解莉 蒙潔 尚穎*

（1.解放軍92228部隊 北京市 100072 2.北京化工大學 北京市 100029）

1 引言

俄國教育學家烏申斯基指出，“專注是我們心靈的唯一門戶，意識中的一切，必然都要經(jīng)過它才能進來。”“專注”指注意力集中，即全神貫注、專心致志地做某事；專注度則指注意力集中的程度，是個很難量化的指標，是影響效率高低的關(guān)鍵因素。隨著現(xiàn)代快節(jié)奏的生活，碎片化時間導致人們的注意力下降，工作、學習效率低，如何監(jiān)控、量化表示，乃至提升專注度是人們最關(guān)心的問題之一。

2019年10月30日，一款能監(jiān)測上課走神的“腦機接口頭環(huán)”在某小學應(yīng)用的話題高居微博熱搜榜，腦機接口技術(shù)作為一種前沿技術(shù)也隨之走進大眾視野。腦機接口是一種生物腦細胞與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接通路，腦機接口系統(tǒng)可以通過采集和分析腦電信號，即腦細胞群自發(fā)性、周期性的電位活動，實現(xiàn)生物腦細胞與設(shè)備的信息交換[1]。近年來基于腦電信號的研究主要集中在認知任務(wù)學習、視覺注意和情感分析，但是對于腦電信號在專注狀態(tài)和分類的研究還處于初級階段。

本文基于神念公司推出的面向普通大眾的腦機接口TGAM[2]開發(fā)學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先采集腦電信號，對腦電信號進行分類得到專注度和放松度。然后在移動端構(gòu)建學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)學習專注度的實時監(jiān)測與動態(tài)展示。該監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)對腦力專注度的分析，設(shè)計成就模塊展示學習專注度監(jiān)測歷史；同時設(shè)計專注度聯(lián)機對戰(zhàn)模塊，用以訓練并激勵用戶提升學習專注度。最后實驗驗證學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。

2 系統(tǒng)整體框架

基于TGAM的學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對用戶實時學習專注度的監(jiān)測，通過采集用戶的腦電信號分析處理得到實時專注度。系統(tǒng)實現(xiàn)對用戶專注度統(tǒng)計分析，設(shè)計學習成就展示子系統(tǒng)；同時設(shè)計訓練提升用戶專注度的聯(lián)機對戰(zhàn)子系統(tǒng)。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1：學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)框架

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 TGAM腦機接口模塊

TGAM模塊實物圖如圖2所示，其采用先進的干電極技術(shù)，有效地采集腦內(nèi)微弱的腦電信號，采樣頻率為512Hz，在信號采集過程中，去除周圍噪聲的影響，通過調(diào)制、數(shù)字濾波、A/D轉(zhuǎn)換等信號處理技術(shù)獲得清晰的數(shù)字信號，并通過信號分類算法，輸出在特定頻率范圍內(nèi)的獨立腦電波，如δ、θ、α、β、γ波。本文采用TGAM模塊采集腦電信號并通過該模塊“慢自適應(yīng)”算法對腦電信號進行分析，再通過其藍牙模塊將專注度數(shù)據(jù)傳輸至移動端，其框圖如圖3所示。

圖2：TGAM腦機接口模塊實物圖

圖3：TGAM腦機接口模塊工作流程

3.2 學習專注度監(jiān)測

本學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)能夠記錄用戶的學習時長，并且能夠通過監(jiān)測用戶的腦電信號，分析得到實時專注度。這些實時專注度能夠準確地映用戶的學習狀態(tài)，幫助系統(tǒng)更為精確地引導用戶投入學習中，對用戶的激勵效果也更加明顯。

