（教育技术学专业论文）分布式学习心理生理反应信息测试分析系统开发研究.pdf

摘要摘要本研究基于微机接口与网络通讯技术，采用虚拟仪器技术开发了一个分布式学习心理生理反应信息测试分析系统( 以下简称d t a s s p p r i 系统) 。本文主要论述了系统的设计思想、设计目标、系统的硬件与软件设计、系统的实现方法及应用等内容。d t a s s p p r i 系统由媒体刺激呈现、生理信号采集处理、同步记录三个子系统构成，通过d a t a s o c k e t 技术实现了客户机h e 务器( c 1 l e n t s e r v e r ) 模式生理信号的分布式采集。利用该系统可以实现对学习者( 被试) 接受刺激后的皮肤电、脉搏、呼吸、血压、脑电波等多种生理反应信号的实时同步采集，并能将刺激内容、学习者生理反应信息及外部行为表现同步记录。d t a s - s p p r i 系统可对多道生理指标进行数据采集，具有良好的通用性；提供波形回放、波形修正、t 检验、f 检验、a s 平面分析、( a f s ) 一t 平面分析、主成分分析与聚类分析、频谱分析等系列生理信号分析处理技术；支持各种分析处理结果图形化显示与分析报告的自动生成。d t a s s p p r i系统为研究者提供了一种有效的从心理、生理层面开展教育教学传播效果、教学媒体质量研究和评价工作的支撑环境、测量手段和分析方法。同时，d t a s s p p r i 系统还可用于相关领域的心理生理问题研究。、，“本研究提供了一种新的教育技术研究方法，通过实时监测记录学生在学习过程中的多项心理生理指标的变化，实时记录学生外部行为和表情并对生理信号进行相应的分析处理，从而测定学生学习过程的情绪心理活动与注意状态，使得对教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价深入到人体生理层面，对拓宽教育技术学科的研究领域具有一定的意义。关键词：心理生理信息；生理指标；皮肤电反应；教育教学传播效果；教学媒体虚拟仪器a b s 仃a c ta b s t r a c tb a s e do nm i c r o c o m p u t e ri n t e r f a c ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c hh a sd e v e l o p e dad i s t r i b u t e dt e s t a n a l y s i ss y s t e mf o rs t u d yp s y c h o l o g i c a l p h y s i o l o g i c a lr e s p o n s ei n f o r m a t i o n ( d t a s s p p r i ) b yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h et h e s i sm a i n l yg i v e st h ed e s i g ni d e a sa n da i m so ft h es y s t e m ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na sw e l la st h ea p p l i c a t i o na n di m p l e m e n t sm e t h o d so ft h es y s t e ma n ds o o n d t a s s p p r ic o n s i s t so ft h r e es u b s y s t e mw h i c ha r em e d i as t i m u l a t ep r e s e n t a t i o n ，p h y s i o l o g i c a ls i g n a lc o l l e c t i o n a n a l y s i sa n ds y n c h r o n o u sr e c o r d i n g i tb r i n g st h ep h y s i o l o g i c a ls i g n a l sd i s t r i b u t e dc o l l e c t i n go ft h ec l i e n t s e r v e r ( c s ) m o d e lt ot h et r u t hb yu s i n gt h ed a t a s o c k e tt e c h n o l o g y t h es y s t e mc a nc o l l e c tm a n yk i n d so fp h y s i o l o g i c a ls i g n a l so ft h el e a r n e r s ( e x p e r i m e n to b j e c t s ) s y n c h r o n o u s l ys u c ha se l e c t r o d e r m a l ，p u l s e ，b r e a t h ，b l o o dp r e s s u r ea n db r a i nw a v ea f t e rg e t t i