解决科学问题时不同确定性水平下的脑区连接性特征

论文总字数：43769字

摘 要

科学问题解决时不同确定性水平的研究，可以帮助我们了解学生概念转变的程度，进而帮助指导之后的科学学习，所以对于该问题的研究一直以来都是科学教育领域的重要研究内容。本研究以传统力学问题“摩擦力判断”为例，记录了大学生在解决科学问题时不同确定性水平下的脑电信号，利用Hilbert相位同步法计算脑电信号两两之间的相位同步性指数，研究脑电信号间的同步性，进而分析该认知过程中的脑区连接性特征，并对解决科学问题时不同确定性水平所反映的认知差异进行了分析。

研究发现，相比于确定解决问题的情况，学生不确定解决问题时，δ、θ波在前后部脑区间同步性显著增强，α波在后部脑区间同步性显著减弱，β波在后部脑区间同步性显著增强。而且，该脑区连接性特征在认知加工后期350-450ms更为显著。低频波段脑电反映的前后部脑区更高的连接性表明，不确定解决科学问题时，个体需要更多的注意、执行功能来控制任务直接相关的信息加工过程。较高频波段脑电反映的后部脑区间连结性特征均表明，不确定解决科学问题时，个体需要更多任务直接相关的图形处理、符号操作等信息加工过程。

本研究通过脑科学的研究方法探索科学教育的关键性问题，有助于深入理解学生解决科学问题的信息加工模式，并为探索促进学生科学思维发展的有效途径提供科学依据。

关键词：科学问题解决，确定性水平，脑电，相位同步，脑区连接性

Abstract

The research of different certainty levels in solving scientific problems can help us understand the degree of students' conceptual change, and then help to guide scientific learning. Therefore, the research on this issue has always been an important research content in the field of science education. This study recorded the EEG signals of college students under different certainty levels in solving scientific problems by taking the traditional mechanical problem “friction judgment” as an example. We used Hilbert phase synchronization method to calculate the phase synchronization index between EEG signals, and then analyze the connectivity characteristics of brain regions in the cognitive process, and analyze the cognitive differences reflected by different certainty levels in solving scientific problems.

The study found that when students were uncertain about solving problems, the synchronization of δ and θ waves was significantly enhanced in the anterior and posterior brain regions, the synchronization of alpha waves was significantly weakened in the posterior brain regions, and the synchronization of beta waves was significantly enhanced in the posterior brain regions. Moreover, the connectivity of the brain area was more significant in the later 350-450ms of cognitive processing. The higher connectivity of the anterior and posterior brain regions reflected by low-frequency EEG indicates that individuals need more attention and executive functions to control the information processing directly related to tasks when students were uncertain about solving scientific problems. The connectivity characteristics of the posterior brain region reflected by higher frequency band EEG all indicate that when the scientific problem is solved uncertainly, individuals need more information processing processes such as graphic processing and symbol manipulation directly related to tasks.

Through the research methods of brain science, this study explores the key issues of science education, helps to understand the information processing mode of students' solving scientific problems, and provides scientific basis for exploring effective ways to promote the development of students' scientific thinking.

KEY WORDS: scientific problem solving, level of certainty, EEG, phase synchronization, brain connectivity

