腦電波信號處理及其在教育中的應用研究

張瑞 聶民昆 張政 班嵐

關鍵詞：腦電波;信號處理;AI;網絡課程

中圖分類號：TN911.7;TP311.52 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0045-03

Keywords：Electroencephalogram（EEG）;signal processing;AI;network course

0 ?引 ?言

隨著信息時代的來臨，信息技術經歷著高速的發展，在這一發展趨勢下，中國社會千百年來的傳統教育受到嚴重挑戰，傳統教育的變革無疑已經成為必然，但是如何乘著信息時代的東風為教育注入數字化、信息化的新生力量，一直是人們關注的焦點。目前，如電子白板、電子班牌、教學PAD等越來越多的依托互聯網的新型教育形式正在不斷被提出。傳統教育正在發生著翻天覆地的變化。而另一方面隨著科學技術的發展對于腦電波的研究也在不斷的升溫，近年來腦電波領域取得了一個又一個的成果，更有專家預測，10年后腦電波意念控制便可能成為主流。那么如果將潛力如此巨大的腦電波應用到教育領域，會不會給傳統教育帶來意想不到改變呢？本文通過對腦電波中β波的研究，利用β波可以表示人腦的注意力這一特性。將腦電波運用到教育領域，并提出了一些新型的教育方式。

1 ?腦電波概述

早在十八世紀，就已經有了與生物電信號相關的研究，科學家在對青蛙的肌肉以及周圍神經進行研究時發現了帶電現象，生物電信號由此被發現。隨著研究不斷取得進展，人類腦電現象在二十世紀被首次記錄到。而隨著人們對于生物電的不斷研究，人們發現生物電現象在自然界中是普遍存在的，各種生物的體內都存在生物電。大到鯨魚小到微生物，其體內無數的細胞都在或多或少的產生著生物電。對于人類而言，人腦更是生物電的密集發生區。如果把人體的細胞看作是一個個微型電池，那么人腦就是一臺巨型發電站。但由于人腦的復雜性以及腦電波本身受影響因素較多的原因，對于腦電波的研究一直存在著諸多限制。而隨著互聯網技術的不斷發展，一個個技術難題被攻克，時至今日對于普通人來說腦電波不再只是一個概念，各種各樣的與腦電波有關的科技產物進入了人們的視線。

人類身體各個部分的組成是非常神奇的，磁場效應更是神奇。經過研究發現，人們在進行思考的過程中，由于人們意識發生不同的轉變，會引發不同的磁場作用，這種作用會形成生物電流，這就是我們所說的腦電波。人們的思考方式以及思考程度不一樣，會讓腦電波的強弱發生變化，如果人們的思考程度以及思考方式變化過大且過于頻繁，就容易使大腦出現疲憊的狀態。白領在工作的過程中，以及學生在學習的過程中，由于工作的強度以及學習時間的長短、學習內容的難易變化等，都容易使其思考方式以及思考程度在短時間內發生較大的變化，從而出現大腦疲憊的情況。通過對學生進行調查研究我們發現，學生在學校學習的過程中，比周末在家或者出去游玩更容易感到饑餓，這也是大腦疲憊的重要體現之一。

對腦電波進行研究的首要條件是需要得到人腦中所含的腦電波，雖然人體無時無刻都有著腦電信號的產生與消亡，但這些都是肉眼無法觀察到的，而且這些信號都極其微弱，通常只有5～100μV，想要對這些不可見的微小信號進行采集便需要使用單片機。將連接有單片機的電極置于人腦中采集大腦表層的腦電信號，但是使用單片機所采集到的腦電信號并不能直接用于研究，這是因為在我們的人體中存在著很多的干擾，例如：肌電信號等。因此，在腦電波采集到之后，還需要對采集到的信號進行篩選。而且，在我們生活周圍，腦電波所受到的干擾是多方面的，就如同信號的傳播，信號在傳播的過程中，受到干擾是難以避免的，受到的干擾越多，接收到的信號的質量就越差，人腦也一樣。腦電在對原始信號進行采集的過程中，也會受到多個方面的影響，這些影響會對信號的接收造成影響。學生學習的過程，就是大腦對腦電波信號進行接收的過程，受到的干擾越少，信號就越強，學生的學習效果也就越好。人體內部生物電現象的產生是非常平常的，例如神經傳導。當人體內的神經元受到外界刺激之后，會將收集到的生物電進行傳遞，讓下一個神經元進行接收，這種現象是隨時都在發生的。人們在日常工作以及生活中、學生在學習當中，所有的微小表情以及動作等，都有神經電流的活動參與其中，從而產生強弱程度不同的生物電信號。因此，在對腦電信號進行測量的過程中，人體各個方面所產生的生物電也摻雜其中，生物電的強弱不一樣，對腦電測量產生的影響也是不一樣的。因此，我們需要將得到的初始信號進行過濾，經過實驗我們可以知道對人體有用的腦電波分為四類，而且都分布在0.05～100Hz之間，因此在所有信號中我們需要保留0.05～100Hz內的信號，使用帶通濾波電路將此范圍之外的信號大幅度的減弱，除此之外我們需要使用頻譜插值法祛除50Hz的工頻噪聲。最后得到的才是我們要研究的有用信號。通過查閱相關資料我們可以知道通常研究腦電波便是研究0.5～35Hz內的四個波段，分別被叫做α波、β波、θ波和δ波，如表1所示。

