استخدام قياسات كهربية لمقارنة الكفاءة العصبية المهام المحددة ل: مهام المكانية الاستخبارات
Summary
توضح هذه المخطوطة نهجا لقياس النشاط العصبي للإنسان حين حل المشاكل الهندسية مكانيا تركيزا. منهجية الكهربائي يساعد على تفسير القياسات موجة الدماغ بيتا من حيث الكفاءة العصبية، وذلك بهدف تمكين في نهاية المطاف مقارنات بين أداء مهمة سواء بين أنواع المشكلة وبين المشاركين.
Abstract
وغالبا ما يرتبط الاستخبارات المكاني للنجاح في التعليم الهندسي والهندسة المهن. استخدام كهربية يمكن حساب مقارن للكفاءة العصبية الأفراد لأنها تؤدي المهام المتعاقبة التي تتطلب القدرة المكانية لاستخلاص الحلول. يتم تعريف الكفاءة العصبية هنا وجود أقل تفعيل بيتا، وبالتالي إنفاق الموارد العصبية أقل، لتنفيذ مهمة بالمقارنة مع المجموعات الأخرى أو غيرها من المهام. لإجراء مقارنات بين مهمة من المهام مع فترات مماثلة، قد تكون هذه القياسات يمكن المقارنة بين نوع المهمة صعوبة. مقابل مشارك داخل وفيما بين المشاركين المقارنات، وتوفر هذه القياسات البصيرة المحتملة إلى مستوى المشارك من القدرة المكانية ومختلف مهام حل المشكلات الهندسية. الأداء على المهام المحددة يمكن تحليلها وربطها مع الأنشطة بيتا. يعرض هذا العمل على بروتوكول بحث مفصل دراسة كفاءة العصبية للطلاب المهندسالذين تتراوح أعمارهم بين في حل من القدرة المكانية نموذجية والمشاكل احصائيات. أكمل الطلاب مشاكل محددة إلى العقلية قطع اختبار (MCT)، بوردو المكانية التصور اختبار دوران (PSVT: R)، وعلم السكون. في حين تشارك في حل هذه المشاكل، تم قياس موجات المخ المشاركين مع مجموعة الإمارات للبيئة تسمح البيانات التي سيتم جمعها فيما يتعلق ألفا وبيتا الدماغ تفعيل موجة واستخدامها. العمل يتطلع إلى ربط الأداء الوظيفي على المهام المكانية نقية مع المهام الهندسية المكثفة مكانيا لتحديد مسارات للأداء الناجح في مجال الهندسة وينجم عن ذلك من تحسينات في التعليم الهندسي التي يمكن ان تتبع.
Introduction
القدرة المكانية أمر حيوي لعلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM) الحقول والتعليم، ويرتبط مع النجاح في هذه المناطق 1،2،3. وبالتالي، فمن المهم أن نفهم تطوير كيفية تأثير القدرة مشكلة المكانية حل 4. وقد تم ربط القدرة المكانية لفائدة 5، 6 الأداء، والنجاح في الأكاديميين الهندسة 7 والنجاح في المهنيين الهندسة 8. ومع ذلك، ليس هناك الكثير من العمل مشيرا العمليات العصبية محددة في حل المشاكل النموذجية في كثير من الصكوك القدرة المكانية، ولا محتوى الهندسة محدد غير المكانية للغاية.
تقدم هذه الورقة مقدمة إلى الأساليب المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها من عشرات القدرة أداة المكانية جنبا إلى جنب مع القياسات العصبية. القصد من نشر مع إن الرب هو جعل هذه الأساليب في متناول جمهور أوسع. الأجهزة الجمهور العام وور البرمجياتالبريد المستخدمة في هذه الدراسة. كورقة الأساليب، لا يتم الإبلاغ عن النتائج الكاملة / مجموعات البيانات، ولا هم عينات متعددة المقدمة. تم القبض على جميع الصور خصيصا لهذا المنشور. تم استخدام الأساليب المفصلة أدناه في إعداد تقرير مؤتمر الأولي 9 استنادا إلى بيانات من ثمانية الكلية المشاركين في السنة الثانية الذين تتراوح أعمارهم بين ثلاثة منهم من الإناث.
