2017-11-08

腦波量測技術在教育及生活上的應用

想要學的好,除了強調學習者本身須付出努力以外,有沒有什麼工具可以幫助人們改善學習的效率?隨著人類對大腦、心智運作的認識越來越多,人類對學習原理的了解也逐漸清晰。對教學者來說,除了使用獎勵、懲罰的方式,來影響學生外在學習行為、鼓勵學生學習之外,隨著科技的進步,運用科學方法、科技工具來提升學生的學習動機、效率、成效,目前也是越來越多。腦波儀,就是其一。腦波儀可以了解人的心智運作狀態,也可以偵測人的情緒變化。透過此科技對人的了解,可以設計出更符合人學習原理的學習方案,使學習更有效率。以下本文將介紹傳統的腦波測量原理以及新興開發的腦波儀技術在學習、認知能力訓練的應用及其他相關的應用。

人類的大腦由許多神經細胞組成,當大腦進行心智運作時,構成大腦的神經細胞會不斷放電。成千上萬的神經細胞一起放電的結果,就可以讓科學家在人類頭皮上測得微弱的電波或磁波變化,此即是腦波測量的原理。偵測腦神經細胞活動用的是神經電生理的方法,此法可量測到人類大腦在不同狀態下的腦神經細胞的電位活動變化,以波型圖呈現,即稱為腦電波圖(EEG)。人類腦波研究的歷史可追溯到1929年,當時德國生理學家Hans Berger首次在人類的頭蓋骨上記錄到電波活動,他記錄、測量了人腦中微小的放電過程,發表了人類史上第一次的腦波記錄,命名為「腦電波圖」(electroencephalogram,簡稱EEG、腦電圖)。

傳統的腦波量測是把各個腦細胞所發生的電位變化,藉著放在頭皮上或直接放在大腦皮質的電極收集,經過增幅器放大訊號後記錄下來。由於腦波和人類的意識活動有關係,因此許多研究者都很感興趣,希望藉由腦波和大腦意識的相對應關係,透過測量腦波來推測大腦的狀態。像是在醫學領域,研究者會研究憂鬱症、阿茲海默症患者睡眠時的腦波,針對患者進行長期記錄,了解其和未患病者的腦波有何不同,以進一步研究病理和病因。

傳統的腦波量測時,受試者需要戴上專屬的頭套(如下圖1),以蒐集訊號。頭套內有多個電極片接觸頭皮,並且頭皮上需塗上濕黏的導電膠,以增進訊號蒐集效果,此外,施測地點也必須在特定、無干擾的環境下施測。近來,已有業者開發出新的腦波測量儀器,這些新的儀器改良了傳統腦波測量時須塗導電膠,在特殊環境下測量的限制,人們只要戴上一款造型如同耳機的腦波儀(如下圖2),便能透過此裝置測量到人們的腦波狀態,但目前技術上,能偵測到的大腦活動主要是專注力、情緒激起、放鬆度的狀態。

圖1.傳統的腦波儀頭套
(圖片來源:http://diagram-of-the-brain.brainfunctionz.com/eeg/

圖2.耳機腦波儀
(圖片來源:引用自NeuroSky,網址:http://www.neurosky.com/zh-Hant/Education.aspx

腦波量測技術,目前在許多種領域都已有所應用。在教學方面,影響學生學習效率的關鍵要素之一---專注力高低,就可以使用腦波儀量測出來。戴上造型如同耳機的腦波儀,透過新研發出的腦波科技,可以感測出學生在上課或讀書、學習時的專注力,若學生藉著這款研發知道自己學習專注力的高低,可藉此調整不同的學習作息、讀書習慣或學習環境、夥伴,讓自己在專注力最佳狀態時,好好學習,如此就大大提升了學習的效率。

這項原理也可應用於教材設計上。在數位學習當道的今天,當學生在學習語文、數學等數位學習的教材時,若應用耳機腦波儀監測學生學習時的專注力水平,便可由此探討什麼樣的教材設計型式較容易吸引學生專注學習,因此找到適合的教材設計或視覺版面編排之道。此外,腦波量測技術,也搭上時下熱門的腦力訓練風潮。應用在腦力訓練方面,使用耳機腦波儀,搭配著業者所開發的軟體使用,可記錄使用者的大腦專注及放鬆程度。透過螢幕畫面直觀的呈現使用者目前的專注及放鬆程度,可讓使用者學習到如何掌握及訓練自己大腦的專注及放鬆。例如就有業者將耳機腦波儀運用在LED光球上,透過光球的顏色變化可以顯示人當下放鬆的狀態(如下圖3)。因此可用這個光球來訓練孩童放鬆,是一個對老師來說簡單易用的輔導工具。

