TWI817602B - 閱讀材料適用性之分析方法、系統及其電腦可讀媒介 - Google Patents
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Abstract
本發明之閱讀材料適用性之分析方法及其系統，係提供複數閱讀材料供學習者觀看，並同時擷取學習者之腦波訊號和行為反應，其中，該複數閱讀材料的呈現次序和時間係與腦波訊號對應，該複數閱讀材料經事件分段、帶通濾波及段落篩選，以從中取得事件相關電位的第一數值和第二數值，而第一數值和第二數值將用於與預設之標準材料閥值進行比較，藉以確認該複數閱讀材料之適用性，另外，本發明透過不同類型的刺激材料進行訓練，故得到的判斷準則將能有效快速判斷並且具備高精確性。本發明復提供一種電腦可讀媒介，係用於執行本發明之分析方法。
Description
本發明係關於一種由腦波判斷材料適用性之技術，尤指一種閱讀材料適用性之分析系統、方法及其電腦可讀媒介。
一般而言，認知負荷(cognitive load)顯著影響學習效果，其中，認知負荷可包括內在的(intrinsic)、外在的(extraneous)以及密切相關的(germane)等三種類型，且對於指導教師為學生準備有效的教學設計來說，是非常重要。
在教育領域，教學環境設計與學習者學習效果之間的關係一直是一個至關重要的問題。具體而言，人們的長期記憶和工作記憶通過有限的容量相互聯繫，工作記憶的主要功能是處理經由注意和識別所獲得的新信息並將其移動到長時記憶中，其目的是為新信息添加意義並將其組織及儲存，以供後續使用。另外，學習者在學習活動中對於認知資源的安排，教學形式往往是導致認知超負荷的主要外因，可能對教學效果產生負面影響，易言之，如果我們減少認知負荷的外部來源的大小，將可創造更多的
學習空間，從而導致更好的學習效果。根據認知負荷理論，有專家指出內在的認知負荷主要根據教材的難易程度和教材內容的相關性等性質而發展，而外在的認知負荷主要是從教材的呈現方式發展而來的，外在的認知負荷對學習沒有幫助，主要是由於教材和教學活動設計不當造成的，可能會增加對工作記憶的需求，對學習者的學習效果產生負面影響，而密切相關的認知負荷，也與教學設計和教材呈現相關，因為可鼓勵學習者利用空閒的工作記憶區域來進行圖式的深度構建和自動化。
由上可知，適當教材編排可得到良好的學習效果，關於教材之適用性則可透過學習者反應來推得。因此，若能找出一種學習者反應與教材之間的關聯性，特別是，依據學習者之反應來推得材料適用性，將有助於判別教材是否為合適的教材，此將成目前技術人員亟欲追求之目標。
有鑑於上述問題，本發明提出一種閱讀材料適用性之分析方法，係包括：令第一電子設備顯示複數閱讀材料，以依據該複數閱讀材料之呈現次序與呈現時間產生對應之呈現同步訊號；令學習者觀看該複數閱讀材料，以由一腦波放大器收集包含該學習者觀看該複數閱讀材料時之腦波訊號的腦波資料；令第二電子設備接收來自該第一電子設備有關該複數閱讀材料之呈現同步訊號及來自該腦波放大器之腦波資料，以依據該複數閱讀材料之呈現同步訊號與該腦波訊號之對應關係，由該腦波訊號中取得事件相關電位；以及令該第二電子設備內將該事件相關電位與預設之標準材料閥值作比較，進而判斷該複數閱讀材料之適用性。
於上述方法中，該第一電子設備係透過平行埠或序列埠將該呈現同步訊號傳送至該腦波放大器，以供該腦波放大器將該呈現同步訊號標註於該腦波資料中。
於上述方法中，該第二電子設備係取各該複數閱讀材料呈現後的第一時段的負電壓波動或是該時段之最高波峰作為該事件相關電位之第一數值，以及取各該複數閱讀材料呈現後的第二時段的正電壓波動作或是該時段之最高波峰為該事件相關電位之第二數值，以與該標準材料閥值進行比較，俾判定該複數閱讀材料是否為合適教材。
於前述方法中，該第二電子設備於取得該事件相關電位之前，係將該腦波訊號進行帶通濾波，以去除低頻訊號趨勢與高頻雜訊。
於前述方法中，該複數閱讀材料係包含被加數、加數及加數總和，而該學習者於觀看該複數閱讀材料後決定該加數總和之對錯，據以產生該腦波訊號。
於前述方法中，該第二電子設備於取得該事件相關電位之前，係先將該被加數、該加數及該加數總和之三類事件進行分段，以擷取該複數閱讀材料每一個分段呈現前的100毫秒至呈現後的1000毫秒作為該腦波訊號，其中，該複數閱讀材料呈現前的100毫秒至該複數閱讀材料出現之間的該腦波訊號係作為參考基準值。
