摘要：工程认证核心问题之一是如何对教学进行持续改进。本文应用心电采集电路，结合信号处理和机器学习的方法，提出了一种新的客观实时的教学反馈新方法，对课堂教学中，学生的情绪，专注度进行实时客观的记录和分析，可以帮助教师深入了解学生课堂中实时的，真实的感受和专注度的变化，形成对教学客观，及时的反馈，以辅助教师进一步改进教学，完成工程认证的持续改进。
关键词：教学反馈；心电；专注度；工程认证；教学改革
1引言
准确客观的教学反馈对教学质量的提升有非常重要的意义，工程认证中重要的一环“持续改进”尤其需要准确客观的教学反馈[1~7]。彭豪祥提出，教学反馈既是教学过程的必要环节，也是实施教学活动和完成教学任务的基本方式与重要手段[1]。叶立军等[2]提出要重视对过程与方法、情感态度价值的反馈评价；徐茜等[3]通过研究国外形成性教学反馈的进展，研究影响教学反馈有效性的内部因素（及外部因素）；郑君[4]应用控制理论中正反馈的思想，提出教学反馈的设计思想和原则；谭平等[5]提出形成有效教学反馈需要信息反馈的参与者表现出较强的成就动机、良好知觉的选择性、积极合理的归因等基本心理条件。林杰等[6]研究美国形成性反馈的方法，包括学生小组反馈、教学助理反馈、学生咨询者反馈等口头反馈方法，并提出改进；Valerie J等[7]综述了教学反馈的各种实现方式，包括前向和反向，主动和被动，口头和书面等。综上，目前教学反馈主要是学生问卷，座谈，课堂讨论，考试结果等方面，这些方式都是比较主观的，含有较强的个人好恶和其他因素（包括老师打分高低）的影响，而且是总体的情况反映，对具体的某一次课堂教学没有具体客观的反馈，对老师和教学不能形成有效的反馈；比较客观的，实时的课堂效果分析和评估研究还比较少。本项目应用心电采集电路，结合信号处理和机器学习的方法，对课堂教学中，学生的情绪，专注度进行实时客观的记录和分析，可以帮助教师深入了解学生课堂中实时的，真实的感受和专注度的变化，形成对教学客观，及时的反馈，以辅助教师进一步改进教学，完成工程认证的持续改进。
2.具体改革内容和关键问题
在日常学习中，学生们经常会因为外界嘈杂的环境，或是自身多变的心理状况而导致他们的注意力不够集中，最终使其学习效率下降。为了提高学生的学习效率，同时辅助教师了解学生的学习情况，对学生的学习掌握程度进行实时反馈，教学反馈就必不可少。目前国内常见的教学反馈较为传统，通常为问卷测试或是直接对学生进行访问等。这些方法往往因为个人主观而具有不确定性，准确度无法得到有效的保证。那么，该如何建立起一个准确的教学反馈系统呢？
科学研究表明，人处在不同情绪的情况下，他的心率也会有不同的表现。而一个人在情绪较为平静的状态下，往往学习效率相对较高。
情绪识别的方法，目前多采用面部表情、身体行为和语音信号分析法，以及心理学上常用的量表法，其结果一般受被试和主试的主观因素影响，而生理变化只受人的自主神经系统和内分泌系统支配，不受人的主观控制，因而应用生理信号测试量法所得数据更能客观地反应被试的真实情感。近年来情感计算在人机交互领域己经成为热点和主要方向，其研究重点就在于通过各种传感器获取由人的情感所引起的生理和行为特征信号，建立能识别和理解人类情感的情感模型。情感识别是情感计算的一个重要组成部分，主要通过人们的面部表情，语言，动作以及生物信号等方法进行情感识别。
由于心电信号在不同情感状态下有着明显的变化，本文利用心电信号的情感特征进行情感的识别，验证了几种在特定情感状态下情感用户模型建立的可行性，并将之运用于课堂教学反馈方面的研究。
3.实施方案
本文应用心电采集电路，结合信号处理和机器学习的方法，提出了一种新的客观实时的教学反馈新方法，对课堂教学中，学生的情绪，专注度进行实时客观的记录和分析，可以帮助教师深入了解学生课堂中实时的，真实的感受和专注度的变化，形成对教学客观，及时的反馈，以辅助教师进一步改进教学，完成工程认证的持续改进，具体方法步骤如下：
1.应用arduino单片机，pulsesensor心电传感器和无线模块实现采集心电采集的便携式系统，佩戴在学生手腕上，将上课学生的心电信号无线传输到服务器上；
2.应用摄像头同时记录教师上课的过程，并保存；
