TWI570656B - Workload Monitoring and Feedback Learning System - Google Patents

Description

工作負荷監控與回饋學習系統

本發明是有關於一種學習系統，特別是指一種藉由量測心率變異度以測量認知負荷量的工作負荷監控與回饋學習系統。

習知的各種學習平台，不論是藉由連接至雲端伺服器的行動裝置或是藉由不需要連網的個人電腦來呈現各種不同的學習教材，以達到學習語文、數學、閱讀資訊統整、或其他各種能力。在數位時代中，使用者因為在學習過程中常需要面對大量文字、影音、動畫學習素材，而使認知負荷大增。由於人類的工作記憶容量有限，同時處理過多資訊，會產生認知超載，進而不利於學習。然而，現有的學習平台並未提供使用者的認知負荷資訊（包含即時與整體），使得該學習平台無法獲得使用者學習歷程中的認知負荷，也因此不利於教材編撰者、學習平台設計者、研究者、使用者本身、亦或是教學者進一步因應該認知負荷資訊改善教材、平台、學習策略或是教學策略等。因此，發展認知負荷的量測工具與技術並與學習平台結合，藉由有效精確量測使用者在處理各項作業時的認知負荷，並將其轉換成清楚易懂的各項指標，以利回饋便成為一個重要的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種藉由量測心率變異度以測量認知負荷量的工作負荷監控與回饋學習系統。

於是，本發明工作負荷監控與回饋學習系統，包含一學習平台、一心率變異度監測單元、及一資料庫。該學習平台呈現相關於一學習教材的資訊給一使用者，並包括一管理模組及一行為反應蒐集模組。該心率變異度監測單元包括一心率變異度監控模組及一心率變異度回饋模組。

該管理模組提供一監控者設定該學習教材。該行為反應蒐集模組電連接該管理模組以記錄相關該學習教材的設定內容，並記錄該使用者相關於該學習教材的一學習操作歷程及一學習反應歷程。該心率變異度監控模組偵測並記錄該使用者的一心率變異度數值。該心率變異度回饋模組電連接該心率變異度監控模組以接收該心率變異度數值，進而轉換為對應該使用者的一認知負荷量。該資料庫電連接該學習平台的該管理模組及該行為反應蒐集模組以記錄相關的資料，並電連接該心率變異度監控模組及該心率變異度回饋模組以記錄該心率變異度數值及該認知負荷量。

在一些實施態樣中，其中，該學習教材包含一學習任務及一學習評量，該學習操作歷程是該學習平台呈現相關於該學習任務的資訊期間，該使用者的一操作記錄及一操作時間，該學習反應歷程是該學習平台呈現相關於該學習評量的資訊期間，該使用者回答該學習評量的資料。

在一些實施態樣中，其中，該學習平台還包括一電連接該行為反應蒐集模組及該心率變異度回饋模組的學習回饋模組，接收該認知負荷量，並整合該學習任務的資訊及該認知負荷量，且傳送至該行為反應蒐集模組，當該使用者完成該學習任務之後，能藉由該學習回饋模組回顧之前的學習歷程，並獲得在各時間點的認知負荷量的變化。

在一些實施態樣中，其中，該學習平台還包括一電連接該心率變異度回饋模組、該學習回饋模組、及該行為反應蒐集模組的學習診斷模組，以接收該心率變異度回饋模組、該學習回饋模組、及該行為反應蒐集模組所產生的各種資料，進而產生相關於學習過程的一整體表現數據，並傳送至該行為反應蒐集模組及該學習回饋模組，該整體表現數據包含心率變異度指標數據、認知負荷量的變化、評量成績、任務完成度、學習歷程期間執行錯誤的資訊、及待加強的建議。

在一些實施態樣中，其中，該心率變異度監測單元還包括一電連接該心率變異度回饋模組的顯示模組，以接收該認知負荷量，並在該學習平台呈現相關於該學習任務的資訊期間，以不同色階顯示該使用者之認知負荷量是否超過一負荷值，以警示該使用者調整相關的學習策略。