وتستخدم العديد من الأدوات الموجودة تشير إلى مستويات القدرة المكانية الملازمة لأو المستفادة من الأفراد. اثنان صحيحة وموثوقة 10،11 الأدوات التي تستخدم عادة هي العقلية قطع اختبار (MCT) 12 واختبار بوردو المكانية تصور دوران (PSVT: R) 13. بينما في الأصل مصممة مهنيا 14 هذه الصكوك اختبار مراحل مختلفة من التنمية التصور المكاني وصفها نظرية Piagetian 10،15. استخدام هذه الأدوات يخلق الحاجة إلى فهم الظواهر المعرفية الفسيولوجية الأساسية existinز عندما يعمل الأفراد من خلال هذه المشاكل. لهذا السبب، وتهدف هذه الدراسة إلى تسليط الضوء أساليب استخدام البيانات الفسيولوجية التجريبية قد تحسن في نهاية المطاف إلى تحليل وفهم الفكر المكاني، تحقق من مقاييس اختبار قدرات القائمة، وزيادة تطبيق المقررة المكانية مشاكل أكثر تعقيدا النموذجية للتعليم الهندسي. العديد من هذه المشاكل يمكن أن يكون مصادفة في الهندسة احصائيات.
احصائيات هو الميكانيكا التأسيسية تسليم بالطبع لمعظم طلاب الهندسة (على سبيل المثال. والبيولوجية والميكانيكية والمدنية والبيئية، هندسة الفضاء) 16،17. وهو واحد من أول حل مشكلة الخبرات الواسعة التي تعطى للطلاب في محتوى الهندسة الأساسية 18. ينطوي احصائيات دراسة تفاعل قوى على جسم جامد التي هي في بقية أو تتحرك بسرعة منتظمة. للأسف احصائيات ديه التسرب عالية، والانسحاب، ومعدلات الفشل (14٪ كما رأينا في التحرياتجامعة tigated) وهذه قد تكون ذات صلة نماذج تقديم المحاضرات والمناهج التقليدية التي حذفت السبل الأساسية لدعم مثل نهج تعزيز مكانيا في التعليم. على سبيل المثال، يمكن للنهج تعزيز مكانيا في احصائيات تستهدف تصور كيفية تفاعل قوى خارج الفحص التحليلي نموذجي وتعزيز معرفة الطلاب الإجرائية مع مفاهيم الارض. فعالية مثل هذه التدخلات يجب أن يتم التحقيق من منظور العلمي العصبي المعرفي.
كهربية (EEG) يقدم طريقة فريدة والمتنقلة لقياس النشاط الفكرة الرائعة الطلاب. والأفراد الذين يؤدون مهام انتزاع تفعيل بيتا عموما تشارك جدا مع تفاصيل مهمة ويقظة لماذا يفعلون 19،20. كما تتطلب مهمة زيادة واتساع الزيادات موجة بيتا، وكذلك حجم المنطقة القشرية ترددات النطاق الترددي تحتل. والمزيد من الخلايا العصبية التي تطلق فييمكن تعريفها بأنها قوة أكبر بيتا نطاق الترددات بيتا (24Hz: – – 12 ألفا 8 12 هرتز، بيتا). وفيما يتصل بذلك، ويصبح واحدا أكثر خبرة في مهمة، واتساع موجات بيتا النقصان، وتوليد الطاقة أقل بيتا. هذا هو جزء من كفاءة فرضية العصبية 21-28، التي تجربة مهمة أكبر عند تنفيذ مهمة يرتبط إلى نقص في القوة تردد. مع أنه كان قد تم استخدام مجموعة الإمارات للبيئة في دراسة القدرات المكانية (في كثير من الأحيان للدوران العقلي والمهام الملاحة المكانية) – ولقد تم تحديد البيانات التي يمكن تطبيقها في ألفا، بيتا، وثيتا العصابات 27-33 – لوحظت ألفا وبيتا العصابات لهذا وقد تم اختيار الدراسة، وبيتا لمزيد من التحليل تمثيلي في هذه الورقة، وفي تقرير مؤتمر الأولي 9. للإجراءات المحددة أدناه بالتالي التركيز على تحليل الفرقة بيتا، ولكن التحقيق في كل المجموعات الثلاث، اعتمادا على البيانات المسجلة، ويوصى في المستقبل.