本發明另提出一種電腦可讀媒介，應用於計算裝置或電腦中，係儲存有指令，以執行前述之閱讀材料適用性之分析方法。
本發明復提出一種閱讀材料適用性之分析系統，係包括：第一電子設備，係用以顯示複數閱讀材料，以依據該複數閱讀材料之呈現次
序與呈現時間產生對應之呈現同步訊號；腦波放大器，係用以於學習者觀看該複數閱讀材料時，收集包含該學習者觀看該複數閱讀材料時之腦波訊號的腦波資料；以及第二電子設備，係用以接收來自該第一電子設備有關該複數閱讀材料之呈現同步訊號及來自該腦波放大器之腦波資料，以依據該複數閱讀材料之呈現同步訊號與該腦波訊號之對應關係，由該腦波訊號中取得事件相關電位，該第二電子設備將該事件相關電位與預設之標準材料閥值作比較，進而判斷該複數閱讀材料之適用性。
於上述系統中，該第一電子設備係透過平行埠或序列埠將該呈現同步訊號傳送至該腦波放大器，以供該腦波放大器將該呈現同步訊號標註於該腦波資料中。
於上述系統中，該第二電子設備係取各該複數閱讀材料呈現後的第一時段的負電壓波動或是該時段之最高波峰作為該事件相關電位之第一數值，以及取各該複數閱讀材料呈現後的第二時段的正電壓波動作或是該時段之最高波峰為該事件相關電位之第二數值，以與該標準材料閥值進行比較，俾判定該複數閱讀材料是否為合適教材。
於前述系統中，該第二電子設備於取得該事件相關電位之前，係將該腦波訊號進行帶通濾波，以去除低頻訊號趨勢與高頻雜訊。
於前述系統中，該複數閱讀材料係包含被加數、加數及加數總和，而該學習者於觀看該複數閱讀材料後決定該加數總和之對錯，據以產生該腦波訊號。
於前述系統中，該第二電子設備於取得該事件相關電位之前，係先將該被加數、該加數及該加數總和之三類事件進行分段，以擷取該複
數閱讀材料每一個分段呈現前的100毫秒至呈現後的1000毫秒作為該腦波訊號，其中，該複數閱讀材料呈現前的100毫秒至該複數閱讀材料出現之間的該腦波訊號係作為參考基準值。
綜上所述，本發明之閱讀材料適用性之分析方法、系統及其電腦可讀媒介，係透過複數閱讀材料的持續呈現，由學習者進行該複數閱讀材料之回覆，同時擷取該學習者觀看該複數閱讀材料時的腦波資料，進而分析該複數閱讀材料是否為合適的教學材料。具體來說，複數閱讀材料可為一計算式，透過被加數、加數以及加數總和的依序呈現來讓學習者決定加數總和是否正確，此時擷取各該複數閱讀材料呈現後不同區間的腦波訊號作為事件相關電位之N1值及P2值，之後再與預設之標準材料閥值作比對，藉以判定該複數閱讀材料是否為合適教材。據此，本發明透過學習者腦波資料來推算教學材料之合適性，藉由學習者的直接反應作判斷依據，使評判標準回歸到學習者實際學習之反應，將使判斷準確性更為貼切實際且客觀。
1:閱讀材料適用性之分析系統
11:第一電子設備
12:腦波放大器
13:第二電子設備
S101~S104:步驟
圖1係本發明之閱讀材料適用性之分析方法的步驟圖。
圖2係本發明之閱讀材料適用性之分析系統的系統架構圖。
圖3係本發明之閱讀材料呈現過程的示意圖。
圖4係本發明標準材料閥值如何產生的流程圖。
圖5係本發明用於產生標準材料閥值之訓練教材的示意圖。
以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點與功效。然本發明亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
圖1為本發明之閱讀材料適用性之分析方法的步驟圖。本發明目的係判斷閱讀材料之適用性，簡言之，教學材料會影響學習者的學習成效，一般來說，由教學者提供教學材料以供學習者閱讀，惟該些教學材料是教學者依據自身經驗或一般準則來準備，教學材料是否是合適的教學材料並無法在學習前就知悉，通常需待學習者完成瀏覽後才能進一步判斷教學材料之適用性，此對於學習成效上顯缺乏立即效益，故判斷教學材料是否適用，變得相當重要，故本案即為一種判斷閱讀材料之適用性的分析方法。
如圖1所示，於步驟S101，令第一電子設備顯示複數閱讀材料，以依據該複數閱讀材料之呈現次序與呈現時間產生對應之呈現同步訊號。本步驟係透過第一電子設備顯示複數閱讀材料，目的是用提供學習者觀看，並由其他設備同步擷取學習者觀看該複數閱讀材料的學習狀態，故在播放該複數閱讀材料的同時，該第一電子設備同時會依據該複數閱讀材料之呈現次序與呈現時間產生對應的訊號，此訊號稱為呈現同步訊號，用於表示複數閱讀材料依序呈現時的次序及時間，後續方能與學習者觀看複數閱讀材料時的反應作對應。
