dyscyplin zainteresowanych wykorzystaniem biometrii i wielu technik zrozumieć badania, zajęcia w klasie i podobne autentyczne doświadczenia. Główną zaletą tej techniki jest to, że ma ona na celu znalezienie potencjalnych źródeł szumu spowodowanego artefaktami ruchu w danych. Ponadto protokół jest prosty do wdrożenia i minimalizuje użycie drogiego oprogramowania.
Chociaż diagnozowanie choroby nie jest naszym zamierzonym celem, technologie, których używamy za pomocą czujników elektrodermalnych i biomarkerów śliny, mają potencjał do wykrywania nieprawidłowości fizjologicznych i biologicznych u uczestnika. Metoda ta może zapewnić wgląd w badania z zakresu psychologii edukacyjnej, badające konstrukty motywacyjne i emocjonalne w klasie. Może być również stosowany w marketingu, biznesie, projektowaniu i innych obszarach badawczych, które obejmują procesy poznawcze i emocjonalne jednostki.
Główną trudnością, z jaką badacz będzie musiał się zmierzyć z tą metodą, jest synchronizacja czasowa wydarzeń, które zamierza zbadać, przy jednoczesnym uwzględnieniu ograniczeń istniejących technik fizjologicznych i biologicznych. Ważne jest, aby zrozumieć proces aktywności elektrodermalnej, zwłaszcza proces pracy czujników elektrodermalnych, ponieważ istniejące techniki filtrowania typu open source są ograniczone. Biorąc pod uwagę, że technika ta ma na celu quasi-eksperymentalne projekty wykorzystujące wiele technik i specjalistyczną wiedzę dyscyplinarną, wizualna demonstracja tej metody jest niezbędna, aby umożliwić naukowcom zobaczenie równoległych i skoordynowanych kroków potrzebnych do pomyślnego wdrożenia tej metody.
Zacznij od skonfigurowania miejsca pracy z minimalnymi elementami rozpraszającymi uwagę. Nieumyślnie aktywowana reakcja zaskoczenia może spowodować znaczny wzrost aktywności elektrodermalnej lub EDA. Upewnij się, że prezentacja pytania ankietowego jest zsynchronizowana z czujnikiem elektrodermalnym.
Użyj wewnętrznego zegara komputera, aby ustalić ramy czasowe zbierania danych, a jeśli używasz jakichkolwiek czujników elektrodermalnych obsługujących technologię Bluetooth, zsynchronizuj czasy w czasie południkowym Greenwich. Bardzo ważne jest, aby wszystkie instrumenty, w tym ankiety, protokół badania, czujniki elektrodermalne i kamery internetowe, były zsynchronizowane z tym samym czasem, aby nie było przesunięć w czasie nagrywania dla każdego źródła danych. W razie potrzeby skonfiguruj kamery internetowe, aby mierzyć twarz uczestnika pod różnymi kątami.
Zapoznaj się z manuskryptem, aby zapoznać się z zaleceniami dotyczącymi rozmieszczenia kamery. W przypadku odczytów elektrodermalnych należy wyznaczyć okres czasu, w którym uczestnicy są w stanie relaksu, aby ustalić podstawowe dane EDA. Poinstruuj uczestników, aby na początku egzaminu wpatrywali się w tarczę testową przez pięć do 15 minut lub zaprogramuj tę wskazówkę w komputerze.
Aby pobrać próbki śliny, przygotuj chłodziarkę z suchym lodem, która ma temperaturę wewnętrzną minus 20 stopni Celsjusza. Zapobiegnie to degradacji enzymów w próbkach kortyzolu w temperaturze pokojowej. Jeśli korzystasz z metody pobierania wymazu, poinstruuj uczestników, aby trzymali wacik po wewnętrznej stronie policzka lub pod językiem przez 60 sekund.
Opracuj system oznaczania, który pozwoli uczestnikom powiadomić badacza, gdy próbka śliny będzie gotowa do pobrania. Przygotowując się do eksperymentu, zaplanuj uczestników na sesję egzaminacyjną, oceń wszelkie informacje medyczne i nawyki żywieniowe, odnotuj dominację ręki podczas zbierania EDA i przypomnij uczestnikom, aby unikali spożywania słodkich lub kofeinowych produktów w dniu eksperymentu. Przed przybyciem uczestnika upewnij się, że czujniki są prawidłowo skalibrowane, zadbano o aktualizacje oprogramowania, a czujniki zostały przetarte chusteczkami nasączonymi 70% alkoholem.