الوقد تم اختبار العصبية كفاءة فرضية على مختلف المهام، بما في ذلك لعبة الشطرنج، والذاكرة إبصاري فراغي، وتحقيق التوازن، ويستريح. وقد أشار كل تجربة مهمة كعامل في تردد السلطة انخفض عند تنفيذ المهام المألوفة. وقد قدمت واحدة بعينها الدراسة 25 الأدلة إلى أنه على الرغم من أن ذكاء الشخص (مقاسا IQ) يمكن أن تساعد الفرد على اكتساب المهارات اللازمة لأداء هذه المهمة، والخبرة بمهمة تفوق المخابرات في مساهمتها في الكفاءة العصبية. وبعبارة أخرى، فإن أكثر خبرة الفرد، وأكثر كفاءة neurally انه أو انها يصبح.
دراسات الكفاءة العصبية القائمة التي تنطوي على القدرة المكانية وركزت في المقام الأول على دوران المكاني، واستخدمت مجموعات مشكلة من نوع آخر للمقارنة بين مختلف السكان (على سبيل المثال، ذكور / إناث) 27-28. وقد قدمت الدراسات EEG المهام القدرة المكانية أيضا البصيرة من خلال مقارنة الأداء لأنواع مهمة أخرى (على سبيل المثال، المهام اللفظية)27،29،30. الأساليب مناقشتها في هذا التركيز رقة عن ومقارنة المشاكل من MCT، PSVT: R، وكذلك المهام التوازن الثابتة، التي ترتبط القدرة المكانية ولكن لا تقتصر على دوران المكاني والملاحة. ويمكن استخدام المهام المكانية أخرى بدلا من تلك كأمثلة في هذه المخطوطة. وبهذه الطريقة، يمكن الحصول على نظرة إضافية في المستقبل بشأن مجموعات سكانية مختلفة (على سبيل المثال، ذكر / أنثى أو خبير / مبتدئ) لتساعد في نهاية المطاف تحسين الممارسات التعليمية الهندسية.
في محاولة لتحقيق القدرة المكانية والكفاءة الهندسية، قمنا بتطوير بروتوكول باستخدام القياسات EEG لتحديد التنشيط موجة بيتا من أداء منخفض للمشاركين عالية الأداء خلال بطارية محدودة من المهام المكانية والهندسة محددة. في هذه الحالة، فإن مصطلح عالية الأداء يرتبط بأداء المشاركين، وليس تعبيرا عن مقدار الوقت الذي يقضيه في الميدان الذيالمتعلم، وكذلك جميع المشاركين تقريبا في نفس النقطة في تعليمهم. بالإضافة إلى ذلك، مجموعة مشكلة المعنية غير محددة تماما والأساسية؛ وبالتالي مصطلحي "الخبير" أو "عالية الأداء" هنا يجب ألا ينظر بالمعنى خبير ومهندس يعملون مهنيا، ولكن يمثل الأداء العالي فقط في هذه الشريحة الضيقة الهندسة الميكانيكا المناهج والأدوات القدرة المكانية. ويمكن أيضا أن القياسات العصبية أن تستخدم لتحديد أي اتجاهات الإجمالية لأي نوع من أنواع مهمة قد توظيف المزيد من الموارد المعرفية من غيرها، مع تفسير محتمل بشأن مستويات من الصعوبة. هذه المعلومات يحتمل أن توفر نظرة ثاقبة التقييم والتدخل المستقبلي فيما يتعلق القدرة المكانية. يمكن اشتقاق رؤية مستقبلية أخرى من خلال النظر في المناطق الأكثر محددة من الدماغ، والتي لم يكن ممكنا في هذه الدراسة نظرا لعدد محدود من القنوات المتاحة في الأجهزة EEG المستخدمة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يناقش بروتوكول تطبيق كهربية لقياس نشاط المخ للمشاركين مشاكل العمل من صكين القدرة المكانية النموذجية والمشاكل الهندسية احصائيات المكانية للغاية. طرق مفصلة هنا قد تكون في نهاية المطاف قادرة على مساعدة في فهم كفاءة العصبية فناني الأداء العالية والمنخفضة تشارك في الع?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أن نعترف كريستوفر الأخضر، برادلي روبنسون، وماريا مانويلا فاياداريس، للمساعدة في جمع البيانات. تم توفير التمويل للمعدات EEG بواسطة مكتب جامعة ولاية يوتا من البحوث والدراسات العليا معدات غرانت إلى متعدد الحواس الإدراك مختبر كيري في الأردن. ويدعم بنيامين دعوة من الرئاسة الدكتوراه زمالة أبحاث يتحقق من كلية جامعة ولاية يوتا في الدراسات العليا لعمله مع الدكتور واد في Goodridge.