具體實施時，第一電子設備可為具有資料處理與運算能力之處理單元、處理器、電腦或伺服器，內部具有用於呈現影像和資料處理之相關應用程式，並且接受外部輸入指令或資料以進行複數閱讀材料。
於步驟S102，令學習者觀看該複數閱讀材料，以由一腦波放大器收集包含該學習者觀看該複數閱讀材料時之腦波訊號的腦波資料。本步驟係說明學習者觀看第一電子設備所播放之複數閱讀材料時，會由腦波放大器收集包含該學習者觀看複數閱讀材料時腦波資料，具體來說，學習者觀看複數閱讀材料時會受到複數閱讀材料呈現內容而有腦波變化，此時透過腦波放大器來收集腦波訊號，據此取得學習者觀看複數閱讀材料時之腦波訊號。
具體實施時，腦波放大器用於能將量測到之腦波放大並轉換成電腦可接收的數位訊號，而學習者可穿戴一腦波感測裝置，例如電極帽，其電極係在額葉的FZ電極位置進行訊號收集，並將訊號傳送至腦波放大器進行放大和轉換之處理。
於一實施例中，該第一電子設備係透過平行埠(Parallel Port)或序列埠(Serial Port)將該呈現同步訊號傳送至該腦波放大器，以供該腦波放大器將該呈現同步訊號標註於該腦波資料中。簡言之，為了讓複數閱讀材料呈現時的次序及時間與腦波訊號可對應上，第一電子設備在播放複數閱讀材料時會同步產生呈現同步訊號，目的就是要讓複數閱讀材料的刺激情況能與學習者反映兩者標定在一起，此呈現同步訊號會透過平行埠或序列埠傳送至腦波放大器，使得腦波放大器能將該呈現同步訊號與腦波訊號等腦波資料一併送至後端設備進行分析處理。
於步驟S103，令第二電子設備接收來自該第一電子設備有關該複數閱讀材料之呈現同步訊號及來自該腦波放大器之腦波資料，以依據該複數閱讀材料之呈現同步訊號與該腦波訊號之對應關係，由該腦波訊號中取得事件相關電位。本步驟係由第二電子設備來接收自第一電子設備有關複數閱讀材料之呈現同步訊號及來自腦波放大器之腦波資料，又或是複數閱讀材料之呈現同步訊號可先被送至腦波放大器，第二電子設備接收來自腦波放大器所傳送之呈現同步訊號和腦波資料，此時第二電子設備根據呈現同步訊號與腦波訊號之對應關係，以由該腦波訊號中取得事件相關電位，具體來說，因為由呈現同步訊號可得到複數閱讀材料之呈現次序與時間，加上腦波放大器所接收到之腦波訊號，兩者對應後即可得到某一個閱讀材料呈現時，當下對應的腦波訊號為何，進而由腦波訊號中得到每一個閱讀材料呈現時當下的腦波訊號，亦即，根據每一個閱讀材料呈現情況，可視為一個事件，在由對應腦波訊號中取得該事件所需電位資料，即為前述之事件相關電位。
於一實施例中，該複數閱讀材料係包含被加數、加數及加數總和，而學習者於觀看該複數閱讀材料後決定該加數總和之對錯，據以產生該腦波訊號。簡言之，複數閱讀材料可為一計算式，包括「被加數」加上「加數」等於「加數總和」，第一電子設備依據呈現相關資料，每呈現一個資料可視為一個事件，故上述範例即包含三個事件，學習者會針對「加數總和」的結果給予回饋，即選擇此計算式結果是否正確，如此即可知悉此複數閱讀材料對於學習者的學習情況影響，也就是根據學習者的回饋結果以及對應腦波訊號，進而作為閱讀材料影響學習成效的依據，例如複雜
的計算是可能導致學習者反應較慢，此細微差異即可用於閱讀材料之適用性的分析。
於一實施例中，第二電子設備於取得該事件相關電位之前，先將該腦波訊號進行帶通濾波，將低頻訊號趨勢與高頻雜訊剃除或去除。具體來說，第二電子設備取得FZ電極的腦波原始資料後會進行分析，先將原始腦波進行帶通濾波(band-pass filter)作業，即將低於1赫兹(Hz)以下低頻訊號趨勢，以及高於50赫兹以上的高頻雜訊剃除或去除，僅保留1-50赫兹的訊號。
於另一實施例中，第二電子設備於取得事件相關電位之前，係先將複數閱讀材料呈現的情況進行分段，以前述被加數、加數及加數總和之例子來說，可分別依據「被加數」、「加數」及「加數總和」三類事件進行分段(Epoch)，以擷取該複數閱讀材料每一個分段呈現前的100毫秒至呈現後的1000毫秒作為該腦波訊號，也就是每一個事件(各閱讀資料呈現)發生前100毫秒到發生後1000毫秒的區間會被截取為腦波訊號，亦即，當刺激出現(閱讀資料呈現時)的時間點為0點，擷取閱讀資料出現前100毫秒到事件結束後1000毫秒間總共1100毫秒長度的腦波訊號(-100毫秒至1000毫秒)，以成為該事件的腦波訊號，並且將歸屬同一事件類別的訊號進行分類。關於同一事件類別的訊號進行分類，因為被加數屬於第一個出現的數字，難度上僅需要進行短期記憶的保存，而加數階段則需要把之前的被加數當下與看到的家數進行心算作業，處理難度跟複雜性有所不同，同理，可推導加數總和的認知歷程亦不相同於其他類別的事件，故須將同一事件類別進行分類，以利後續分析運算。
