脑电波信号处理及其在教育中的应用研究

张瑞 聂民昆 张政 班岚

关键词：脑电波;信号处理;AI;网络课程

中图分类号：TN911.7;TP311.52      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）06-0045-03

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

0  引  言

随着信息时代的来临，信息技术经历着高速的发展，在这一发展趋势下，中国社会千百年来的传统教育受到严重挑战，传统教育的变革无疑已经成为必然，但是如何乘着信息时代的东风为教育注入数字化、信息化的新生力量，一直是人们关注的焦点。目前，如电子白板、电子班牌、教学PAD等越来越多的依托互联网的新型教育形式正在不断被提出。传统教育正在发生着翻天覆地的变化。而另一方面随着科学技术的发展对于脑电波的研究也在不断的升温，近年来脑电波领域取得了一个又一个的成果，更有专家预测，10年后脑电波意念控制便可能成为主流。那么如果将潜力如此巨大的脑电波应用到教育领域，会不会给传统教育带来意想不到改变呢？本文通过对脑电波中β波的研究，利用β波可以表示人脑的注意力这一特性。将脑电波运用到教育领域，并提出了一些新型的教育方式。

1  脑电波概述

早在十八世纪，就已经有了与生物电信号相关的研究，科学家在对青蛙的肌肉以及周圍神经进行研究时发现了带电现象，生物电信号由此被发现。随着研究不断取得进展，人类脑电现象在二十世纪被首次记录到。而随着人们对于生物电的不断研究，人们发现生物电现象在自然界中是普遍存在的，各种生物的体内都存在生物电。大到鲸鱼小到微生物，其体内无数的细胞都在或多或少的产生着生物电。对于人类而言，人脑更是生物电的密集发生区。如果把人体的细胞看作是一个个微型电池，那么人脑就是一台巨型发电站。但由于人脑的复杂性以及脑电波本身受影响因素较多的原因，对于脑电波的研究一直存在着诸多限制。而随着互联网技术的不断发展，一个个技术难题被攻克，时至今日对于普通人来说脑电波不再只是一个概念，各种各样的与脑电波有关的科技产物进入了人们的视线。

人类身体各个部分的组成是非常神奇的，磁场效应更是神奇。经过研究发现，人们在进行思考的过程中，由于人们意识发生不同的转变，会引发不同的磁场作用，这种作用会形成生物电流，这就是我们所说的脑电波。人们的思考方式以及思考程度不一样，会让脑电波的强弱发生变化，如果人们的思考程度以及思考方式变化过大且过于频繁，就容易使大脑出现疲惫的状态。白领在工作的过程中，以及学生在学习的过程中，由于工作的强度以及学习时间的长短、学习内容的难易变化等，都容易使其思考方式以及思考程度在短时间内发生较大的变化，从而出现大脑疲惫的情况。通过对学生进行调查研究我们发现，学生在学校学习的过程中，比周末在家或者出去游玩更容易感到饥饿，这也是大脑疲惫的重要体现之一。

对脑电波进行研究的首要条件是需要得到人脑中所含的脑电波，虽然人体无时无刻都有着脑电信号的产生与消亡，但这些都是肉眼无法观察到的，而且这些信号都极其微弱，通常只有5～100μV，想要对这些不可见的微小信号进行采集便需要使用单片机。将连接有单片机的电极置于人脑中采集大脑表层的脑电信号，但是使用单片机所采集到的脑电信号并不能直接用于研究，这是因为在我们的人体中存在着很多的干扰，例如：肌电信号等。因此，在脑电波采集到之后，还需要对采集到的信号进行筛选。而且，在我们生活周围，脑电波所受到的干扰是多方面的，就如同信号的传播，信号在传播的过程中，受到干扰是难以避免的，受到的干扰越多，接收到的信号的质量就越差，人脑也一样。脑电在对原始信号进行采集的过程中，也会受到多个方面的影响，这些影响会对信号的接收造成影响。学生学习的过程，就是大脑对脑电波信号进行接收的过程，受到的干扰越少，信号就越强，学生的学习效果也就越好。人体内部生物电现象的产生是非常平常的，例如神经传导。当人体内的神经元受到外界刺激之后，会将收集到的生物电进行传递，让下一个神经元进行接收，这种现象是随时都在发生的。人们在日常工作以及生活中、学生在学习当中，所有的微小表情以及动作等，都有神经电流的活动参与其中，从而产生强弱程度不同的生物电信号。因此，在对脑电信号进行测量的过程中，人体各个方面所产生的生物电也掺杂其中，生物电的强弱不一样，对脑电测量产生的影响也是不一样的。因此，我们需要将得到的初始信号进行过滤，经过实验我们可以知道对人体有用的脑电波分为四类，而且都分布在0.05～100Hz之间，因此在所有信号中我们需要保留0.05～100Hz内的信号，使用带通滤波电路将此范围之外的信号大幅度的减弱，除此之外我们需要使用频谱插值法祛除50Hz的工频噪声。最后得到的才是我们要研究的有用信号。通过查阅相关资料我们可以知道通常研究脑电波便是研究0.5～35Hz内的四个波段，分别被叫做α波、β波、θ波和δ波，如表1所示。

