金燕妮　劉彥　王靜梅

為推動早期兒童教育與跨學(xué)科研究的發(fā)展，促進中外學(xué)者跨學(xué)科合作與交流，6月14～16日，由浙江師范大學(xué)杭州幼兒師范學(xué)院主辦的“第四屆早期兒童教育與發(fā)展神經(jīng)科學(xué)國際研討會”在浙江杭州隆重召開。本次會議涉及發(fā)展神經(jīng)科學(xué)與神經(jīng)教育學(xué)、早期兒童發(fā)展與教育、早期教育環(huán)境等重要議題，尤其是聚焦對低幼兒童研究具有變革意義的新技術(shù)——血譜成像技術(shù)（Transdermal Optical Imaging，簡稱TOI技術(shù)），展示TOI技術(shù)在當(dāng)前各研究領(lǐng)域所取得的階段性成果，為國內(nèi)外學(xué)者的交流與合作提供了平臺。

一、TOI技術(shù)的原理解析

加拿大多倫多大學(xué)李康（Kang Lee）教授圍繞“TOI技術(shù)的原理與發(fā)展”這一主題，從多個方面深度解析了TOI技術(shù)。這是一項使用傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器，并結(jié)合先進的信號處理和機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)來獲取皮膚下血紅蛋白濃度變化情況，從而測量生理和心理狀態(tài)的非接觸式技術(shù)。

為何選擇TOI技術(shù)？李康指出，現(xiàn)有的接觸式的用以測量生理和心理狀態(tài)的技術(shù)存在一些缺陷，如有一定的創(chuàng)傷性，價格較貴，操作相對復(fù)雜，低幼兒童很難接受長時間測試等，而現(xiàn)有的非接觸式的生理與心理狀態(tài)測量技術(shù)又缺乏一定的有效性和精確性。例如，研究發(fā)現(xiàn)，在日常生活中，人類面部帶有明顯表情的時間僅占7%。在這種情況下，常用的面部表情檢測技術(shù)（非接觸式測量技術(shù)）在實時檢測方面無法發(fā)揮作用，且依靠對人的面部表情的分析也無法獲得真實的情緒信息。TOI技術(shù)則能依托其卓越的性能解決這些問題。TOI技術(shù)是先將光源直接照射到面部，光線穿過皮膚表皮，根據(jù)光與組織交互原理（Light-tissue Interaction），光在到達真皮層后會出現(xiàn)反射，然后在不接觸個體的情況下，利用光學(xué)傳感器（Optical Sensing）全盤接收面部皮膚反射的光線。根據(jù)比爾-朗伯定律（Beer-lambert Law），一束單色光照射于一吸收介質(zhì)表面，在通過一定厚度的介質(zhì)后，因為介質(zhì)吸收了一部分光能，所以透射光的強度會減弱，吸收介質(zhì)的濃度及厚度愈大，光強度的減弱愈顯著。光學(xué)傳感器接收到的光帶有大量面部血紅蛋白濃度變化的信息。根據(jù)人體循環(huán)系統(tǒng)的原理，面部的毛細血管和人體心臟、靜脈、動脈都是緊密相連的，這些面部血紅蛋白變化信息能夠很好地反映出個體的生理狀況，如血壓、心率、呼吸等。因為人心理上的變化會帶來個體血壓和血流的變化，所以面部血紅蛋白濃度變化信息也能間接反映出個體的心理狀態(tài)。研究者根據(jù)收集來的面部血紅蛋白變化信息，利用基于人工智能引擎的深度情感云計算對其進行自動分析，可以獲得實時、可讀的生理-心理-情緒信息。TOI技術(shù)強大的機器學(xué)習(xí)能力實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動快速處理。未來在人工智能的推動下，TOI技術(shù)還將實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、分析與寫作的一體化。

