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Publicação
An educational neuroscience approach for assessing student attention in virtual reality environments
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Resumo(s)
A growing body of research suggests that Virtual Reality (VR) is a valuable tool for education, as it enables the creation of realistic, highly-immersive and interactive learning environments, which can arouse more intense emotional responses. Similarly, advancements in neuroimaging favored the emergence of portable Brain-Computer Interfaces (BCI), enabling educational researchers to gain unique insights concerning brain activity in real time within authentic settings, such as monitoring the attention levels of students doing a classroom assessment. Several studies demonstrate that learning involves attention and emotion, however, there is scarce empirical evidence on the subjective evaluation of emotions using immersive VR, and on how to measure attention using objective methods based on BCI. This thesis aims to contribute to fill these gaps through the use of models for evaluating emotional responses in VR, and contributes to the development of educational neurosciences by monitoring student's attention through neurophysiological data in VR environments, as part of an educational video game. This thesis also proposes a novel method to assess attention levels using BCI data. The results suggest that the use of the proposed method to calculate the attention is promising. The results also show the advantages of integration of VR with BCI, as well as usability issues that need to be addressed. Future work should also consider the use of techniques that allow automatic detection of attentional patterns.
De plus en plus de recherches montrent que la Réalité Virtuelle (RV) est un outil précieux pour l'éducation, car elle permet la création d'environnements d'apprentissage réalistes avec un haut degré d'immersion et d'interaction, ce qui peut générer des réactions émotionnelles plus fortes. De même, les progrès dans le domaine de la neuro-imagerie ont rendu possible l'apparition d'Interfaces Cerveau-Ordinateur portables (BCI en anglais) permettant aux chercheurs en éducation de mieux comprendre l'activité du cerveau dans des contextes authentiques en temps réel, tels que l'étude de l’attention d'un groupe d'étudiants pendant un examen en salle de classe. Plusieurs études montrent que tout apprentissage implique l'émotion et l'attention, cependant, il y'a peu de preuves empiriques sur l'évaluation subjective des émotions en utilisant la RV immersive, et sur comment mesurer l'attention en utilisant des méthodes objectives avec la BCI. Cette thèse vise à aider à combler ces lacunes grâce à l'utilisation de modèles pour l'évaluation des réponses émotionnelles dans la RV; et contribue au développement de la neuro-éducation en monitorant l'attention de l'élève à travers des donnés neurophysiologiques dans des environnements RV immersifs, dans le cadre d'un jeu vidéo éducatif. Cette thèse propose également une nouvelle méthode d'évaluation des niveaux d'attention en utilisant des données BCI. Les résultats suggèrent que l'utilisation de la méthode proposée pour cette mesure de l'attention est prometteuse. Les résultats montrent également les avantages de l'intégration de la RV avec le BCI, ainsi que certains problèmes d’utilisabilité qui devraient être abordés. Les travaux futurs envisagent également l'utilisation de techniques permettant la détection automatique des modèles attentionnels.
Muitos trabalhos têm demostrado que a Realidade Virtual (RV) é uma ferramenta valiosa para a educação, já que possibilita a criação de ambientes de aprendizagem realistas com um elevado grau de imersão e interação, que podem gerar respostas emocionais mais intensas. Também os avanços no campo da neuroimagem tornaram possível o aparecimento de interfaces cérebro-computador (BCI inglês) portáteis, que permitem que investigadores em educação obtenham informações em tempo real sobre a atividade do cérebro em ambientes reais, tais como o estudo dos níveis de atenção de um grupo de estudantes que fazem um exame numa sala de aula. Vários estudos comprovam que toda a aprendizagem envolve a emoção e a atenção, no entanto, há pouca evidência empírica sobre a avaliação subjetiva das emoções usando a RV imersiva e como se pode medir a atenção, usando métodos diretos com BCI. Este trabalho pretende ajudar a preencher essas lacunas e contribuir para o desenvolvimento das neurociências educacionais, através da utilização de modelos para a avaliação das respostas emocionais na RV, e o monitoramento da atenção dos alunos medido através de dados neurofisiológicos em ambientes de RV, integrados num jogo didático. Esta tese também propõe um novo método para avaliar os níveis de atenção usando dados do BCI. Os resultados sugerem que a utilização do método proposto para calcular a atenção é promissor. Os resultados também mostram as vantagens da integração da RV com o BCI, bem como dos problemas de usabilidade que precisam ser trabalhados. Os trabalhos futuros também deverão considerar o uso de técnicas que permitam a deteção automática de padrões de atenção.
Cada vez más investigaciones sugieren que la Realidad Virtual (RV) es una herramienta valiosa para la educación, ya que tiene la capacidad de crear ambientes de aprendizaje realistas con un alto grado de inmersión e interacción, pudiendo generar respuestas emocionales más intensas. De igual manera, importantes adelantos en el campo de las neuroimágenes posibilitaron la aparición de Interfaces Cerebro-Computadora (BCI en inglés) portátiles, las cuales permiten a los investigadores en educación acceder a información privilegiada respecto a la actividad cerebral en ambientes auténticos en tiempo real, como el estudio de los niveles de atención de un grupo de estudiantes presentando un examen en el aula. Diversos estudios demuestran que todo aprendizaje supone atención y emoción, sin embargo, es muy escasa la evidencia empírica sobre la evaluación subjetiva de las emociones mediante VR inmersiva, y sobre cómo medir la atención por medio del uso de métodos objetivos basados en BCI. Esta tesis pretende contribuir a llenar dichos vacíos mediante el uso de modelos para el seguimiento de la atención de los estudiantes dentro de ambientes de RV, y contribuir al desarrollo de las neurociencias educativas mediante el monitoreo de la atención del estudiante a través de datos neurofisiológicos en entornos de realidad virtual, como parte de un videojuego educativo. Esta tesis propone también un nuevo método para evaluar los niveles de atención a partir de datos provenientes de BCI. Los resultados sugieren que el uso del método propuesto para el cálculo de atención es prometedor. Los resultados sugieren también potencialidades importantes resultado de la integración de la RV y BCI, así como algunos problemas de usabilidad que deberán ser abordados. Los trabajos futuros deberán considerar el uso de técnicas que permitan la detección automática de los patrones atencionales.