在一些實施態樣中，其中，該資料庫還電連接該學習回饋模組及該學習診斷模組，以記錄該學習回饋模組及該學習診斷模組所產生的各種資料。

本發明至少具有以下功效：藉由行為反應蒐集模組紀錄該使用者的該學習操作歷程及該學習反應歷程，再藉由該心率變異度監測單元所產生的該心率變異度數值及該認知負荷量，能用於分析相關於該使用者的學習歷程。此外，藉由學習回饋模組使得該使用者能回顧之前的學習歷程及認知負荷量的變化，再藉由學習診斷模組的分析，都能進一步調整或改善該使用者的學習策略。上述使用者的認知負荷相關資料，除了對使用者本身改進學習有效之外，亦可提供教材設計者、學習平台設計者、研究者、以及教學者等人，藉以改進教材、學習平台、研究設計、以及教學方式等。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明工作負荷監控與回饋學習系統一實施例，包含一學習平台1、一心率變異度(Heart Rate Variation；HRV)監測單元、及一資料庫3。該學習平台1呈現相關於一學習教材的資訊給一使用者9，並包括一管理模組11、一行為反應蒐集模組12、一學習回饋模組13、及一學習診斷模組14。該使用者9例如是一學生或一學習者。該學習教材包含一學習任務及一學習評量。另外要補充說明的是：在本實施例中是以該學習平台1呈現一個學習教材的資訊，該學習教材包含一個學習任務及一個學習評量為例以方便說明，而在其他實施例中，該學習平台1也可以呈現多個學習教材的資訊，或該學習教材包含多個學習任務或多的學習評量，不在此限。

該心率變異度監測單元2包括一心率變異度監控模組21、一心率變異度回饋模組22、及一顯示模組23。該心率變異度監控模組21，偵測並記錄該使用者9的一心率變異度數值，具體的說，例如以ECG晶片偵測該使用者9的心率變異度數值，並計算頻域上與時域上的各種心率變異度指標，該指標例如包含pNN50、RMSSD、LF、mid frequency、HF等等。該心率變異度回饋模組22電連接該心率變異度監控模組21以接收該心率變異度數值及各指標，進而轉換為對應該使用者9的一認知負荷量。該顯示模組23電連接該心率變異度回饋模組22，以接收該認知負荷量，並在該學習平台1呈現相關於該學習任務的資訊期間，以不同色階，如紅黃綠藍等色階，顯示該使用者9之認知負荷量是否超過一負荷值，以警示該使用者9調整相關的學習策略。

該管理模組11提供一監控者設定該學習教材，該監控者例如是一老師或一教導者。該行為反應蒐集模組12電連接該管理模組11以記錄相關該學習教材的設定內容，並記錄該使用者9相關於該學習教材的一學習操作歷程及一學習反應歷程。該學習操作歷程是該學習平台1呈現相關於該學習任務的資訊期間，該使用者9的一操作記錄及一操作時間，該學習反應歷程是該學習平台1呈現相關於該學習評量的資訊期間，該使用者9回答該學習評量的資料。

該學習回饋模組13電連接該行為反應蒐集模組12及該心率變異度回饋模組22，並接收該認知負荷量，且整合該學習任務的資訊及該認知負荷量，並傳送至該行為反應蒐集模組12。當該使用者9完成該學習任務之後，能藉由該學習回饋模組13回顧之前的學習歷程，並獲得在各時間點的認知負荷量的變化。

該學習診斷模組14電連接該心率變異度回饋模組22、該學習回饋模組13、及該行為反應蒐集模組12，以接收該心率變異度回饋模組22、該學習回饋模組13、及該行為反應蒐集模組12所產生的各種資料，進而產生相關於學習過程的一整體表現數據。該整體表現數據包含心率變異度指標數據、認知負荷量的變化、評量成績、任務完成度、學習歷程期間執行錯誤的資訊、及待加強的建議。此外，該行為反應蒐集模組12還會記錄該學習回饋模組13所產生的一學習回饋資料及該學習診斷模組14所產生的一學習診斷資料。該學習回饋資料包含使用者9重新回顧哪些學習歷程等記錄。該學習診斷資料包含呈現給該使用者9的該整體表現數據等。也就是說，該使用者9重新操作之歷程與資料也會被該行為反應蒐集模組12所記錄。

