ניצול מדידות Electroencephalography להשוואה של יעילות עצבית משימה ספציפית: משימות אינטליגנציה מרחבית
Summary
כתב יד זה מתאר גישה למדידת פעילות עצבית של בני אדם תוך פתרון בעיות הנדסיות ממוקדות מרחבית. המתודולוגיה אלקטרואנצפלוגרם עוזרת לפרש מדידות גלי המוח בטאו במונחים של יעילות עצבית, במטרה בסופו של דבר המאפשר השוואות ביצוע משימות הן בין סוגי בעיה ובין משתתפים.
Abstract
אינטליגנציה מרחבית לעתים קרובות קשורה להצלחה במקצועות הנדסת חינוך והנדסה. שימוש electroencephalography מאפשר חישוב השוואתי של היעילות העצבית "אנשים כפי שהם מבצעים משימות רצופות הדורשות יכולת מרחבית לגזור פתרונות. יעילות עצבית כאן מוגדרת כבעלת הפעלה בטא פחות, ולכן משקיעים פחות משאבים עצביים, כדי לבצע משימה בהשוואה לקבוצות אחרות או משימות אחרות. להשוואות-משימה היתר משימות עם במח"מ דומה, מדידות אלה עשויות לאפשר השוואה של קושי סוג המשימה. להשוואות תוך משתתף והבנתי-משתתף, מדידות אלה מספקים תובנה פוטנציאל לתוך של רמת המשתתף של יכולת מרחבית בעיה הנדסית שונות משימות לפתרון. ביצועים על המשימות שנבחרו ניתן לנתח בקורלציה עם פעילות בטא. עבודה זו מציגה פרוטוקול מחקר מפורט לומד את היעילות העצבית של הסטודנטים engיישון את הפותר ביכולת המרחבית טיפוסית ובעיות סטטיקה. התלמידי מילא בעיות ספציפיות אל הנפש חיתוך מבחן (MCT), מבחן ויזואליזציה פרדו מרחבית של סיבובים (PSVT: R), ואת סטטיקה. בעוד עוסקת בפתרון בעיות אלה, גלי המוח של המשתתפים נמדדו עם EEG המאפשר נתונים שייגבו בדבר הפעלת ושימוש גלי אלפא ובטא המוח. העבודה נראית לתאם ביצוע תפקודי על משימות מרחביות טהורות עם משימות הנדסה אינטנסיביות מרחבית לזהות את המסלולים לביצועים מוצלחים בהנדסת שיפורים שנוצרו משום כך בחינוך הנדסה שעלולה להופיע.
Introduction
יכולת מרחבים חיונית למדע, טכנולוגיה, הנדסה, מתמטיקה (STEM) שדות וחינוך וקושר עם הצלחה בתחומים אלה 1,2,3. לכן, חשוב להבין את ההתפתחות של איך הבעיה משפיעה ביכולת המרחבית לפתרון 4. ביכולת המרחבית כבר צמודה לריבית 5, ביצועי 6, הצלחה אקדמאית הנדסת 7 והצלחת מקצוע הנדסה 8. עם זאת, אין הרבה עבודה המציין תהליכים עצביים ספציפיים בפתרון בעיות אופייניות למכשירים ביכולת המרחבית רבים, ולא תוכן הנדסה מסוים הזה הוא מאוד מרחבית.
מאמר זה מספק מבוא לשיטות המשמשות לאיסוף נתונים וניתוח של עשרות כלים ביכולת המרחבית בשילוב עם מדידות עצביות. הכוונה של פרסום עם יופיטר היא להפוך שיטות אלה לנגישים יותר לקהל רחב יותר. חומרת wer תוכנה ציבורית כלליותדואר מנוצל במחקר זה. כתוצאת נייר שיטות, תוצאות מלאות / ערכות נתונים אינן מדווחות, ולא הוא דוגמאות רבות מסופקות. כל התמונות נתפסו במיוחד עבור פרסום זה. השיטות, כמפורט להלן נוצלו בהכנת דו"ח כנס ראשוני 9 מבוסס על נתונים משמונה מכללת משתתפים שני עמידה, שלושה מהם היו נשים.
