Utilisant Mesures Électroencéphalographie pour la comparaison des tâches spécifiques aux efficacités Neurones: Tâches Spatial Intelligence

Capacité spatiale est essentielle à la science, technologie, ingénierie et mathématiques (STEM) des champs et de l' éducation et est en corrélation avec le succès dans ces domaines ^1,2,3. Par conséquent, il est important de comprendre le développement de la façon dont les impacts de capacité problème spatial résoudre ^4. Capacité spatiale a été liée à l' intérêt ^{5, 6} performances, succès dans les universitaires d'ingénierie ⁷ et succès professionnels de l' ingénierie ^8. Cependant, il n'y a pas beaucoup de travail indiquant les processus neuronaux spécifiques dans la résolution des problèmes typiques à de nombreux instruments de capacité spatiale, ni le contenu de l'ingénierie spécifique qui est hautement spatiale.

Ce document fournit une introduction aux méthodes utilisées pour la collecte et l'analyse des scores spatiales de l'instrument de capacité combinée avec des mesures neuronaux données. Le but de la publication avec JoVE est de rendre ces méthodes plus accessibles à un plus large public. matériel grand public et wer logiciele utilisés dans cette étude. En tant que document de méthodes, les résultats complets / ensembles de données ne sont pas déclarées, ni plusieurs échantillons fournis. Toutes les images ont été capturées spécifiquement pour cette publication. Les méthodes décrites ci – dessous ont été utilisées dans la préparation d' un rapport préliminaire de la conférence ⁹ sur la base des données de huit collèges sophomore âge participants, dont trois étaient des femmes.

De nombreux instruments existants sont utilisés pour indiquer les niveaux de capacité spatiale inhérente ou appris par des individus. Deux ^10,11 instruments valides et fiables qui sont couramment utilisés sont le Mental Cutting Test (MCT) ¹² et le test Purdue Spatial de visualisation de Rotations (TPSV: R) ^13. Alors qu'à l' origine conçu professionnellement ¹⁴ ces instruments testent différents stades de développement de la visualisation spatiale décrite par la théorie piagétienne ^10,15. L'utilisation de ces instruments crée un besoin de comprendre les phénomènes cognitifs physiologiques sous-jacents existing lorsque les individus travaillent à travers ces problèmes. Pour cette raison, cette étude vise à mettre en valeur des méthodes utilisant des données physiologiques empiriques qui pourraient éventuellement améliorer l'analyse et la compréhension de la pensée spatiale, vérifier métriques capacités de test existants, et d'accroître l'applicabilité des évaluations spatiales des problèmes plus complexes typiques à la formation des ingénieurs. Beaucoup de ces problèmes peuvent être rencontrés dans l'ingénierie Statique.

Statique est une mécanique fondamentaux bien sûr livrés à la plupart des étudiants en génie (par ex., Biologique, mécanique, civil, environnement, génie aérospatial) ^16,17. Il est l' un des premiers à résoudre des problèmes vastes expériences que les étudiants sont donnés dans le contenu de base de l' ingénierie ^18. Statique implique l'étude de l'interaction des forces sur un corps rigide qui est au repos ou se déplace à une vitesse constante. Malheureusement Statique a fort taux d'abandon, le retrait et le taux d'échec (14% comme on le voit dans les invesUniversité tigated) et cela peut être lié à des modèles traditionnels de cours et de programmes de livraison qui omettent des avenues principales de soutien telles que les approches spatialement améliorées à l'éducation. Par exemple, les approches spatialement améliorées en Statique peuvent cibler la visualisation de la façon dont les forces interagissent en dehors de l'analyse analytique typique et renforcer les connaissances procédurales des élèves avec la conceptualisation à la terre. L'efficacité de ces interventions doit être étudiée dans une perspective neuroscientifique cognitive.