二、TOI技術(shù)的可行性探析

多項研究為TOI技術(shù)的可行性提供了證據(jù)。北京航空航天大學(xué)劉建剛教授的團隊利用TOI技術(shù)對面部皮下血流的變化和分布情況進行了測量，發(fā)現(xiàn)所劃定的每個面部區(qū)域可能包含多個獨立成分，每個獨立成分又具有不同的空間分布模式。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，不同的獨立成分的時間過程都包含類似心臟活動的幅頻特性（即電壓放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系），同時還具有不同于心臟活動的相頻特性（即輸出信號與輸入信號的相位差與頻率的關(guān)系）。這些發(fā)現(xiàn)說明TOI技術(shù)能有效獲得面部皮下與心血管相關(guān)的血流活動模式。

TOI技術(shù)應(yīng)用的可行性不僅在心血管測量中得到了印證，在心理壓力測量上也展現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢。浙江理工大學(xué)嚴璘璘副教授將已有測量心理壓力的手段（認知評估、情緒反應(yīng)測量、應(yīng)激激素測量、心血管反應(yīng)測量）與TOI技術(shù)進行了詳細比較，發(fā)現(xiàn)已有的心理壓力測量手段雖有一定的優(yōu)勢，但其劣勢也表現(xiàn)得很明顯。認知評估和情緒反應(yīng)測量的操作比較簡單，成本低廉，但極易受主觀因素影響，且時效性較差。應(yīng)激激素測量雖然能客觀、量化地測量心理壓力，但是取樣難度較大且易混淆壓力源，樣品保存要求高，測量成本高。心血管反應(yīng)測量比較客觀、量化，可是也存在測量成本高，技術(shù)要求高，測量情景受限制等缺陷。相比這些心理壓力測量手段，TOI技術(shù)能夠在不接觸受試者的情況下客觀、高效、實時地測量出個體的心理壓力，且在數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析方面更為便捷、可靠。

三、TOI技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

在實踐層面，多個領(lǐng)域的專家展示了TOI技術(shù)的階段性應(yīng)用成果。在兒童教育與發(fā)展領(lǐng)域，浙江師范大學(xué)秦金亮教授帶領(lǐng)的研究團隊發(fā)現(xiàn)，18個月嬰幼兒通常在剛?cè)胪械娜齻€月內(nèi)很難順利適應(yīng)托幼機構(gòu)的生活，會出現(xiàn)入園哭鬧、入園孤僻、入園焦慮等現(xiàn)象，往往比小班幼兒所需要的入園適應(yīng)期更長。秦金亮分析指出，嬰幼兒的壓力源主要有四種類型，分別是陌生與新異性條件、競爭性條件、傷害性條件和挑戰(zhàn)性條件。入托適應(yīng)是個體畢生發(fā)展性適應(yīng)的重要節(jié)點，研究者應(yīng)當(dāng)予以重視。為深入研究這一難題，秦金亮團隊計劃以幼兒的社會性微笑為行為指標(biāo)，利用TOI技術(shù)進行一項入托、入園和入學(xué)三階段的發(fā)展性適應(yīng)的長期追蹤研究，旨在利用TOI技術(shù)確定與幼兒發(fā)展性適應(yīng)相關(guān)的恒定有效的生理指標(biāo)，實現(xiàn)行為指標(biāo)和生理指標(biāo)的有效結(jié)合，從而為設(shè)計適應(yīng)性課程以改善幼兒適應(yīng)性行為提供有力的支持。秦金亮指出，人工智能時代的到來，對兒童的發(fā)展與教育提出了新的挑戰(zhàn)。TOI技術(shù)具有測量無接觸、無創(chuàng)傷，自然狀態(tài)采集數(shù)據(jù)，多被試并行采集數(shù)據(jù)，大尺度采集數(shù)據(jù)等優(yōu)勢。在橫向研究方面，TOI技術(shù)可以用于對兒童社會認知、情緒情感、社會性、人格發(fā)展等的探討;在縱向研究方面，TOI技術(shù)可以用于開展兒童健康追蹤、社會性發(fā)展與適應(yīng)、發(fā)展性偏差與障礙、情緒發(fā)展、認知發(fā)展、審美發(fā)展等的研究。秦金亮還以“社會性微笑”為例，從社會性微笑的綜合干預(yù)與改進、社會性微笑的生化遞質(zhì)機制、社會性微笑的基因表現(xiàn)、社會性微笑的面孔血流表現(xiàn)、社會性微笑的經(jīng)驗觀察記錄等五個方面構(gòu)想TOI技術(shù)與其他技術(shù)的整合，期待實現(xiàn)兒童發(fā)展研究跨學(xué)科、多領(lǐng)域的融合。

