基于網絡的學習反應測試分析系統設計與開發

【摘要】基于微機接口與網絡通訊技術，采用虛擬儀器技術開發了一個基于網絡的學習心理生理反應信息測試分析系統，系統可以從心理生理層面開展教育教學傳播效果、教學媒體質量的研究和評價。介紹了系統設計思想、硬件設計、軟件設計及實現方法。

【關鍵詞】學習心理生理反應信息；虛擬儀器；系統；設計；開發

【中圖分類號】G40-57 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 09—0089—04

一 引言

現代認知心理學、心理生理學認為通過觀察測定學生在學習過程中受到刺激時的各種生理反應變化信息，可以了解學生在學習過程中的情緒反應及注意狀況，可以獲取學生學習過程認知加工情況的信息，這些信息可以作為開展教育科學研究的客觀依據。在教育技術領域，通過獲取學習者在學習過程中的各種心理參數變化信息，可以從心理、生理層面開展教育教學傳播效果、教學媒體質量的研究和評價。

要在教育技術領域開展學習心理生理反應信息的相關研究，需要相應的測量工具（系統）支持。在國內，華南師范大學開展了相關的研究，取得了一些有意義的成果[1][4][5][6][7][8]，并先后開發了兩代的學習反應信息實時測試系統[2][3]。但是，由于新技術的發展，原來的兩代系統已經不能適應教育技術發展的需要。而且由于進口的系統價格昂貴[9]，不利于普及應用。筆者基于微機接口與網絡通訊技術，利用虛擬儀器技術開發了一個基于網絡的學習心理生理反應信息測試分析系統。本文主要介紹該系統的設計思想以及系統硬件設計、軟件設計及實現方法。

二 系統設計思想和設計目標

1 系統設計思想

在教育教學傳播過程中，學生主要是通過視覺、聽覺來感知教學內容。學生在視聽媒介的刺激下會發生一系列的心理狀態的變化，從而引發生理參數的變化，這些生理變化是學生接受媒體刺激時所產生的心理狀態的反映。在教育技術領域，利用生理指標進行教育教學傳播效果、教學媒體質量研究和評價的基本思路是：在一定的環境下給予學習者（被試）一定的外因刺激（如教學媒體刺激），使學習者產生心理行為變化，通過觀察測量其生理變化，從中探討學習者的心理活動與生理變化的關系，如圖1所示。

同時，由于是針對教育教學傳播效果和教學媒體質量開展研究，研究的對象是小群體學生，在設計系統時必須考慮：

（1） 要求系統能連續長時間、同時測量幾個學生的心理生理反應。

（2） 系統進行生理信號采集時應盡可能減少對學生的約束。

目前，在心理生理學研究中常用的人體生理指標有：皮膚電反應、脈搏、血管容積和血壓、呼吸、語圖分析法、腦電波、生化指標等等，不同的生理指標有不同的傳感技術或測量方法[3]。在教育技術領域開展人體生理指標研究有別于其它領域的生理指標研究，筆者認為在此領域選取生理指標的基本原則是：反映心理變化靈敏、測量易實現、不損傷人體和學生容易接受；同時要求所用的測量儀器應盡可能少地約束學生。基于這樣的思想，在眾多生理指標中筆者選取皮膚電反應作為在研究中測量的主要生理指標，選取呼吸、脈搏、血壓和腦電波等作為輔助的生理指標（本文中探討的生理指標測試與分析主要是指皮膚電反應生理指標的測試與分析）。

（3） 應能對學生的心理生理反應進行實時、同步、對比的分析研究。

實時：是指能實時顯示學生的生理反應曲線。

同步：要求能對學生的生理反應、媒體內容、學生的外顯反應三者同步記錄分析。

心理生理學研究認為單純的生理測量僅能提供有關有機體所處的特定喚醒水平的信息。因此，在教育技術領域，要從心理、生理層面上開展教育教學傳播效果、教學媒體質量的研究和評價，必須把學生的外顯反應（表情、言語、動作）、教學內容、學生的生理反應同步記錄，進行綜合分析。