Materials
| Emotiv EPOC Model 1.0 | Emotiv | Model: Emotiv Premium | "High resolution, multi-channel, portable EEG system." |
| Emotiv Control Panel (software) | Emotiv | Used for data collection. | |
| Emotiv Testbench (software) | Emotiv | Used for data collection. | |
| Virtual Serial Port Emulator – VSPE (software) | ETERLOGIC.COM | Used COM10 in data collection. Available as a free download, depending on the operating system. | |
| E-Prime 2.0 (software) | Psychology Software Tools | Used for data collection (presentation of problems to participants and collection of markers for different phases). | |
| EEGLab 13.4.4b (software) | Swartz Center for Computational Neuroscience (SCCN) | Used for data analysis. "An open source environment for electrophysiological signal processing". SCCN is a Center of the Institute for Neural Computation, the University of California San Diego. | |
| MATLAB R2014b | The Mathworks, Inc. | Used to run EEGLab | |
| Microsoft Excel 2013 | Microsoft | Used to assemble and compare tabulated results from EEGLab & MATLAB, to create tables | |
| Camcorder with built in Mic | Canon | CNVHFR50 | Used to record sessions |
| Syringe Kit (5cc syringe & 2 16g blunted needles) | Electro-Cap Intnl. Inc. | E7 | For keeping the EEG cap's felts damp. |
| Nuprep EEG Skin Prep Gel | Weaver and Company | 10-30 | For cleaning the mastoid process. |
| Sanitizer | Purell | S-12808 | For sanitizing hands |
References
- Sorby, S. A. Educational Research in Developing 3-D Spatial Skills for Engineering Students. Int. J. Sci. Educ. 31 (3), 459-480 (2009).
- Wai, J., Lubinski, D., Benbow, C. P. Spatial Ability for STEM Domains: Aligning Over 50 Years of Cumulative Psychological Knowledge Solidifies Its Importance. J. Educ. Psychol. 101 (4), 817-835 (2009).
- Uttal, D. H., Cohen, C. A. Spatial Thinking and STEM Education: When, Why, and How?. Psychol. Learn. Motiv. 57, 147-181 (2012).
- Halpern, D. F., Collaer, M. L. . The Cambridge handbook of visuospatial thinking. , (2005).
- Lubinski, D., Benbow, P. Study of mathematically precocious youth after 35 years. Perspect. Psychol. Sci. 1 (4), 316-345 (2006).
- Sorby, S., Casey, B., Veurink, N., Dulaney, A. The role of spatial training in improving spatial and calculus performance in engineering students. Learn. Individ. Differ. 26, 20-29 (2013).
- Peters, M., Chisholm, P., Laeng, B. Spatial ability, student gender, and academic performance. J. Eng. Educ. 84 (1), 1-5 (1994).
- Pellegrino, J. W., Alderton, D. L., Shute, V. J. Understanding Spatial Ability. Educ. Psychol. 19 (3), 239-253 (1984).
- Goodridge, W., Villanueva, I., Wan, N. J., Call, B. J., Valladares, M. M., Robinson, B. S., Jordan, K. Neural efficiency similarities between engineering students solving statics and spatial ability problems. Poster presented at the meeting of the Society for Neuroscience. , (2014).
- Sorby, S. A., Baartmans, B. J. The Development and Assessment of a Course for Enhancing the 3-D Spatial Visualization Skills of First Year Engineering Students. J. Eng. Educ. 89 (3), 301-307 (2000).
- Gorska, R., Sorby, S. A. Testing instruments for the assessment of 3-D spatial skills. Proceedings of the American Society for Engineering Education Annual Conference. , (2008).
- . . CEEB Special aptitude test in spatial relations. , (1939).
- Guay, R. . Purdue spatial visualization test. , (1976).
- Hegarty, M. . Components of Spatial Intelligence. , (2010).
- Bishop, J. E. Developing Students’ Spatial Ability. Sci. Teacher. 45 (8), 20-23 (1978).
- Goodridge, W. H., Villanueva, I., Call, B. J., Valladares, M. M., Wan, N., Green, C. Cognitive strategies and misconceptions in introductory Statics problems. 2014 IEEE Frontiers in Education Conference (FIE) Proceedings. , 2152-2159 (2014).
- Steif, P. S., Dantzler, J. A. A Statics Concept Inventory: Development and Psychometric Analysis. J. Eng. Educ. 94 (4), 363-371 (2005).
