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        基于意念(腦電圖)控制的課堂管理研究

        2015-10-18 02:49:28陳鵬慧雷道仲湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南長沙410200
        金融經(jīng)濟 2015年14期
        關(guān)鍵詞:腦電波意念狀態(tài)

        蔡 瓊 陳鵬慧 雷道仲(湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410200)

        國內(nèi)外學(xué)者對課堂管理進行了系統(tǒng)的研究,對于課堂管理的理解也是各有千秋。大多數(shù)研究者認(rèn)為課堂管理是處理課堂環(huán)境中的人、事、物等因素之間關(guān)系的活動。課堂管理是教師管理、教學(xué)情景、學(xué)生學(xué)習(xí)行為、藝術(shù)地控制教學(xué)過程的活動。

        如何進行課堂創(chuàng)新是目前研究者們研究的熱點話題。課堂管理創(chuàng)新的理念是“以學(xué)生為本”。學(xué)生的“全人發(fā)展”,必須在注重人的心理和生理的同時,對全面發(fā)展進行創(chuàng)新。創(chuàng)新的目標(biāo)使我們必須改變課堂管理的相應(yīng)形式,使得課堂規(guī)范化,使得課堂可持續(xù)性發(fā)展,使得課堂具有可發(fā)展性,并協(xié)同學(xué)生形成積極的情感、價值觀,并將人際溝通、行為激勵策略融入到課堂管理。構(gòu)建以人為本的課堂[1],應(yīng)構(gòu)建良好的課堂環(huán)境,順應(yīng)學(xué)生心理需求;預(yù)防和處理課堂行為,制定課堂規(guī)則;約束學(xué)生的個人行為,定制行為準(zhǔn)則。課堂管理,如何將課堂組織的高效成為了研究者們研究的一個熱點話題。有應(yīng)用??普軐W(xué)思想進行課堂管理研究,也有應(yīng)用現(xiàn)代管理模式的,但未能真正的以人為本,從生物學(xué)的角度來進行課堂管理,因此可以嘗試將通過對腦電圖檢測學(xué)生的注意力集中度,判定腦電圖是否處于淺睡眠狀態(tài)還是清醒狀態(tài),并將狀態(tài)實時反饋給教師,來有效的進行課堂管理。

        1. 腦電波的自動識別

        腦電圖主要記錄大腦皮層錐體細(xì)胞頂樹突的電現(xiàn)象。它是腦神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動在頭皮表面或大腦皮層的總體反映[2]。EEG是通過儀器記錄腦細(xì)胞的電活動而形成的。EEG隨時間連續(xù)變化,它是電極間腦生物電的電位差,經(jīng)過信號放大后,保存成圖表或數(shù)字格式。通過腦電波就可以分辨多重類型的生物電,通過儀器還原,可以發(fā)現(xiàn)處于某個特殊的狀態(tài)譬如淺睡眠狀態(tài)等。因此,EEG檢查己廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、心理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究中。目前已經(jīng)有多種方法已經(jīng)用于腦電波的自動識別中來,并且取得了較好的分類效果。其中譜估計已成為頻域分析的主要方法之一、應(yīng)用范圍很廣。通過功率譜可以直觀觀察多通道EEG信號的特征信號及其分布情況[3]。與傳統(tǒng)基于傅里葉變換功率譜相比,AR譜適用于短時間序列,并且具有分辨率高、實驗結(jié)果與理想值偏差較小等優(yōu)點,因而得到迅速發(fā)展。隨著非線性動力學(xué)的發(fā)展,越來越多的證據(jù)表明大腦是一個非線性動力學(xué)系統(tǒng)。近似熵特性正好與生物醫(yī)學(xué)信號特性吻合,它具有確定性成分,又有隨機成分。因其比例不同則其近似熵值也不同,不論隨機信號、確定性信號、混合信號均可使用[4]。在腦電圖的自動分類中,常用小波變換中的多分辨分析(MRA)常常用來分析EEG信號處于深睡、淺睡,是否為正常腦電波等,并進行小波熵在不同的頻率子帶能量分布的復(fù)雜度的計算,然后通過SVM進行分類腦電波。目前,腦電波的識別技術(shù)已經(jīng)比較成熟,可以用來識讀人的意念,可以用來區(qū)分人疲倦時和注意力比較集中等不同狀態(tài)[5],可以用于課堂效果的管理。

        2. 基于意念(腦電波)的課堂管理的設(shè)計

        在教學(xué)過程中為了使教與學(xué)的過程中,學(xué)生的遷移能力更強,就需要加大學(xué)生參與度?;谝饽?腦電波)課堂管理通過了解學(xué)生的實時上課真狀態(tài),識別偽狀態(tài),提醒教師調(diào)整教學(xué)方法,旨在調(diào)動教師教和學(xué)生學(xué)的積極性。