Zamontuj czujnik EDA na niedominującym nadgarstku uczestnika, umieszczając czujnik z przyciskiem skierowanym w dół w kierunku kciuka. Poproś uczestnika, aby narysował wyimaginowaną linię od przestrzeni między drugim a trzecim palcem do obszaru środkowego nadgarstka i umieścił tam elektrody czujnika. Poproś uczestników o dopasowanie pasków czujników.
Podczas uruchamiania czujnika postępuj zgodnie z protokołami producenta, aby upewnić się, że są one skonfigurowane do zbierania danych. W przypadku urządzeń używanych w tym protokole naciśnij przycisk czujnika na trzy sekundy. Zielone światło będzie migać z przerwami, po którym nastąpi czerwone światło, a następnie zniknie.
Podczas zanikania naciśnij przycisk raz przez jedną sekundę, a jeśli na czerwono, oznacza to, że nagrywa dane. Aby wyłączyć czujnik, naciśnij przycisk przez trzy sekundy. Zielone światło na dole opaski zgaśnie.
Pobierz dane z czujnika, podłączając go do komputera i przesyłając do systemu oprogramowania zarządzającego. Jeśli pobierasz próbki śliny, wlej jedną uncję wody dla uczestników po przybyciu do sali eksperymentalnej i poproś ich, aby ją ślinęli i połknęli. Podczas badania użyj podpowiedzi czasowych, aby wskazać uczestnikom, kiedy nadszedł czas na zebranie śliny.
Odczekaj 60 sekund na pobranie próbki i zwróć je do badania. Podczas pobierania próbek śliny należy nosić świeże rękawice nitrylowe, aby zminimalizować wszelkie cząsteczki kurzu lub zanieczyszczenia z olejków do rąk, które mają zostać przeniesione do fiolki z próbką. Natychmiast przenieś próbki do przygotowanej chłodnicy o temperaturze wewnętrznej minus 20 stopni Celsjusza.
Aby zapewnić autentyczne wrażenia z testowania, skonsultuj się z instruktorem kursu, aby dostosować treść egzaminu do treści kursu i wybrać ocenę treści kursu, którą można powielić w warunkach eksperymentalnych. Upewnij się również, że środowisko testowe jest równoległe do konfiguracji eksperymentalnej. Dostosuj się do przerw w zdawaniu testów, przydzielając dodatkowy czas na zdawanie testów i projektując program egzaminacyjny tak, aby przywrócić uczniów do określonego problemu egzaminacyjnego, jeśli monit z ankiety im przeszkodził.
Upewnij się, że czas przerwy jest spójny dla wszystkich uczestników. Uwzględnij okresy kalibracji i relaksu przez cały czas trwania egzaminu, zaczynając od prostego pytania i dając uczestnikom 30 sekund na odpoczynek między każdym pytaniem egzaminacyjnym. Na koniec upewnij się, że program do znakowania czasem uwzględnia wszelkie zmiany w badaniu, aby umożliwić dopasowanie źródła danych.
Ważne jest, aby w protokole uwzględniono okresy kalibracji i relaksacji, zwłaszcza w przypadku czujników elektrodermalnych i biomarkerów śliny, ponieważ wartości podstawowe są potrzebne do określenia szumu sygnału lub danych odstających. Przetestowano dwa projekty eksperymentalne, projekt A z czujnikami i ankietami EDA oraz projekt B z dodanymi biomarkerami śliny. Chociaż trudność egzaminu była taka sama, stwierdzono przeciwstawne różnice w średnich wartościach EDA między prawidłowymi i nieprawidłowymi odpowiedziami w różnych wynikach własnej skuteczności.
W przypadku projektu eksperymentalnego B średnia EDA, a także kortyzol i alfa-amylaza ślinowa lub sAA zostały zmierzone na początku, w środku, na końcu i 20 minut po badaniu. Poziomy EDA spadły od początku do końca badania, ale powróciły do normy 20 minut później, co było równoległe do kortyzolu i sAA. Istotność statystyczną stwierdzono między EDA i sAA na początku i w połowie egzaminu, podczas gdy EDA i kortyzol wykazały istotność między środkiem a końcem egzaminu.
Po 20 minutach EDA i sAA, a także kortyzol i sAA wykazały wzajemne znaczenie. Upewnij się, że synchronizacja instrumentów i protokołów jest zautomatyzowana w jak największym stopniu i sprawdź, czy nie ma błędów przed rozpoczęciem eksperymentu. Procedura ta pozwala na integrację innych danych biometrycznych, takich jak wyzwalacze oczu, elektromiografy, a także inne formy usług, które obejmują między innymi pytania otwarte i podpowiedzi wideo.
