Door gebruik te maken Elektro Metingen voor Vergelijking van taakspecifieke Neural Efficiëntieverbeteringen: Ruimtelijke Intelligence Tasks

Ruimtelijk inzicht is essentieel voor Science, Technology, Engineering, en wiskunde (STEM) velden en onderwijs en correleert met succes in deze gebieden ^1,2,3. Daarom is het belangrijk voor de ontwikkeling van hoe ruimtelijk inzicht effecten probleemoplossende ⁴ begrijpen. Ruimtelijk inzicht is gekoppeld aan rente ^{5, 6} prestaties, succes in engineering academici ⁷ en succes in engineering professionals ^8. Maar er is niet veel werk aangeeft specifieke neurale processen bij het oplossen typisch vele ruimtelijk inzicht instrumenten, of specifieke inhoud techniek die zeer ruimtelijk.

Dit artikel geeft een inleiding op methoden die worden gebruikt voor het verzamelen en analyseren van ruimtelijk inzicht instrument scores gecombineerd met neurale meetgegevens. De bedoeling van het publiceren met Jupiter is om deze methoden meer toegankelijk voor een breder publiek te maken. Algemeen publiek hardware en software were gebruikt in deze studie. Als methoden papier, zijn volledige resultaten / data sets niet gemeld, noch zijn meerdere monsters verstrekt. Alle beelden werden specifiek vastgelegd voor deze publicatie. De hieronder beschreven methoden werden gebruikt bij het ​​opstellen van een voorlopig verslag van de conferentie ⁹ gebaseerd op de data van acht college tweedejaars leeftijd deelnemers, van wie er drie vrouwen waren.

Veel bestaande instrumenten worden gebruikt om het niveau van ruimtelijk inzicht inherent zijn aan of geleerd door individuen aan te geven. Twee valide en betrouwbare ^10,11 instrumenten die vaak worden gebruikt, zijn de Mental Scherpe Test (MCT) ¹² en de Purdue Ruimtelijke Visualisatie test van rotaties (PSVT: R) ^13. Hoewel oorspronkelijk ontworpen arbeidsongeschikt ¹⁴ van deze instrumenten te testen verschillende stadia van ruimtelijke visualisatie ontwikkeling beschreven door Piaget theorie ^10,15. Het gebruik van deze instrumenten ontstaat de behoefte om te begrijpen de onderliggende fysiologische verschijnselen cognitieve existing wanneer mensen werken door middel van deze problemen. Om deze reden, deze studie is bedoeld om methoden gebruik te maken van empirische fysiologische gegevens die uiteindelijk de analyse en het begrip van ruimtelijke denken kan verbeteren showcase, controleren bestaande metrics testmogelijkheden, en verhoging van de toepasbaarheid van de ruimtelijke assessments om meer complexe problemen die typisch zijn voor technisch onderwijs. Veel van deze problemen kunnen worden aangetroffen in engineering Statics.

Statica is een fundamenteel mechanica cursus geleverd aan de meeste ingenieursstudenten (bijv., Biologische, Werktuigbouwkunde, Civiele, Milieu, Aerospace Engineering) ^16,17. Het is één van de eerste uitgebreide probleemoplossende ervaringen die studenten krijgen in de kern van technische inhoud ^18. Statica omvat de studie van de wisselwerking van krachten op een star lichaam dat in rust of bewegen met een constante snelheid. Helaas Statics heeft een hoge uitval, terugtrekking, en falen tarieven (14% zoals te zien in de inveszochte University) en dit kan worden gerelateerd aan de traditionele lezing en curriculum delivery-modellen dat de belangrijkste wegen van steun, zoals ruimtelijk verbeterde aanpak van het onderwijs weg te laten. Zo kan bijvoorbeeld ruimtelijk verbeterde aanpak in Statica de visualisatie van de manier waarop krachten interactie buiten typische analytische analyse richten en te versterken procedurele kennis van studenten met geaarde conceptualisering. De effectiviteit van dergelijke interventies onderzocht moet worden vanuit een cognitief neurowetenschappelijk perspectief.

