腦波機與教學研究初探

前言:
      隨著穿戴式裝置與行動載具的普及應用,科技發展在腦波研究方面,也從醫學場域轉化到商業普及產品。具備非侵入式的特性,如Neurosky腦波機,已可達到與醫療用EEG有96%準確率的效果。由此看來,應用腦波機於教育現場或進行教學相關實驗,未來將有很大潛力。
      既有的教育量化研究設計,多以實驗組與控制組區隔,設計實驗操弄,進行前後測比較,再以統計方法來建立有解釋力的數據結果和推論。然而,對於學習者大腦接收訊息、腦內思考與外顯表現之間的關聯,其實仍難以掌握,更遑論據此給予即時、精確的學習支持。解讀腦波的資料記錄,可以了解個體的身心狀態,詮釋行為的意圖
,或者是內在的想法,還有包括像專心程度、情緒方面的部份,若能與教育的主題加以結合,進行研究設計,相信能為教學實踐與學理印證帶來進一步的突破。
      閱讀文獻,不僅從中學習該研究團隊研究設計與執行的論證展現,同時,也在閱讀過程中,讓自己可以搭建與現有工作、研究範疇的新連結機會。尤其這次以腦機介面(Brain-Computer Interface,BCI)的新工具與議題來看,讓我能藉以檢視教學現場實務、教育科技研究派典,在熟悉的領域裡發現新的視角~這次選讀的文章,針對不同的面向例如數學焦慮,還有國內學者的文章:結合IRS應用,或是不同類型線上學習影片的學習成效,都利用腦波資料來佐證研究。以下整理各篇文章的摘要與相關圖表,並整理學習心得與未來研究建議。
      各篇介紹:
◎Evaluating a Brain-Computer Interface to Categorise Human Emotional Response
摘要:
    此研究的目的是評估NeuroSky公司的腦波偵測耳機,作為衡量個體的專注和冥想程度的非侵入式方法,執行兩個心理測驗用以評估該耳機是否適合測量和分類使用者的注意力和冥想程度。
心得:
    這篇文章發表於『2010 10th IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies』,當時新工具剛推出,作者針對其帶來的挑戰與機會,加以批判檢視。利用兩個心理測試結合NeuroSky腦波機,一個是Stroop,另一個是河內塔。20個用戶參與了此項研究(20完成了斯Stroop和17進行了河內塔),每個測試平均20分鐘。以NeuroSky腦波機記錄冥想和注意力程度。

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      在完成Stroop活動時,受試者被問及測驗期間何時感覺有壓力?大多數人回答是在轉換新遊戲等級時,對照腦波圖,也正是數據出現最低點的時間(冥想或專注程度低)。河何內塔實驗則看出受試者壓力出現造成的不平靜程度。

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       左上圖是一般無壓力的任務時專注程度,右圖則在有挑戰任務下的專注程度消長。本文提出使用公認的心理測驗如Stroop試驗,能夠評估NeuroSky腦波機是否適合測量個體的冥想和注意力程度。
      然而,在大規模測試的研究上,還需要有不同的情境設計。以目前腦波機的訊號偵測來看,一台腦波機以藍芽訊號對應到一台電腦或行動載具接收訊號,若是全班都戴腦波機,就必須有相當數量載具收集腦波數據,但又無法做到老師的一個操控,看到全班每位學生的腦波『同步展現』!(在最後一篇文章將介紹可行之替代方案)