De plus en plus de recherches montrent que la Réalité Virtuelle (RV) est un outil précieux pour l'éducation, car elle permet la création d'environnements d'apprentissage réalistes avec un haut degré d'immersion et d'interaction, ce qui peut générer des réactions émotionnelles plus fortes. De même, les progrès dans le domaine de la neuro-imagerie ont rendu possible l'apparition d'Interfaces Cerveau-Ordinateur portables (BCI en anglais) permettant aux chercheurs en éducation de mieux comprendre l'activité du cerveau dans des contextes authentiques en temps réel, tels que l'étude de l’attention d'un groupe d'étudiants pendant un examen en salle de classe. Plusieurs études montrent que tout apprentissage implique l'émotion et l'attention, cependant, il y'a peu de preuves empiriques sur l'évaluation subjective des émotions en utilisant la RV immersive, et sur comment mesurer l'attention en utilisant des méthodes objectives avec la BCI. Cette thèse vise à aider à combler ces lacunes grâce à l'utilisation de modèles pour l'évaluation des réponses émotionnelles dans la RV; et contribue au développement de la neuro-éducation en monitorant l'attention de l'élève à travers des donnés neurophysiologiques dans des environnements RV immersifs, dans le cadre d'un jeu vidéo éducatif. Cette thèse propose également une nouvelle méthode d'évaluation des niveaux d'attention en utilisant des données BCI. Les résultats suggèrent que l'utilisation de la méthode proposée pour cette mesure de l'attention est prometteuse. Les résultats montrent également les avantages de l'intégration de la RV avec le BCI, ainsi que certains problèmes d’utilisabilité qui devraient être abordés. Les travaux futurs envisagent également l'utilisation de techniques permettant la détection automatique des modèles attentionnels.
Muitos trabalhos têm demostrado que a Realidade Virtual (RV) é uma ferramenta valiosa para a educação, já que possibilita a criação de ambientes de aprendizagem realistas com um elevado grau de imersão e interação, que podem gerar respostas emocionais mais intensas. Também os avanços no campo da neuroimagem tornaram possível o aparecimento de interfaces cérebro-computador (BCI inglês) portáteis, que permitem que investigadores em educação obtenham informações em tempo real sobre a atividade do cérebro em ambientes reais, tais como o estudo dos níveis de atenção de um grupo de estudantes que fazem um exame numa sala de aula. Vários estudos comprovam que toda a aprendizagem envolve a emoção e a atenção, no entanto, há pouca evidência empírica sobre a avaliação subjetiva das emoções usando a RV imersiva e como se pode medir a atenção, usando métodos diretos com BCI. Este trabalho pretende ajudar a preencher essas lacunas e contribuir para o desenvolvimento das neurociências educacionais, através da utilização de modelos para a avaliação das respostas emocionais na RV, e o monitoramento da atenção dos alunos medido através de dados neurofisiológicos em ambientes de RV, integrados num jogo didático. Esta tese também propõe um novo método para avaliar os níveis de atenção usando dados do BCI. Os resultados sugerem que a utilização do método proposto para calcular a atenção é promissor. Os resultados também mostram as vantagens da integração da RV com o BCI, bem como dos problemas de usabilidade que precisam ser trabalhados. Os trabalhos futuros também deverão considerar o uso de técnicas que permitam a deteção automática de padrões de atenção.
Cada vez más investigaciones sugieren que la Realidad Virtual (RV) es una herramienta valiosa para la educación, ya que tiene la capacidad de crear ambientes de aprendizaje realistas con un alto grado de inmersión e interacción, pudiendo generar respuestas emocionales más intensas. De igual manera, importantes adelantos en el campo de las neuroimágenes posibilitaron la aparición de Interfaces Cerebro-Computadora (BCI en inglés) portátiles, las cuales permiten a los investigadores en educación acceder a información privilegiada respecto a la actividad cerebral en ambientes auténticos en tiempo real, como el estudio de los niveles de atención de un grupo de estudiantes presentando un examen en el aula. Diversos estudios demuestran que todo aprendizaje supone atención y emoción, sin embargo, es muy escasa la evidencia empírica sobre la evaluación subjetiva de las emociones mediante VR inmersiva, y sobre cómo medir la atención por medio del uso de métodos objetivos basados en BCI. Esta tesis pretende contribuir a llenar dichos vacíos mediante el uso de modelos para el seguimiento de la atención de los estudiantes dentro de ambientes de RV, y contribuir al desarrollo de las neurociencias educativas mediante el monitoreo de la atención del estudiante a través de datos neurofisiológicos en entornos de realidad virtual, como parte de un videojuego educativo. Esta tesis propone también un nuevo método para evaluar los niveles de atención a partir de datos provenientes de BCI. Los resultados sugieren que el uso del método propuesto para el cálculo de atención es prometedor. Los resultados sugieren también potencialidades importantes resultado de la integración de la RV y BCI, así como algunos problemas de usabilidad que deberán ser abordados. Los trabajos futuros deberán considerar el uso de técnicas que permitan la detección automática de los patrones atencionales.
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Palavras-chave
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