在將腦電波運用到教育領域時，絕大多數是運用了腦電波在分析計算過后可以表示注意力這一特性。隨著新課程改革的不斷推進，陳舊的教學模式正在不斷被淘汰、被拋棄，各類新型的教學方式以及教育理念不斷被提起，也在不斷地被廣大教育工作者進行實踐和改進。目前，教育數字化以及教育信息化在教學中出現的頻率越來越高，為校園教育注入了新鮮血液。通過實際效果我們可以看到，數字化教育以及信息化教育讓教育系統和教育資源更加完善。將腦電波在教育中進行運用，其中一方面可以表現在教學成果的可視化上。例如：運用腦電波可以反應人的注意力強弱這一特性，在學生聽一節普通的課程時，采集學生的實時腦電波信號并加以分析，通過觀察學生在聽課過程中腦電波的變化強弱，進而分析學生的大腦興奮程度，以及注意力集中程度，以此就可以看出學生對本節課程的感興趣程度。將此方法運用到學校課程評測中，通過學生的實際反饋，可在一定程度上評判某一課程是否被學生所認可。這對于學校自身教學系統的完善也起到了極大的促進作用。

課堂質量的高低不僅受到學校方面的重點關注，家長方面對其的關注比起學校來也不遑多讓。在教育教學方面，高質量的課堂教學不僅能夠幫助學生對課堂知識進行學習，還能夠提升學生的理解能力并擴展其思維深度，幫助學生對課堂學習的知識進行消化和吸收。通過對教學經驗進行總結我們發現，學生對課堂知識的掌握情況與理解能力息息相關，而理解能力的好壞，主要取決于學生的注意力集中程度。因此，想要提升課堂質量，就需要提高學生們在聽課時的注意力。課堂教學效果好，學生的學習效率就高。同時也說明高效率、高質量的課堂能夠起到吸引學生注意力的作用。

隨著教育數字化與信息化的不斷發展以及關于可穿戴設備研究的不斷升溫，目前一種新興的學校教育方式進入了校園，通過腦電波與可穿戴設備的結合以及課堂實時檢測系統的建立，老師們可以實時的了解每位學生的聽課狀態，提高每一位學生的學習效率。不僅如此，老師和學生們還可以通過觀看課后反饋總結出每一節課所反映的問題，進而有利于教師提高教學質量，有利于學生發現自己的問題。這對于傳統校園教學來說無疑是一種革命。

在網絡高速發展的今天，網絡課程憑借著其獨特的優點漸漸占據了教育領域的半壁江山。但是隨著網絡課程的興起，網絡課程所帶來的一系列問題也展現了出來，比如學生聽課時因為無人看管，所以沒有約束力，學生的學習狀態極其糟糕，這是因為網絡教育擁有著其自身的局限性，因為隔著屏幕老師與學生之間沒有任何的交流，老師們在講課過程中不能看到學生的學習狀態，學生們也由于無法看到老師，所以絲毫沒有約束感。這不僅大大降低了學生的學習效率，也會使學生慢慢滋生出厭學情緒。因此在這一背景下，腦電波的應用在網絡課程領域的作用將會變得尤為關鍵。通過檢測每一位聽課學生的實時注意力狀態，并將其反饋給授課老師，這樣老師們便可以在屏幕前給學生講課的同時，又能看到每一位學生的聽課狀態，并對聽課狀態不好的學生加以提醒，這種更加嚴謹化的課堂狀態，對于網絡教育的益處顯然是巨大的。