TOI技術(shù)在情緒、情感的識別上也展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。眾所周知，面部表情可以反映個體的情緒，但是面部肌肉是可以被個體有意識地控制的。個體可以有意地做出與實際情緒不一樣的表情，或者面無表情。那么，除了通過表情來識別人類的情緒外，是否能夠找到更加客觀有效的指標(biāo)與方法來識別情緒呢？杭州師范大學(xué)傅根躍教授根據(jù)臉部血流動力學(xué)標(biāo)志假說（the Facial Hemodynamic Signature Hypothesis），即不同的情緒會引起面部不同的血流變化模式，而這種變化模式可以測量并作為識別不同情緒的生理指標(biāo)，通過TOI技術(shù)記錄了314名大學(xué)生在觀看兩套情緒視頻時的面部血流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同的情緒會引起面部不同的血流變化模式，而這種變化模式可以通過TOI技術(shù)獲得，用作識別不同情緒的生理指標(biāo)。

在人類發(fā)展性適應(yīng)問題上，多倫多大學(xué)吳思佳（Sijia Wu）高級研究員探討了大學(xué)生的入學(xué)適應(yīng)性問題，分享了對18個學(xué)院的11741名新生入學(xué)適應(yīng)性的TOI研究結(jié)果，還分享了利用TOI技術(shù)測量考試前后學(xué)生心理壓力的研究成果。

除此之外，TOI技術(shù)在對女性服刑人員負性心境干預(yù)的研究中也得到了應(yīng)用。浙江師范大學(xué)宋曉蘭副教授介紹了女性服刑人員自我報告與面部血譜成像技術(shù)的研究結(jié)果。在這一研究過程中，TOI技術(shù)體現(xiàn)出的高效、便攜的特性，為研究帶來了極大的便利，為TOI技術(shù)的可行性和有效性提供了研究證據(jù)。浙江工商大學(xué)侯旻副教授報告了其研究團隊利用TOI技術(shù)在品牌認知領(lǐng)域進行的研究。侯旻構(gòu)想在今后的研究中建立起品牌態(tài)度與TOI技術(shù)之間的關(guān)系模型，進而實現(xiàn)利用TOI技術(shù)對品牌態(tài)度的預(yù)測。

時代在發(fā)展，科技在進步。每一次新技術(shù)的出現(xiàn)都為科研事業(yè)的發(fā)展提供了新思路。人工智能時代、大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)悄然來到身邊。TOI技術(shù)作為人工智能和大數(shù)據(jù)結(jié)合的產(chǎn)物，為科研事業(yè)打開了一扇新的大門。本次研討會不僅深化了我們對TOI技術(shù)的認識，更加關(guān)注研究技術(shù)的重要性，而且拓寬了我們的研究視野。

本次研討會還舉辦了TOI技術(shù)及應(yīng)用工作坊。李康、劉建剛、秦金亮、吳思佳、王靜梅等專家詳細解答了TOI技術(shù)的原理、實驗室設(shè)計、基于現(xiàn)場的實驗研究設(shè)計等問題，還進行了操作示范。與會代表先是分小組開展實驗操作，就其中的細節(jié)進行深度討論，后就即將開展的研究課題進行跨小組討論，聽取相關(guān)專家的分析、點評。與會代表紛紛表示收獲很大，對TOI技術(shù)及其應(yīng)用充滿信心。

Application of Transdermal Optical Imaging in the Early Childhood Education and Development： A Review of the 4th International Conference on Early Childhood Education

and Development Neuroscience

Jin Yanni， Liu Yan， Wang Jingmei

（Hangzhou College for Kindergarten Teachers， Zhejiang Normal University， Hangzhou， 310012）