n gs t i m u l a t i o n t h es y s t e ma l s oh a sm a n yo t h e rf u n c t i o n ss u c ha sm u l t i p h y s i o l o g i c a li n d e x e sd a t ac o l l e c t i o n ，g o o du n i v e r s a lu s a g e ，g o o dp h y s i o l o g i c a ls i g n a l sa n a l y s i st e c h n o l o g y i tc a nc o m p l e t ep h y s i o l o g i c a lw a v er e d i s p l a y i n g ，w a v ec o r r e c t i n g ，tt e s t i n g ，ft e s t i n g ，a sp l a n ea n a l y s i s ，似_ 产句一fp l a n ea n a l y s i s ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) c l u s t e r i n ga n a l y s i s ，f r e q u e n c y c h a r ta n a l y s i s ，g r a p h i cd i s p l a y i n ga n da n a l y s i sr e p o r ta u t oc r e a t i o n ，a n ds oo n t os t u d ya n de v a l u a t et h eq u a l i t yo fi n s t r u c t i o n a lc o m m u n i c a t i o ne f f e c t sa n dt h ei n s t r u c t i o n a lm e d i a ，t h ed t a s s p p r io f f e r sab e t t e rs u p p o r t i n gc i r c u m s t a n c e ，a ne f f e c t i v ee v a l u a t i o nw a ya n dau s e f u lm e t h o df o rr e s e a r c h e r s m e a n w h i l e ，i ti sa l s oa p p l i c a b l ef o ro t h e rp s y c h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a lp h e n o m e n ar e s e a r c hi nt h ec o r r e s p o n d i n gf i e l d s b yr e a l t i m es u p e r v i s i n ga n dr e c o r d i n gt h ec h a n g e so fs t u d e n t s p s y c h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a li n d e x e si nt h ec o u r s eo fl e a r n i n g ，a n dm o n i t o r i n gt h e i re x t e r i o rb e h a v i o r sa n de x p r e s s i o nw i t hc o r r e s p o n d i n ga n a l y s i so ft h o s ep s y c h o l o g i c a ls i g n a l ss oa st oj u d g es t u d e n t sp s y c h o l o g i c a lm o v e m e n t sa n da t t i t u d e sd u r i n gt h el e a r n i n gp r o c e s s ，t h i sr e s e a r c hp r o v i d e san e wr e s e a r c hm e t h o df o re d u c a t i o n a lt e c h n o l o g yf i e l d t h er e s e a r c hd e e p e n st h es t u d ya n de v a l u a t i o no fi n s t r u c t i o n a lc o m m u n i c a t i o ne f f e c t sa n di n s t r u c t i o n a lm e d i a sq u a l i t y , a p p r o a c h e st h ep s y c h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a ll e v e lo fh u m a nb e i n g sa n dh a sc e r t a i nm e a n