再者，該複數閱讀材料呈現前的100毫秒至該複數閱讀材料出現之間的該腦波訊號係作為參考基準值，亦即，為了以不包含刺激出現狀態的腦波作為基準校正參考，因而會擷取每一段落事件前100毫秒至0秒(閱讀材料呈現當下)，以做為校正不同段落間基準差異的標準。具體來說，此動作在事件相關電位通稱為基線校正(Baseline Correction)，本發明將閱讀材料呈現發生前-100毫秒到0毫秒的電位平均，計算基線週期中各點的平均值(屬於線性運算)，然後從後閱讀材料呈現開始後0毫秒到1000毫秒的波形中的每一個點減去這個平均值(也是屬於線性運算)，如此可校正在整個腦電波儀(EEG)收集過程中，不同時間點過程中(例如第1個試驗(trial)跟第20個試驗可能相差達五分鐘以上)，令受試者(即學習者)的整體腦波電位基準略有差異，但本發明透過基線校正，藉此把每一個事件相關電位都透過事件前的平均電位進行修正。
另外，第二電子設備還會執行段落篩選，針對每一事件段落內檢查是否有超過或是低於±100微伏(μV)的電位波動，若有，則剃除或去除該帶有劇烈雜訊干擾之事件分段，僅保留品質良好之腦電訊號，並將所有良好之時間段並排平均，最後得到一個經過多個同類事件平均之事件相關電位腦波，於此所述的並排平均，即是分類或篩選取樣出同一類別的事件刺激，利用疊加同一類別的事件，則得到的平均事件相關電位成分資料將越合理，因為，已排除了跟事件無關之生理雜訊或是電磁干擾雜訊，舉例來說，若是有35個試驗(trials)，則將針對-100毫秒到1000毫秒的電位點進行平均，如此，所有35個事件的-100毫秒之時間點的電位值平均、-99毫秒之時間點的電位點平均、-98毫秒之時間點時間點的電位值平均，以此類
推，直至1000毫秒之時間點的電位平均，最終，將得到單一個體在同一類別事件中的事件相關電位平均圖形。以前述範圍來說，即得到一個1100毫秒且經過多數事件(例如35次)平均之事件相關電位腦波(範圍為-100毫秒到1000毫秒)。
於步驟S104，令該第二電子設備內將該事件相關電位與預設之標準材料閥值作比較，進而判斷該複數閱讀材料之適用性。本步驟即是將事件相關電位與預設的標準材料閥值進行比對，藉以判斷複數閱讀材料之適用性。具體來說，複數閱讀材料之適用性的判斷，可透過預先建立一分析模型來進行，其中，該分析模型可透過事前利用許多閱讀材料進行測試與訓練，藉以取得用於標準材料閥值，舉例來說，透過不同類型閱讀材料讓學習者閱讀，同時擷取學習者的腦波訊號，後續依據學習者之反應狀態推得那些腦波訊號為閱讀材料為適合學習者閱讀，藉此以該些腦波訊號之電位值作為判斷用之標準材料閥值，故本步驟即是依據學習者的腦波訊號來判斷第一電子設備所呈現之閱讀材料之適用性。於具體實施時，第二電子設備可為具有資料處理與運算能力之處理單元、處理器、電腦或伺服器，內部具有用於資料處理以及顯示分析結果之相關應用程式，能長時間處理解析度與校正問題。
關於前述判斷標準，於一實施例中，第二電子設備係取各複數閱讀材料呈現後的第一時段(如第100-150毫秒)的負電壓波動或是該時段之最高波峰作為事件相關電位之第一數值(如N1值)，以及取各複數閱讀材料呈現後的第二時段(如第200-300毫秒)的正電壓波動作或是該時段之最高波峰為該事件相關電位之第二數值(如P2值)，以與預設之標準材料閥
值作比較，並且於N1值大於第一標準值且P2值小於第二標準值時，判定該複數閱讀材料為合適教材，以及於N1值小於第一標準值且P2值大於第二標準值時，判定該複數閱讀材料為不合適教材。在一實施例中，事件相關電位(Event-Related Potential，ERP)主要成分包括P1、N1、P2、N2、P3等成分，本發明取N1和P2兩個區段的腦波進行判斷，其中，N1係指各複數閱讀材料呈現後的第100-150毫秒的負電壓波動或是該時段之最高波峰，P2係指各複數閱讀材料呈現後的第200-300毫秒的正電壓波動作或是該時段之最高波峰，本發明係取每一個事件分段的平均電位差作為N1值和P2值。