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 研究背景 1

1.1 科学问题解决 1

1.2 概念转变与确定性水平 1

1.2.1 概念转变 1

1.2.2 确定性水平 2

1.3 脑电信号与脑区连接性 2

1.3.1 脑电信号分类 2

1.3.2 脑区的连接性 3

1.3.3 脑电同步 3

1.4 已有研究 3

1.4.1 科学问题解决的脑机制研究 3

1.4.2 脑区连接性相关研究 4

第二章 问题提出和研究预期 5

2.1 问题提出 5

2.1.1 已有研究的不足 5

2.1.2 本文的主要工作 5

2.2 研究预期 5

2.3 研究意义 6

第三章 研究方法 7

3.1 实验设计 7

3.2 被试 7

3.3 实验材料 7

3.4 实验过程 8

3.5 ERP数据分析与统计 9

3.6 脑电同步分析方法 10

3.6.1 Hilbert相位同步性分析 10

3.6.2 算法实现 11

第四章 实验结果与分析 13

4.1 ERP结果 13

4.2 脑电滤波 14

4.3 δ波同步性分析 16

4.3.1 250-350ms时段结果 16

4.3.2 350-450ms时段结果 17

4.3.3 结果分析 17

4.4 θ波同步性分析 18

4.4.1 250-350ms时段结果 18

4.4.2 350-450ms时段结果 19

4.4.3 分析结果 20

4.5 α波同步性分析 20

4.5.1 250-350ms时段结果 20

4.5.2 350-450ms时段结果 20

4.5.3 分析结果 21

4.6 β波同步性分析 21

4.6.1 250-350ms时段结果 21

4.6.2 350-450ms时段结果 22

4.6.3 分析结果 23

第五章 讨论 24

5.1 不确定解决问题时的ERP特征 24

5.2 各频段脑电同步性反映的脑区连接性特征分析 24

第六章 结论 27

参考文献 28

致 谢 30

附 录 31

1. 研究背景
   1. 科学问题解决

一般来说，科学问题解决是人们根据前期学习，在习得相关科学知识及科学理念的基础上，进一步对已有问题和知识进行信息的加工并提出相应解决方法的过程。对于学生来说，科学问题解决主要是对于涉及科学原理的具体问题的解决。科学问题的解决是人类所有活动中最典型、最富有创造力的活动。尤其在当今信息时代，科学问题解决是学生科学素养的重要表现，也是他们适应未来社会的必备条件。因此，提高和改进科学问题解决的能力，是当今科学教育的重要目标之一，分析并探索科学问题解决中的认知过程有着十分重要的理论和现实意义。

在传统的教育研究中，我们通常使用选择题或判断题的形式来考察学生解决科学问题的能力。在这种方式中，答案是由决策产生的，而决策即为选择并得出结论的过程。这种过程具有一定的复杂性，概念转变程度、问题的呈现方式、思维方式等多种因素都会影响该过程。因此科学问题解决是一个受多因素影响的、复杂的认知过程，在不同情况下会呈现出不同的认知水平。因此考察学生解决科学问题的能力，不能只局限于考察科学问题解决时结果的正误，即绝对的正确和错误结果，而应该同时考察在解决科学问题时引发的确定性水平，以便更全面地表征学生科学问题解决的能力，并进一步指导学生后期的科学学习。所以基于不同准确性和确定性水平的答案，可将科学问题解决分为四种认知反应，即确定-正确（掌握正确概念）、确定-错误（掌握错误概念）、不确定-正确和不确定-错误（存在怀疑与冲突）四种。

• 1. 概念转变与确定性水平
     1. 概念转变

概念转变是正确解决科学问题的前提。从事科学教育研究的学者经过大量研究发现，学生学习科学的过程是一个知识建构的过程，需要经历概念转变这一复杂动态活动，即从前概念到科学概念的转变过程。科学概念是科学家群体通过对实证研究的归纳、演绎获得的系统的科学知识，它来自科学家群体对世界的认识，反映了客观世界各种现象的本质和规律，对人们的生活和工作具有重要的指导意义^[1]。前概念则是人们根据日常生活经验，对客观世界的各种现象形成自己的想法，这些想法通常是基于个人直觉做出的对自然现象的解释。前概念是建立在感性认识阶段的直观知识，有些前概念是片面的，甚至是完全与科学概念相违背的^[1]。概念转变的过程就是由不符合科学概念的前概念与科学概念引发概念冲突进而解决的过程，也是科学学习的核心问题。前概念与科学概念引发冲突的现象具有普遍性和顽固性^[2]，它存在于各个科学领域。例如人们根据先入为主的日常经验以及低年级的先验知识，会错误地认为摩擦力一定是阻力；当高中阶段学习到摩擦力是对相对运动和相对运动趋势的阻碍，既可以是阻力也可以是动力这一科学概念时，便产生了前概念与科学概念的冲突。通常教师希望通过科学教学指导学生从前概念到科学概念的概念转变，消除错误前概念的对学生思维、学习的影响，实现科学概念的推理与决策。然而，实际研究的结果却表明这种先入为主、范围广泛的前概念是根深蒂固的，会在人的思维中形成定势，即使是接受过正规科学教育的人，在解决科学问题时仍有可能舍弃科学概念，再一次会回到前概念进行推理与决策^[3]。因此，学生概念转变水平将影响其科学问题的解决。

• • 1. 确定性水平

确定性水平是指决策者对于决策结果的确定与否，即分为确定和不确定。科学教育相关的研究者认为概念转变的不同程度是导致科学问题解决时产生不同的确定性水平的原因。概念转变成功后即掌握科学概念，会引起确定且正确的反应；概念未转变即停留在前概念时，会引起确定且错误的反应。而概念转变的中间阶段即存在前概念与科学概念冲突时，则会引起不确定的反应。因此对于科学问题解决时不同确定性水平的研究，可以帮助我们了解学生概念转变的程度，进而帮助指导之后的科学学习，所以对于该问题的研究一直以来都是科学教育领域的重要研究内容。

• 1. 脑电信号与脑区连接性
     1. 脑电信号分类

根据脑电活动节律的不同，将脑电波按频率划分为以下几种，不同频段的脑电信号能反映具体的认知加工过程特征：

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