i n gf o rw i d e n i n ge d u c a t i o n a lt e c h n o l o g ys u b j e c tf i e l d k e y w o r d s ：p h y c h o p h y s i o l o g yi n f o r m a t i o n ，p h y s i o l o g i c a li n d e x ，e l e c t r o d e r m a lr e s p o n s ei n s t r u c t i o n a le f f e c t ，i n s t r u c t i o n a lm e d i a ，v i r t u a li n s t r u m e n t一第1 章绪论第1 章绪论本章简要介绍人体生理指标在教育技术领域应用的国内外研究现状，提出本课题研究的目的及意义，最后给出本课题研究的相关术语界定及研究的方法与步骤。1 1 课题的提出1 1 1 研究背景长期以来，我国在一些教育传播研究问题的探讨上存在着偏重于定性研究，缺乏定量研究的问题。1 9 8 5 年，全国教育理论学术讨论会就明确提出：“教育科学运用数学的方法，进行定量研究势在必行。但是，我们的教育学，教科书和教育科学论文大都停留在定性分析上，定量研究少”。目前，这一现象在教育技术领域仍然存在。教育技术是关于学习过程与学习资源的设计、开发、利用、管理和评价的理论与实践。它主要包含：设计、开发、利用、管理和评价五个领域”3 。评价是教育技术当中的一个重要的领域，而对教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价是这个领域内的一个重要的子领域。迄今为止，尽管教育技术学科已经建立起一套研究方法，诸如对比实验法、问卷法、文献法、内容分析法等等，但目前对教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价仍多采用问卷调查、专家评分等方法，研究者主要是凭借自己的经验通过对学习者的行为观察、传播活动后的测验和调查等手段从教育和社会层面进行主观判断。其不足之处在于这种研究和评价忽略了学生在学习过程中的情绪心理活动与注意状态变化的信息，在教育教学传播效果、教学媒体质量研究和评价中缺乏客观证据，不易控制和量化。2 0 世纪5 0 年代伴随着多道生理记录仪( p o l y g r a p h ) 的问世及统计技术的应用，心理生理学( p s y c h o p h y s i o l o g y ) 应运而生，这是一门研究人类心理活动( 如情绪、注意、思维、兴趣等) 对植物性神经系统所支配的人体器官的影响及其规律的边缘学科。其研究成果表明，人的心理活动会引起某种生理的反应，人体的生理变化能够反映出人的心理变化。通过对被试生理变化的测定，可以获得心理、社会因素与身体( 或病理) 变化关系的资料”1 。现代认知心理学认为：学生利用学习资源进行学习活动的过程，主要是一种内部的学习心理过程。这一过程除了智力因素的认知信息加工活动外，还有非智力因素的情绪心理活动。人的情绪在其心理活动中具有重要的、特殊的和其它心理过程不可替代的作用：一方面，情绪是人的认知和行为的唤起者和组织者，人的行为改变、学习操作和认知加工中，情绪都起着重要作用；另一方面，情绪对学生学习过程也具有控第1 章绪论制和驱动等重要作用，个体伴随着认知活动的展开，做出相应情绪反应。因此，通过观察测定学生在学习过程中受到刺激时的各种生理反应变化信息，可以了解学生在学习过程中的情绪反应及注意状况，可以获取学生学习过程认知加工情况的信息。“，这些信息可以作为开展教育科学研究的客观依据。由此看来，教育技术领域有关教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价不应仅仅停留在一般方法上，而应从多方面、多角度、多学科综合起来研究，探索一种新的定量化研究方法。现代认知心理学、心理生理学等学科的发展正好为我们研究和评价教育教学传播效果、教学媒体质量开辟了一条新的途径通过获取学习者在学习过程中的各种生理参数变化信息，从心理、生理层面开展教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价。这需要设计与开发用于人体生理指标进行数据采集和处理的测量技术与分析方法。1 1 2 心理生理测试工具( 系统) 的发展对人体生理指标的研究是与生理测试工具( 系统) 的发展息息相关的。从历史上出现的生理测试工具( 系统) 来看，生理测试工具( 系统) 是从单一生理信号到多道生理信号测量，从简易型向综合型、计算机化方向发展的。1 9 世纪末到2 0 世纪初，电子科学技术、测量仪器仪表技术的发展，为心理生理信息研究奠定了物质基础。能记录生物电变化的第一个记录仪是1 9 世纪7 0 年代由梅瑞( m a r e y ) 发明的毛细管电流计。1 9 2 1 年美国的拉森和基勒研制了世界上第一台多道生理心理测试仪，主要测量血压、呼吸、皮肤电阻三项生理参数，用装有三支墨水笔的记录仪绘制输出曲线。后来，多道生理心理测试仪经过发展和完善，迅速装备了许多国家的司法界，主要用于测谎。随着科学技术的发展，有关心理生理信息处理技术取得了很大的进展，出现了不少综合型的心理生理测试仪器。