慕课环境下基于PPG的学习注意力识别方法研究与系统实现

【摘要】：慕课打破了传统的线下教学对于学校和教学者的硬性要求,让更多的学习者可以获得丰富优质的网络学习资源,已成为信息时代重要的学习方式之一。然而,有别于传统课堂教学中教师可以面对面地了解学生的学习注意力情况,慕课教学的异步特性导致了反馈延迟和缺少个性化指导等不足。如何有效识别慕课学习过程中的学习注意力以便及时调整教学内容,提供适应性反馈,从而提高学生的学习效果则成为影响慕课参与度的重要因素。随着传感技术的成熟,注意力的采集也在逐渐突破技术的限制,基于可穿戴设备获取的生理数据可以量化和了解学习者的学习状态,为慕课环境下的注意力识别提供了有效手段。本文在充分调研国内外学习注意力识别研究的基础上,对慕课环境下注意力的无侵入性识别与可视化分析进行了深入研究,研究构建了基于PPG的学习注意力识别模型与方法,设计开发了识别系统并进行了测试验证,主要研究成果如下:首先,本文提出了基于光电容积脉搏波的学习注意力识别方法。通过搭建无侵入式感知环境,设置合理的学习任务,选择穿戴式传感设备有效获取了被试者在慕课环境下学习时的PPG数据与学习注意力信息。采用滑动窗口与重叠窗口的方法对数据进行预处理,提取时域、频域以及非线性特征构建特征矩阵,利用随机森林算法构建识别模型,使用网格搜索的方法确定了分类器的超参数。通过实证试验验证了模型识别学习注意力的能力,实现了以便携式无侵入的方式进行慕课环境下学习注意力的有效识别。其次,本文构建了慕课环境下注意力识别的系统架构。采用问卷调查的形式,调查慕课的实际使用群体对于慕课中引入学习注意力指标的真实需求、意见与建议。结合问卷调查的结果与当前现状,以教学者与学习者的视角,分析了系统功能需求与非功能需求。基于符合个体认知规律的注意力水平展现方法,兼顾数据隐私与适用性,设计了慕课环境下注意力状态的有效呈现形式以及将学习注意力指标与慕课课程本身有效结合并加以分析的反馈形式。最后,综合学习注意力识别模型与系统设计,完成了多终端适配的包含学习注意力功能的慕课系统的开发与功能、性能测试,并进行了用户体验、功能设计、隐私保护、系统成本、系统技术、界面设计六个维度的对比评价。