随着现代信息技术、基因组学和脑科学等研究领域的日渐发展，世界范围内正掀起认知计算与教育的跨学科研究。基于脑电的认知计算方法，将课堂注意力监测技术引入课堂，利用信息技术和神经科学技术解决教育进程中的实时评测问题，为促进学与教方式的变革提供了科学依据。

一、基于脑电的认知计算：待开发的教育评估工具

近十几年来，脑科学获得了飞速发展，特别是脑影像（如脑电、功能性磁共振成像、脑磁图等）为研究人脑提供了非侵入式的技术手段以来，脑科学获得的成就超过了人类历史上所有有关研究的总和。这为教育领域带来了巨大的发展机遇。

从总体上讲，目前脑科学研究还处于基础研究阶段。即便如此，一些研究成果已经为教育提供了重要指导，其中比较有影响力的研究工作，是来自美国华盛顿大学儿童早期语言发展的Kurl教授团队采用功能性磁共振成像和脑磁图开展儿童语言学习（包括中文学习和英语学习）的研究。他们通过认知计算手段剖析儿童在语言学习过程中神经活动的时空模式和特征，重点研究不同教材、不同教育方法、不同学习方法等因素与脑影像的相互影响关系。这些研究成果不仅揭示了儿童语言学习过程的神经机制，而且为儿童语言教育的评估提供了基于实证的科学手段。但其研究由于占地空间大、价格昂贵、维护成本高，只能局限在实验室进行，无法推广到真正的一线教学课堂。

人脑中时时刻刻都有许多神经细胞在活动着，不论在做什么事情，这些细胞群体总会不时地产生节律性的电活动，这些由大脑产生的有节律性的电活动，就是“脑电波”。相比功能性磁共振成像和脑磁图，脑电具备良好时间分辨率、价格低廉等优点，因此脑电信号仍然是人们了解神经活动及其机制的重要方法，也是认识人的大脑活动机制、认知过程的重要手段。随着近年可穿戴技术的飞速发展，可穿戴脑电信号采集技术日趋成熟，因此基于可穿戴脑电采集技术的认知计算，成为一种具有美好前景的教学评估方法。该方法通过采集学生学习过程中的脑电信号进行认知计算，对学生的认知状态进行感知、分析、特征提取、识别、分类、跟踪、预测等，借助于信息论、系统论、控制论的方法和技术手段，对学生的行为、认知和情绪状态进行建模分析和量化。

借助基于脑电的认知计算技术，教师可以实时掌握学生的行为、认知状态和情绪变化，对正在进行的教育过程进行感知和研判，这就为教师提供了一种教学形成性评估手段，进而为教师动态调整教学策略提供实证数据，便于教师实时捕捉课堂“可教瞬间”，为创造与学生心理需求同步的教学情境打开了思路，有助于达到提高教学效率和学习效能的目的。

二、课堂注意力实时评估：为教与学的改进提供实证数据

课堂注意力是指学生在参与课堂教学活动中的注意力水平。学生能否在课堂上保持较高的注意力水平，是评价课堂教学效果的重要指标。根据生理规律，学生在上课期间的注意力分配以及维持注意力的时间是有规律可循的，随着教学活动的展开，学生的注意力会动态起伏。如何提高学生的注意力水平，如何持续保持学生的注意力，如何利用好学生注意力集中的最佳状态时间，帮助学生提高学习效率，对教学活动组织者而言，也是必须关注和重视的。

根据周期长短或者频率高低，脑电通常可分为四个节律：δ节律(0.5～4Hz) 、θ节律(4～8Hz) 、α节律(8～12Hz)和β节律(12～30Hz)。根据国内外相关研究表明：与正常人相比，注意力缺陷障碍患者的β/θ比值明显低于正常人，且该特征在额叶和枕叶等脑区的体现尤其明显。基于此，笔者课题组设计了头戴式无线脑电传感器，实时获得学生的脑电节律，采用β/θ比值作为学生注意力水平的评定参数——注意力指数（Attention Index），并将参数进行了量化，量化之后的范围是0～100。经过笔者课题组大量的实测表明：若学生的注意力指数持续低于20，则表明学生注意力不集中；若该指数在20～40，则表明学生注意力水平较低；该指数在40～60，则表明学生注意力水平适度；该指数在60～80，则表明学生注意力水平很高；该指数大于80，则表明学生注意力水平非常高。

为了便于教学应用，我们设计了一套课堂注意力监测系统，该系统由头戴式无线脑电传感器、无线网关、教师手持移动终端组成。在实际教学应用中，让每个学生佩戴头戴式无线脑电传感器以实时监测每个学生的注意力指数，并将注意力指数通过无线发送模块发给无线网关；借助物联网技术，无线网关汇集全班所有学生的注意力指数后通过无线传输技术发给教师手持移动终端；教师手持移动终端实时显示出全班学生的注意力指数平均值以及主要分布。为了方便教师使用，我们在教师手持移动终端上设计了注意力监控软件界面，让界面中学生的位置与真实教室的学生座位布局一致，以方便教师对每个学生进行监控。

借助课堂注意力监测系统，教师可以实时掌握每个学生的注意力水平、学生注意力指数平均值以及主要分布，有利于教学效率的提高。学生在课堂上注意力起伏波动或者分心时，教师可实时得知并及时提醒，由此提高学生参与学习的投入程度；学生在课堂上注意力高度集中时，教师可抓住“关键时刻”，有意识地讲授关键知识，将“可教瞬间”转换为学生的“可学瞬间”，提升教学效果。此外，教师通过对记录的认知计算数据进行分析，可以了解教学计划的实施成效。例如：某一时刻，教师手持移动终端系统界面显示，全班学生注意力实时均值为48，注意力指数在0～20的占7%、20～40的占14%、40～60的占43%、60～80的占28%、80～100的占8%，教师据此判断课堂中大部分学生注意力相对集中，都在认真听讲，可以按教学计划开展教学，否则可能需对教学计划做出一定的调整。

注意力监测系统实际上为教育提供了一种形成性评测手段。此外，该系统的存储功能也可以在课堂教学结束后为教师和研究者提供教学实证数据。例如：教师可将学生注意力普遍集中或者高度集中占大多数的教学环节，与注意力普遍低下的教学环节进行对比分析，进而发现究竟怎样的教学活动能够吸引学生兴趣。对于能吸引学生注意力的教学手段和教学方法，应多加利用；对于学生注意力低下的教学环节，可以及时进行调整，尝试新的教学方法或刺激材料。

将课堂注意力监测技术引入课堂，建立了一种新的教学生态模式，可以有效促进师生之间、生生之间的互动与反馈，为教学改革成效提供可视化展现，同时也为进一步开展教学改革研究提供了实证性科学依据。