而且隨著“大數據”“云計算”等智能技術的發展，“AI”智能教育成為了一種更加新興的教育理念。并且由于腦電波在傳統教育中的驚艷表現，隨著這一理念的提出，人們便將目光投向了腦電波，希望建立一種“AI”智能與腦電波智能穿戴為一體的教育方式。這一方式的首要任務便是建立網絡共享平臺，通過網絡共享平臺，將教師在日常授課過程中得到的信息資源實時共享。教師通過網絡平臺，將授課過程中得到的學生興趣集中點（比如絕大部分學生都感興趣的課程或授課方式等）共享出去，為更多的教師們帶來更多有建設性的意見，形成一種高度的教學資源共享。

最后則是腦電波在學生選擇興趣類教育時的作用，隨著人們對于教育的重視程度越來越高，興趣類教育的種類也越來越多，更是出現了學前興趣班，但是由于學前興趣班的受眾為幼兒，他們還不能明確的表達自己的喜好或興趣，因此大部分家長便會按照自己的想法決定孩子要學的內容，但這顯然是不科學的。在這種情況下，腦電波便展露了它的不凡之處，家長們可以在學生試學課程時采集其腦電波并分析其狀態，進而找到能最大地激發起孩子腦電波波動的課程，使選課更加科學。但對于這種方式，也有很多人存在異議，因為幼兒的大腦尚且發育不全，因此影響因素過多，而且很多家長對于腦電波檢測對幼兒是否存在傷害性持懷疑態度。

在學生的心理活動中，注意力是非常重要的組成部分。而且，注意力的集中程度決定了學生在日常學習中的學習效率，那么想要提高學生的注意力又應該怎么做呢？相關研究人員通過腦電波信號收集系統做過一系列的實驗，該實驗采取不同的方式對注意力正常的人員進行了測試。將測試人員分為兩組：一組采取聲音刺激;一組采取圖片刺激。圖片刺激就是做兩張一樣的圖片，將其中一張圖片的部分內容進行細微的改變，圖片均為兩兩一組，程度由易到難。聲音刺激主要是讓實驗參與者進行英語聽力訓練，程度同樣是由易到難，在實驗過程中，分別將第一組幾個階段的所花費時間進行記錄，第二組在每段聽力中所獲取的信息進行記錄。然后，通過對腦電波集中度曲線進行分析，研究人員發現圖片組難度較小階段，注意力集中度較低，難度較大階段，注意力集中度較高。與此同時，研究人員還發現在切換下一張圖片的時候，注意力數據出現了波動。聽力組的情況與圖片組的相似，難度越高，注意力集中程度越高，切換片段時注意力集中情況也出現了波動。教師在教學過程中，應該對該實驗所展示的結果進行重視，盡可能的讓教學方式多樣化，如將傳統的黑板板書與多媒體教學相結合等。長時間采用傳統板書比較容易讓學生產生疲勞，而多媒體教學可以將聲音和圖片盡量好的結合，對腦電波信號的接受進行刺激，從而提升學生在學習過程中的注意力，讓課堂教學效果和質量得到提升。

而除此之外，腦電波也可以運用到注意力訓練方面。查詢相關資料我們可以知道，傳統的訓練方法主要是自身訓練以及懸垂念動。經過長時間的實踐研究，二者對于注意力訓練的作用是不可否認的。但是，這兩種訓練方式主要是運用物體將注意力在某一個部位進行集中，或者通過某一個動作使注意力進行集中，其效果的評價標準是完成任務的時間長短。張曉妍在“基于腦電的注意力個性化訓練研究”一文中對腦電在注意力以及個性化訓練等方面的作用進行了較為詳細的闡述，該作者對相關數據信息進行了采集，并使用一百個QT用程序對相關的框架進行了開發，搭建了一個頗具實用性的注意力訓練系統。從該實驗的結果來看，腦電對注意力的訓練方式是存在可行性的，并且與傳統的訓練方式相比，具有較強的優越性。從而相關方面的專家以及學者發現，利用腦電波對學生的注意力進行訓練可以作為一種新型的注意力訓練方式進行實踐以及推廣。

3 ?結 ?論

通過對腦電波信號的數據進行分析，我們能夠明白它與注意力之間的關系，因此在教學的過程中，我們需要對此理論多加運用，充分提升學生的注意力，獲得更好的教學效果。

參考文獻：

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作者簡介：張瑞（1996.09-），男，漢族，河南鄭州人，本科，研究方向：機械工程;聶民昆（1997.10-），男，漢族，廣東江門人，本科，研究方向：機械工程;張政（1997.12-），男，漢族，河南登封人，本科，研究方向：機械工程;班嵐（1984.04-），女，回族，遼寧凌源人，講師，碩士，研究方向：光機電檢測。