用戶通過直觀地觀測到自己的學習專注度，能夠及時地調(diào)整自己的學習狀態(tài)，提高學習效率。

TGAM腦電信號采集設(shè)備能夠?qū)⒉杉降哪X電信號經(jīng)過預處理后，以每秒一個數(shù)據(jù)的速率通過藍牙模塊傳送到移動端，移動端安裝學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)APP。該軟件采用賬號登錄制，每個用戶需要先注冊，初始用戶設(shè)置。然后用戶可使用藍牙接收TGAM傳輸過來的數(shù)據(jù)，并顯示實時學習專注度。

學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)每次記錄的腦電信號與學習時長等信息都會保存在數(shù)據(jù)庫，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與功能開發(fā)。由于采集的數(shù)據(jù)類型基本相同，并且數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)簡單，因此在Android端采用LitePal進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

3.3 學習成就展示

學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)可以及時反饋用戶當前的學習狀態(tài)，但不能統(tǒng)計一段時間的學習效果。為了讓用戶了解到自己在一段時間內(nèi)的學習情況，將實時監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行離線統(tǒng)計分析，得出一周的學習評價，并以此構(gòu)建了學習成就系統(tǒng)。學習成就系統(tǒng)要求用戶每周設(shè)置一個學習目標，如圖4所示，并隨之種下一棵樹，用戶可以選擇其品種。

圖4：創(chuàng)建本周學習目標流程圖

初始只有一棵基本樹種，隨著學習成就的積累會不斷解鎖新的樹種，并在每周設(shè)置學習目標的同時判斷用戶上周學習目標達成度和專注度情況，若評價為非常專注，則會進入解鎖新樹種界面，然后在所有已解鎖樹種中選擇一種樹進行栽培。

用戶每周將得到系統(tǒng)的專注度評價，當專注度大于60即為專注狀態(tài)，對應(yīng)學習時長稱為專注時長，當專注時長占總學習時長的70%，本周即為非常專注，可解鎖新的樹種，系統(tǒng)動態(tài)展示用戶不同階段的學習成就樹的形態(tài)變化，系統(tǒng)實時更新最新數(shù)據(jù)，并且判斷當前用戶學習成就處于哪個階段，并展示用戶不同階段成就樹的形態(tài)。學習成就成長樹生長流程圖如圖5所示。

圖5：學習成就樹成長流程

3.4 專注度訓練

學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計聯(lián)機對戰(zhàn)子系統(tǒng)，以賽車的形式呈現(xiàn)，賽車的速度與用戶專注度保持一致，對抗雙方專注度高者獲勝，讓用戶在游戲中鍛煉自己的專注度，提高自己對專注度的控制能力。聯(lián)機對戰(zhàn)專注度訓練流程如圖6所示。首先，用戶在主頁點擊“游戲模塊”，進入游戲大廳開始匹配，匹配完成后進入游戲界面。雙方準備就緒則游戲開始，一方獲勝則游戲結(jié)束。之后退出游戲界面并返回匹配大廳，用戶可以選擇“繼續(xù)匹配”或“退出大廳”。

圖6：游戲運行流程圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 學習專注度監(jiān)測

用戶在學習時，頭戴TGAM設(shè)備，通過藍牙連接至移動端，在移動端需要完成與TGAM的藍牙連接與數(shù)據(jù)傳輸，以得到實時專注度數(shù)據(jù)。TGDevice對象是用來管理單個ThinkGear硬件設(shè)備的連接問題的，在最普遍的連接場景，即安卓APP通過采用TGDevice (BluetoothAdapter, Handler)構(gòu)造的標準傳輸協(xié)議來連接ThinkGear硬件設(shè)備[3]。程序在監(jiān)測實時專注度時必須與TGAM腦電采集設(shè)備保持藍牙連接，專注度按0～100劃分，移動端將實時專注度以每秒變化一次的頻率形式動態(tài)呈現(xiàn)。如圖7所示，為TGAM采集并分析的腦電信號數(shù)據(jù)，其中圖7-a專注實驗下的專注度與放松度；圖7-b為放松實驗下的專注度與放松度，其中綠色部分代表專注度，藍色部分代表放松度，兩個值的范圍均在0至100之間。從圖中不難看出，在專注狀態(tài)下，專注度值普遍高于60；而在放松狀態(tài)下，專注度的平均值未超過30。TGAM模塊能夠正確采集并處理腦電信號，并得到學習專注度，因此基于此TGAM模塊進行學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)具備有效性和可靠性。圖8是用戶開始學習第11秒時本系統(tǒng)展示的當前實時專注度值。