רבים מהמכשירים הקיימים משמשים כדי לציין רמות של יכולת מרחבית אינהרנטי או למדו על ידי יחידים. שני תקף ומהימן 10,11 מכשירים המשמשים בדרך כלל הם הנפש חיתוך מבחן (MCT) 12 ואת הבדיקה ובראייה מרחבית Purdue של סיבובים (PSVT: R) 13. בעוד במקור occupationally תוכנן 14 מכשירים אלה לבדוק בשלבים שונים של פיתוח ובראייה מרחבית שתיאר פיאז'ה התיאוריה 10,15. השימוש במכשירים אלה יוצר צורך להבין את התופעות הקוגניטיביות הפיזיולוגיות הבסיסיות existinכאשר g אנשים לעבוד דרך בעיות אלה. מסיבה זו, מחקר זה נועד להציג שיטות ניצול נתונים פיסיולוגיים אמפיריים שעשוי בסופו של דבר לשפר את הניתוח והבנה של מחשבת מרחבית, ודא יכולות בדיקה מערכים קיימות, ולהגדיל את תחולת ערכות מרחבית ליותר מורכב בעיות אופייניות לחינוך הנדסה. רבות מן הבעיות האלה ניתן נתקל סטטיקה הנדסה.
סטטיקה הוא מכניקת יסוד כמובן נמסרה הסטודנטים להנדסה ביותר (למשל., ביולוגי, מכאני, אזרחי, הסביבה, הנדסת אווירונוטיקה וחלל) 16,17. זוהי אחת החוויות לפתרון בעיה הנרחבות הראשונות שסטודנטים מקבלים בתוכן הנדסת ליבת 18. סטטיקה כרוך בחקר האינטראקציה של כוחות על גוף נוקשה כי נמצא במנוחה או נע במהירות קבועה. למרבה הצער יש סטטיקה גבוהה נשירה, נסיגה, שיעורי כישלון (14% כפי שניתן לראות investigated אונ') וזה עשוי להיות קשור מודלי משלוח הרצאת לימודים מסורתיים להשמיט שדרות מוקד תמיכה כגון גישות משופרות מרחבית לחינוך. לדוגמא, גישות משופרות מרחבית ב סטטיקה יכולות למקד ההדמיה של איך כוחות האינטראקציה מחוץ ניתוח אנליטי טיפוסי ולחזק ידע הפרוצדורלי של התלמידים עם משגה מקורקע. היעילות של התערבויות כאלה צריכה להיחקר מנקודת מבט neuroscientific קוגניטיבית.
Electroencephalography (EEG) מציג שיטה ייחודית ניידת למדידת פעילות גלי המוח של התלמידים. אנשי ביצוע משימות אשר לעורר הפעלה בטאה עוסקים מאוד בדרך כלל עם פרטי המשימה והם קשובים למה שהם עושים 19,20. כמשימה דורשת עלייה, משרעת של עליות הגל בטא, כפי שעושה גודל שטח קליפת מוח תדרי רוחב הפס לכבוש. ככל נוירונים שיורים בתוךטווח התדרים בטאו (אלפא: 8 – 12 הרץ, בטא: 12 – 24Hz) יכול להיות מוגדר כ כוח מבטא יותר. Relatedly, כאחד הופך מנוסה יותר במשימה, את המשרעת של גלי ביתא פוחתת, להפקת חשמל בטא פחות. זהו חלק ההשערה היעילה העצבית 21-28, שבו משימה יותר הניסיון בעת ביצוע משימה קשורה לירידת כוח התדר. למרות EEG נעשה בה שימוש בעבר בחקר יכול מרחביות (לעתים קרובות עבור סיבוב נפשי משימות ניווט מרחבית) – ונתוני חלים זוהו אלפא, בטא, תטא להקות 27-33 – אלפא ולהקות בטא נצפו לכך מחקר, ובטא נבחרו לניתוח נציג נוסף במאמר זה ובדוח הכנס הראשוני 9. הנהלים המוגדרים להלן ובכך להתמקד ניתוח להקה בטא, אבל בחקירה כל שלוש הלהקות, בהתאם לנתונים המחוברים, מומלץ בעתיד.