3.服务器上应用matlab进行信号处理。执行滤除噪声，心率分析，专注度特征提取的信号处理；分析学生上课实时的专注度其变化；
4.结合学生专注度和教师上课录像，将录像根据专注度高，专注度一般和低进行分段，截取其中专注度高和低的录像片段，发给教师结合学生专注度和对应录像进行分析和反馈。分析学生对课堂中知识点和教学方法的反应，了解课堂中存在的优点和问题，做好课堂教学反馈改进。
其中心电模块采用pulseSensor，arduino采用arduino Uno板，无线模块采用433M无线串口模块进行。心电信号采集到后，通过无线模块传输到服务器记录处理，应用matlab进行实时数据处理。
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图2 数据处理流程
其中，心电的时频特征提取是算法的关键部分。心电与情绪情感的生理学关联如下表。
Table 1. 心电频率范围与情绪情感状态的关联
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分析完人在各个心率频谱段的精神状态后，为了提高本方法在工程方面的应用性，我们进行重复性试验，进一步建立和优化专注度测量模型，步骤如下：
1.选取男女学生各5人，应用数学演算，冥想和电影观看等方式诱发学生的专注度变化。
2.应用neurosky公司的mindband脑电采集系统进行脑电采集，并应用该系统的配套软件系统进行专注度计算，记录学生第i秒时对应的专
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实验采用自愿的形式，在上课学生自主自愿的情况下，学生佩戴项目设计的手环，进行实测，得到的其中两节课的课堂专注度曲线如下所示。可以看出学生在课堂中，专注度的变化情况，教师可以对照专注度的情况和教学视频，对上课的情况作出深入的控制。
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图3 学生志愿者的专注度曲线
4.结论
本项目的目标是应用心电与情感特别是专注度的关系，结合课堂的视频，得到一套实时客观的教学反馈软硬件平台，实现一种新的有效的教学反馈方法，辅助教师掌握课堂，改进教学，有效的完成工程认证中的“持续改进”工作。本文初步的完成了这一想法和工作，在硬件设计，实验执行和算法分析上，还可进一步提高。
参考文献：
[1]彭豪祥. 有效教学反馈的主要特征[J]. 教育研究与实验，2009（3）：54-57.
[2]叶立军，彭金萍. 教师课堂教学反馈行为存在的问题及化解策略[J]. 当代教育科学，2012（4）：37-40.
[3]徐茜，徐丽华. 国外形成性教学反馈的研究及启示[J]. 当代教育科学，2010（7）：27-31.
[4]郑君. 课堂教学反馈行为类型及其实施原则[J]. 当代教育科学，2010（6）：40-41.
[5]谭平，彭豪祥. 有效教学反馈形成的基本心理条件[J]. 当代教育科学，2011（23）：20-21.
[6]林杰，邢俊. 美国大学形成性教学反馈的方法[J]. 四川师范大学学报（社会科学版），2016，43（1）：81-88.
[7]Valerie J．Shute．（2008）． Focus on formative feedback． Review of Educational Research，153-189．
基金项目：宁波市自然科学基金项目（NO. 2011A610109），国家创新创业项目（基于心电的教学反馈）
2017年浙江大学宁波理工学院校级综合改革项目“基于土建类应用性人才培养的立体式导师制研究”（NITJG-201720）
通讯作者简介：
赵祥红（1981-），男，湖北天门人，硕士研究生，主要从事数字系统设计和低功耗设计的研究。
论文作者:谢秀恒,赵祥红,陈霄峰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/18
标签：反馈论文; 专注论文; 学生论文; 心电论文; 情感论文; 实时论文; 客观论文; 《基层建设》2019年第27期论文;