日本光电公司生产的r m - 6 0 0 0 多道生理记录仪，可同时描记八种生理参数变化曲线，应用不同的传感器，便可记录脑电、心电、皮电、肌电、呼吸等三十多种生理信号。美国s t o e l t i n g 、l a f a y e t t e 等专业厂家生产出运用计算机技术，对测试结果显示、储存和自动评分以反映测试结论的仪器，但一度被列为对华禁运物资。英国o x f o r d 公司出品的m e d i g - 9 2 0 0 动态多导睡眠分析系统是一种微机化的心理生理测试仪器，提供脑电图回放、睡眠分析，多参数( m p a ) 分析和心理图分析等功能，但是价格相当昂贵。美国n e u r o s c a n 公司生产的“e e g e p e r p ”工作站几乎囊括了现今所有e e g e r p 的测量方法，可对完整的数据资料进行高级系统分析。其中包括对不同个体组别间的统计比较，结果呈现，同步信号的绘制，脑电地形图，真实的头颅三维呈现等。该工作站主要用于脑电研究。而且价格相当昂贵，1 2 8通道的该类工作站高达1 8 5 万美元。美国a d i n s t r u m e n t s 公司生产的p o w e r l a b 多导第1 罩绪论生理数据记录分析系统可以进行心率、血压、温度、呼吸、e c g 、e m g 和语音分析等生理指标的采集分析处理。该系统主要适用于动物神经生理实验，也可用于人体神经生理实验，价格高达3 万多美元，相当昂贵。近年来，国内生产的生理测试分析仪器得到迅速的发展，常见的有：成都仪器厂研制的r m 一6 2 4 0 c 型多道生理记录仪暨生物信号采集与处理系统，成都泰盟电子有限公司研制的b l 一4 1 0 型多道生理生物信号采集与处理系统。这两个系统主要用于医学院校及研究机构的生理、药理和病理生理教学实验，也可用于生物学中的动物信号检测与处理，还可以用于医学科研和临床。华东师范大学科教仪器厂生产的e p 6 0 2 型皮肤电测试仪，它主要采用指针式电表指示皮肤电反应变化值，并未与计算机接口，属于简易型。国产计算机化多道生理心理测试仪有北京新科永创科技有限公司生产的p g 型系列心理测试仪。目前最新的是p g 1 0 型，主要由主机、传感器、显示器、w i n d o w s 工作平台软件及打印机组成。通过对被测者外在表现( 如在应激情况下的生理现象或其他反应：人体皮电、呼吸、血压、脉搏以及动作等) 的智能检测和分析，实现对其生理和心理特征的探测。国内相关产品还有“清华同方”生产的s p s 一2 0 0 0 型、s p s 一3 0 0 0型等多种心理测试仪。长期以来，国内外研究者运用这些心理生理测试仪器( 系统) 在心理学、生理心理学、心理生理学、医学等研究领域对人体心理生理指标进行了广泛的应用研究”。“”0 1 曲，并取得了相当丰富的研究成果。与这些领域相比，由于缺乏适用于教育技术领域的专门的心理生理测试分析仪器( 系统) ，人体心理生理指标在教育技术领域的应用研究显得相对迟缓。但是随着众多生理测试工具( 系统) 的研制与问世，利用人体生理指标从心理生理层面开展这方面的研究，已经引起了越来越多学者的关注。1 1 3 人体心理生理指标在教育领域的应用研究状况1 - 国外状况国外对人体心理生理指标在教育领域的应用研究开展得比较早。魏赫斯娄( d a v i dw e c h s l e f ，1 9 2 4 ) 使用了一系列的刺激来考察皮电反应与心理因素的关系并总结出许多有用的结论”1 。s c h o n p f e u g 和b e i k ( 1 9 6 4 ) 进行了有关听觉有意识记与无意识记的皮肤电反应研究。1 。j a m e se f l e t c h e r ( 1 9 8 4 ) 研究了受众在观看电视节目时的皮电变化，认为受众的皮电数据对于媒体制作者在加强节目的注意价值方面有重要参考意义“。同本在将生理指标应用于教育领域研究方面很具代表性。日本把g s r ( g a l v a n i cs k i nr e f l e c t ) 即皮肤电反应应用于教育的研究主要是在二次战后。随着视听教育的不断发展，特别是n h k 学校广播教育的普及，n h k 综合广播文化研究所曾利用g s r 进第1 章绪论行过教育节目评价的研究”。1 9 7 7 年，日本宫城教育大学的研究小组最早把g s r 应用到实际的课堂教学中，这是日本g s r 教学研究的起源。g s r 教学研究，可以认为是通过反映教学过程中学生及教师心理变化的g s r 测量，探索教学规律的研究。从1 9 8 4 年起，利用f i s r 这样的可以反映人的心理变化的生理指标，如视点分析、瞳孔面积等进行教学研究的研究成果不断被报道。日本的本间明信与s o n y 公司合作，于1 9 7 9 和1 9 8 5 年先后研制出两套可同时遥测4 0 、4 5 位学生皮肤电反应的测量系统，并用该系统研究教学过程中学生皮肤电反应。这两套系统主要由v t r 教学记录装置、检测电极、腰带式发射机、天线、f m 接收机、发光显示盘、点式记录仪、纸带记录仪等构成。尽管这两套系统对皮肤电反应的记录只是粗略的，研究者只能了解被试的皮肤电反应峰值情况。本间明信还是利用这两套系统进行了大量的g s r 教学研究，几乎包括了全部学校教育的教学科目，取得了包括：g s r 的集团现象、集团间的相互作用、g s r 开关现象、躲避现象、g s r 的一般类型及其种类等诸多成果。