對比：包括同一學生不同時間的生理反應對比研究；同一時間內幾個學生的生理反應對比研究。通過對比，找出個體、群體的變化規律。

（4） 找出生理指標參考值的變化規律。

本研究測量的是生理指標的相對值，著眼點在于找出教育教學過程中學習者生理指標相對值的變化規律。

（5） 建立適合教育教學傳播效果、教學媒體質量評價和研究的分析處理方法。

系統必須提供一套適應教育教學傳播效果、教學媒體質量研究和評價的分析處理方法，如：生理曲線壓縮分析、A-S平面分析、（A-f-S）-t平面分析、主成份分析與聚類分析、頻譜分析等，從不同的側面為研究者提供對心理生理問題進行研究的多種方法。

2 系統設計目標

通過本系統可實時錄學生外部行為和表情，實時監測記錄學生在學習過程中的心理生理指標變化，并進行相應的分析處理，從而探測學生學習過程情緒心理活動與注意狀態，進行教育教學傳播效果、教學媒體質量的研究和評價。

三 系統硬件設計

1 系統總體架構

系統主要由三部分組成：媒體刺激呈現系統、生理信號采集處理系統、同步記錄系統。根據實際需要，這三個系統的各部分硬件被布置在測試室（觀察室）和控制室內，如圖2所示。

（1） 媒體刺激呈現系統

主要用于向學生（被試）提供各類媒體刺激。包括：位于控制室內的1臺DVD機、1臺錄像機、1個錄音卡座和觀察室內的1臺電視機、4臺多媒體計算機、1對音箱。

（2） 生理信號采集處理系統

用于實現生理信號的模數轉換，生理信號的顯示、存儲與分析處理。包括生理信號傳感子系統和生理信號采集、存儲與分析處理子系統。

生理信號傳感子系統：用于將皮膚電阻變化信號轉換成隨時間變化的模擬電信號，進行濾波放大，送往生理信號采集、存儲與分析處理子系統處理。包括位于觀察室內的4路生理信號傳感器和濾波放大電路。本研究中，皮膚電傳感器采用銀－氯化銀電極，測量時電極置于被試左手掌面側食指和中指的第一指節，電極面積為1CM2，系統采用UA741CP放大器，對皮膚電反應信號進行濾波放大。

生理信號采集、存儲與分析處理子系統：用于將傳感子系統送來的模擬生理信號進行模數轉換，然后通過計算機進行生理信號的采集、存儲和顯示，并進行進一步的分析處理。包括位于控制室內的1個UA301數據采集器、1臺多媒體計算機和1臺打印機。

（3） 同步記錄系統

用于對媒體內容、生理信號、學生表情的實時同步記錄。包括：位于控制室內的2臺攝像機和位于控制室內的4臺監視器、2臺視音頻矩陣切換器、1臺特技機、1個云臺控制器、1臺錄像機和1個視音頻編碼盒。

本子系統通過云臺控制器控制2臺攝像機，拍攝學生接受媒體刺激（如觀看教學電視節目、多媒體教學光盤、網絡課程等）時的表情動作，包括：面部表情、身段表情和語調表情。攝取的視音頻信號通過視音頻矩陣切換器送到特技機與媒體內容、學生生理反應曲線合成1路視音頻信號供錄像機記錄監視，并可通過視音頻編碼盒編碼后連接到交換機提供遠程監控之用。

2 系統的聯接與抗干擾技術

（1） 觀察室與控制室的設計

學習反應測試分析實驗室為專用實驗室，配備有空調，保證實驗所需的溫度、濕度條件。觀察室與控制室相隔離，避免兩者之間的互相干擾。所有的布線均采用隱蔽式布線，整個實驗室整潔、安靜。

（2） 系統的抗干擾措施

各種干擾普遍存在于各種測試裝置中，本系統在生理信號的測試過程中的主要干擾源有電氣設備干擾，對于這類干擾，筆者采取的措施是盡可能減少干擾源，同時對生理信號測量系統采取屏蔽、接地、隔離等技術措施，并在電路中加入適當的濾波電路，有效地抑制各類干擾，提高生理信號的信噪比。

