解决科学问题时不同确定性水平下的脑区连接性特征文献综述

 2022-09-14 16:46:44

文献综述（或调研报告）：

  1. 科学问题解决

科学问题解决是认识主体（包括个人、团体等）根据特定的知识结构、理论模型，通过缜密的分析和具体的思考，发现关于科学实践中需要解决的矛盾和疑惑，并提出相应的科学理论过程。可以毫不夸张地说，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。因此，要想促进个体创造力的发展，提高和改进人们问题解决能力，那么分析并探索科学问题解决中的认知过程就有着十分重要的理论和现实意义。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，在传统的科学学习中，通常使用选择题或判断题的形式来考察学生对于科学问题的解决能力。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，在不同情况下科学问题解决会表现出不同的认知水平。因此对于学生解决科学问题能力的考察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程度，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。所以基于准确性和不同确定性程度的答案，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

大量从事科学教学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。前概念（preconception）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，有些前概念是正确的,有些则是片面的，甚至是完全与科学概念相违背的。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。这种前概念与科学概念引发冲突的现象具有普遍性和顽固性。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。

  1. 概念转变影响科学问题的解决

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。因此通过科学问题解决时不同确定性水平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. 脑区的连接性

人的大脑是高级神经中枢所在地，分为左右两个大脑半球。大脑表层主要由神经细胞组成，称为大脑皮层。大脑的内部为神经细胞的纤维所组成的白质。白质中的神经纤维从皮层中的神经细胞的胞体向深处延伸及相互连接，使大脑各功能区之间产生联络，并且连接左右两个半脑。高度发达的大脑皮层及白质中复杂的神经连接使人类可以进行区别于其他生物的高级意识活动。人脑可以被看作为一个复杂的网络，具有一些重要的网络特征。具体来讲，脑区内部具有高度密的短连接，各个脑区间又存在着较稀疏的长连接，它的这种特点可以使人脑有效地在多个网络间传递信息，从而实现在不同功能脑网络之间高效的信息交换。研究者提出了负责认知控制的两个主要的网络，分别是额顶网络(fronto-parietal network，FPN)和扣带盖网络(cingulo-opercular network, CON)。FPN 主要包括了侧前额叶和后顶叶的一些脑区，并且在一般的认知任务中均有激活(Cole amp; Schneider,2007；Dosenbach et al.，2007)。Dosenbach 等人(2007)提出 FPN 主要是负责灵活的控制，根据任务目标，自上而下地对当前行为进行调控。当前的研究越来越多的发现很多认知功能是取决于脑网络间的相互作用。其中，在人脑的网络构架中，FPN 被认为是灵活控制的核心(Cole et al.,2013)。在复杂程度不同的认知反应下，大脑各个功能区域之间的连接性存在差异。由于额顶网络在认知控制中的重要性，本研究决定主要研究额顶脑区的连接性。Sauseng等人发现，额顶叶theta;波长程连接的平行增加和前部高频段alpha;波短程连接性的降低反映了工作记忆中对中央执行功能的需求增加。Volke等人对国际象棋专家和新手在解决国际象棋问题时诱发脑电相干性测量的差异进行了初步研究，发现相比于静息状态，专家和新手在delta;频率范围内存在显著差异，这被认为是专家的皮质区域有着更高的任务相关的功能整合。

  1. 脑电同步

大脑在接收到外界刺激，完成认知等活动需要大脑各个功能区域协同作用，反映出一定的功能连接性特性。大脑的同步活动是指在接受到感觉信号后，大脑不同功能区域在实现信息整合时伴有的同步振荡现象。人在感知和识别物体时，相关脑区会自动发生同步化神经活动，即大量神经元的同步放电，具体表现为脑电信号的相位或幅度同步。随着脑电研究的深入，同步现象越来越被意识到是大脑不同区域问信息传递的重要特征，特别是在脑认知中有着重要的作用。相位同步是脑电同步的一种重要方式。所谓相位同步是分析两个或多个周期性振荡信号的关联关系。相位同步是大脑信息整合的基本机制之一。若两个信号之间存在弱同步现象，即使在幅度上没有任何关联，也能在相位上表现出同步性。因此本文研究脑电信号的相位同步性。

为了研究各个节律（theta;、alpha;、beta;、gamma;）脑电信号的同步性，首先利用小波变换对脑电信号进行时频分析，获得诱发脑电的时频特征信息；然后采用Hilbert变换，获得脑电特征信号的瞬时相位，通过相位同步指数分析脑电活动的同步性，进而揭示前概念冲突情境中涉及的特定加工过程与加工方式。

  1. 研究现状

传统的科学问题解决测验是通过被试的报告来考察概念转变的程度，但学生为了取得优异的成绩，会使用猜测及掩饰性的回答对测验结果产生不可忽视的影响，进而不能真实表征学生对概念转变的程度以及科学问题解决的能力。而通过将反应时作为定量行为指标的研究发现，人们在解决物理、化学、生物、地理等科学领域的概念冲突问题时需要跟长的反应时间才能得出结论。但行为研究无法提供来自大脑内部变化的证据并做出深层次的解释。

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