在1 9 9 0 年本间明信提出g s r 教学研究的两个研究课题：与g s r 以外的生理指标的对应的研究；包括表情研究在内的教学气氛的研究。日本在g s r 教学研究方面的实践与成果，对于我们利用人体心理生理指标进行教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价都是十分有意义的。2 国内状况国内于上一世纪三、四十年代就开始将生理指标用于心理学研究，但是利用心理生理信息进行电化教育科学研究的实践，是在我国教育技术专家李克东教授指导下，于1 9 8 9 年在华南师范大学电教系筹建我国第一个电化教育视听心理生理研究实验室后开始的“。1 9 8 8 年李克东教授首先提出用人体生理指标来研究电化教育效果的构想，通过拍摄学生观看电视节目时的眼动情况，在国内电教界率先试图从心理生理层面对教学传播效果进行研究。在李克东教授的指导下，黎加厚、郭建才等人开展了在电教媒体刺激下学习者皮肤电反应研究，在a p p l e i i 微机上开发了第1 代的学习反应信息测试系统，用于教学传播过程中的效果研究，取得了初步的研究成果h 。“。之后的两届研究生，将该系统应用于各类教学电视节目、录音教材研究取得了一些有意义的成果“7 。后来，叶惠文副教授、王成伟副教授在此基础上进行改进，开发了第1 i 代学习反应测试系统”“，第一军医大学的吕慧英利用该系统对不同心理健康水平学生生理心理反应与学业成绩的比较研究，也取得了一些有意义的成果。“。第1 章绪论1 1 4 小结综上所述，利用人体生理指标进行教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价，可以把教育教学传播过程中对有关学生和教师的信息获取扩展到生理信息研究的层面，也就是把教育教学传播效果、教学媒体质量研究和评价深入到人体生理信息研究的水平。利用人体生理指标进行教育教学传播效果、教学媒体质量研究和评价需要相应的生理信号测量技术与分析方法支持，它在以下几方面有别于人体生理指标在其它领域的应用研究：( 1 ) 主要的测试对象是学生，针对教育教学活动进行测量分析。( 2 ) 所选择的生理指标要求：反映心理变化灵敏、测量易实现、不损伤人体和学生容易接受。( 3 ) 需要对长时间的教育教学过程进行连续监测和分析。( 4 ) 要有针对教育技术评价领域的生理信息分析处理方法。纵观现有的国内外人体生理测试分析工具( 系统) ，虽有些产品可用于相关人体生理参数的采集分析，但由于产品或是具有特定的应用领域，缺乏满足教育技术领域需要的人体生理指标测试和分析处理功能，无法在教育技术领域使用；或是价格昂贵，无法在国内教育技术领域加以推广应用。国内除华南师范大学教育信息技术学院分别于八十年代末和九十年代中开发的第1 代、第1 i 代学习心理生理反应信息计算机处理系统外，目前尚未见有适用于教育技术领域，用于教育教学传播效果、教学媒体质量研究和评价的学习心理生理反应信息测试分析系统，而华南师大开发的原有两代系统由于技术条件和功能的限制，现已无法使用。1 2 课题目的及意义现代医学、神经生理学、神经心理学、教育科学、计算机技术和数理统计分析技术的迅猛发展，为改进和完善原有两代学习心理生理反应信息测试系统创造了有利的条件。原有的第1 代、第1 i 代系统存在如下诸多不足”“，已不能适应教育技术学科发展的需要。( 1 ) 不支持多道生理指标实时同步采集，实时性和通用性差。( 2 ) 缺乏基于数理统计技术、现代医学、神经生理学最新研究成果的生理信息分析处理方法。( 3 ) 不支持网络应用。( 4 ) 可同时采集的通道数量少。第1 代系统只有8 个采样通道，第1 i 代系统只第1 苹绪论有1 个采样通道。( 5 ) 采样分辨率和采样速度跟不上现有实验精度的要求。( 6 ) 用户界面不友好，实验结果的可视化显示技术较差，实验操作较为烦琐。第1 代系统运行于a p p l ei i 微机，不支持高分辨率、真色彩。第1 i 代系统虽运行于w i n d o w s 操作系统，但用户界面仍不理想，数据分析处理方法较少。( 7 ) 可显示、存储、分析处理的数据量少，数据管理不方便。本研究是发展性研究，其目的是在先前研究开发的第1 、i i 代学习心理生理反应信息测试系统的基础上，吸收现代医学和生理学等学科的最新研究成果，在w i n d o w s操作平台下，基于微机接口与网络通讯技术，利用虚拟仪器技术开发新一代的，具有更强心理生理指标数据采集和分析处理功能，适用于教育技术领域的分布式学习心理生理反应信息测试分析系统。通过本系统实时监测记录学生在学习过程中的多项心理生理指标的变化，实时记录学生外部行为和表情并对生理信号进行相应的分析处理，从而测定学生学习过程中的情绪心理活动与注意状态，为从一0 理、生理层面开展教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价提供一种先进的支撑环境、测量手段和分析方法。从心理、生理层面开展教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价，其意义在于使我们的教育技术研究增加一种新的、客观的定量化研究方法。