Technika ta może być wykorzystywana przez naukowców do badania powiązań między poznaniem, afektem, fizjologią i wydajnością.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia szczegółowy protokół eksperymentalnego badania reakcji emocjonalnych i fizjologicznych studentów w czasie rzeczywistym podczas autentycznych egzaminów. Metoda ta integruje czujniki aktywności elektrodermalnej (EDA) oraz pobieranie biomarkerów ze śliny w realistycznym środowisku oceny klasowej, co ma na celu przełamanie ograniczeń wynikających z subiektywnych miar samoopisowych oraz fizjologicznych badań laboratoryjnych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Psychologia edukacyjna
- Pomiary fizjologiczne
- Projektowanie eksperymentów w edukacji
Wstęp
- Tradycyjne badania nad emocjami w klasach opierają się głównie na miarach subiektywnych, takich jak ankiety i wywiady.
- Obiektywny pomiar stanów emocjonalnych uczniów w czasie rzeczywistym podczas zajęć w klasie jest ograniczony przez wyzwania metodologiczne i techniczne.
- Istniejące badania fizjologiczne często odbywają się poza autentycznym środowiskiem edukacyjnym lub nie są zsynchronizowane z zadaniami realizowanymi w klasie.
- Istnieje potrzeba opracowania protokołów obejmujących rekrutację, replikowalność, trafność oraz synchronizację danych w wielomodalnych badaniach nad emocjami.
Cel badania
- Opracowanie i zaprezentowanie protokołu rejestracji fizjologicznych i emocjonalnych reakcji uczniów w czasie rzeczywistym podczas egzaminów w autentycznych warunkach szkolnych.
- Minimalizacja szumów i artefaktów podczas zbierania danych fizjologicznych, w szczególności tych wynikających z ruchu.
- Zapewnienie powtarzalnej i kosztowo efektywnej metody integrowania biometrii z badaniami edukacyjnymi.
Zastosowane metody
- Umieszczenie i kalibracja czujników aktywności elektrodermalnej (EDA) na niedominujących nadgarstkach uczestników.
- Pobieranie biomarkerów ze śliny (kortyzolu i alfa-amylazy) w kilku punktach czasowych (na początku, w połowie, na końcu oraz po egzaminie).
- Synchronizacja wszystkich źródeł danych (czujników, ankiet, kamer) przy użyciu zegarów komputerowych i standaryzowanych protokołów czasowych.
- Ustanowienie okresów bazowych i relaksacyjnych w celu dokładnego pomiaru fizjologicznego.
- Autentyczna treść i środowisko egzaminacyjne zgodne z materiałami kursowymi i potrzebami eksperymentu.
- Procedury zarządzania danymi, w tym natychmiastowe chłodzenie próbek i zapobieganie kontaminacji.
Główne wyniki
- Przetestowano dwa schematy badawcze: jeden z wykorzystaniem EDA i ankiet, a drugi z dodatkowym pomiarem biomarkerów w ślinie.
- Średnie wartości EDA różniły się w zależności od poprawności odpowiedzi i zmieniały się wraz z wynikami poczucia własnej skuteczności.
- Poziomy EDA, kortyzolu oraz sAA spadały podczas egzaminu i powracały do normy po jego zakończeniu, wykazując istotne korelacje w określonych punktach czasowych.
- Protokół skutecznie zminimalizował artefakty ruchowe i umożliwił zsynchronizowany, multimodalny zbiór danych w warunkach szkolnych.
Wnioski
- Niniejszy protokół umożliwia obiektywny pomiar reakcji emocjonalnych i fizjologicznych studentów w czasie rzeczywistym podczas autentycznych ocen.
- Może być on dostosowany do zastosowania w różnych dyscyplinach i kontekstach badawczych poza edukacją, takich jak marketing i nauka o poznaniu.
- Prawidłowa synchronizacja i kalibracja są kluczowe dla ważności danych; tam, gdzie to możliwe, zaleca się automatyzację.
Najczęściej zadawane pytania
Przemysłowe znaczenie projektu
Niniejszy protokół umożliwia fizjologiczne monitorowanie w czasie rzeczywistym podczas autentycznych zadań poznawczych, oferując ramy dla zmniejszenia ryzyka walidacji celu w procesie odkrywania leków neuropsychiatrycznych poprzez rejestrację obiektywnych biomarkerów stresu i pobudzenia. Dzięki integracji aktywności elektrodermalnej i analiz ślinowych w warunkach o wysokiej trafności ekologicznej, metoda ta wspiera uzyskanie wglądu mechanistycznego w ścieżki poznawczo-emocjonalne istotne dla terapeutyków OUN. Podejście to zwiększa pewność prognostyczną we wczesnej fazie odkrywania leków, łącząc odczyty fizjologiczne z wynikami behawioralnymi w kontrolowanych, a jednocześnie naturalnych warunkach.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie szlaków odpowiedzi na stres poprzez zsynchronizowany pomiar EDA i biomarkerów w ślinie podczas wyzwania poznawczego.