該資料庫3電連接該學習平台1的該管理模組11、該行為反應蒐集模組12、該學習回饋模組13、及該學習診斷模組14，以記錄所產生的各種相關資料，並電連接該心率變異度監控模組21及該心率變異度回饋模組22以記錄該心率變異度數值與各指標及該認知負荷量。

要特別補充說明的是：該學習平台1及該資料庫3可以設置在雲端的伺服器，也可以設置在該使用者9的一行動裝置或一電腦裝置，或者分別設置在雲端的伺服器與該使用者9的該行動裝置或該電腦裝置，不在此限。此外，該學習平台1可於APP或電腦化遊戲式介面呈現給該使用者9。

以下以二個學習教材為例作說明，以更清楚地呈現該工作負荷監控與回饋學習系統的運作。學習教材的設定指的是根據教學目標設定教材內容，第一例的學習內容為英文情境式對話(購買日用品)並要求使用者9根據對話內容於學習平台1中進行操作以完成任務(學習平台1呈現模擬的商場，使用者9需要在模擬商場中完成購物的任務)，在完成購物任務之後，使用者9還需要實際與模擬情境中的人物對話，確定已購買的日用品與數量是否正確。在該學習教材設定中可輸入對話內容、每一句對話發生的時間、任務難度、及對話之後使用者9需要完成的任務內容等。第二例的學習內容為多文本閱讀資訊統整訓練，使用者9需要根據學習平台1所提供的問題於學習平台1所提供的模擬搜尋引擎中進行線上搜尋與閱讀文獻。搜尋引擎所提供的網頁中，一些關鍵字會有超連結再連結到其他頁面。之後，使用者9需要先判斷並以標示工具(螢光筆或原子筆畫線工具)標示重點，再統整各重點以回答原始的問題。在學習教材設定中可輸入待答問題、模擬搜尋引擎中出現的資料數量、回答待答問題的方式（問答題）、選擇題等。

在第一例中，該學習操作歷程包含使用者9於模擬商場中完成購物任務的過程、點選欲購買的商品、與要求其他幫忙購買日用品的模擬人物的對話內容等。該學習反應歷程包含使用者9回覆關於購買的物品與數量、回憶於模擬商場中購買物品的順序、針對情境式對話的內容回答相關的問題等。在第二例中，該學習操作歷程包含使用者9於模擬搜尋引擎中使用的關鍵字、於各網頁中點選哪些超連結與點選的時間、於每一網頁的瀏覽時間等。該學習反應歷程包含使用者9回覆與閱讀內容相關的問答題或選擇題、問卷要求回憶於線上搜尋與閱讀任務中採取的策略與習慣。

在第一例中，該學習回饋模組13可供使用者9自行選擇某一段學習歷程。而在第二例中，該學習回饋模組13可供使用者9自行選擇回顧某一段學習歷程，如於模擬搜尋引擎中搜尋某個關鍵字、閱讀多個文本內容或是回答評量內容的過程。該學習平台1在二個例子中都會呈現該段學習歷程的錄影檔，並結合該心率變異度回饋模組22所提供的數據，以說明該使用者9於該段時間的認知負荷。

在第二例中，該學習診斷模組14產生該整體表現數據，使得該學習平台1提供該使用者9於任務期間該心率變異度數值及各指標數據所對應的認知負荷的變化、標明在哪一段過程中使用者9的認知負荷超出所能乘載的範圍、評量成績、線上搜尋關鍵字是否得當以完成任務等。

另外，特別值得一提的是：當該使用者9完成第一次的學習之後，該使用者9或該監控者可以根據該學習回饋模組13或該學習診斷模組14所提供的資訊，決定是否調整該學習平台1的該管理模組11中的該學習教材與其設定，例如：監控者可在學習任務開始前，先設定任務完成度目標，因此可根據該學習診斷模組14所提供的任務完成度數據，決定是否調整任務難度，或是直接以先前的學習教材與其設定再次進行學習。於第二次學習的學習操作歷程及學習反應歷程等相關記錄與資料仍會如同第一次學習時傳送至該行為反應蒐集模組12、該學習回饋模組13、及該學習診斷模組14。