在教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价中，结合调查、问卷等主观测量的方法，加上学习过程中心理参数的客观测量方法，将能在最大程度上保证测量的准确性，保证研究和评价的科学性、客观性。这对整个教育技术学科的发展来说，有着十分重要的意义。1 3 本研究相关术语界定1 3 1 教育教学传播效果教育教学传播效果是由于教育教学传播活动的实施而产生的效果。从总体来看，教育教学传播效果可以分为社会效果、教学效果、心理效果，本课题主要研究学生在教学媒体的刺激下产生的心理生理反应效果，既包括可直接观察的表情、言语、动作，也包括不能直接观察的心理活动的变化和相应的生理变化。1 3 2 人体心理生理指标人体心理生理指标是指六种主要的身体反应和五种次要的生理变化。六种主要的身体反应是心率、血压、血容量、皮肤电位、肌电和脑电；五种次要的生理变化包括：呼吸、体温、唾液、瞳孔和胃动。所谓“次要的”是指不大为人们第1 章绪论所测量，而实际上这些身体反应与情绪同样有一定的关系”。1 3 3 心理生理信息心理生理信息( p s y c h o p h y s i o l o g yi n f o r m a t i o n ) 是指人体生理指标变化所反映的心理行为变化信息。1 3 4 虚拟仪器虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v 1 ) ，是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。它是利用计算机显示器( c r t ) 的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器”。1 4 研究方法与步骤本课题共分为四个阶段，各阶段的主要工作与所应用的研究方法如下：1 4 1 第一阶段通过“文献调查法”和理论研究，了解心理生理学的发展，了解人体生理指标在各个领域尤其是教育技术领域的应用情况，了解心理生理测试仪器及相关生理信号分析技术的发展。观摩比较部分现有的生理测试系统，寻找将其用于教育技术领域的不足与需改进之处。1 4 2 第二阶段熟悉虚拟仪器开发平台，掌握虚拟仪器平台的开发技术。1 4 3 第三阶段进行系统硬件设计与集成：包括学习心理生理反应信息测试实验室的规划、各种设备的选购、安装、布线和系统集成工作。系统的软件设计与开发：包括系统单机版软件的设计、开发与运行测试；系统网络版软件的设计、开发与运行测试。系统应用与评价：设计若干个不同媒体刺激皮肤电反应测试实验，进行系统运行测试。1 4 4 第四阶段总结前三段的研究结果，得出结论和建议。第2 章生理指标的选择第2 章生理指标的选择本章介绍了常见的人体生理指标，指出在教育技术领域开展人体生理指标研究有别于其它领域的生理指标研究，最后确定了本研究所选择的人体生理指标，并对其作了详细介绍。2 1 常用的人体生理指标情绪的构成包括三种层面：在认知层面上的主观体验，在生理层面上的生理唤醒，在表达层面上的外部行为。当情绪产生时，这三种层面共同活动，构成一个完整的情绪体验过程。可见情绪不仅有其内心体验和外部行为表现，同时也有其生理机制。由于自主神经系统的活动，当有机体处于某种情绪状态时，其内部会发生一系列的生理变化，测量这些变化的指标就是生理指标( p h y s i o l o g i c a li n d e x ) 。生理指标的测量所提供的是关于有机体所处的特定唤醒水平的信息。在几十种生理指标中只有一小部分与情绪有较大的关系。以下是最为常用的与情绪有关的一些生理指标【3 4 j ：2 1 1 皮肤电反应皮肤电反应是人们较早应用的生理指标。皮肤电反应( 或肤电反应) 是由费利( f e r e ，1 8 8 8 ) 和泰赫诺夫( t a r c h a n o f f ，1 8 9 0 ) 发现的。用非极化电极将人体皮肤上两点联接到一架灵敏度足够高的电表上，会发现电表指针摆动。这种由于电流流过而产生的电位差，被称为皮肤电位或皮电。皮肤电位可随视、听、触、痛等刺激以及情绪波动而变化，这一过程被称为皮肤电反应( g a l v a n i cs k i nr e s p o n s e ) 。影响皮肤电基础水平的主要因素有三个：觉醒水平、温度、活动。许多心理现象与皮肤电水平有密切关系，情绪反应会引起皮肤电水平的急剧变化。许多实验心理学家作过皮肤电反应的研究，均认为皮肤电反应可以作为情绪的生理指标。2 1 2 循环系统的指标除皮肤电反应外，循环系统活动的指标也可以成为情绪测量指标。常用的指标是：脉搏、血管容积和血压。1 脉搏循环系统的动力来源是心脏跳动，可用几种不同的方式测量心脏活动，最直接的方式是记录心跳，另一种方式是记录脉搏率。人们常借助脉搏描记器记录脉搏率。脉搏率是情绪反应的良好生理指标之一。伍德和霍根森( w o o d h o k a n s o n ，第2 章生理指标的选择1 9 6 5 ) 曾用脉搏率作为紧张情绪反应的生理指标，研究操作( 或作业) ( p e r f o r m a n c e )和激动水平的关系p 。2 血管容积血管容积的变化是由自主神经系统控制动脉壁平滑肌收缩和舒张所造成的，即由局部血管收缩和舒张引起的。血管容积的变化是情绪状态的有用指标。人们借助血管容积描记器( p l e t h y s m o g r a p h y ) 用于测量血容量。传统的血管容积描记器是一只置于金属容器内的橡胶袖套，袖套和金属容器之间灌满3 8 。