◎Using a brain-computer interface (BCI) in reducing math anxiety_Evidence from South Africa
摘要:
      此前的研究表明,數學學習和對數學的態度與和情緒(如焦慮)有關。多年來,強有力的實證證據已經出現,表明數學焦慮對數學成績有顯著的負面影響。同時,也有研究證明數學焦慮可以訓練和減少。然而,這些所提出的干預主要集中在教師而非學生,同時,現有的生理方法應用,如認知行為療法,需要由訓練有素的專業人員加以管理。隨著技術進步,低成本的商業腦機介面(BCI)設備,可以即時捕捉人類情感,已經開發完成,並且在訓練和減少數學焦慮上具有潛在用途。此研究目的是確定是否使用BCI數學教育遊戲,能幫助學生有效地降低數學焦慮。
      為了實現這一目標,一個within-subjects縱向研究設計,36位9~16歲學童,採納8個數據採集腦波,透過在兩個不同日期的時段,觀察參與者的數學焦慮水平變化。由跨兩個訓練時間所獲得之BCI數學教育遊戲數據的分析表明,利用BCI可以有效地訓練和減低數學焦慮。此外,該結果表明,數學焦慮對數學成績有顯著的負面影響,與以前的研究是一致的。這些發現提供新方法~低成本的非侵入性BCI裝置可用於教育目的。
心得:
      本研究利用Emotiv EPOC BCI 裝置,連結Math-Mind數學遊戲,提供視覺反饋給使用者,當他們焦慮程度提高時,試圖幫助他們控制焦慮程度。不過,本研究遊戲的進行,兩個時期時間太短,只在乎遊戲前後腦波數據有改變,並無法確保學習的遷移或保留。另外,似乎直接以遊戲取代了真實教學,如此就無法論述:若以其他方式教學,是否帶來一樣甚至更好的學習成效?尤其,只要談到遊戲,所有的孩子無不眼睛一亮~動機快速提昇、焦慮大量減少,無關學習能力與基礎如何。

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       左上圖為遊戲畫面,圖中右下角即為焦慮程度儀表板。右上圖為研究過程的遊戲任務階段設計。

◎Influence of polling technologies on student engagement:An analysis of student motivation, academic performance, and brainwave data
摘要:
      本研究比較表決器與行動投票、即時教學(JITT)策略,透過腦電波訊號來研究這些方法如何以不同方式影響學生的焦慮、自我效能感、參與、學習成績、注意力和放鬆。研究採用準實驗研究設計。評估使用表決器和手機投票之間的差異,研究在台灣的一大研究型大學進行,由69位學生使用表決器或手機投票,收集兩組數據。結果表明,隨著JITT策略與班上投票,手機投票降低研究生的焦慮,提高學生的成果,投票過程中也提高學生的注意力。雖然學生們已不將智慧型手機視為一個新事物,然而
,將它們納入教室應用仍能有效提高學生的專注,並提供教師一個直接的方式來觀察聽講式的學習效果,並在此基礎上改進教學方法。
心得:
      本篇研究很有意思地結合IRS應用與腦波機數據,原本我們使用IRS,正是為了希望立即掌握學習者的學習狀況,而在本篇裡,讓我們看到答題的當下更細微的腦波訊號呈現。這帶來更大的討論空間:若是在講解當中就能掌握學習者的腦波反應,並且紀錄、同步回饋給老師知道,是否連IRS都不必用,就能了解學習者大致的學習狀況?
      此外,每個人的答題心態也不同:有些人即使知道答案,但在作答前仍可能處於緊張狀態,如此若看到與其他不懂的學習者之緊張狀態,呈現相同腦波而給予一樣的解釋,可能就不恰當。不過,若能細探這樣「作答當下」的多心理轉變運作,加上答題結果對錯的自我印證,可以在多收集腦波數據後,以大數據的概念建立個別學生、班級學生甚至教師教學風格的『常模』,並輔以質性訪談,相信,這樣能對腦波數據的解釋與應用帶來更廣也更深的多元機會。
      當前,也有簡易型的眼動儀,是利用筆電或平板的webcam來追蹤眼瞳的移動。只要工具更普及,研究的發想與創意就可以更多元,不再只能依賴研究單位的稀少資源,甚至實驗場域也多了嚴謹而無法重現教學現場的自然脈絡。本篇的研究模型與實驗數據,還有對於講述、投票、講述的腦波斷面圖呈現頗有參考價值。

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       左上圖為頭戴腦波機投票的實驗情景,右上圖為手機投票的結果呈現。

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      左上圖為控制組講述、投票、講述的腦波斷面圖,右上圖為實驗組圖表。