在一實施例中，根據事前事件分析，當閱讀材料是適合學習者時，學習者呈現反應時間快、正確率高的結果，此時事件相關電位部分會出現N1值大和P2值小的情況，反之，當閱讀材料不適合學習者時，學習者呈現反應時間慢、正確率低的結果，此時事件相關電位部分會出現N1值小和P2值大的情況。透過上述結果，本發明可據以定義出合適的標準材料閥值，亦可稱之為標準的N1值和P2值，後續要判斷閱讀材料之適用性時，當學習者觀看閱讀材料後取得對應腦波資料，再從中取得N1值和P2值，並與預設之標準材料閥值的N1值和P2值比對，進而判斷標準材料是否適合學習者，即於N1值大於標準材料閥值的N1值且P2值小於標準材料閥值的P2值時，判定該複數閱讀材料為合適教材，反之，於N1值小於標準材料閥值的N1值且P2值大於標準材料閥值的P2值時，判定該複數閱讀材料為不合適教材。另外，如非出現N1值小P2值大或是N1值大P2值的情況時，則無法判斷閱讀材料之適用性，僅能透過再次觀看來進行判定。
綜上，本發明透過第一電子設備提供閱讀刺激之呈現，也就是將閱讀材料以任何方式提供給學習者時，同時記錄閱讀材料的呈現次序及呈現時間，此將會用於對應學習者的學習反應，而學習者的反應可利用腦波放大器來接收腦波訊號，其中，第一電子設備可透過平行埠送出呈現同步訊號到腦波放大器，最後，由腦波放大器將腦波資料以及呈現同步訊號送至第二電子設備進行分析判斷，最後將腦波訊號依據事件進行分類以及平均等計算，最後與預設標準材料閥值比對，進而決定閱讀材料之適用性。
此外，本發明還揭示一種電腦可讀媒介，係應用於具有處理器(例如，CPU、GPU等)及/或記憶體的計算裝置或電腦中，且儲存有指令，並可利用此計算裝置或電腦透過處理器及/或記憶體執行此電腦可讀媒介，以於執行此電腦可讀媒介時執行上述之方法及各步驟。
圖2為本發明之閱讀材料適用性之分析系統的系統架構圖。如圖所示，本發明之閱讀材料適用性之分析系統1係包括第一電子設備11、腦波放大器12以及第二電子設備13，其中，第一電子設備11、腦波放大器12、第二電子設備13係彼此電性連接。
第一電子設備11用以顯示複數閱讀材料，以依據該複數閱讀材料之呈現次序與呈現時間產生對應之呈現同步訊號。簡言之，第一電子設備會顯示複數閱讀材料以供學習者觀看，此時，第一電子設備11同時會依據複數閱讀材料之呈現次序與呈現時間產生對應的訊號，即能對應複數閱讀材料依序呈現時的次序及時間的呈現同步訊號，以供後續與學習者觀看複數閱讀材料時的反應作對應。
腦波放大器12用以於學習者觀看該複數閱讀材料時，收集包含該學習者觀看該複數閱讀材料時之腦波訊號的腦波資料。具體來說，學習者觀看第一電子設備11所播放之複數閱讀材料時，將由腦波放大器12收集包含該學習者觀看複數閱讀材料時腦波資料，學習者可穿戴一腦波感測裝置，其電極在額葉的FZ電極位置進行訊號收集，之後傳送至腦波放大器，而腦波放大器能將量測到之腦波放大並轉換成電腦可接收的數位訊號。
於具體實施時，第一電子設備11可透過平行埠或序列埠將呈現同步訊號傳送至腦波放大器12，以供該腦波放大器將該呈現同步訊號標註於該腦波資料中，之後，腦波放大器12將該呈現同步訊號與腦波訊號等腦波資料一併送至第二電子設備13進行分析處理。
第二電子設備13用以接收來自該第一電子設備11有關該複數閱讀材料之呈現同步訊號及來自該腦波放大器12之腦波資料，以依據該複數閱讀材料之呈現同步訊號與該腦波訊號之對應關係，由該腦波訊號中取得事件相關電位，該第二電子設備13將該事件相關電位與預設之標準材料閥值作比較，進而判斷該複數閱讀材料之適用性。
下面以具體實施例說明，複數閱讀材料可包含被加數、加數及加數總和，而學習者於觀看該複數閱讀材料後決定該加數總和之對錯，並產生該腦波訊號，如圖3所示，為一個加法計算數，在各閱讀材料呈現上，畫面上每次只出現一個訊息(例如數字、符號等)，被加數呈現前會有500毫秒的凝視點時間，接著，被加數出現1000毫秒，加號出現1000毫秒，加數出現1000毫秒，等號出現1000毫秒，以及加數總和最後出現，
