黃婧婕 程麗瑩 石佳佳 杜若瑜,2

0 引言

隨著互聯網信息技術的不斷發(fā)展，移動通信設備進入課堂在所難免，同時高校課程存在理論性強、抽象化概念多等特點，都使得課堂吸引力下降，大學生注意力極度分散，導致教學效果不佳。楊偉文等[1]選取92名在校本科生進行問卷調查，結果顯示課堂集中時間少于80%的被試者超過87%，影響因素主要是授課內容的吸引力。李陽等[2]對800名在校大學生進行抽樣調查，結果顯示83.8%被試者上課會玩手機，具體表現在公共基礎課及選修課，占比超過60%。由此可見，課堂教學模式與大學生課堂注意力缺失現狀存在相關性。因此通過科學的手段改善高校的教學模式，對于提升大學生注意力顯得尤為重要。

進入信息社會以來，高校教學模式不再局限于課程內容改革，也同時考慮到信息技術在教育中的全局性、基礎性地位的鞏固。信息化教學這一概念應運而生，它可以劃分為5類:理論指導模式、教學實踐模式、技術支持模式、組織管理模式以及學習認知模式[3]。而在大部分信息化教學模式中，信息技術工具承擔著很重要的角色，動畫演示教學法也隨之納入人們的關注范圍。目前，對動畫演示教學法的研究方向有很多。史曉原[4]以物流技術與裝備課程為例，研究其在大學生物流管理專業(yè)實踐教學中的應用性；吳彬等[5]設計微視頻演繹法與多媒體課件講授法對照實驗，探究微視頻演示對就業(yè)指導課程教學效果的影響。以上研究一致認為動畫演示教學法會影響大學生的課堂注意力，因此能夠提高教學效果。雖然相關研究已取得很多成就，但還存在以下不足。首先，在以往的研究中，多是從理論層面剖析動畫演示教學法的優(yōu)勢，很少有采用實驗法研究。其次，對于學生課堂注意力的反饋情況是通過調查問卷形式或課程成績反映，此類方法操作簡單，但實質上是人為判定，主觀性較大。近年來，腦科學研究不斷發(fā)展，其中關于大腦學習機制方面[6]的內容為探索高效的教學模式研究提供了更為科學嚴謹的方法，腦機接口技術也為觀測及干預學生課堂注意力提供了技術支撐。然而，目前的研究幾乎沒有腦認知神經機制的證據來證明動畫演示教學法對大學生課堂注意力存在影響。據此，本研究從腦科學認知層面出發(fā)，根據腦電(electroencephalogram,EEG)信號的特征參數客觀評價動畫演示教學法的實際應用效果。

本研究采取傳統(tǒng)講授法和動畫演示法兩類教學模式的視頻刺激材料誘發(fā)腦電信號的實驗方法，并對其進行時頻分析，試圖在alpha、beta頻段尋找具有可識別注意力集中程度特征值的相關頻段[7]。最后將腦電信號特征參數結合主觀問卷結果進行對比評估，探索動畫演示教學模式對大學生課堂短時注意力的影響，并為探究其教學效果提供更加準確客觀的數據支撐。

1 研究設計

1.1 問卷調查

前期研究工具是調查問卷，問卷是在賈雯[8]的“大學生英語課堂注意力情況調查問卷”的基礎上，根據普通大學生的特點對部分題目進行修訂后完成的。該問卷主要包括個人基本信息、課堂注意力集中程度、課堂注意力影響因素、對動畫演示教學模式感受4部分內容，共22題。調查時間為2019年9月3—13日，在南京郵電大學在校學生中隨機發(fā)放問卷100份，回收得到有效問卷84份，問卷有效率為84%。

通過問卷調查法歸納整理大學生課堂注意力影響因素，同時利用SPSS 17.0軟件進行描述性統(tǒng)計分析動畫演示教學模式是否對大學生課堂短時注意力起到積極影響。收集到的問卷能夠反映出大學生對于動畫演示教學模式的主觀感受，為后續(xù)腦電信號實驗研究提供理論依據。

1.2 被試選擇

通過問卷調查法篩選被試，排除睡眠質量、對任課教師態(tài)度等其他相關研究已經證明的影響大學生課堂注意力的因素的影響，最終選取30名在校大學生受試者，男女生各15名，年齡19～22歲。全部受試者均為右利手，身體健康，無生理疾病，視力正?；虺C正后正常，自愿參加本試驗，之前均簽署知情同意書。由于10份腦電信號數據偽跡過多，為提高數據有效性予以剔除，最后得到20份有效數據(11例男性，9例女性)。