ההשערה יעילה עצבית נבדקה על משימות שונות, כוללים שחמט, זיכרון visuospatial, איזון, ולנוח. כל הראה משימת ניסיון כגורם כוח תדר ירד בעת ביצוע מטלות מוכרות. במחקר אחד מסוים 25 הציג ראיות לכך, למרות האינטליגנציה של אדם (כפי שנמדד על ידי IQ) יכולה לעזור לאדם לרכוש את הכישורים לבצע משימה, ניסיון עם המשימה עולה מודיעין בתרומתו יעילות עצבית. במילים אחרות, ככל חווה היא אינדיווידואלית, יותר עצבית יעיל הוא או היא הופכת.
קיימים מחקרים יעילים עצביים המעורבים ביכולת המרחבית התמקדו בעיקר סיבוב מרחבית, וערכות בעיה אחרות שמשו כדי להשוות אוכלוסיות שונות (למשל., זכר / נקבה) 27-28. מחקרי EEG של משימות ביכולת המרחבית גם ספקו תובנה על ידי השוואת ביצועים לסוגי משימה אחרות (למשל., משימות מילוליות)27,29,30. השיטות שנדונו בפוקוס במאמר זה על ולהשוות בעיות מן MCT, PSVT: R, כמו גם משימות של שיווי משקל סטטי, אשר קשור ביכולת המרחבית אך אינם מוגבלות סיבוב מרחבית וניווט. משימות מרחביות אחרות עשויות לשמש במקום של אלה נתון כדוגמאות בכתב היד הזה. בדרך זו, תובנה נוספת ניתן לקבל בעתיד לגבי אוכלוסיות שונות (למשל., זכר / נקבה או מומחה / טירון) בסופו של דבר לעזור לשפר את שיטות חינוך הנדסה.
במאמץ לחקור יכולת מרחבית כשרון הנדסי, פתחנו פרוטוקול ניצול מדידות EEG לזהות הפעלות גל בטא של תפקוד נמוך למשתתפים בעל ביצועים ברמה גבוהים במהלך סוללה מוגבלת של משימות מרחביות והנדסה ספציפיות. במקרה זה, בעל הביצועים הגבוהים טווח קשור לביצועי המשתתף, והוא לא משקף את כמות הזמן המושקע בתחום ידילומד, כמו כל המשתתפים היו בערך באותה הנקודה בחינוך שלהם. בנוסף, סט הבעיה המעורב הוא די ספציפי ובסיסי; ובכך המונחים "מומחה" או "בעל ביצועים ברמה גבוהים" בזאת אין לראות במובן של מומחה, מהנדס מועסק באופן מקצועי, אבל מייצגי ביצועים גבוהים רק הפרוסה הצרה הזה של לימודי מכניקה הנדסיים ומכשירים ביכולת המרחבית. המדידות העצביות יכולות לשמש גם כדי לזהות כל מגמות ברוטו עבור אילו סוגי המשימה עשויים לגייס יותר משאבים קוגניטיביים יותר מאחרים, עם פרשנות אפשרית לגבי רמות קושי. מידע זה עשוי פוטנציאל לספק תובנה הערכה בעתיד והתערבות בכל הנוגע ליכולת מרחבית. תובנה בעתיד אחרת עשויה להיות שמפיקה בהתחשב לאזורים ספציפיים יותר של המוח, דבר שלא היה אפשרי במחקר זה עקב המספר המצומצם של ערוצים זמינים חומרת EEG בשימוש.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול דן ביישום של electroencephalography כדי למדוד את פעילות המוח למשתתפים לעבוד בעיות משני מכשירים ביכולת המרחבית טיפוסי ובעיות סטטיקה הנדסה מרחבית מאוד. השיטות המפורטות כאן עשויות בסופו של דבר יוכל לעזור להבין את היעילות העצבית של בעלות ביצועים גבוהות ונמוכים עוסקים בע…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות כריסטופר גרין, ברדלי רובינסון, ומריה מנואלת Valladares, שעזר באיסוף נתונים. מימון לציוד EEG סופק על ידי משרד אונ' יוטת מדינת מחקר בוגר לימודי ציוד מענק מעבדת קוגניציה הרבה החושית של קרי ירדן. בנימין שיחה נתמך על ידי עמיתי מחקר דוקטורט לנשיאות השיגו מבית הספר של אוניברסיטת יוטה ללימודים מתקדמים עבור עבודתו עם ד"ר וייד 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).