在将脑电波运用到教育领域时，绝大多数是运用了脑电波在分析计算过后可以表示注意力这一特性。随着新课程改革的不断推进，陈旧的教学模式正在不断被淘汰、被抛弃，各类新型的教学方式以及教育理念不断被提起，也在不断地被广大教育工作者进行实践和改进。目前，教育数字化以及教育信息化在教学中出现的频率越来越高，为校园教育注入了新鲜血液。通过实际效果我们可以看到，数字化教育以及信息化教育让教育系统和教育资源更加完善。将脑电波在教育中进行运用，其中一方面可以表现在教学成果的可视化上。例如：运用脑电波可以反应人的注意力强弱这一特性，在学生听一节普通的课程时，采集学生的实时脑电波信号并加以分析，通过观察学生在听课过程中脑电波的变化强弱，进而分析学生的大脑兴奋程度，以及注意力集中程度，以此就可以看出学生对本节课程的感兴趣程度。将此方法运用到学校课程评测中，通过学生的实际反馈，可在一定程度上评判某一课程是否被学生所认可。这对于学校自身教学系统的完善也起到了极大的促进作用。

课堂质量的高低不仅受到学校方面的重点关注，家长方面对其的关注比起学校来也不遑多让。在教育教学方面，高质量的课堂教学不仅能够帮助学生对课堂知识进行学习，还能够提升学生的理解能力并扩展其思维深度，帮助学生对课堂学习的知识进行消化和吸收。通过对教学经验进行总结我们发现，学生对课堂知识的掌握情况与理解能力息息相关，而理解能力的好坏，主要取决于学生的注意力集中程度。因此，想要提升课堂质量，就需要提高学生们在听课时的注意力。课堂教学效果好，学生的学习效率就高。同时也说明高效率、高质量的课堂能够起到吸引学生注意力的作用。

随着教育数字化与信息化的不断发展以及关于可穿戴设备研究的不断升温，目前一种新兴的学校教育方式进入了校园，通过脑电波与可穿戴设备的结合以及课堂实时检测系统的建立，老师们可以实时的了解每位学生的听课状态，提高每一位学生的學习效率。不仅如此，老师和学生们还可以通过观看课后反馈总结出每一节课所反映的问题，进而有利于教师提高教学质量，有利于学生发现自己的问题。这对于传统校园教学来说无疑是一种革命。

在网络高速发展的今天，网络课程凭借着其独特的优点渐渐占据了教育领域的半壁江山。但是随着网络课程的兴起，网络课程所带来的一系列问题也展现了出来，比如学生听课时因为无人看管，所以没有约束力，学生的学习状态极其糟糕，这是因为网络教育拥有着其自身的局限性，因为隔着屏幕老师与学生之间没有任何的交流，老师们在讲课过程中不能看到学生的学习状态，学生们也由于无法看到老师，所以丝毫没有约束感。这不仅大大降低了学生的学习效率，也会使学生慢慢滋生出厌学情绪。因此在这一背景下，脑电波的应用在网络课程领域的作用将会变得尤为关键。通过检测每一位听课学生的实时注意力状态，并将其反馈给授课老师，这样老师们便可以在屏幕前给学生讲课的同时，又能看到每一位学生的听课状态，并对听课状态不好的学生加以提醒，这种更加严谨化的课堂状态，对于网络教育的益处显然是巨大的。