1.3 試驗設計

1.3.1 設備

EEG信號采集設備采用的是美國神經科技公司(Emotiv System)研發(fā)的32導無線腦電信號采集系統(tǒng)Emotiv EPOC Flex Saline，電極分布采用10-20國際標準導聯分布，通過非入侵性的腦電波儀技術感測被試者大腦神經元的電信號，并通過無線傳輸將EEG信號傳輸至計算機，能夠實時查看和導出原始EEG、相關性能指標及頻帶功率等數據，實現可視化功能。

1.3.2 刺激材料

本研究首先從中國大學MOOC等線上教學平臺中選取10組課程視頻，內容涵蓋計算機、外語、文史哲等大學通識性課程，組間確保課程講述知識點基本一致，僅在教學模式層面存在差異性。同時為避免課程內容難度以及學生學習水平對實驗結果產生影響，由50名在校大學生填寫了對課程視頻知識點的了解程度李克特量表(Likert scale)[9]，經統(tǒng)計分析篩選出3組排名靠前的專業(yè)性不強、被試者容易接受的傳統(tǒng)講授法和動畫演示法教學視頻。這3組視頻講述的知識點分別是歐拉公式(高等數學)、通貨膨脹(經濟學)和海森堡不準確原理(大學物理)。

根據相關研究[10]證實的長時間的觀看視頻和接收信息容易造成學生視覺疲勞和注意力分散，教學視頻的時間應當控制在10 min左右。本研究決定采用Premiere軟件對刺激材料進行編輯處理，在不改變視頻內容的前提下改變時長，每段視頻時長控制在170～240 s，以激發(fā)被試者最大限度的課堂短時注意力，避免視頻時長等因素對結果的影響。

1.4 試驗程序

研究采用2(被試類型：集中×不集中)×2(刺激類型：傳統(tǒng)講授法×動畫演示法)實驗設計。其中，被試類型是被試間變量，刺激類型是被試內變量。試驗開始后，采用E-prime心理實驗軟件呈現刺激材料，在受試者正前方的液晶顯示屏上顯示。首先在屏幕中央出現注視點“+”300 ms；然后刺激視頻呈現；刺激結束后，空屏10 s為休息時間，結束后自動進入下一個試驗，視頻刺激呈現的先后順序為隨機選擇；最后要求被試完成關于刺激內容問卷。刺激范式見圖1。

圖1 刺激范式圖解Figure 1 Stimulus paradigm diagram

1.5 數據處理

采用基于Matlab平臺的Eeglab工具箱對數據進行預處理工作，依據腦神經科學研究結果發(fā)現40 Hz的腦電信號與注意力集中、解答問題時的精神狀態(tài)有密切關系[11]，提取4～50 Hz范圍內的頻率，對其進行獨立主成分分析(independent component analysis，ICA)并使用Adjust功能輔助判斷去除眼電偽跡，得到干凈的腦電信號。

時域分析法主要是直接提取EEG信號的波形特征參數，如幅度峰值檢測、過零節(jié)點分析、方差分析、直方圖分析、相關分析等；頻域分析方法主要是從頻域提取EEG腦電信號的信息，對信號進行相關特征提取。功率譜估計是頻域分析的一種重要手段，其主要思想是把EEG信號在時域范圍的幅度變化轉變?yōu)樵陬l域范圍的功率變化，從而可以直接觀察到 EEG 信號變化的節(jié)律與分布[12]。

EEG腦電信號是非平穩(wěn)、時變隨機信號，在不同時間包含了不同的頻率成分，所以單純從時域或者頻域不能準確地分析腦電信號[13]。因此本研究對干凈的腦電信號進行疊加獲得總平均圖后，把時域和頻域結合起來對EEG信號進行時頻分析，試圖在alpha、beta頻段尋找具有可識別注意力集中程度特征值的相關頻段。

2 結果

2.1 主觀分析

問卷調查統(tǒng)計結果顯示， 在“上課注意力集中程度”選項，有2/3的學生較集中，1/3的學生很不集中，甚至沒有學生認為自己非常集中。

通過分析上課注意力不集中的各原因的問卷回答率，排在第1位的是課堂教學模式的影響，95.24%的學生選擇了本項目。第2、第3位的影響因素是熬夜導致的疲勞和手機等外部因素，總的答題率分別為85.71%和65.1%。根據卡方檢驗結果，性別對于這3項表現出一致性，并沒有差異性，是男、女生均認可的影響其上課注意力的最重要的因素，由此可以得出結論：教學模式對學生課堂注意力的影響最關鍵也最直接，次重因素中，學生由于熬夜至上課犯困，也處于重要地位。該結論與相關研究所證實的結論一致。