圖3. 耳機腦波儀結合LED光球的應用:隨著光球的顏色變化,能測知人的放鬆程度
(圖片來源:引用自大寶科技,網址:http://www.alchemytech.com.tw/

而在遊戲學習方面,透過編寫與專注力有關的遊戲程式,配合耳機腦波儀的使用,讓使用者與遊戲軟體作互動,再透過遊戲的反饋功能,讓使用者學習專注,以提高專注力。目前業者在注意力監測的開發上,已設計出幾款玩具,號稱玩家可透過念力(即是腦波)來操控一些物件,例如:使一顆小球飛起或落下,這些玩具除具娛樂性外,也有訓練注意力集中的功能(如下圖4)。

圖4.業者開發出利用「念力」操控小球的遊戲
(圖片來源:引用自NeuroSky,網址:http://www.neurosky.com/zh-Hant/People/Partners.aspx

在其他領域的應用方面,在運動領域,由於運動員的大腦狀態對於他們的表現有重要的影響。透過這個耳機腦波儀可以量化大腦的狀態,有助於訓練運動員找到最適合比賽的大腦狀態。而在娛樂方面,此儀器若與電視作結合,不久的未來可望開發出人只要動腦而不動手,就能與電視作互動的操控裝置。近來,已有業者將耳機腦波儀應用在電影情節與觀賞者之間的互動上,方法就是先拍好幾套不同結局的影片,在電影放映時,根據現場觀眾的「集體念力」,就有可能改變電影的情節和結局,為電影設計增添更多的想像空間。

在商務方面,腦波儀的應用也是相當多元。例如:日本的Toy R Us研發團隊應用腦波儀來測試孩童玩具的可玩性及孩童對玩具的喜好度。此外,也有業者更進一步地透過腦波儀及其他神經科學技術來研究消費者行為,例如:將腦波儀搭配眼動儀一起使用,可捕捉人們觀看影片廣告時的情緒反應,以此可用來判斷他們是否被品牌吸引。應用此法在行銷領域中,對於了解顧客對品牌的喜好及決策,相當有幫助。

而目前較新的新興應用上,有日本的廠商研發了一穿戴式腦波儀與智慧型手機結合的裝置,配合此裝置上手機的鏡頭及紀錄,可記錄受試者在行路及活動時眼所見的各樣事物,並且腦波儀此時會配合紀錄人的情緒狀態,以腦波訊號偵測。此裝置可在使用者觀看特定事物時,掃描大腦的相關訊號,並轉置為0到100之間的數據,予以呈現。當數據到達60以上時,顯示人的情緒被有興趣或喜好的事物激發,該設施便會啟動錄影,並自動將影片存成一個5秒的GIF檔,方便使用者後續檢視,如此便可知道使用者觀看到了那些令他有興趣或喜好的事物或影像,甚至有些是使用者本人原本也沒發覺的部分,可說是讓人們的心思意念都無所遁形。如下圖5。
圖5. 穿戴式腦波儀與智慧型手機做結合
(圖片來源:引用自neurocam,



由上述可知,特別是在教育領域方面,新的腦波儀技術已能便利的應用在學習場域中,在注意力的監測及訓練方法上,提供教師及學習者一項新的選擇。未來,新的腦波量測技術發展若越趨成熟,對於人腦思考狀態與腦波對應關係的了解若更明確,腦波量測應用到教育及生活領域的範圍會更廣泛。若能偵測到大腦的其他運作功能,例如:記憶力等…,對於學習教材的開發可提供更新的發展。在生活方面,以念力控制、操控介面、設備的生活,已離我們不遠。又像是在醫療方面,若能將偵測到病患的腦波轉化為具體指令,便能讓具多重障礙的病人靠著腦波來控制義肢和輪椅。將來若更進一步,科學家有一天更具體的發明出讀腦機,能「駭入」人腦,把偵測到的腦波圖轉換成人想表達的文字或句子,便能讓失去表達能力的病患也能與外界溝通,這項新發明想必能對病友帶來許多助益也勢必會對人類生活產生重大的影響。

作者:周恩存 / 臺大師培中心 教育心理研究助理

延伸閱讀:
  1. 腦機介面趨勢發展分析
  2. Education | 神念科技NeuroSky

沒有留言:

張貼留言