学习科学研究所

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项目名称

1.建设定位

深圳职业技术学院学习科学研究所旨在研究学习者是怎样学习的，如何促进有效学习。建设初期重点研究深圳市大学生以及中小学生学习者学习过程中的认知规律、情绪状态、行为特征以及学习效果，为教学活动设计、教学资源开发、教学环境创设提供决策依据。本研究所结合教育学、认知神经科学、脑科学、教育大数据等多个领域的学科，面向深圳市大学生、中小学生，基于在线学习、课堂学习、新技术新环境支持下的教育场景，开展深度科研合作，探索认知和学习规律，设计有助于学习效率的学习活动、学习资源、学习环境，促进有效教学，推动教学创新，推进创新人才的培养。

2.建设目标

（1）结合认知神经视角，丰富不同环境下学习行为分析技术和学习效果评价方法

本研究拟在问卷调查分析基础上，结合眼动追踪技术、生理信号测量技术采集在线课程学习、直播课程学习、课堂学习、AR/VR教室等不同环境下学习者的眼动信号、生理信号、行为状态和学习效果，通过眼动轨迹熵分析和脑功能网络分析，获取学习者视觉注视规律、精神疲劳状态、学习兴趣等过程性数据，为学习过程的过程性评价提供客观数据，丰富不同环境下学习行为分析技术和学习效果评价方法，是对以主观感受调查和客观测验评价为主的评价方法的有益补充。

（2）了解不同环境下学习行为规律，构建学习行为和效果影响因素模型

通过德尔菲法征询专家意见、问卷调查法、结构方程模型法、眼动追踪技术、生理信号测量技术等方法，总结在线课程学习、直播课程学习、课堂学习、AR/VR环境下的学习过程中的学习行为规律以及学习行为和效果的影响因素，构建不同环境下学习体验影响因素模型，为优化教学活动设计、教学资源开发、教学环境创设等提供参考，为提升学习体验、促进学习效果提供依据。

（3）基于学习行为和效果影响因素，总结有效教学策略

通过分析学习者面向不同的学习环境、学习情境、教学活动、课程资源时的学习行为规律和学习效果影响因素，从教学环境、教学情境、教学活动、教学资源等方面总结有助于提升学习效率、促进有效教学的策略。

（4）面向深圳市高校和中小学，促进学习科学技术和有效教学方案的应用推广

面向深圳市大学生和中小学生，结合学习行为认知神经机制和教学环境、情境、活动、资源等设计策略，开展教学创新与实践，促进学习科学技术和有效教学方案的应用示范与推广。

3.研究方向

（1）学习行为认知神经机制研究

基于眼动仪和眼动轨迹熵分析技术分析多种学习情境下的学习者视觉活动规律和认知负荷变化，基于多导仪和脑功能网络分析技术分析不同情境下学习者的精神疲劳、学习兴趣等状态的变化，结合主观态度调查和结构方程模型法，了解学习行为发生的认知神经机制以及学习效果影响因素。初期拟采集分析学习者在交互、任务、卷入等不同的教学活动情境下，学习视频拍摄方式、视频呈现方式、教师形象、教学课件设计风格等不同的教学资源设计时的眼动、生理信号，了解教学活动和教学视频的设计对学习者视觉注视规律、认知过程、精神疲劳状态、学习兴趣以及学习效果等方面的影响，了解在线学习行为和课堂学习行为的认知神经过程。

（2）基于学习科学视角的教学评价研究

基于学习科学视角，分析课堂教学、在线课程教学、直播课程教学等不同教学形式下的师生教学行为、师生互动行为、教学事件、师生技术接受度、学习状态、学习动机、学习效能感、学习投入、学习临场感、学习效果等，为过程性教学评价和总结性教学评价提供分析框架和评估模型。

（3）基于新技术的学习体验研究

拟借助人工智能、教育大数据等新技术，分析学习者在AR/VR、仿真系统、玩教具、游戏等新型学习环境中的认知习得、行为特征、情绪情感状态等，了解学习者在不同环境下的学习体验，为更有针对性的提升新环境下的学习体验和学习效果提供决策依据。

