实时且个性化的干式脑电图（dry EEG）神经反馈在日常生活环境中增强了学生在在线教学过程中的注意力

《Neurocomputing》：Real-time and personalized dry EEG neurofeedback increased students’ attention during online teaching in everyday life conditions

本研究开发并测试了一种基于便携干燥EEG神经反馈系统，用于在线学习时实时监测并优化学生注意力水平。通过个性化反馈显著提升注意力，而群体平均反馈效果不佳。验证了非医疗级EEG设备在真实生活场景中实现教育神经反馈的可行性。

　　本研究由一组来自法国巴黎公立医院集团（APHP）神经外科部门的科学家团队共同完成，其中包括Suhan Senova、Stéphane Palfi、Aline Cretenoud、Joshua Begue、Mohamed Aymen Labiod、Abdelhamid Mellouk、Pierre Wolkenstein、Julien Dauguet和Pablo Mainar。这些研究者分别来自巴黎东部大学（Université Paris Est-Créteil）、法国国家健康与医学研究院（INSERM）第955单元以及IMRB转化神经精神病学实验室。研究的背景是在线学习在新冠疫情后迅速普及，成为许多教育机构的重要组成部分。尽管在线学习具有诸多优势，如灵活性、经济性以及对环境的友好性，但同时也带来了一些挑战，尤其是在维持学生注意力方面。

在传统的课堂教学中，教师可以通过观察学生的面部表情、眼神交流和身体语言来判断学生的注意力水平。然而，在在线学习环境中，这种直接的互动变得困难。学生可能处于不同的物理空间，教师难以实时感知他们的学习状态。此外，学生自身也可能面临注意力难以维持的问题，特别是在缺乏良好学习环境的情况下。因此，如何有效监测并提升学生的注意力水平，成为在线教育领域亟待解决的问题之一。

神经反馈（Neurofeedback）作为一种利用脑电图（EEG）信号来提供实时反馈的技术，被广泛认为是提升注意力的一种潜在工具。然而，传统神经反馈系统通常需要专业的设备和人员进行操作，成本较高且不便于日常使用。为了解决这些问题，本研究旨在开发一种非医疗、低成本且适合日常使用的干式EEG神经反馈系统，用于监测和优化大学学生在观看电子学习视频时的注意力水平。

干式EEG技术近年来取得了显著进展，其核心优势在于无需使用导电凝胶即可实现脑电信号的采集。这种技术的便携性和易用性使其成为在线教育领域的一个重要研究方向。研究团队在实验中使用了干式EEG设备，结合了眼动追踪（gaze tracking）和心电图（ECG）传感器，以更全面地评估学生的注意力状态。通过这些技术手段，研究者能够实时监测学生的注意力水平，并根据监测结果提供相应的反馈。

研究的第一阶段重点在于开发一个注意力的神经标记物（neuromarker）。神经标记物是指能够反映特定心理或生理状态的脑电信号特征。在本研究中，研究人员利用干式EEG设备，在真实的生活条件下收集了学生的脑电数据，并通过分析这些数据，成功识别出与注意力水平相关的神经标记物。这一成果为后续的神经反馈系统提供了基础。

在第二阶段，研究团队基于第一阶段开发的神经标记物，对另一组学生进行了神经反馈训练。训练分为两种模式：个性化反馈和聚合反馈。个性化反馈是指根据每个学生的实际注意力水平，实时提供反馈。当学生注意力下降时，系统会及时提醒他们，帮助他们恢复注意力。聚合反馈则是基于之前实验中所有学生的平均注意力水平，为所有学生提供统一的反馈。这种方式可以用于教师评估整个班级的注意力状态，但其效果在本研究中并未得到积极验证。

研究结果显示，个性化神经反馈在提升学生注意力方面具有显著效果。当学生注意力下降时，个性化反馈能够迅速提醒他们，并促使他们采取相应的措施恢复注意力。相比之下，聚合反馈未能有效提升学生的注意力水平，甚至被部分学生认为是一种干扰因素。这一发现表明，在在线学习环境中，基于个体注意力水平的实时反馈比基于群体平均水平的反馈更具实际意义。

