從聽診器發明到腦波機研究設計

      今天的Google塗鴉紀念聽診器發明人、法國醫學家René Laennec的235歲冥誕，我也野人獻曝一番，分享自己對於腦波機在教學與研究設計的想法。

      從聽診器到腦波機的應用，可以得見科技的持續發展對生活改進與醫療提升之助力，然而，工具只是擴延提供資訊，仍需要小心判讀以確認、決策，進而採取較佳的行動。這篇是上學期修課的作業，上半部是「腦波機與教學研究初探」，接著發想些研究設計。先紙上談兵自問答三個問題：
1、腦波機如何應用於學習過程之研究？
2、在不同的學習行為和不同的習得效果（如理解或覺得困難）下，是否表現出顯著差異的腦波數據？
3、設計結合學習平台與腦波機應用初探。

以及4.資料分析。

1、腦波機如何應用於學習過程之研究？
參與者：預計邀請教育科技專家研究者五名，說明研究目的後進行實驗與訪談。
研究工具：NeuroSky公司MindSet腦波機、腦波記錄軟體（App）、訪談大綱。
      馬斯洛說過：『當你手中有一把槌子時，眼前的事物都會變成看成釘子。』那麼，現在有了腦波機，我們怎麼看待這樣的設備對幫助學習過程之了解與研究呢？首先利用文獻探討，瞭解當前腦波機在教學上的研究現況與進展。接著邀請教育科技研究學者進行訪談，討論他們對於腦波機的認知、體驗，探討對自己原來研究的進展，可以有什麼機會整合腦波機繼續發揮～結合新工具在原有研究的過程中加以輔助？抑或以腦波機為基礎重新設計實驗？

      訪談過程以錄影方式進行，配合穿戴腦波機體驗後，觀看影片，請受訪之教育科技研究專家利用回溯印證的方式提出自己的體驗心得，並整理其對於未來研究結合腦波機應用之想法。

2、不同的學習行為和不同的習得效果（如理解或覺得困難）下，是否表現出顯著差異的腦波數據？
      以下針對研究參與者、研究工具與研究階段加以說明。
參與者：
      預計邀請國小六年級學生男女生各五名，首先徵得學生家長或監護人的同意，給予詳實之研究設計說明後進行實驗，並事先取得學生歷來學習成績等基本資料。
研究工具：NeuroSky公司MindSet腦波機、腦波記錄軟體（App）、1Know學習平台、前後測試卷、訪談大綱
      首先利用前測試卷掌握學習者當前狀況，據以在將來研究過程中提供『已瞭解』、『未精熟』、『未學過』之學習影片，於實驗後進行後測，比較研究過程、學習前後之差異。
      訪談主要針對穿戴腦波機於學習過程中，學習者自身體會感覺與心得，可作為未來研究設計改進參考。同時，訪談也針對自己的學習滿意度、學習內容、試題作答對錯進行再確認，並與腦波數據進行參照比對。
      本研究包括三階段：
      第一階段，先進行前測，接著向學生說明研究程序以及腦波機的原理，記錄腦波數據對於了解學習過程的實驗目的，然後指導操作1know平台，練習觀看影片時撰寫筆記，或是直接在影片上畫註解。研究者將提供寫筆記的例子，譬如說『很重要』，或者『不太會』、或者『聽不懂』等模式 ，說明這些都可以在將來與腦波數據進行比對，以瞭解筆記類型與學習情況的關聯。同時，也告知學習者在觀看影片時會有考題出現，只要按自己的理解方式作答即可。
      第二階段，進行學習活動與腦波數據擷取。此階段之研究設計，主要想探討學習者在『平靜狀態』、『觀看影片』、『撰寫筆記』、『回答試題』的四種學習狀態下，腦波數據是否表現出顯著不同：
『平靜狀態』：首先讓受試者戴上腦波五分鐘，請其靜下心來，先取得基準數據。
『觀看影片』：配合教學進度於前測後進行影片學習之腦波實驗，呈現『已瞭解』、『未精熟』、『未學過』等影片提供學習者觀看、撰寫筆記並且回答問題，檢視腦波數據是否在不同影片中表現不同。
『撰寫筆記』：筆記的內容也能與腦波數據加以對應，將利用分類方式界定筆記內容，看看各類筆記內容與腦波數據是否能找出特定Pattern。
『回答試題』：針對影片觀看中跳出問題的時間點，檢視學習者答題狀態的腦波數據，以及該題是否答對的情況加以比對。

      第三階段，進行後測，作為整體學習效果的檢驗依據。同時看看這些整體學習的腦波數據可否呈現與形成性、總結性評量結果有所對應。本研究之目的，就是希望能由腦波呈現的數據、學習的成績，學習當下難易的自我感覺，利用訪談方式進行三角檢核，這樣的三角檢核多了腦波數據，作為更客觀而且更主體式地呈現，期能應用在將來提供即時之學習支持，而不必等到最後的總結性評量才決定成績與理解程度。接著進行受試者訪談。研究流程如下圖：

3、設計結合學習平台與腦波機應用初探
      1Know學習平台是由澔學學習股份有限公司所開發，提供師生免費運用。網站功能多元，主要提供開課教師整理網路資源、結合多種互動功能，讓學習者進行課前、中、後學習應用。本研究利用其影片學習功能進行腦波機研究，由老師建立影片連結，提供學習提示，可以指定影片播放與停止時間，並且在影片中選定時間點建立小考考題。學生在觀看影片時，可以自由暫停、重看、跳播，並且撰寫筆記、畫面註解等，如此，即能符合本研究針對『觀看影片』、『撰寫筆記』、『回答試題』等階段進行腦波同步數據記錄之需求。此外，平台已建立Experience API (xAPI)紀錄功能，可追蹤學習者在平台中的學習行為歷程。
研究者將邀請平台開發人員進行訪談，針對學習分析功能與腦波機應用的看法。
      除了從教師端觀看學習者的影片瀏覽紀錄、筆記內容與答題紀錄外，本研究將利用xAPI細部分析，對應到腦波數據，期能建立新的學習分析模式，更精準掌握學習行為表現。下圖為1Know平台現有之影片學習、筆記時間log資料。

      未來，期能與平台夥伴合作，直接將觀看影片之腦波資料匯入系統中進行同步檢視，如此將能更精準對位，或利用大數據分析方式找出特定Pattern，同時，亦可為未來以數據驅動教育決策、個人適性化學習路徑安排先行試驗。

4.資料分析
      上述各研究問題中，利用量化方法取得之數據將進行統計分析，腦波數據在此也以量化方式處理。而有關訪談資料、學習筆記、影片內容分析，將先以逐字稿、分類與關鍵畫面擷取方式對照整理，先從時間軸同步方面進行整合，再據以邀請參與第一項研究之教育科技專家研究者協助檢視與訪談，以驗證這樣利用腦波機分析學習行為與學習效果之可行性。