圖7

圖8：學習專注度監(jiān)測界面

4.2 學習成就展示

用戶在成就系統(tǒng)中，可隨時查看自己的本周學習情況，每次學習的數(shù)據(jù)記錄在用戶數(shù)據(jù)庫中，用戶可查看歷史學習記錄，并統(tǒng)計匯總，可按日、周、月形式查看。主要數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)包括用戶表、腦電數(shù)據(jù)表、用戶學習表及周成就表等。如表1至表3所示。圖9是學習成長樹成長至第3個階段的形態(tài)，用戶還可以隨時了解到自己一周中各天的學習進展，以及專注時長，其中黑色框部分表學習時長，黃色部分表專注時長（專注度大于60），樹的形態(tài)會隨學習時長不斷變化。

表1：腦電數(shù)據(jù)表Eeg

表2：學習表study

表3：周成就表week

圖9：學習成就展示界面

圖10：專注度訓練聯(lián)機對戰(zhàn)界面

4.3 聯(lián)機對戰(zhàn)

在專注度訓練聯(lián)機對戰(zhàn)系統(tǒng)中，游戲展示以小車對抗形式呈現(xiàn)，通過socket實現(xiàn)局域網(wǎng)通信傳遞實時數(shù)據(jù)，以此來控制畫面的同步。兩名用戶分別在主頁點擊“Game”按鈕，即可跳轉(zhuǎn)至游戲的匹配大廳，其中一名用戶可以選擇點擊“創(chuàng)建房間”按鈕，即可進入等待匹配界面，當另一個用戶點擊“進入房間”按鈕，輸入創(chuàng)建房間用戶id，連接成功后跳轉(zhuǎn)入同一游戲界面。

在本聯(lián)機對戰(zhàn)系統(tǒng)中，游戲運行環(huán)節(jié)即小車的運動階段，雙方匹配用戶的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收都是基于UDP協(xié)議的，通過傳遞雙方的實時專注度從而達到游戲的同步，雙方Socket之間并沒有虛擬鏈路，這兩個Socket只是發(fā)送、接收數(shù)據(jù)報的對象，Java提供了DatagramSocket作為基于UDP協(xié)議的Socket，使用DatagramPacket代表DatagramSocket發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)報[4]。

由于Android只有主線程能更新UI，但在主線程中進行大量的耗時操作會報錯。為了避免出現(xiàn)這種情況，本系統(tǒng)創(chuàng)建子線程完成小車的移動，動畫更新采用 runOnUIThread進行[5]。為解決數(shù)據(jù)之間消息傳遞問題而導致的雙方小車移動不同步問題，本系統(tǒng)設(shè)置緩沖區(qū)，用戶收到一個實時專注度后，小車并不會立即移動，而是在緩沖區(qū)中記錄本次的數(shù)據(jù)，待一次實時專注度傳來后，再執(zhí)行緩沖區(qū)中的移動，并新的實時專注度存進緩沖區(qū)。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)基于TGAM完成學習專注度監(jiān)測系統(tǒng)的Android應(yīng)用開發(fā)，系統(tǒng)對用戶學習時長與專注度進行動態(tài)展示及統(tǒng)計分析，通過這種形式激勵用戶堅持學習，并保持專注狀態(tài)；寓教于樂的專注度賽車對抗游戲，鍛煉用戶專注度控制能力，提高學習效率。

系統(tǒng)對腦電信號的處理較簡單，并且學習專注度未綜合考慮眨眼強度等多幅值考慮，未來可進一步優(yōu)化。