而且随着“大数据”“云计算”等智能技术的发展，“AI”智能教育成为了一种更加新兴的教育理念。并且由于脑电波在传统教育中的惊艳表现，随着这一理念的提出，人们便将目光投向了脑电波，希望建立一种“AI”智能与脑电波智能穿戴为一体的教育方式。这一方式的首要任务便是建立网络共享平台，通过网络共享平台，将教师在日常授课过程中得到的信息资源实时共享。教师通过网络平台，将授课过程中得到的学生兴趣集中点（比如绝大部分学生都感兴趣的课程或授课方式等）共享出去，为更多的教师们带来更多有建设性的意见，形成一种高度的教学资源共享。

最后则是脑电波在学生选择兴趣类教育时的作用，随着人们对于教育的重视程度越来越高，兴趣类教育的种类也越来越多，更是出现了学前兴趣班，但是由于学前兴趣班的受众为幼儿，他们还不能明确的表达自己的喜好或兴趣，因此大部分家长便会按照自己的想法决定孩子要学的内容，但这显然是不科学的。在这种情况下，脑电波便展露了它的不凡之处，家长们可以在学生试学课程时采集其脑电波并分析其状态，进而找到能最大地激发起孩子脑电波波动的课程，使选课更加科学。但对于这种方式，也有很多人存在异议，因为幼儿的大脑尚且发育不全，因此影响因素过多，而且很多家长对于脑电波检测对幼儿是否存在伤害性持怀疑态度。

在学生的心理活动中，注意力是非常重要的组成部分。而且，注意力的集中程度决定了学生在日常学习中的学习效率，那么想要提高学生的注意力又应该怎么做呢？相关研究人员通过脑电波信号收集系统做过一系列的实验，该实验采取不同的方式对注意力正常的人员进行了测试。将测试人员分为两组：一组采取声音刺激;一组采取图片刺激。图片刺激就是做两张一样的图片，将其中一张图片的部分内容进行细微的改变，图片均为两两一组，程度由易到难。声音刺激主要是让实验参与者进行英语听力训练，程度同样是由易到难，在实验过程中，分别将第一组几个阶段的所花费时间进行记录，第二组在每段听力中所获取的信息进行记录。然后，通过对脑电波集中度曲线进行分析，研究人员发现图片组难度较小阶段，注意力集中度较低，难度较大阶段，注意力集中度较高。与此同时，研究人员还发现在切换下一张图片的时候，注意力数据出现了波动。听力组的情况与图片组的相似，难度越高，注意力集中程度越高，切换片段时注意力集中情况也出现了波动。教师在教学过程中，应该对该实验所展示的结果进行重视，尽可能的让教学方式多样化，如将传统的黑板板书与多媒体教学相结合等。长时间采用传统板书比较容易让学生产生疲劳，而多媒体教学可以将声音和图片尽量好的结合，对脑电波信号的接受进行刺激，从而提升学生在学习过程中的注意力，让课堂教学效果和质量得到提升。

而除此之外，脑电波也可以运用到注意力训练方面。查询相关资料我们可以知道，传统的训练方法主要是自身训练以及悬垂念动。经过长时间的实践研究，二者对于注意力训练的作用是不可否认的。但是，这两种训练方式主要是运用物体将注意力在某一个部位进行集中，或者通过某一个动作使注意力进行集中，其效果的评价标准是完成任务的时间长短。张晓妍在“基于脑电的注意力个性化训练研究”一文中对脑电在注意力以及个性化训练等方面的作用进行了较为详细的阐述，该作者对相关数据信息进行了采集，并使用一百个QT用程序对相关的框架进行了开发，搭建了一个颇具实用性的注意力训练系统。从该实验的结果来看，脑电对注意力的训练方式是存在可行性的，并且与传统的训练方式相比，具有较强的优越性。从而相关方面的专家以及学者发现，利用脑电波对学生的注意力进行训练可以作为一种新型的注意力训练方式进行实践以及推广。

3  结  论

通过对脑电波信号的数据进行分析，我们能够明白它与注意力之间的关系，因此在教学的过程中，我们需要对此理论多加运用，充分提升学生的注意力，获得更好的教学效果。

参考文献：

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[3] 王朋娇，王洪录.利用现代教育技术优化课堂教学切实减轻中小学学生过重的课业负担 [J].中小学教师培训，2000（8）：47-48.

作者简介：张瑞（1996.09-），男，汉族，河南郑州人，本科，研究方向：机械工程;聂民昆（1997.10-），男，汉族，广东江门人，本科，研究方向：机械工程;张政（1997.12-），男，汉族，河南登封人，本科，研究方向：机械工程;班岚（1984.04-），女，回族，辽宁凌源人，讲师，硕士，研究方向：光机电检测。