4.研究内容

（1）基于眼动数据分析不同情境下学习者视觉活动规律

基于眼动仪和眼动轨迹熵分析技术分析学习者在交互、任务、卷入等不同的教学活动情境下，学习视频拍摄方式、视频呈现方式、教师形象、教学课件设计风格等不同的教学资源设计时的眼动信号，了解教学活动和教学视频的设计对学习者视觉注视规律、认知过程以及学习效果的影响，了解在线学习行为和课堂学习行为的认知神经过程。

以交互对直播教学的影响研究为例，基于交互对直播课程体验主观感受的影响路径，设计直播课程教学过程和交互活动，在教师、教学内容相同的基础上，设计出没有交互的直播教学方案，以及包含师生交互、生生交互等不同交互方式的直播教学方案。利用眼动仪采集被试学习不同直播课程时的注视数据，基于随机游走模型的注视中心提取算法，以降低漂移、震颤、无意识眼跳等注视点噪声的干扰，提取更加稳定和准确的注视中心；根据真实熵定义，提出眼动轨迹熵度量学习者在学习过程中注视中心移动的规律性。基于熵的概率密度分布分析学习者参与不同交互情境下的直播课程学习过程中视觉活动特征规律，了解交互对直播课程学习过程视觉活动规律的影响。

研究过程如下图所示：

（2）基于生理信号分析不同情境下学习者精神疲劳和学习兴趣

基于多导仪和脑功能网络分析技术分析学习者在交互、任务、卷入等不同的教学活动情境下，学习视频拍摄方式、视频呈现方式、教师形象、教学课件设计风格等不同的教学资源设计时的精神疲劳、学习兴趣等状态的变化，了解教学活动和教学视频的设计对学习者疲劳状态、学习动机以及学习效果的影响，了解在线学习行为和课堂学习行为的认知神经过程和影响机制。

以交互对直播教学的影响研究为例，利用近红外光谱仪和多导仪采集不同交互情境下学习者的血氧饱和度。基于多重假设检验的网络重构方法，将20个通道中的fNIRS-HbO2时间序列数据重构成动态脑功能网络；采用动态脑功能网络特征参数（如模块度、灵活性、平稳性）研究直播课程学习过程中学习者的精神疲劳状态和学习兴趣，分析交互对精神疲劳状态和学习兴趣的影响，结合被试在不同交互情境下学完直播课程后的学习效果测验，分析学习者精神疲劳状态、学习兴趣与认知效果之间的相关性。

研究过程如下图所示。

（3）基于多源异构数据的新环境下的学习体验研究

基于主观态度调查、眼动追踪技术、生理信号测量技术，借助人工智能、教育大数据等新技术，分析学习者在AR/VR、仿真系统、玩教具、游戏等新型学习环境中的认知习得、行为特征、情绪情感状态等，了解学习者在不同环境下的学习体验，为更有针对性的提升新环境下的学习体验和学习效果提供决策依据。

5.实现路径

本研究所拟基于已有实验环境，首先面向本校大学生，在直播课程教学、课堂教学、在线课程学习、AR/VR教室等环境下开展学习体验影响机制研究；然后面向深圳市中小学生、自闭症患者等群体开展更深入的学习行为认知神经机制分析；总结实验结论与发现后为优化学习体验、促进有效教学提供参考，并依托深圳市其他高校和中小学开展推广示范应用。

以交互活动对直播课程教学的影响机制为例，研究思路如下图所示。

首先，基于问卷调查数据分析交互对直播课程学习体验主观感受的影响。通过专家意见征询、学习者需求调研，了解直播课程学习体验影响因素。基于已有相关问卷调整后施测统计，完善调查问卷后再次开展正式的问卷调查。利用结构方程模型分析，总结直播课程学习体验影响因素，分析交互对直播课程学习体验主观感受的影响路径。然后，基于眼动数据分析交互对直播课程学习过程视觉活动规律的影响。基于交互对直播课程体验主观感受的影响路径，设计直播课程教学过程和不同情境下的交互活动，利用眼动仪采集被试学习不同直播课程时的注视数据，通过对眼动轨迹熵的分析了解交互对直播课程学习过程视觉活动规律的影响。同时，基于近红外设备采集的生理信号数据，采用脑功能网络分析交互对学习过程精神疲劳状态和学习兴趣的影响机制。最后，基于问卷调查数据、眼动数据、脑功能网络分析结果以及认知测验数据，协同分析、多角度论证交互对直播课程学习体验的影响机制。

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