- Wartość operacyjna: Ogranicza zakłócenia wynikające z artefaktów ruchowych dzięki synchronizacji sterowanej protokołem oraz korekcji linii bazowej.
- Wartość prognostyczna: Wspiera weryfikację hipotez badawczych poprzez korelację fluktuacji fizjologicznych z wynikami wydajności w kontekstach ekologicznie trafnych.
Opracowanie i przesiewanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia standaryzowane ramy dla pobierania kortyzolu i alfa-amylazy ze śliny w kontrolowanych warunkach czasowych.
- Wartość operacyjna: Minimalizuje zmienność przedanalityczną poprzez stabilizację temperatury podczas postępowania z próbkami i zsynchronizowane sygnały do poboru.
- Gotowość do przesiewu: Ustanawia powtarzalne poziomy bazowe biomarkerów, niezbędne do kwalifikacji testów w procesach badawczych (discovery workflows).
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy mechanistyczne spostrzeżenia z fazy odkrycia z modelami przedklinicznymi poprzez walidację dynamiki biomarkerów w paradygmatach stresu poznawczego u ludzi.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Wyjaśnia zależności czasowe między EDA, kortyzolem a wahaniami sAA podczas zadań poznawczych, co pozwala na określenie optymalnego czasu angażowania celu.
- Pewność predykcyjna: Umożliwia wielomodalną walidację aktywacji osi stresu, zmniejszając zależność od założeń opartych na pojedynczym biomarkerze podczas optymalizacji wiodących związków.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w wczesne etapy procesów odkrywania leków, w których obiektywne fenotypowanie fizjologiczne dostarcza informacji niezbędnych do wyboru celu terapeutycznego i walidacji szlaku sygnałowego, w szczególności w przypadku związków modyfikujących OUN.
- Biologia odkrywcza: Wspiera wyjaśnianie ścieżek sygnałowych poprzez powiązanie biomarkerów elektrodermalnych i ślinowych z wydajnością poznawczą podczas wykonywania zadań.
- Przesiewanie: Dostarcza ilościowe, rozdzielone w czasie wyniki biomarkerów, które umożliwiają porównanie efektów działania związków w różnych warunkach.
- Analityka: Generuje zsynchronizowane, multimodalne zestawy danych odpowiednie do modelowania statystycznego zależności fizjologiczno-poznawczych.
- Badania translacyjne: Wspiera decyzje o dalszym rozwoju oparte na biomarkerach poprzez wykazanie powtarzalnych reakcji osi stresu w autentycznych kontekstach zadań.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do multimodalnej oceny fizjologicznej w projektach odkrywczych obejmujących punkty końcowe o charakterze poznawczym lub emocjonalnym.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność walidacji celu poprzez obiektywne, fizjologiczne odczyty w czasie rzeczywistym podczas wyzwań poznawczych.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność dzięki standaryzacji rozmieszczenia czujników, synchronizacji czasowej i kontroli środowiskowej.
- Wartość strategiczna: Poprawia jakość decyzji go/no-go poprzez redukcję szumu biologicznego w danych dotyczących biomarkerów we wczesnej fazie.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację celów z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o spójność mechanistyczną wyników fizjologicznych i behawioralnych.
Wskazówki dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu psychofizjologii, obchodzenia się z biomarkerami oraz synchronizacji danych multimodalnych.
- Wymaga skalibrowanych czujników aktywności elektrodermalnej, przechowywania próbek śliny w kontrolowanej temperaturze oraz oprogramowania do znacznikowania czasu.
- Wymaga koordynacji między zespołami ds. zachowań, fizjologii i analizy danych w celu zapewnienia przestrzegania protokołu.
- Wymaga dostosowania częstotliwości próbkowania i rozmieszczenia czujników przy przenoszeniu metody między systemami modelowymi lub paradygmatami zadań.
- Ograniczone przez artefakty ruchowe uczestników i zmienność środowiskową, co wymusza stosowanie rygorystycznych procedur wyznaczania poziomu bazowego i filtrowania szumów.