◎Effects of different video lecture types on sustained attention,emotion, cognitive load, and learning performance
摘要:
      雖然線上課程經常包括多媒體材料,但有關不同類型的影片如何影響學生表現,這樣的研究很少。因此,本研究探討在自學式線上學習情境中,三種常用的影片講課型式,如何影響verbalizers and visualizers線上學習學生的持續關注、情緒、認知負荷和學習表現,使用雙因子實驗設計、腦波檢測、情緒傳感設備,認知負荷量表,學習成就試卷等工具。
      分析結果表明,雖然三種影片講課型式能提升學習表現,但講座攝錄式和子母畫面類型的學習表現優於簡報畫面加錄聲音類型。利用三種影片,Verbalizers and visualizers表現相同的學習成果。
      此外,簡報畫面加錄聲音類型所引發的持續關注明顯高於子母畫面類型。 利用三個影片講座學習的時候,verbalizers的持續關注也顯著高於visualizers。此外,三種影片講座誘發的正面和負面情緒在彼此之間並無顯著差異。同時,認知負荷與簡報畫面加錄聲音類型的關聯顯著高於其他兩類。此外,簡報畫面加錄聲音的認知負荷在visualizers表現明顯超過verbalizers。這項研究顯著的成果提供將來設計影片教材的參考,並能提供線上學習選擇影片講座類型之參考。
心得:
      雖然本實驗從學習風格來區隔verbalizers與visualizers加以比較,但關於其中學習效果差異不大的狀況,個人認為可能有參與實驗者的自我應驗情況:知道自己正被實驗著,看影片的印象與專注自然提高。此外,由於學習內容相同、學習目標不多,學習評量成績可能差異不多,不致因不同的媒體效果就造成明顯差異。
      從本篇得到兩個發想:
1.找到上述對於「大規模腦波機測試研究限制」之替代做法:利用這樣非同步線上影片學習的模式,可以利用影片的時間與個別學習者的腦波數據來達成多學生腦波『同步』的目標:結合影片中的教學設計與實驗操弄,可以看每位學習者在那個當下產生的腦波反應,再據以掌握個別差異。
2.可以在教學中利用錄影方式,同時拍攝教學現場、腦波圖像與師生行為的全攝錄,這樣在事後分析時就能找到「教、學」互動反應的腦波機數據同步印證之實證參照。

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      左圖為講座攝錄式影片,中圖為簡報畫面加錄聲音之影片,右圖為子母畫面影片。

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      上圖為實驗場景。

結語:
      在這次選定主題與選讀文件之際,發現腦機介面的研究面向很廣,除了上述四篇文章,還有結合單側鼻孔呼吸、精油與音樂療效,改變生物日夜週期,或者結合沈浸式遊戲、以腦波控制機器人….等研究,著實讓我大開眼界。不過,回到當前的教學現場務實思考:首先認識腦波機功能與限制、思考如何與為何需要結合既有理論與工具來進行新的研究?才是當務之道。從應用腦波機進行研究的文獻也發現:研究者多費了一番功夫來搭配既有理論、工具與實驗設計,先說服讀者『腦波機應用與既有實驗結論相符』,然後才有創新應用的亮點展現。
      畢竟,所有的研究規劃,都應設定明確目標,同時具有相當的意義與價值訴求:到底這樣的研究,能為教學現場、教師教學或學生學習,帶來怎樣的洞見、啟發與影響力?關於學習心理運作與生理訊息,諸如探討專注、情緒、動機、焦慮、態度、認知負荷、記憶處理、心流、創造力、學習風格等,相信利用腦波機來進行新的研究設計,應該具有相當潛力。同時,也要注意個別差異~不僅個體間的個別差異,還包括每個學習者在每個當下,是否有其特定的偏好、表現與情緒、感知力的變化?這些也必將因為腦波機的研究應用,需要更謹慎判定與詮釋。值得期待的是:當這樣的工具愈為大眾接受(如娛樂、遊戲等)時,教學現場與研究應用的普及引入,也能產生更多研究成果與分享,未來再結合物聯網、大數據分析,相信:能為每位學習者規劃個人化學習環境(Personal Learning Environment)的機會,將指日可待。

文獻參考:
Chen, C.M. & Wu, C.H. (2015). Effects of different video lecture types on sustained attention, emotion, cognitive load, and learning performance. Computers and Education, 80, 108-121.
K. Crowley , A. Sliney , I. Pitt & D. Murphy.(2010).Evaluating a brain-computer interface to categorise human emotional response. Proc. IEEE 10th Int. Conf. Adv. Learning Technol., pp.276 -278
Sun, J (2014).Influence of polling technologies on student engagement: An analysis of student motivation, academic performance, and brainwave data. Computers and Education, 72, 80–89.
Verkijika, S.F., & De Wet, L. (2015).Using a brain-computer interface (BCI) in reducing math anxiety: Evidence from South Africa. Computers & Education, 81, 113-122.

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