綜上所述，藉由行為反應蒐集模組12紀錄該使用者9的該學習操作歷程及該學習反應歷程，再藉由該心率變異度監測單元2所產生的該心率變異度數值及該認知負荷量，能用於分析相關於該使用者9的學習歷程。此外，藉由學習回饋模組13使得該使用者9能回顧之前的學習歷程及認知負荷量的變化，再藉由學習診斷模組14的分析，都能進一步調整或改善該使用者9的學習策略，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧學習平台
11‧‧‧管理模組
12‧‧‧行為反應蒐集模組
13‧‧‧學習回饋模組
14‧‧‧學習診斷模組
2‧‧‧心率變異度監測單元
21‧‧‧心率變異度監控模組
22‧‧‧心率變異度回饋模組
23‧‧‧顯示模組
3‧‧‧資料庫
9‧‧‧使用者

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一方塊圖，說明本發明工作負荷監控與回饋學習系統的一實施例。

1‧‧‧學習平台

11‧‧‧管理模組

12‧‧‧行為反應蒐集模組

13‧‧‧學習回饋模組

14‧‧‧學習診斷模組

2‧‧‧心率變異度監測單元

21‧‧‧心率變異度監控模組

22‧‧‧心率變異度回饋模組

23‧‧‧顯示模組

3‧‧‧資料庫

9‧‧‧使用者

Claims (6)

1. 一種工作負荷監控與回饋學習系統，包含： 一學習平台，呈現相關於一學習教材的資訊給一使用者，並包括 一管理模組，提供一監控者設定該學習教材， 一行為反應蒐集模組，電連接該管理模組以記錄相關該學習教材的設定內容，並記錄該使用者相關於該學習教材的一學習操作歷程及一學習反應歷程； 一心率變異度監測單元，包括 一心率變異度監控模組，偵測並記錄該使用者的一心率變異度數值， 一心率變異度回饋模組，電連接該心率變異度監控模組以接收該心率變異度數值，進而轉換為對應該使用者的一認知負荷量；及 一資料庫，電連接該學習平台的該管理模組及該行為反應蒐集模組以記錄相關的資料，並電連接該心率變異度監控模組及該心率變異度回饋模組以記錄該心率變異度數值及該認知負荷量。
2. 如請求項1所述的工作負荷監控與回饋學習系統，其中，該學習教材包含一學習任務及一學習評量，該學習操作歷程是該學習平台呈現相關於該學習任務的資訊期間，該使用者的一操作記錄及一操作時間，該學習反應歷程是該學習平台呈現相關於該學習評量的資訊期間，該使用者回答該學習評量的資料。
3. 如請求項2所述的工作負荷監控與回饋學習系統，其中，該學習平台還包括一電連接該行為反應蒐集模組及該心率變異度回饋模組的學習回饋模組，接收該認知負荷量，並整合該學習任務的資訊及該認知負荷量，且傳送至該行為反應蒐集模組，當該使用者完成該學習任務之後，能藉由該學習回饋模組回顧之前的學習歷程，並獲得在各時間點的認知負荷量的變化。
4. 如請求項3所述的工作負荷監控與回饋學習系統，其中，該學習平台還包括一電連接該心率變異度回饋模組、該學習回饋模組、及該行為反應蒐集模組的學習診斷模組，以接收該心率變異度回饋模組、該學習回饋模組、及該行為反應蒐集模組所產生的各種資料，進而產生相關於學習過程的一整體表現數據，並傳送至該行為反應蒐集模組及該學習回饋模組，該整體表現數據包含心率變異度指標數據、認知負荷量的變化、評量成績、任務完成度、學習歷程期間執行錯誤的資訊、及待加強的建議。
5. 如請求項4所述的工作負荷監控與回饋學習系統，其中，該心率變異度監測單元還包括一電連接該心率變異度回饋模組的顯示模組，以接收該認知負荷量，並在該學習平台呈現相關於該學習任務的資訊期間，以不同色階顯示該使用者之認知負荷量是否超過一負荷值，以警示該使用者調整相關的學習策略。
6. 如請求項5所述的工作負荷監控與回饋學習系統，其中，該資料庫還電連接該學習回饋模組及該學習診斷模組，以記錄該學習回饋模組及該學習診斷模組所產生的各種資料。