- Suresh, R. The relationship between barrier courses and persistence in engineering. J. Coll. Student Retention. 8 (2), 215-239 (2006).
- Pfurtscheller, G., Lopes da Silva, F. H. Event-related EEG/MEG synchronization and desynchronization: basic principles. Clin. Neurophysiol. 110 (11), 1842-1857 (1999).
- Klimesch, W. EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis. Brain Res. Brain Res. Rev. 29 (2-3), 169-195 (1999).
- Babiloni, C., et al. Resting state cortical rhythms in athletes: a high-resolution EEG study. Brain Res. Bull. 81 (1), 149-156 (2010).
- Babiloni, C., et al. 34;Neural efficiency" of experts’ brain during judgment of actions: a high-resolution EEG study in elite and amateur karate athletes. Behav. Brain Res. 207 (2), 466-475 (2010).
- Del Percio, C., et al. "Neural efficiency" of athletes’ brain for upright standing: a high-resolution EEG study. Brain Res. Bull. 79 (3-4), 193-200 (2009).
- Grabner, R. H., Fink, A., Stipacek, A., Neuper, C., Neubauer, A. C. Intelligence and working memory systems: evidence of neural efficiency in alpha band ERD. Brain Res. Cognitive Brain Res. 20 (2), 212-225 (2004).
- Grabner, R. H., Neubauer, A. C., Stern, E. Superior performance and neural efficiency: the impact of intelligence and expertise. Brain Res. Bull. 69 (4), 422-439 (2006).
- Grabner, R. H., Stern, E., Neubauer, A. C. When intelligence loses its impact neural efficiency during reasoning in a familiar area. Int. J. Psychophysiol. 49, 89-98 (2003).
- Neubauer, A. C., Grabner, R. H., Fink, A., Neuper, C. Intelligence and neural efficiency: Further evidence of the influence of task content and sex on the brain-IQ relationship. Cognitive Brain Res. 25 (1), 217-225 (2005).
- Riecanský, I., Katina, S. Induced EEG alpha oscillations are related to mental rotation ability: The evidence for neural efficiency and serial processing. Neurosci. Lett. 482 (2), 133-136 (2010).
- Roberts, J. E., Ann Bell, M. Two- and three-dimensional mental rotation tasks lead to different parietal laterality for men and women. Int. J. Psychophysiol. 50 (3), 235-246 (2003).
- Roberts, J. E., Bell, M. A. The effects of age and sex on mental rotation performance, verbal performance, and brain electrical activity. Dev. Psychobiol. 40 (4), 391-407 (2002).
- Gill, H. S., O’Boyle, M. W., Hathaway, J. Cortical distribution of EEG activity for component processes during mental rotation. Cortex. 34 (5), 707-718 (1998).
- Caplan, J. B., Madsen, J. R., Schulze-Bonhage, A., Aschenbrenner-Scheibe, R., Newman, E. L., Kahana, M. J. Human Theta Oscillations Related to Sensorimotor Integration and Spatial Learning. The J. Neurosci. 23 (11), 4726-4736 (2003).
- Kahana, M., Sekuler, R., Caplan, J., Kirschen, M., Madsen, J. R. Human theta oscillations exhibit task dependence during virtual maze navigation. Nature. 399 (6738), 781-784 (1999).
- Delorme, A., Makeig, S. EEGLAB: An open source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics including independent component analysis. J. Neurosci. Meth. 134, 9-21 (2004).
- Delorme, A., Sejnowski, T., Makeig, S. Enhanced detection of artifacts in EEG data using higher-order statistics and independent component analysis. NeuroImage. 34, 1443-1449 (2007).
- Meyer-Lindenberg, A. From maps to mechanisms through neuroimaging of schizophrenia. Nature. 468, 194-202 (2010).
- Campbell, S. R., Patten, K. E., Campbell, S. R. Educational Neuroscience: Motivations, methodology, and implications. Educ. Neurosci.: Initiatives and Emerging Issues. 43 (1), 7-16 (2011).
- Kelly, A. E., Patten, K. E., Campbell, S. R. Can Cognitive Neuroscience Ground a Science of Learning?. Educ. Neurosci.: Initiatives and Emerging Issues. 43 (1), 17-23 (2011).
- Cunningham, M. D., Murphy, P. J. The effects of bilateral EEG biofeedback on verbal, visual-spatial, and creative skills in learning disabled male adolescents. J. Learn. Disabil. 14 (4), 204-208 (1981).
