Utilizando Medidas Eletroencefalografia para Comparação de Eficiência Neurais Task-específicos: Tarefas Spatial Intelligence

Habilidade espacial é vital para a Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática (STEM) campos e educação e correlaciona-se com sucesso nestas áreas ^1,2,3. Portanto, é importante para compreender o desenvolvimento de impactos como espacial capacidade de resolução de problemas ^4. Habilidade espacial tem sido associada a juros de ^5, desempenho ^6, sucesso nos estudos de engenharia ⁷ e sucesso em profissionais de engenharia ^8. No entanto, não há um monte de trabalho, indicando processos neurais específicos na resolução de problemas típicos de muitos instrumentos habilidade espacial, nem conteúdo de engenharia específica que é altamente espacial.

Este documento fornece uma introdução aos métodos utilizados para a coleta e análise de pontuação de instrumentos capacidade espaciais combinadas com medidas neurais dados. A intenção de publicar com JoVE é fazer com que esses métodos mais acessível a um público mais amplo. hardware público em geral e wer softwaree utilizada neste estudo. Como um papel de métodos, resultados completos / conjuntos de dados não são relatados, nem são múltiplas amostras fornecidas. Todas as imagens foram capturadas especificamente para esta publicação. Os métodos detalhados a seguir foram utilizadas na preparação de um relatório da conferência preliminar ⁹ com base em dados de oito universitários participantes do segundo ano de idade, três dos quais eram do sexo feminino.

Muitos instrumentos existentes são utilizados para indicar os níveis de habilidade espacial inerente a ou aprendido por indivíduos. Dois válidos e confiáveis ^​​10,11 instrumentos que são comumente usados ​​são o Mental teste de corte (MCT) ¹² eo teste Purdue Spatial Visualização de rotações (TPSV: R) ^13. Embora originalmente concebido profissionalmente ¹⁴ destes instrumentos testar diferentes estágios de desenvolvimento visualização espacial descrito por teoria piagetiana ^10,15. A utilização destes instrumentos cria uma necessidade de compreender os fenômenos cognitivos fisiológicos subjacentes existing quando os indivíduos trabalhar com estes problemas. Por esta razão, este estudo tem como objetivo apresentar métodos que utilizam dados fisiológicos empírica de que pode vir a melhorar a análise e compreensão do pensamento espacial, verificar as capacidades de teste de métricas existentes, e aumentar a aplicabilidade das avaliações espaciais problemas a mais complexos típicos para ensino de engenharia. Muitos destes problemas podem ser encontradas em engenharia Estática.

Estática é uma mecânica fundamentais curso ministrado para a maioria dos estudantes de engenharia (por exemplo., Biológicos, mecânicos, Civil, Ambiental, Engenharia Aeroespacial) ^16,17. É um dos primeiros extensas experiências de resolução de problemas que os alunos são dadas no núcleo de conteúdo de engenharia ^18. Estática envolve o estudo da interacção de forças sobre um corpo rígido que está em repouso ou em movimento a uma velocidade constante. Infelizmente Estática tem alta de abandono, a retirada, e as taxas de falha (14%, como visto nas invesUniversidade vestigada) e isso pode estar relacionado com modelos de entrega de aula e currículo tradicional que omitem avenidas principais de apoio, tais como abordagens espacialmente reforçada para a educação. Por exemplo, as abordagens espacialmente aprimorados em Estática pode direcionar a visualização de como as forças interagem fora da análise analítica típica e reforçar o conhecimento processual dos alunos com conceituação aterrada. A eficácia de tais intervenções precisa ser investigado a partir de uma perspectiva cognitiva neurocientífica.