此時等待學習者針對加數總和之反應(即回答對錯)並記錄，最後再顯示空白500毫秒，以等待下一次筆閱讀材料顯示。另外，閱讀材料的呈現時間可因學習者的族群或是實驗需求加以增減，若刺激呈現時間越短，則學習過程需要的專注力要求則越高。
以圖3所示為例，學習者依序看到42+3=48(畫面每一次只出現一個數字)，當48出現的時候，學習者需要判斷前面的運算過程42+3應該是等於45，那這時候畫面出現的答案是48，因45≠48，在這種情況下，學習者要按下錯誤的反應按鍵，若答案出現是42+3=45，則按下正確的反應按鍵，這些按鍵反應將會同步送達到腦波資料中，以標定在該次學習過程中，如此可標定學習者是否在當下有認真投入在執行運算作業，或者純粹只是亂按亂作答，若為亂作答，則這時候的腦波將被歸類為無效的訊息輸入片段並被剃除或去除。
第二電子設備13於取得事件相關電位之前，係先將腦波訊號依據事件內行進行分段和分類，亦即，第二電子設備13收到腦波訊號時，先將被加數、加數及加數總和之三類事件進行分段，以擷取每一個分段呈現前的100毫秒至呈現後的1000毫秒作為腦波訊號，其中，該複數閱讀材料呈現前的100毫秒至該複數閱讀材料出現之間的該腦波訊號可作為參考基準值，簡言之，需要一個不包含刺激出現狀態的腦波作為基準校正參考，因此，會擷取閱讀材料呈現前之-100毫秒到0毫秒的腦波作為參考基準值。
於一實施例中，第二電子設備13於取得事件相關電位之前，會將該腦波訊號進行帶通濾波，將低頻訊號趨勢與高頻雜訊剃除或去除。
簡言之，先將原始腦波進行帶通濾波(band-pass filter)作業，將低於1赫兹(Hz)以下低頻訊號趨勢以及高於50赫兹以上的高頻雜訊剃除或去除，易言之，僅保留1-50赫兹的訊號。
於另一實施例中，第二電子設備13於取得事件相關電位之前，先將複數閱讀材料呈現的情況進行分段，以前述範例來說，可依據被加數、加數及加數總和三類事件進行分段，以擷取該複數閱讀材料每一個分段呈現前的100毫秒至呈現後的1000毫秒作為腦波訊號，易言之，當閱讀資料呈現時的刺激出現的時間點為0點，擷取閱讀資料呈現前100毫秒到閱讀資料呈現後1000毫秒間總共1100毫秒長度的腦波訊號(-100毫秒至1000毫秒)以成為該事件的腦波訊號，並且將歸屬同一事件類別的訊號進行分類，其中，每一段落事件前100毫秒至0秒(閱讀材料呈現當下)做為校正不同段落間基準差異的標準。
另外，針對每一事件段落內是否有超過或是低於±100微伏(μV)的電位波動進行檢查，若有，則剃除或去除該帶有劇烈雜訊干擾之事件分段，僅保留品質良好之腦電訊號，並將所有良好之時間段並排平均，據以得到一個經過多個事件平均之事件相關電位腦波。
最後，關於閱讀材料之適用性的判斷，即第二電子設備13取各該複數閱讀材料呈現後的第一時段(如第100-150毫秒)的負電壓波動或是該時段之最高波峰作為該事件相關電位之第一數值(如N1值)，以及取各該複數閱讀材料呈現後的第二時段(如第200-300毫秒)的正電壓波動作或是該時段之最高波峰為該事件相關電位之第二數值(如P2值)，以與該標準材料閥值進行比較，俾於N1值大於第一標準值且P2值小於第二標準值時，
判定該複數閱讀材料為合適教材，以及於N1值小於第一標準值且P2值大於第二標準值時，判定該複數閱讀材料為不合適教材。於本發明中，係取每一個事件分段的平均電位差作為N1值和P2值，亦即，針對每一個學習者觀看一同一系列的閱讀材料後，可將同一事件(例如同為被加數、加數或加數總和)進行平均，最後可得到每一類事件都可以得到一個平均N1值和平均P2值。
如前所述，經由事前實驗分析，當閱讀材料是適合學習者時，此時事件相關電位部分會出現N1值大和P2值小的情況，相反地，當閱讀材料不適合學習者時，此時事件相關電位部分會出現N1值小和P2值大的情況。據此，本發明可定義出合適的標準材料閥值，亦可稱之為標準的N1值和P2值，在後續要判斷閱讀材料之適用性時，從學習者觀看閱讀材料中所得到之腦波資料中取得N1值和P2值，並與預設之標準材料閥值的N1值和P2值比對，進而判斷標準材料是否適合學習者，當N1值大於標準材料閥值的N1值且P2值小於標準材料閥值的P2值時，判定該複數閱讀材料為合適教材，以及當N1值小於標準材料閥值的N1值且P2值大於標準材料閥值的P2值時，判定該複數閱讀材料為不合適教材。
於上述範例中，本發明主要針對被加數跟加數兩者的N1值和P2值作為判斷依據，惟此為本發明進行實驗和驗證所採，但不依此為限。
