第一章 緒論
1.1 研究背景與動機
注意力一直是教育與學習科技領域中非常重視的議題，特別是認知心理 學領域尤為重視，過去的研究指出大多數的學習者通常都會有注意力不集中 的問題[36]。然而注意力能否集中是造成學習過程是否有效的主要因素，亦 是學習成效良好與否的關鍵[37]。換句話說，在學習過程中若注意力不集中，
就不能有效的辨識、學習與記憶[38]。尤其是教師在講台上授課的傳統課堂 學習裡，學習者常會受到周遭環境或是個人因素的影響，使得注意力無法集 中，導致學習效果不好[39]。人類的學習是以感覺器官接收外在訊息的方式 進行，而許多外在的訊息經常是瞬間的出現後即消失，經由短期記憶(short term memory)的幫助，使得這些訊息仍能保留一段短暫的時間，而只有這段 被短暫保留的訊息被學習者注意到時，才會進一步的被大腦所處理[40]，並 且有機會形成長期記憶(long term memory)。注意力是人類的中樞神經系統與 大腦功能最根本的活動[41]，如何透過擷取大腦的活動訊息，發展能夠即時 量測學習者注意力的工程方法，並且將其應用於發展諸如注意力識別為基礎 的學習診斷、補救學習或者是基於注意力監測提升學習過程中的注意力等輔 助學習機制，都是相當具有挑戰與價值的研究議題。
由於近年來生理訊號量測技術的發展快速，目前諸如腦電圖、心電圖以 及肌電圖等，皆已被廣泛應用。其中腦波是由記錄大腦活動時所產生的微弱 電壓訊號所得，須經由放大器放大後才比較容易辨識，也很容易受到雜訊的 干擾。目前非侵入式的腦波訊號量測技術的發展已趨於成熟，因此已被廣泛 應用在諸如癲癇、中風與腦炎等腦部疾病的臨床診斷上。除了應用在醫學上 的臨床診斷外，還有應用在情緒識別[1]、學習注意力[42][43]以及各種諸如
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閱讀、聆聽、視覺等外在活動的評估上[2][44][3]。此外，也有研究將腦波應 用在人機介面的意念控制上，藉以輔助肢體殘障人士的人機互動[4][5][6]。
另外，也有利用視覺與聽覺的注意力分析使用者在觀看影片時的注意力變化，
識別出影片中受歡迎片段的應用[7]。
因此，本研究希望發展一個能夠有效辨識注意力高低的工程技術方法，
經由設計能引發注意力高低變化的測驗任務，蒐集基於監督式機器學習方法 發展可分辨注意力高低之分類器所需訓練及測試樣本，據此發展出一個基於 腦波之注意力辨識系統，並嘗試將此注意力辨識系統與影片撥放器整合，據 此發展成一個可以診斷影片中低注意力影片片段之補救學習系統，以驗證此 一基於腦波發展之注意力診斷系統，是否可以正確的診斷出學習者不專注的 學習片段，並且基於注意力診斷結果之補救學習，是否有助於提升學習成 效。
1.2 研究目的與方法
基於研究背景與動機，本研究之研究目的為發展一基於腦波之注意力辨 識系統，可以有效的辨識出學習者的學習注意力高低。此外，本研究亦將此 一基於腦波之注意力辨識系統與影片撥放器整合，讓系統可以辨識出學習者 利用影片內容進行學習時之低注意力時間點，幫助學習者針對低注意力之影 片片段進行補救學習與回顧，希望藉此提升學習者的學習成效。
本研究先以 CPT 持續注意力測驗，蒐集建立基於腦波之注意力辨識系 統所需之訓練與測試樣本。在腦波訊號分析上，本研究採用小波轉換將原始 腦波訊號進行轉換，並得到五個頻段之高低注意力識別特徵，再應用支持向 量機為識別注意力高低之分類器，用以建立注意力預測模型。此外，為了達 到最佳化的注意力辨識結果，本研究利用基因演算法進行小波轉換所獲得注 意力特徵之特徵選取，以獲得主要影響注意力識別之特徵，據此得到更高的
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高低注意力辨識率。為了評估系統的辨識效能，本研究亦發展一套影片標記 系統，可以讓學習者在學習影片內容後，自行標記產生低注意力時間點之影 片段落，據此即可評估本研究所發展之基於腦波之注意力辨識系統對於注意 力高低識別之準確率(Precision Rate)、 召回率(Recall Rate) 與 F 測量值 (F-measure)。此外，本研究也使用李克特氏五等量表讓受試者填答，據此評 估受試者對於系統所辨識出的低注意力時間點的同意程度。最後，本研究探 討依據系統識別出之低注意力時間影片片段進行補救學習後，其系統識別出 之低注意力時間點個數與學習成效彼此之間是否具有顯著的相關性，以作為 系統效能評估之依據。
1.3 論文架構
本論文共分五個章節，第一章為緒論，說明研究背景與動機、研究目的 與方法及論文架構；第二章為文獻探討，深入的介紹注意力與腦波訊號之處 理方法、小波轉換、特徵萃取方法、基因演算法與支持向量機；第三章為研 究設計方法，說明本研究發展之基於腦波之注意力辨識系統的系統架構、
CPT 持續注意力測驗之設計、結合注意力辨識之影片低注意力時間點標記系 統以及所發展注意力辨識系統之效能評估方法；第四章為實驗結果與分析，
說明本研究發展之注意力辨識系統的辨識效能、使用影片標記系統所獲得之 注意力辨識效能，並針對注意力辨識系統所偵測之低注意力時間點個數與後 測成績進行 Pearson 積差相關分析，據此進一步驗證所發展注意力辨識系統 支援補救學習的效益；第五章為結論與未來展望，針對將本研究所獲得結論 進行歸納，並提出後續建議與未來研究方向。
本論文的研究流程圖如圖 1-1 所示，說明如下：
1.蒐集相關文獻以確定研究方向，並擬定研究目的與方法。
2.針對注意力辨識系統進行相關文獻蒐集與探討，並確認研究目標。
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3.設計 CPT 持續注意力測驗之實驗平台與蒐集受試者高低注意力腦波訊號 資料。
4.基於腦波之注意力辨識系統演算法設計與建立預測模型
5. 結合基於腦波之注意力辨識系統與影片撥放器之標記系統介面設計。
6.設計基於腦波之注意力辨識系統效能評估實驗。
7.針對注意力辨識系統之辨識率與效能評估實驗進行分析與討論。
8.根據注意力辨識系統與效能評估之實驗結果，撰寫研究論文。
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圖 1-1 研究流程圖
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