Eletroencefalografia (EEG) apresenta um método único e móvel de medição de atividade de ondas cerebrais dos alunos. Os indivíduos que executam as tarefas que provocam a ativação beta são geralmente muito envolvidos com as especificidades de tarefas e estão atentos ao que eles estão fazendo ^19,20. Como tarefa exige aumento, a amplitude da onda beta aumenta, assim como o tamanho da área cortical as frequências de banda ocupam. Quanto mais neurônios que disparam dentroa gama de frequências beta (alfa: 8 – 12 Hz, beta: 12 – 24 Hz) pode ser definida como uma maior potência beta. De um modo semelhante, como uma pessoa se torna mais experiente em uma tarefa, a amplitude das ondas beta diminui, geração de energia menos beta. Esta é parte da hipótese de eficiência neural ^21-28, em que a maior experiência tarefa ao executar uma tarefa está relacionada a uma diminuição do poder de frequência. Embora EEG anteriormente foi utilizado no estudo da capacidade espacial (frequentemente para rotação mental e tarefas de navegação espacial) – e dados aplicáveis ​​foram identificados na posição alfa, beta, teta e bandas de ^27-33 – alfa e beta bandas foram observadas para esta estudo e beta foi seleccionado para posterior análise representativa neste trabalho e no relatório da conferência preliminar ^9. Os procedimentos a seguir definidos, assim, concentrar-se na análise de banda beta, mas uma investigação sobre todas as três bandas, dependendo dos dados registrados, é recomendável no futuro.

ohipótese de eficiência neural foi testado em várias tarefas, incluindo xadrez, memória visual-espacial, equilíbrio, e descansar. Todos têm indicado experiência tarefa como um factor de potência de frequência diminuiu ao executar tarefas familiares. Um particular estudo ²⁵ apresentou provas de que, embora a inteligência de uma pessoa (como medido pelo QI) pode ajudar o indivíduo a adquirir as habilidades para executar uma tarefa, a experiência com a tarefa supera a inteligência na sua contribuição para a eficiência neural. Em outras palavras, quanto mais experimentado um indivíduo é, o mais eficiente neuralmente ele ou ela se torna.

Existentes estudos de eficiência neurais que envolvem habilidade espacial têm focado principalmente na rotação espacial e diferentes conjuntos de problemas têm sido usados ​​para comparar diferentes populações (por exemplo., Masculino / feminino) ^27-28. Estudos de EEG de tarefas de habilidades espaciais também forneceram uma visão, comparando o desempenho com outros tipos de tarefa (por exemplo., Tarefas verbais)^27,29,30. Os métodos discutidos neste documento em foco e comparar os problemas do MCT, TSVP: R, bem como as tarefas de equilíbrio estático, que está relacionado com a capacidade espacial, mas não estão limitados a rotação espacial e de navegação. Outras tarefas espaciais podem ser utilizados no lugar dos que foram dados como exemplos neste manuscrito. Desta forma, esclarecimentos adicionais poderão ser obtidos no futuro sobre populações diferentes (por exemplo., Masculino / feminino ou perito / iniciante) para, finalmente, ajudar a melhorar as práticas de ensino de engenharia.

Em um esforço para investigar habilidade espacial e aptidão engenharia, temos desenvolvido um protocolo utilizando medições de EEG para identificar as ativações onda beta de baixo desempenho para os participantes de alto desempenho durante uma bateria limitada de tarefas espaciais e engenharia específicos. Neste caso, o elevado desempenho termo está relacionado com o desempenho do participante, e não é reflexo da quantidade de tempo gasto no campo pelaaluno, como todos os participantes eram aproximadamente no mesmo ponto em sua educação. Além disso, o conjunto de problemas envolvidos é bastante específico e básico; Assim, os termos "especialista" ou "alto desempenho" aqui não deve ser visto no sentido de um especialista, engenheiro profissionalmente empregada, mas representando apenas alto desempenho nesta estreita fatia de engenharia mecânica currículo e instrumentos habilidade espacial. As medições neurais também podem ser usados ​​para identificar quaisquer tendências brutas para os quais tipos de tarefas podem recrutar mais recursos cognitivos do que outros, com possibilidade de interpretação em relação aos níveis de dificuldade. Esta informação pode potencialmente fornecer informações sobre avaliação e intervenção futura no que diz respeito à capacidade espacial. Outros visão futuro pode ser derivada considerando regiões mais específicas do cérebro, que não foi possível neste estudo devido ao número limitado de canais disponíveis no hardware utilizado EEG.