圖4為本發明標準材料閥值如何產生的流程圖。如圖所示，當閱讀材料成呈現給學習者時，學習者觀看閱讀材料後，可透過腦波感測裝置取得對應腦波，例如腦電波儀(Electroencephalography，EEG)和事件相關電位(Event-Related Potential，ERP)，此腦波訊號將用於推斷閱讀材料
是否合適，在學習者觀看閱讀材料同時，學習者經大腦處理與行為反應(包含學習者的運算的正確率)，可進一步推算閱讀材料是適當還是不適當，前述行為反應(反應時間和正確率)與腦波(N1值和P2值)反應將一起進行分析，在一實施例中，當N1值小而P2值大時，學習者反應的正確率低，故閱讀材料為不合適，另外，當N1值大而P2值小時，學習者反應的正確率高，則表示閱讀材料為合適。
舉例來說，利用國字數字大寫方式呈現的閱讀教材，例如參+玖=拾壹，屬於不利學習者的閱讀教材，而利用***數字方式呈現的閱讀教材，例如3+9=11，屬於利於學習者的閱讀教材。透過上述方式，根據不同閱讀材料的使用，我們可以歸納出腦波訊號的電位數值的相關閥值，亦即經不同材料和實驗後，即可得到用於判斷閱讀材料之適用性的分析模型的標準材料閥值。
另外，若未出現N1值小而P2值大或是N1值大而P2值小的情況時，則判定為無法分析，如此將進行從新取樣，重新實驗。
圖5為本發明用於產生標準材料閥值之訓練教材的示意圖。為了區分不同類型之閱讀教材會有不同學習結果，本發明於標準材料閥值之產生與訓練過程中，係以加法計算式為主，但用不同數字呈現方式，藉由不同類型的教材呈現，擷取學習者之行為反應和腦波反應，進而推估標準材料閥值要如何定義。具體來說，本發明採用用於訓練的刺激材料包含***數字刺激材料、彩色***數字材料以及國字數字大寫刺激材料等三種作業材料，訓練作業中，參與者在評估過程中，需進行在不同類別閱讀刺激下的簡單加法算術作業，刺激材料將依序出現，參與者須透過心算評
估被加數加上加數的總和是否等同螢幕呈現的加數總和，並進行案件反應，總和正確按下右鍵，總和錯誤按下左鍵，在此同時，將同步把每一個材料刺激的時間點同步標註於腦波資料中。
透過上述訓練作業可知，***數字刺激材料最不影響參與者的反應，而國字數字大寫刺激材料在一般計算式中較少出現，故會影響參與者的反應，而彩色***數字材料雖然也是***數字呈現，但因包含色彩，故多少會影響參與者的反應情況。綜上，透過上前不同刺激材料的變化，可得到不同材料對於學習者有一定影響，本發明從中取得相關腦波訊號之電位值進行分析統計，最好找出可用於判斷閱讀材料適合性之閥值，透過學習者觀看時的腦波反應，將可以更精確且快速判定此閱讀教材是否為合適的教材。
本發明的模組、單元、裝置、設備、伺服器等包括微處理器及記憶體，而演算法、資料、程式等係儲存記憶體或晶片內，微處理器可從記憶體載入資料或演算法或程式進行資料分析或計算等處理，在此不予贅述。易言之，本發明之電子設備和腦波放大器等分屬不同的獨立架構，惟電子設備不限於一般電腦，其中進行訊號處理和資料運算的相關元件可為軟體，但不以此為限。因此，本發明所述元件能設計為計算器、記憶體、儲存器或是具有處理單元的韌體架構，又或是以軟體程式、硬體或韌體架構組合方式來呈現。
綜上所述，本發明之閱讀材料適用性之分析方法、系統及其電腦可讀媒介，主要是依據學習者觀看複數閱讀材料的持續呈現，進而擷取學習者之腦波反應及行為反應(反饋結果)，以據之判斷閱讀材料是否合
適，其中，腦波訊號會擷取不同區間的事件相關電位，即N1值及P2值，之後再與標準材料閥值作比對，藉以判定該複數閱讀材料是否為合適教材；另外，本發明透過不同刺激材料的訓練作業，藉此推得標準材料閥值，其中，本發明係利用***數字刺激材料、彩色***數字材料以及國字數字大寫刺激材料等三種作業材料，且根據參與者之反應和腦波情況進行分析，故具有高度準確性，因此，本發明用於判斷閱讀材料之適用性的方法和系統，能有效且精確的分析閱讀材料，相較於傳統人為判定或是僅能事後檢驗等非即時方式，本發明將具更佳效益。
上述實施形態僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S101~S104:步驟
Claims (13)
