Использование электроэнцефалографии измерений для сравнения конкретных задач Neural эффективностей: Задачи Spatial Intelligence

Пространственная способность имеет жизненно важное значение для науки, технологии, инженерии и математики (STEM) полей и образование и коррелирует с успехом в этих областях ^1,2,3. Поэтому, важно , чтобы понять развитие как способность к пространственному воздействий решение проблем ^4. Пространственная способность была связана с интересом ^5, производительность ^6, успеха в инженерных и научных кругов ⁷ успеха в инженерных специалистов ^8. Тем не менее, существует не так много работы с указанием конкретных нейронных процессов в решении проблем, характерных для многих пространственных способностей инструментов, ни конкретное содержание инженерного, что является весьма пространственным.

Эта статья представляет собой введение в методы, используемые для сбора и анализа пространственных оценки способности прибора в сочетании с нейронными измерений данных. Цель публикации с Юпитером, чтобы сделать эти методы более доступными для более широкой аудитории. Широкая общественность аппаратное и программное обеспечение WERе используется в данном исследовании. В работе методы, полные результаты / наборы данных не сообщается, равно как и несколько образцов предоставляются. Все изображения были захвачены специально для данной публикации. Методы , подробно описанные ниже , были использованы при подготовке предварительного доклада конференции ⁹ на основе данных из восьми колледжей второкурсник возраста участников, трое из которых были женщины.

Многие существующие инструменты используются для обозначения уровней пространственной способности, присущей ученым или отдельными лицами. Две действительные и надежные ^10,11 инструменты, которые обычно используются для резки Психическая Test (MCT) ¹² и тест Purdue пространственной визуализации севооборота (PSVT: R) ^13. В то время как первоначально разработаны ¹⁴ профессионально эти инструменты тестирования различных этапов развития пространственной визуализации описывается теорией Пиаже ^10,15. Использование этих инструментов создает необходимость понять основные физиологические когнитивных явлений existinг, когда люди работают через эти проблемы. По этой причине данное исследование направлено на демонстрации методов, использующих эмпирические физиологические данные, которые могут в конечном счете, улучшить анализ и понимание пространственной мысли, проверки существующих метрик возможности тестирования, а также повысить применимость пространственных оценок для более сложных проблем, характерных для инженерного образования. Многие из этих проблем можно встретить в инженерной статики.

Статика является основополагающим механика курс доставлен к большинству студентов инженерного факультета (например., Биологическая, Механическая, гражданской, окружающей среды, Aerospace Engineering) ^16,17. Это одна из первых обширных проблем опыт решения , которые студенты получают в содержании ¹⁸ инженерного ядра. Статика включает в себя изучение взаимодействия сил на твердое тело, который находится в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью. К сожалению, статика имеет высокую отсевом, вывод, и частота отказов (14%, как показано в инвеУниверситет tigated), и это может быть связано с традиционными моделями предоставления лекций и учебных программ, которые опускаем ключевые направления поддержки, такие как пространственно расширенные подходы к образованию. Например, пространственно расширенные подходы в статике можно ориентировать визуализацию того, как силы взаимодействуют за пределами типичного аналитического анализа и укрепления процедурных знаний студентов с заземленной концептуализации. Эффективность таких мер должна быть исследована с когнитивной точки зрения Нейрологическая.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) представляет собой уникальный и мобильный способ измерения озарения активности студентов. Лица , выполняющие задачи , которые вызывают бета – активацию , как правило , очень заняты со спецификой задач и внимательны к тому , что они делают ^19,20. Поскольку задача требует увеличения, амплитуда волны растет бета, как это делает размер корковой области частот полосы пропускания занимают. Чем больше нейронов, что огонь внутридиапазон бета частот (альфа: 8 – 12 Гц, бета: 12 – 24 Гц) может быть определена как больше бета мощности. Родственный, поскольку каждый становится более опытным в задаче, амплитуда бета-волны уменьшается, создавая меньше бета-мощности. Это часть нейронной эффективности гипотезы ^21-28, в котором больший опыт задач при выполнении задачи связано с уменьшением частоты мощности. Хотя ЭЭГ ранее использовался в исследовании пространственных способностей (часто для умственного вращения и пространственных задач навигации) – и соответствующие данные были выявлены в альфа, бета и тета – группы ^27-33 – альфа и бета полосы наблюдались для этого исследование и бета был выбран для дальнейшего анализа представительной в данной работе и в предварительном докладе конференции ^9. Процедуры, определенные ниже, таким образом, сосредоточиться на анализе бета-группы, но расследование всех трех групп, в зависимости от регистрируемых данных, рекомендуется в будущем.

нейронная гипотеза эффективность была проверена на различных задач, в том числе шахматы, память, зрительно-пространственной ориентации, балансировка и отдыха. Все показали опыт задачи как фактор пониженной частоты мощности при выполнении обычных задач. Один конкретный исследование ²⁵ представил доказательства того, что, хотя интеллект человека (как измерено с помощью IQ) может помочь человеку приобрести навыки для выполнения задачи, опыт работы с задачей разведки в перевешивает ее вклад в нейронной эффективности. Другими словами, более опытный индивид, тем более эффективным neurally он или она становится.

Существующие исследования нейронные эффективности , включающие пространственные способности были сосредоточены главным образом на пространственное вращение, а также различные наборы проблемы были использованы для сравнения различных групп населения (например., Мужчины / женщины) ^27-28. ЭЭГ исследования пространственных задач способности также обеспечили понимание путем сравнения производительности других типов задач (например., Вербальные задачи)^27,29,30. Методы обсуждения в данной статье внимание уделяется и сравнивать проблемы с МСТ, PSVT: R, а также статических задач равновесия, которые связаны с пространственной способностью, но не ограничиваются ими пространственного вращения и навигации. Другие пространственные задачи могут быть использованы вместо тех, которые приведены в качестве примеров в этой рукописи. Таким образом, дополнительное понимание может быть получена в будущем в отношении различных групп населения (например., Мужчина / женщина или специалист / начинающий) , чтобы в конечном счете , способствовать улучшению инженерных образовательных практик.

В целях изучения пространственной способности и инженерные способности, мы разработали протокол измерений с использованием ЭЭГ для выявления бета-волны активаций низкой исполнительства высоких участников во время выступления ограниченного батареи конкретных пространственных и инженерных задач. В этом случае термин высокий исполнитель связан с исполнением участника и не отражает количество времени, проведенного в области Организациейобучаемость, так как все участники были примерно на том же этапе их образования. Кроме того, множество проблем участвуют достаточно специфична и основной; Таким образом, термины "эксперт" или "высокопроизводительные" в данном описании не следует рассматривать в смысле эксперта, профессионально занятых инженером, но представляя только высокую производительность в этом узком срезе инженерной механики учебного плана и пространственных способностей инструментов. Нейронные измерения также могут быть использованы для выявления каких-либо грубых тенденций, для которых типы задач может набрать больше когнитивных ресурсов, чем другие, с возможной интерпретации относительно уровня сложности. Эта информация может потенциально обеспечить понимание будущей оценки и принятия мер в отношении пространственной способности. Другое будущее понимание может быть получено, если учесть более конкретные области мозга, что было невозможно в данном исследовании, из-за ограниченного количества каналов, доступных в аппаратных средствах, используемых EEG.