c 的温水，要受试者的前臂伸进橡胶袖套，将手腕上的压力计充气带充气到2 0 0 m m h g 的水平，使手臂到手的血阻断。在记录过程中要有间断的休息，放掉腕部充气带内的空气，使血流到手里j j j 。除传统方法测量外，还有光电变化法、阻抗变化法和应变量规张力变化法。最通行的是光电管法。在测量时要注意，不能让光源烫伤皮肤和使血管扩张。3 血压血压变化与血管容积变化是相关联的，它们都反映了循环系统的活动情况，两者有着相近的生理机制。所以也可将其作为情绪反应的生理指标。心理生理实验室内用血压计和听诊器测定血压，但用这两种方法所听到的血压数并不代表每一次心搏时血压变化的实际情况，要测量实际的血压变化情况，心理实验室中常使用血压自动追踪系统【3 j 。2 1 3 呼吸在情绪状态时，呼吸系统的活动在速度和深度上会有所改变。呼吸反应基本上是受植物神经系统控制的，但在一定程序上受到随意支配，各种刺激的作用可引起呼吸反应，例如，暂时的注意状态常常需要呼吸的部分或全部抑制( 射手在精确瞄准时常常摒住呼吸) ；而突然的刺激会使呼吸“摒息”。由于呼吸次数与情绪状态的关系十分复杂，所以，呼吸作为一项生理指标，并不是简单地表示情绪特异性。常用的呼吸测量法有：吸气呼气比率法、1 分数法和次数法。2 1 4 语图分析法语图分析法( m e t h o do f l a n g u a g ep i c t o r i a la n a l y s i s ) 是新近发展起来的一种情绪分析指标。它是借助于语图仪中的声音应激分析器( s o u n ds t r e s s a n a l y s i s a p p a r a t u s )来实现的。声音应激分析器可以测量出人耳所不能直接听到的语音的某些变化。由于人的发音器官( 包括声带) 在气流通过时，因气流对发声管道的碰撞而发出轻微的颤动。人处于紧张情绪状态时，发音器官的正常颤动被抑制。在使用该仪器记录人的语声时，其记录曲线的描记速度比正常录音慢四倍，并以声音图像显示出来。第2 章生理指标的选择2 1 5 脑电波脑电波( 或脑波) ( b r a i n w a v e ) 又称脑电图( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) ，有多种类型，如a 波、b 波和6 波等，脑电波与心理状态有极为密切的联系。在情绪发生变化时，不仅有外周的变化，而且也会有中枢的变化，所以可以通过脑电活动的变化来测定中枢的变化。因此，利用脑电记录技术就可测定出一定情绪状态下所引起的大脑不同部位电位差的变化。这种研究方法主要用在研究下丘脑、丘脑与皮层的相互关系的比较中，据此推论人的情绪状态。2 1 6 生化指标生化指标( i n d e xo f p h y s i o l o g i c a lc h e m i s t r y ) 即在情绪状态时，生化系统、中枢神经介质也会发生一系列变化。如许淑莲( 1 9 7 9 ) 、汤慈美( 1 9 8 5 ) 等的实验都说明了神经化学物质测定和情绪的关系。多数研究表明，在情绪状态下，体内神经化学物质的分泌量或排出量的变化可作为情绪研究的客观指标。在众多的生理生化指标中，除了上述的几种生理生化指标外，重要的生理生化指标还有：眨眼、瞳孑l 反应、皮肤温度、血糖、血液的化学成分( 如血氧含量) 、外部腺体( 泪腺、汗腺) 、内分泌功能( 如胰岛素、抗尿激素) 、肌电、肌肉( 如表情肌)等等。心理学家和生理学家在长期的实践中发现，所有这些指标都可以不同程度地反映出有机体的唤醒水平和活动情况，但是单一的指标在使用时存在着很大缺陷。在测量情绪状态时，综合采用多项生理指标具有很大优点。2 2 适用于教育技术领域生理问题研究的生理指标选择在教育教学传播过程中，学生主要是通过视觉、听觉来感知教学内容。学生在视听媒介的刺激下会发生一系列的心理状态的变化，从而引发生理参数的变化，这些生理变化是学生接受媒体刺激时所产生的心理状态的反映。所以本研究将要开发的学习心理生理反应信息测试分析系统必须选取适当的生理指标进行测量研究，从而开展教育教学传播效果、教学媒体质量的研究和评价，进行教学传播过程中学习者的心理生理变化规律的探讨。正如上一节所述，人的心理生理信息的内容十分丰富，不同的生理指标有不同的传感技术或测量方法p “，如表2 一l 所示。表2 1不同生理指标的传感技术或测量方法鍪：塞圭矍! ! 堡竺塑堡：由于条件的限制本研究不可能对各种生理指标逐项进行研究，只能选取某些生理指标开展研究。在学习心理生理反应信息测试分析系统研究中的生理指标选取的基本原则是：反映心理变化灵敏、测量易实现、不损伤人体和学生容易接受。在教育技术领域( 教育教学传播过程) 中的生理测量与医学、生理学及司法等执法部门所进行的生理测量相比，存在有明显的不同之处：1 测试内容不同。蝴“本研究是对教育教学传播过程的长时间连续监测和分析。教育教学过程一般在十几分钟以上，要研究在媒体刺激下，学习者的心理生理的变化，所建立的测试分析系统必须能对整个视昕过程的生理反应进行连续监测，并能对长时间的生理变化进行变化趋势分析，这与其他领域的生理测量是有区别的。2 测试对象范围不同比6 “1本研究的测试对象是小群体学生，要求所建立的系统能够同时监测几个学生的生理反应。而其他领域的生理信息测量一次一般只能测量一个被试。