- 一種閱讀材料適用性之分析方法，係包括：令具有用於呈現影像和資料處理的應用程式之第一電子設備顯示用以供學習者觀看之複數閱讀材料，且利用該應用程式以依據該複數閱讀材料之呈現次序與呈現時間進行資料處理，以產生對應之呈現同步訊號；令該學習者觀看該複數閱讀材料，以由一腦波放大器收集包含該學習者觀看該複數閱讀材料時之腦波訊號的腦波資料；令第二電子設備接收來自該第一電子設備有關該複數閱讀材料之呈現同步訊號及來自該腦波放大器之腦波資料，以依據該複數閱讀材料之呈現同步訊號與該腦波訊號之對應關係，由該腦波訊號中取得事件相關電位；以及令該第二電子設備內將該事件相關電位與預設之標準材料閥值作比較，進而判斷該複數閱讀材料之適用性。
- 如請求項1所述之閱讀材料適用性之分析方法，其中，該第一電子設備係透過平行埠或序列埠將該呈現同步訊號傳送至該腦波放大器，以供該腦波放大器將該呈現同步訊號標註於該腦波資料中。
- 如請求項1所述之閱讀材料適用性之分析方法，其中，該第二電子設備係取各該複數閱讀材料呈現後的第一時段的負電壓波動或是該時段之最高波峰作為該事件相關電位之第一數值，以及取各該複數閱讀材料呈現後的第二時段的正電壓波動作或是該時段之最高波峰為該事件相關電位之第二數值，以與該標準材料閥值進行比較，俾判定該複數閱讀材料是否為合適教材。
- 如請求項1所述之閱讀材料適用性之分析方法，其中，該第二電子設備於取得該事件相關電位之前，係將該腦波訊號進行帶通濾波，以去除低頻訊號趨勢與高頻雜訊。
- 如請求項1所述之閱讀材料適用性之分析方法，其中，該複數閱讀材料係包含被加數、加數及加數總和，而該學習者於觀看該複數閱讀材料後決定該加數總和之對錯，據以產生該腦波訊號。
- 如請求項5所述之閱讀材料適用性之分析方法，其中，該第二電子設備於取得該事件相關電位之前，係先將該被加數、該加數及該加數總和之三類事件進行分段，以擷取該複數閱讀材料每一個分段呈現前的100毫秒至呈現後的1000毫秒作為該腦波訊號，其中，該複數閱讀材料呈現前的100毫秒至該複數閱讀材料出現之間的該腦波訊號係作為參考基準值。
- 一種電腦可讀媒介，應用於計算裝置或電腦中，係儲存有指令，以執行如請求項1至6之任一者所述之閱讀材料適用性之分析方法。
- 一種閱讀材料適用性之分析系統，係包括：第一電子設備，係具有用於呈現影像和資料處理的應用程式，以顯示用以供學習者觀看之複數閱讀材料，且利用該應用程式以依據該複數閱讀材料之呈現次序與呈現時間進行資料處理，以產生對應之呈現同步訊號；腦波放大器，係用以於該學習者觀看該複數閱讀材料時，收集包含該學習者觀看該複數閱讀材料時之腦波訊號的腦波資料；以及第二電子設備，係用以接收來自該第一電子設備有關該複數閱讀材料之呈現同步訊號及來自該腦波放大器之腦波資料，以依據該複數閱讀材料 之呈現同步訊號與該腦波訊號之對應關係，由該腦波訊號中取得事件相關電位，該第二電子設備將該事件相關電位與預設之標準材料閥值作比較，進而判斷該複數閱讀材料之適用性。
- 如請求項8所述之閱讀材料適用性之分析系統，其中，該第一電子設備係透過平行埠或序列埠將該呈現同步訊號傳送至該腦波放大器，以供該腦波放大器將該呈現同步訊號標註於該腦波資料中。
- 如請求項8所述之閱讀材料適用性之分析系統，其中，該第二電子設備係取各該複數閱讀材料呈現後的第一時段的負電壓波動或是該時段之最高波峰作為該事件相關電位之第一數值，以及取各該複數閱讀材料呈現後的第二時段的正電壓波動作或是該時段之最高波峰為該事件相關電位之第二數值，以與該標準材料閥值進行比較，俾判定該複數閱讀材料是否為合適教材。
- 如請求項8所述之閱讀材料適用性之分析系統，其中，該第二電子設備於取得該事件相關電位之前，係將該腦波訊號進行帶通濾波，以去除低頻訊號趨勢與高頻雜訊。
- 如請求項8所述之閱讀材料適用性之分析系統，其中，該複數閱讀材料係包含被加數、加數及加數總和，而該學習者於觀看該複數閱讀材料後決定該加數總和之對錯，據以產生該腦波訊號。
- 如請求項12所述之閱讀材料適用性之分析系統，其中，該第二電子設備於取得該事件相關電位之前，係先將該被加數、該加數及該加數總和之三類事件進行分段，以擷取該複數閱讀材料每一個分段呈現前的100毫秒至呈現後的1000毫秒作為該腦波訊號，其中，該複數閱讀材料 呈現前的100毫秒至該複數閱讀材料出現之間的該腦波訊號係作為參考基準值。
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