Électroencéphalographie (EEG) présente une méthode unique et mobile mesurant l'activité cérébrale des élèves. Les personnes qui effectuent des tâches qui déclenchent l' activation bêta sont généralement très en prise avec les tâches spécifiques et sont attentifs à ce qu'ils font ^19,20. En tant que tâche exige une augmentation de l'amplitude des bêta augmente d'onde, tout comme la taille de la zone corticale les fréquences de bande passante occupent. Les plus de neurones que le feu dans lesla gamme de fréquences bêta (alpha: 8 – 12 Hz, bêta: 12 – 24 Hz) peut être définie comme une plus grande puissance bêta. Dans le même ordre, que l'on devient plus expérimenté dans une tâche, l'amplitude des ondes bêta diminue, générant moins de puissance beta. Cela fait partie de l'efficacité hypothèse neuronal ^21-28, dans lequel une plus grande expérience de la tâche lors de l' exécution d' une tâche est liée à une diminution de la puissance de fréquence. Bien que l' EEG a déjà été utilisé dans l'étude des capacités spatiales (souvent pour la rotation mentale et tâches de navigation spatiales) – et les données applicables ont été identifiés dans l'alpha, bêta et thêta bandes ^27-33 – bandes alpha et bêta ont été observées pour cette étude, et la bêta a été sélectionné pour une analyse représentative dans le présent document et dans le rapport préliminaire de la conférence ^9. Les procédures définies ci-dessous se concentrer ainsi sur l'analyse de la bande bêta, mais une enquête sur les trois bandes, selon les données enregistrées, il est recommandé à l'avenir.

leneuronal hypothèse de l'efficacité a été testée sur diverses tâches, y compris les échecs, la mémoire visuo, équilibrage, et se reposer. Tous ont indiqué l'expérience de la tâche comme un facteur de puissance de fréquence diminué lors de l'exécution des tâches familières. Une étude en particulier ²⁵ a présenté des preuves que, bien que l'intelligence d'une personne (telle que mesurée par le QI) peut aider l'individu à acquérir les compétences nécessaires pour effectuer une tâche, l' expérience de la tâche l' emporte sur l' intelligence dans sa contribution à l' efficacité neural. En d'autres termes, plus connu un individu est, l'il ou elle devient plus efficace neurale.

Études existantes d'efficacité neuronaux impliquant la capacité spatiale ont principalement porté sur la rotation spatiale, et différents ensembles de problèmes ont été utilisés pour comparer les différentes populations (par exemple., Mâle / femelle) ^27-28. Les études EEG de tâches spatiales de capacité ont également fourni un aperçu en comparant les performances à d' autres types de tâches (par exemple., Tâches verbales)^27,29,30. Les méthodes discutées dans ce foyer de papier sur et de comparer les problèmes de la MCT, TPSV: R, ainsi que des tâches d'équilibre statique, qui sont liés à la capacité spatiale, mais ne sont pas limités à la rotation spatiale et la navigation. D'autres tâches spatiales peuvent être utilisées à la place de ceux donnés comme exemples dans ce manuscrit. De cette façon, un aperçu supplémentaire peut être obtenue à l'avenir en ce qui concerne les différentes populations (par exemple., Mâle / femelle ou expert / novice) pour finalement aider à améliorer les pratiques pédagogiques d'ingénierie.

Dans un effort pour enquêter sur la capacité spatiale et de l'aptitude de l'ingénierie, nous avons développé un protocole en utilisant les mesures EEG pour identifier les activations d'ondes bêta de faible rendement aux participants très performants au cours d'une autonomie limitée des tâches spatiales et techniques spécifiques. Dans ce cas, le terme interprète de haut est lié à la performance du participant, et ne reflète pas la quantité de temps passé sur le terrain par leapprenant, que tous les participants étaient à peu près au même point dans leur éducation. En outre, l'ensemble des problèmes en jeu est tout à fait spécifique et de base; ainsi les termes «experts» ou «haute performance» ici ne doivent pas être considérés dans le sens d'un expert, ingénieur professionnel employé, mais ne représente que des performances élevées dans cette tranche étroite de l'ingénierie mécanique programmes et instruments de capacité spatiale. Les mesures de neurones peuvent également être utilisés pour identifier les tendances brutes pour quels types de tâches peuvent recruter davantage de ressources cognitives que les autres, avec une interprétation possible concernant les niveaux de difficulté. Cette information peut potentiellement fournir un aperçu de l'évaluation et de l'intervention future à l'égard de la capacité spatiale. Futur autre idée peut être dérivée en tenant compte des régions plus spécifiques du cerveau, qui n'a pas été possible dans cette étude en raison du nombre limité de canaux disponibles dans le matériel utilisé EEG.