第二類干擾為測試用電極引發的干擾。人體皮膚電極接觸會產生極化電動勢，實驗中采用銀-氯化銀電極可有效地消除這種干擾。對于電極與手指接觸不良引起的干擾，系統采用大小不等的半園形電極，以適應被試手指粗細的差別，并采取測試前洗手，用75%乙醇對安放電極的手指部位作脫脂處理、涂導電膏，用膠布固定等一系列措施。本研究針對這兩種主要的干擾源，分別采取相應的抗干擾措施。這些措施有效地抑制了測試用電極所引發的干擾。在實際的生理信號測量情況下，除了上面提到的各種自然干擾外，還有可能出現種種人為干擾。如，實驗時的環境噪聲干擾、被試對象的生理狀態等，實驗者對實驗進行精設計，有效控制，可以避免這類人為干擾。

四 系統軟件設計

1 軟件功能模塊設計

在本系統中，共設計有了實驗配置、生理信號采集、生理信號分布式采集、生理信號回放、生理信號分析處理、報告生成打印、幫助、擴展八個功能模塊，如圖3所示。

（1） 實驗配置模塊

本模塊主要完成生理信號采集前的實驗配置工作，并提供實驗配置報告生成功能。

用戶可依據向導方式建立實驗配置文件，完成：實驗編號、實驗名稱、實驗目的、采集參數、實驗對象、生理信號記錄文件存放路徑、實驗者、實驗日期、實驗備注的設定，并生成Word格式的實驗配置文件。

用戶可按默認的參數進行數據采集，也可打開已有配置文件進行數據采集。

（2） 生理信號采集模塊

本模塊完成生理信號的實時采集、同步顯示、實時記錄。

用戶可根據實驗配置文件中的相關設定，將生理信號傳感系統傳送來的生理信號經UA301型采集器進行模－數轉換后，利用此模塊完成生理信號的采集、同步顯示、并按需要實時保存在硬盤上，供采集后進行分析處理。

（3） 生理信號分布式采集模塊

本模塊采用C/S模式，利用NI公司開發的Data Socket協議，完成基于網絡的生理信號的分布式遠程采集。

客戶端可以對服務器端設定采集參數（生理信號類型、采集通道、采樣頻率、采樣信號放大倍數）并可設定服務器端與客戶端生理信號數據存儲位置。通過計算機網絡實現生理信號的分布式遠程采集。

同時在VI開發環境下，系統還提供B/S模式的遠程采集功能，遠程用戶可通過瀏覽器實時監視服務器端采集的生理信號波形。

（4） 生理信號回放模塊

本模塊用于將存儲的生理信號記錄文件還原回放，用于事后結合同步記錄的錄像內容，對生理信號波形的分析研究。用戶可調節生理信號回放的速度，可實現快速回放、慢速回放、正常回放（即按采集時的速度回放）。

（5） 生理信號分析模塊

本模塊主要提供了多種生理信號分析處理方法和手段，具有如下功能：波形修正、波形壓縮、平均值與方差計算、t檢驗、F檢驗、A－S分析、（A－f－S）－t分析、主成份分析與聚類分析、頻譜分析。

（6） 報告生成打印模塊

本模塊整合于上述的五個功能模塊之中，可根據用戶的需要生成Word、Excel等各種文檔格式的報告。用戶可根據自己的需要將分析處理的結果（如波形、表格等）生成各種文檔保存。同時模塊還提供打印功能，用戶可以根據自己的需要將分析得到的各種圖片、表格、波形直接送往打印機打印、也可將屏幕上的各個對象以不同圖片文件格式進行保存。

（7） 幫助模塊

本模塊也整合于上述的各個功能模塊之中，用戶隨時可獲取所需的幫助。

除上述的七個功能模塊外，本研究還設計了安裝與反安裝程序項。用戶得到安裝文件后，可依據提示進行安裝，程序將自動生成程序組。當用戶要將本系統卸載時，可在控制面板中的添加/刪除程序中將其完全卸載。