此外，研究团队还通过问卷调查的方式评估了学生的体验和反馈。在第一阶段，研究人员通过问卷了解了学生对所观看视频的兴趣和相关知识的掌握情况。结果显示，两组学生的兴趣和知识水平没有显著差异，说明实验条件具有可比性。在第二阶段，研究人员进一步询问了学生对神经反馈系统的感知和使用体验。部分学生认为该系统能够有效地检测注意力的下降，并对个性化反馈的效果表示认可。然而，对于聚合反馈，学生普遍认为其效果有限，甚至在某些情况下影响了他们的学习体验。

研究的另一个重要方面是系统的便携性和易用性。为了确保该系统能够被广泛应用于日常学习环境，研究人员在设计时特别注重了设备的轻便性和操作的简便性。通过使用可穿戴的耳机设备，学生可以在不干扰学习的情况下轻松佩戴并使用该系统。这种设计不仅提高了系统的实用性，也降低了使用门槛，使更多学生能够受益于神经反馈技术。

本研究的意义在于，它为在线教育提供了一种新的注意力监测和优化工具。传统的注意力监测方法，如眼动追踪，虽然在实验室环境中具有较高的准确性，但其局限性也显而易见。例如，眼动追踪设备通常需要特定的环境条件，且成本较高，难以在日常学习中广泛应用。而干式EEG技术的出现，使得注意力监测变得更加便捷和经济。通过结合现代高输入阻抗放大器，干式EEG设备能够提供可靠的脑电数据，从而支持神经反馈系统的开发和应用。

除了对学生注意力的监测，本研究还关注了神经反馈系统对教学实践的潜在影响。教师在在线教学中往往难以准确评估学生的注意力状态，这可能导致教学效果的下降。通过聚合反馈，教师可以更全面地了解班级整体的注意力水平，从而调整教学策略，提高课堂互动性和教学效果。然而，本研究显示，这种基于群体平均值的反馈方式在实际应用中并未表现出显著的提升效果，因此，未来的研究可能需要进一步优化这一模式，以提高其有效性。

研究团队还指出，神经反馈系统的开发和应用不仅对学生的注意力提升具有重要意义，也对教师的教学策略优化提供了新的可能性。通过实时反馈，教师可以更好地了解学生的学习状态，并根据这些信息调整教学内容和节奏，以提高整体的教学质量。此外，该系统还可以作为学生自我调节注意力的工具，帮助他们建立更有效的学习习惯。

本研究的局限性在于，其主要关注的是学生注意力的监测和提升，而对教师如何利用聚合反馈优化教学策略的评估尚未深入。因此，未来的研究可以进一步探讨聚合反馈在教学中的具体应用，以及如何通过技术手段提升其有效性。此外，研究团队还提到，虽然干式EEG技术在实验室环境中已经显示出一定的可行性，但在真实生活条件下的长期使用效果仍需进一步验证。

研究团队的长期目标是开发一种能够广泛应用于远程学习环境的神经反馈系统，以帮助学生和教师共同提升学习和教学的效果。随着技术的不断进步，干式EEG设备的精度和可靠性有望进一步提高，从而使得神经反馈系统在实际应用中更加成熟和普及。此外，研究团队还强调，这种技术的推广不仅有助于提高教育质量，还能促进教育公平，使更多资源有限地区的学生也能享受到高质量的在线学习体验。

总的来说，本研究为在线教育提供了一种新的注意力监测和优化工具，展示了干式EEG神经反馈系统在实际应用中的可行性。通过个性化反馈，学生能够更有效地维持注意力水平，从而提高学习效率。而聚合反馈虽然在某些方面具有潜在价值，但在实际应用中仍需进一步优化。研究团队的成果为未来在线教育技术的发展提供了重要的参考，并为提高远程学习质量提供了新的思路和方法。