如果将其运用于教育技术领域，由于要同时测量小群体学生，必须使用几台相同的生理测试仪器，这样一来不仅实验不经济，而且测量结果难以进行比较分析。3 测试对象性质不同其他领域的测试对象与本研究中的测试对象学生相比有很大的不同。如医学上测试的对象是病人，司法部门的测试对象是犯罪嫌疑人，可以对这些测试对象进行一定的约束。在教育技术领域，测试的对象是学生，在测量过程中，生理仪器过分约束学生，会影响实验研究的准确性。因此，要求所用的测量仪器应尽可能少或不约束学生。综上所述，在众多生理指标中主要选取皮肤电反应作为在本研究测量的生理指标，辅助的生理指标可选呼吸、脉搏、血压和脑电等。第2 章生理指标的选掸2 3 皮肤电反应概述1 皮肤电的主要生理机制皮肤电产生的机制很复杂，并受多方面生理因素的调节和影响，对其产生机制还需进一步的探索和研究。到目前为止，学术界存在众多解释和假说f 8 9 j 【9 0 】。目前，众多实验已证明汗腺活动是产生和影响皮肤电传导的重要因素，皮肤电变化是一种人体生物电现象，这些电变化受交感胆碱能神经纤维调节。它与汗腺活动有明显关系，皮肤电反应所反映的是汗腺分泌反应，而不同于出汗量。出汗是人和动物的一个常见现象，研究者们经过长期的研究，发现人类的出汗反映了人的生理和心理状态。针对出汗能反应人的情绪心理状态现象，人们做了大量研究。引发出汗的因素很多：皮肤散热、温度过高、肌肉紧张、兴奋状态、情绪和精神压力等等。研究发现机体散热引发的温热性出汗号隋绪或感官引发的精神性出汗不同。温热性出汗是由于体温的升高引起，除了掌心和足底外，这种出汗现象遍布全身，主要是为了散热。精神性出汗与体温无关，一般只出现在掌心、足底和腋窝处，反应了人的情绪状态。w e c h s l e r 等研究了各种生理状态下的皮肤电反射，认为皮肤电位变化均与汗腺有关，以手掌和脚掌处变化最大，人的精神性出汗( 或称生理心理反应性泌汗) 是受交感神经作用引起的，主要对精神性活动或感受刺激反应敏感，因此皮肤电导可作为交感神经活动的间接指标，也可以用作评价情绪唤起水平和某些心理活动的指标。2 皮肤电的研究概况人类的心理生理特征是对心理过程的客观定量化描述。皮肤电阻的测量作为描述机体皮层活动指标已有一段很长的历史( j u n g ，1 9 0 7 ；n e u m a n na n db l a n t o n ，1 9 7 0 ；p e t e r s o n ，1 9 0 7 ：p r i n c ea n dp e t e r s o n ，1 9 0 7 ) 6 6 - 6 8 1 7 5 1 。n e u m a n na n db l a n t o n ( 1 9 7 0 ) 提到了早期皮电活动研究的发展。费利( f e r e ) 在1 8 8 8 年探索了皮电活动与“感觉和情绪刺激”的关系，费利( f e r e ) 认为皮电活动是神经系统活动的极为有价值的指示器。泰赫诺夫( t a r c h a n o f f ，1 8 8 9 ) 也进行了皮电活动与心理刺激的关系的研究。e k m u e l l e r ( 1 9 0 4 ) 发现当有恒定电流通过人体时，人的心理过程与人体电阻有关。v e r a g u t h ( 1 9 0 4 ) 认为皮电现象的发现对心理学、精神病学、神经学问题的客观研究有着十分重要的意义。在心理生理分析中最早使用皮肤电测试仪的是c a r lg u s t a vj u n g ，在他的“s t u d i e s i nw o r da n a l y s i s ”( 1 9 0 6 ) 一书中，提到如何利用手掌电极连到一台电流表上，通过给被试依次读取词表上的单词，测试被试的皮肤电反应情况，由于没有信号放大装置，这一皮电测试仪使用起来十分不便。p e t e r s o n ( 1 9 0 7 ) 提到通过皮电活动的监测来理解人类的情绪活动。他认为人的皮肤电反应( e l e c t r o d e r m a lr e s p o n s e s )第2 苹生理指标的选择与人的情绪反应唤醒程度是成比例的7 5 1 。m i l l e r ( 1 9 9 6 ) 主张利用心理生理测量来探究人的心理结构、过程和障碍。他认为就心理现象而言，人的心理生理信息比人的内省报告传递了更为精确的信息，利用人的心理生理信息可以在生物物理学尚未知晓的领域，对心理过程开展研究；无需内省报告，对人的心理过程开展研究；开展心理病理学研究”。其他的研究者也针对皮肤电活动开展了大量的研究 6 9 - 7 4 】【7 7 m 1 。用来标识皮肤电活动的名称术语很多，诸如皮肤电反射( g a l v a n i cs k i nr e f l e x ，g s r ) 、皮肤电活动( e l e c t r o d e r m a l a c t i v i t y ，e d a ) 、皮肤电反应( e l e c t r o d e r m a lr e s p o n s e ，e d r ) 、皮肤电阻反应( s k i nr e s i s t a n c er e s p o n s e ) 等。过去人们常把皮肤电反应简写成g s r ，因为“g a l v a n i c ”一词在物理学上已废弃不用。g s r 作为一种皮肤电图记录，同专用名词心电图( e k g ) 、脑电图( e e g ) 等相比较而被e l e c t r o d e r m a