        2.1 意念(腦電波)采集器

        在基于意念(腦電波)控制的課堂管理研究中,采用藍牙腦電傳感器,該腦電波采集模塊基于TGAM內(nèi)核,如下圖所示。通過對采集原始腦電波的分析,得出被測者的專注度和放松度指數(shù),還進行腦電波信號質(zhì)量分析,給出是否為有效報告給教師參考。該系統(tǒng)中主要通過ThinkGear數(shù)據(jù)包進行解析,給出學(xué)生上課時注意力是否集中,是否在打瞌睡的結(jié)論。教師通過控制端就能識別出學(xué)生的狀態(tài),實時動態(tài)的調(diào)整教學(xué)方法和手段。

        2.2 基于意念(腦電波)控制的課堂設(shè)計

        基于意念(腦電波)課堂管理通過將意念(腦電波)通過數(shù)據(jù)采集器進行采集,通過學(xué)生的專注度和放松程度及睡眠波的檢測,通過腦電波自動識別系統(tǒng)將數(shù)據(jù)樣本分為為興奮(excited)、疲倦(Tired)、正常(Normal)等。在這里興奮就是學(xué)生參與度高,學(xué)習(xí)積極性高。疲倦則是學(xué)生可能在走神或者睡覺的狀態(tài)。正常是學(xué)生處于聽課狀態(tài),但學(xué)生的興趣度不高。在尊重學(xué)生的生物學(xué)習(xí)規(guī)律的前提下,依據(jù)學(xué)生的狀態(tài)來提醒調(diào)整教師的狀態(tài),在此系統(tǒng)中教師狀態(tài)分為講授、互動、調(diào)整等模式。調(diào)整模式在學(xué)生疲倦時啟動,可以選擇播放與教學(xué)有關(guān)的小視頻、做些小游戲來調(diào)動積極性?;幽J綍r提醒教師與興奮度較高的學(xué)生來參與提高積極性,并將疲倦的學(xué)生點醒。講授模式時候,對于瞌睡的學(xué)生促發(fā)瞌睡叫醒模式,在耳邊播放音樂等,也可通過防瞌睡裝置來定時提醒,對于比較疲倦的學(xué)生,邀請疲倦了的學(xué)生回答問題,請一般狀態(tài)的學(xué)生來當(dāng)小老師等方法進行調(diào)整。實時調(diào)整模式旨在將學(xué)生拉回課堂,積極主動的學(xué)習(xí)。

        3. 基于意念(腦電波)的課堂管理的設(shè)計的展望及存在的問題

        基于意念(腦電波)的課堂管理的研究,可以大幅度的提高的教學(xué)效果,維持好的教學(xué)次序,充分的調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。但仍然存在著一些問題,譬如對于優(yōu)秀學(xué)生能起到積極調(diào)動的作用,上課容易走神的同學(xué)也效果不錯,但反而是對表現(xiàn)平平的一些學(xué)生,有些同學(xué)有些許抗拒心理,覺得這是老師的不信任。那么如何改進這種情況。就應(yīng)該首先從硬件系統(tǒng)下手,將進行設(shè)備微型化,將產(chǎn)品外形設(shè)計的更加的容易被90后乃至00后學(xué)生接受,從某種程度上消除學(xué)生抗拒心理;進一步研究心理學(xué),將九型人格等好的心理學(xué)方法融入到基于意念(腦電波)控制的課堂管理的課堂中來。還有由于目前采集系統(tǒng)的分布式效果不好,由于數(shù)據(jù)樣本相對較多,系統(tǒng)未能的接收到全班學(xué)生的實時信息,有誤報和漏報的情況,譬如興奮的學(xué)生有可能不是對課程很感興趣,有可能是很開心的玩手機或者是和同學(xué)聊天等。因此在下一步的研究中,應(yīng)著重進行系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高,提高分類率,將偽興奮狀態(tài)區(qū)分開。

        [1]張東.課堂管理創(chuàng)新:內(nèi)涵、方向、策略[J].教育探索,2005,10:1-3.

        [2]Berger H. Uber das Elektrenkephalogramm des Menschen(On the EEG in humans) [J]. Arch Psychiatr Nervenkr,1929,87: 527 – 570.

        [3]吳鋒.基于譜分析方法提取心動周期變異性中的睡眠結(jié)構(gòu)[J].信息生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2004,21(2)∶212-214.

        [4] P incus S.Approximate entropy(ApEn)as a complexity measure[J].Chaos,1995,5:110 – 117.

        [5]王利.駕駛疲勞腦電信號節(jié)律的特征分析[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2012,4,629-633.本文受湖南教育廳科學(xué)研究項目(No.12C1174、No.12C1176)資助

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