Elektro-encefalogram (EEG) presenteert een unieke en mobiele methode voor het meten hersengolfactiviteit studenten. Individuen het uitvoeren van taken die beta activering ontlokken zijn over het algemeen erg bezig met de taak details en zijn alert op wat ze aan het doen zijn ^19,20. Zoals taakeisen verhogen, de amplitude van de bèta golven toeneemt, evenals de omvang van de corticale gebied de bandbreedtes bezetten. Hoe meer neuronen die brand binnende beta frequentiebereik (alpha 8 – 12 Hz, beta: 12 – 24 Hz) kan worden gedefinieerd als meer beta vermogen. Relatedly, als één wordt ervaren in een taak, de amplitude van bètagolven af, die minder energie beta. Dit is onderdeel van de neurale efficiency hypothese ^21-28, waarbij grotere taak ervaring bij het ​​uitvoeren van een taak houdt verband met een afname van frequentiemacht. Hoewel EEG is eerder gebruikt in de studie van ruimtelijk inzicht (vaak mentale rotatie en ruimtelijke navigatietaken) – en toepasselijke data geïdentificeerd in de alfa, beta en theta banden ^27-33 – alfa- en beta banden werden geobserveerd te studie, en beta werd geselecteerd voor verdere representatieve analyse in dit document en in het voorlopig verslag van de conferentie ^9. Onderstaande dus richten op bèta band analyse omschreven procedures, maar een onderzoek naar alle drie de bands, afhankelijk van de geregistreerde gegevens, wordt aanbevolen in de toekomst.

Deneurale efficiency hypothese is getest op diverse taken, zoals schaken, visueel-ruimtelijke geheugen, balanceren, en rusten. Alle hebben aangegeven taak ervaring als factor in een verminderde frequentie van de macht bij het uitvoeren van bekende taken. Eén bepaalde studie ²⁵ heeft bewijs gepresenteerd dat, hoewel de intelligentie van een persoon (zoals gemeten door IQ) kan helpen bij het ​​individu het verwerven van de vaardigheden om een taak, ervaring met de taak uit te voeren opweegt tegen intelligentie in haar bijdrage aan de neurale efficiency. Met andere woorden, de meer ervaren een individu is, hoe efficiënter neurally hij of zij wordt.

Bestaande neurale efficiëntie studies met ruimtelijk inzicht zijn voornamelijk gericht op ruimtelijke rotatie en ander probleem sets zijn gebruikt om verschillende populaties vergelijken (bijv., M / v) ^27-28. EEG-onderzoek van ruimtelijk inzicht taken hebben ook inzicht door het vergelijken van de prestaties van andere soorten taken (bijv., Verbale taken)^27,29,30. De werkwijzen die in dit document nadruk op en vergelijk problemen van de MCT, PSVT: R, en statisch evenwicht taken, die betrekking hebben op ruimtelijk inzicht, maar zijn niet beperkt tot rotatie en ruimtelijke navigatie. Andere ruimtelijke taken kunnen worden gebruikt in plaats van degene die als voorbeeld in dit manuscript. Op deze manier kan extra inzicht in de toekomst met betrekking tot verschillende populaties worden verkregen (bijv., Man / vrouw of deskundige / beginnende) om uiteindelijk te verbeteren techniek onderwijspraktijk.

In een poging om ruimtelijk inzicht en techniek geschiktheid te onderzoeken, hebben we een protocol met behulp van EEG-metingen aan de beta golf activeringen van slecht presterende deelnemers hoog presterende identificeren gedurende een beperkte batterij van specifieke ruimtelijke en technische taken ontwikkeld. In dit geval is de term presteert houdt verband met de uitvoering van de deelnemer, en niet een afspiegeling is van de hoeveelheid tijd in het veld door deleerling, aangezien alle deelnemers op ongeveer hetzelfde moment in hun opleiding. Bovendien, het probleem set betrokken is heel specifiek en basic; dus de termen "expert" of "high performing" hierin niet mag worden beschouwd in de zin van een expert, professioneel werkzaam ingenieur, maar die alleen hoge prestaties in deze smalle stukje techniek mechanica curriculum en ruimtelijk inzicht instrumenten. De neurale metingen kunnen ook worden gebruikt om een ​​bruto trends waarvoor taaktypen kunnen meer cognitieve hulpmiddelen rekruteren dan andere, met betrekking tot mogelijke interpretatie moeilijkheidsgraad identificeren. Deze informatie kan mogelijk inzicht geven in de toekomstige evaluatie en interventie met betrekking tot ruimtelijk inzicht. Andere toekomstige inzicht kan worden verkregen door te kijken naar meer specifieke gebieden van de hersenen, hetgeen niet mogelijk was in dit onderzoek vanwege het beperkte aantal kanalen in het EEG gebruikte hardware.