（8） 擴展模塊

本模塊用于將來對系統功能進行擴展。

2 軟件實現

筆者選取了LabVIEW6.1PDS作為開發工具，在Windows平臺上，采用虛擬儀器技術開發本系統。

UA301采集器并沒有提供支持LabVIEW的驅動程序，所以其在LabVIEW編程環境中不能直接使用。考慮到代碼的復用性，在本系統開發過程中利用LabVIEW提供的庫函數調用接口，對UA301數據采集器隨板提供的庫 UA300.DLL動態鏈接庫中的各個函數應用WINAPI（stdcall）規范進行調用，開發成各個組件，如圖4所示。在編程過程中，直接調用相應組件即可實現相應的數據采集。

由于篇幅所限，這里選取基于網絡的生理信號分布式采集模塊和系統分析模塊中的EDR（A-f-S）-t分析子模塊兩個子模塊對系統的軟件實現過程進行簡單介紹：

（1） 基于網絡的生理信號分布式采集模塊的實現

將虛擬儀器與網絡技術相結合，構成分布式網絡化虛擬儀器系統是虛擬儀器系統發展的方向之一。本系統中，實現基于網絡的生理信號分布式采集，方便用戶進行實驗，有利于減少實驗過程中對實驗對象的干擾，更有助于實現資源共享，從而提高系統的整體效益。

基于網絡的生理信號分布式采集模塊其主要功能是實現遠程計算機通過網絡對服務器端生理信號采集控制及監測。本系統采用DataSocket技術來實現基于網絡的生理信號分布式遠程采集。Nl公司提供的Datasocket（DS），是一種能夠簡化應用程序之間，以及計算機之間進行數據傳輸的新的網絡編程技術。Datasocket建立在TCP/正協議基礎之上，不用進行復雜的底層TCP編程，就可以通過計算機網絡向多個遠端的終端同時廣播現場的測量數據。使用Datasocket傳輸數據，可以在程序運行后自動查找網絡設備，局域網上的計算機會通過網卡或調制解調器連接到網絡服務器上。本系統將生理信號采集服務器端程序和DS服務器放在觀察室內同一臺計算機上，將其作為服務器端，而生理信號采集客戶端程序在網絡上的其他計算機上運行，客戶端可為服務器端設定采集參數，進行生理信號的遠程采集，采集的生理信號數據可保存在服務器端或本地客戶機上。客戶端也可不對服務器端進行控制，只是進行服務器端生理信號采集波形的監視。配合同步記錄子系統送來的視頻流，可同步監視學生的生理反應、媒體內容、學生的外顯反應。

（2） EDR（A-f-S）-t分析子模塊的實現

利用學習心理生理反應信息進行教育教學傳播效果與教學媒體質量研究和評價，不能止于生理信號波形的記錄觀察，必須對生理信號曲線作進一步的分析處理，以獲取更多的具有心理生理學意義的信息，使得從心理、生理層面對教育教學傳播效果、教學媒體質量的研究和評價具有科學性、客觀性。下面簡單介紹一下系統分析模塊中的EDR（A-f-S）-t分析子模塊。

此模塊主要用于對批量學生進行EDR（A-f-S）-t分析。在利用華南師大此前開發的第一代系統進行電視教材的皮膚電反應分析時，提出了皮膚電反應的A-f-S綜合分析模型[7]，并用手工運算的方法進行了少量學生觀看電視教材時的皮膚電A-f-S分析。在本系統中，筆者對此模型加以完善，使其成為從心理、生理層面研究和評價教育教學傳播效果、教學媒體質量的EDR（A-f-S）-t分析方法。

程序運行界面和部分框圖程序，如圖5和圖6所示。

五結束語

本系統系統開發完成后，筆者用其進行了幾種媒體刺激的皮膚電反應實驗[9]not;，實驗表明本系統達到了預期的設計目標，可供項目研究使用。本系統可將學習者的三種反應信息：認知、行為和心理生理一起同步測量，突破了傳統的教育技術研究方法的束縛，使得對教育傳播效果信息的研究深入到人體生理層面，從而為教育傳播信息效果的研究提供一種先進的支撐環境、測量手段和分析方法，對拓寬教育技術學科的研究領域具有一定的意義。

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