2.2 腦電信號時頻分析結果

將所有被試者觀看視頻的腦電信號根據刺激材料性質分成兩類，并且疊加求平均進行時頻分析，采用t檢驗，P<0.01表明差異有統(tǒng)計學意義。因此，當統(tǒng)計分析的結果中出現紅點時，即代表相關性強，結果表明F3、AF4、FC6通道尤為明顯。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別是F3、AF4、FC6通道的時頻分析圖，圖中結果顯示在這3個通道下，傳統(tǒng)教學模式實驗組與動畫教學模式實驗組的腦電信號差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01)。

圖2 腦電信號時頻分析圖Figure 2 Time-frequency analysis of EEG signals

在進行事件相關譜擾動分析時，可以看出動畫演示教學模式實驗組腦電信號活動更顯著，能量更活躍。同時根據多次時間截取分析結果顯示，被試者觀看刺激材料30～150 s時間窗內的腦電信號差異具有統(tǒng)計學意義。

由于在theta波段差異沒有統(tǒng)計學意義，因此在對腦電信號進行特征分析時不再對theta頻段進行研究，只對alpha和beta頻段進行深入分析。從圖2(c)中可以看出，在FC6通道下，20～35 Hz頻段差異具有統(tǒng)計學意義，即大腦興奮的頻段，而在其他頻段的差異無統(tǒng)計學意義。

3 討論

3.1 注意力的相關腦功能區(qū)

研究表明，額葉是人類記憶加工的重要腦區(qū)[10]。本研究通過EEG時頻分析，結合圖3的電極位置圖，從極點的分布中可以清楚看到，F3、AF4、FC6 3個極點都集中在前額葉部分。本研究驗證了Shimamura等[14]關于前額葉與注意力、記憶功能有密切關系的結論，從側面證實了本試驗設計的準確性。

圖3 電極位置圖Figure 3 Electrode location map

3.2 動畫演示教學模式的優(yōu)越性

問卷調查“不同教學模式對你課堂注意力的影響”項目結果顯示，有24.29%的學生反映課堂教學過程中動畫演示時集中程度很高，有68.57%的學生認為較高，而近67.42%的同學認為老師板書講課時集中程度比較差。

相關事件譜結果顯示，時間窗為30～150 s時，動畫教學模式視頻組的腦電信號能量更活躍，且beta波此時在腦電信號能量中占比較大，外在表現為注意力集中。該時間窗下，視頻刺激材料存在明顯差異。

同時，主觀試題反映的結果是，與動畫教學模式刺激材料相關的問題正確率高達80%，而傳統(tǒng)教學模式涉及問題正確率僅為50%，這也從側面驗證了動畫教學模式更能夠提高學生課堂短時注意力。

4 結論

目前，高?！半[形逃課”現象愈發(fā)嚴重，如何改善教學模式提高大學生課堂注意力也顯得越來越重要。本文中通過分析腦電信號來研究動畫教學模式對大學生課堂短時注意力的影響，期望找到在alpha、beta頻段的某些具有強相關性的時間段，對大學生課堂注意力的判斷具有可行的高識別率的特征，為高校教學模式改革提供新的思路，并得到了以下結論：動畫教學模式下大學生課堂短時注意力更集中，前額葉區(qū)域更明顯，同時beta波段的部分特殊頻段存在可識別注意力集中程度的特征值，可為今后研究可穿戴腦電信號技術監(jiān)測課堂注意力提供一定的參考依據[15]。

本研究還存在一些不足。首先，視頻刺激材料的選擇基于主觀篩選的方式，教學模式的內在差異性無法驗證，盡管進行了可行性分析，但是被試者對于相關理論知識的熟悉程度不同會對實驗結果產生一定的影響。其次，實驗中被試者較少，后續(xù)研究中需要進一步增加被試者數量，提高數據可靠性。最后，由于相關研究多基于圖片刺激，視頻刺激的范式較少，使得信號數據分析過程較為復雜，很難找到對應時頻域的信號特征。因此本研究的成果僅能為高校采取動畫教學模式提供參考依據，具體教學效果仍需進一步印證。