腦波與科學學習

大腦是人類進行認知活動的一個重要區域，人類由外界所接收到的刺激，

大部分會傳送到大腦進行訊息處理，如編碼產生表徵、儲存表徵等，以便日後 的提取。也因大腦與人類認知活動如此息息相關，科學家便不免好奇，究竟大 腦是產生認知過程的學習機制為何？

過去醫學上透過研究腦傷病患時發現，大腦不同區域可能控制不同的認知 機制，不同腦區受傷可能產生如失憶、失語症等不同的症狀。為了解人類認知 歷程中，大腦的運作情形，部分研究者開始利用腦電圖（electroencephalogram, EEG）來探討不同學習狀況下，人類大腦腦波的變化情形。不同的大腦區域在 進行不同的認知活動時，因大腦皮質內的神經細胞會藉由改變細胞膜對帶電離 子的選擇性通透程度，因而產生電位差的變化以傳遞訊息，此電位變化即為腦 波（brain wave）。當大量的神經細胞同時進行活動時，其所產生的電位差變化 即可在頭皮上經由腦波儀加以測量與記錄，將所記錄的電位差變化訊號透過放 大器加以放大後，以波的形式顯示所記錄到的腦細胞活動記錄圖，即為腦電圖。

腦波的分析方式有許多種，針對不同的研究目的可採用不同的分析方式，

以協助我們理解不同狀況下，腦部電位變化所代表的意義為何。截取特定事件 相關時的腦波，以多次帄均的方式消去與事件無關的電位活動，以抽取只跟事 件相關的成分進行分析，稱為事件關聯電位（Event-Related Potential, ERP）。而 直接利用快速傅立葉轉換（fast fourior transformation, FFT）將腦波分解為不同 的頻譜，以比較不同情境下某段頻率的帄均功率是否有差異，則是另一種常見 的分析方式。

過去許多和腦波相關的研究都聚焦在α 波（7.5-13Hz）的部分，越來越多 的證據指出α 波的功率大小和心智努力（mental effort）成反比，意即當 α 波的 功率越大時，所花費的心智努力尌越少 （Butler & Glass, 1976; Donchin, Kutas, &

McCarthy, 1977; Glass, 1964; Gutierrez & Corsi-Cabrera, 1988; Nunez, 1995）。 Klimesch 等人更進一步將 α 波細分為 upper α （10.3–12.3 Hz）和 lower α （8.3–

10.3 Hz）兩部分，以找出其和心智功能間更精細的關聯。研究發現 θ 波和 lower

α 主要和事實性記憶（episodic memory）和注意力處理相關，而 upper α 則主要 和語意性記憶（semantic memory）處理相關 （Klimesch, Doppelmayr, Pachinger,

& Ripper, 1997; Klimesch, Doppelmayr, Schimke, & Ripper, 1997）。

同調性（coherence）是接收位於頭皮表面不同電極位置的腦波，計算其間 的相關性用以解釋大腦間的訊息傳遞 （von Stein, Rappelsberger, Sarnthein, &

Petsche, 1999; Weiss & Rappelsberger, 2000），同調性高表示大腦各腦區間的訊息 傳遞旺盛，腦區間的連結強。

目前已知許多文獻支持多媒體教材有利促進學習者的學習，但即便如此，

究竟實際的促進機制為何尚不能完全確定，因我們無法直接觀察人類的認知歷 程，故只能利用其他形式的測驗或任務來量測學習者的學習情形，進而推論其 可能之學習認知歷程。為能更深入了解人類思考的過程，可藉由如心跳、血壓 或腦部電位活動等生理變化與人類認知處理間的相關性，以了解人類的認知歷 程為何（Kuhman, Lachnit, & Vaitl, 1985）。其中，觀察人類學習時的腦部電位變 化是一個簡單且有效的方法，因此，現今已有部分學者從人類學習時腦波變化 的角度切入，探討學生經由多媒體教材學習時的腦波變化為何。

Gerě and Jaušcvec （1999）以預備教師為對象，研究受詴者經由文本（text）、

圖片（picture）與影像（video）三種不同表徵的教材進行學習時，其腦波變化 為何。研究結果發現受詴者使用文本表徵進行學習時，其枕葉（occipital lobes）

和顳葉（temporal lobes ）的 α 波功率較高（心智活動較低），額葉（frontal lobes ） 的α 波功率較低（心智活動較高）。相反的，使用圖片和影像兩種多媒體表徵進 行學習時，其枕葉和顳葉的腦部活動增加。枕葉被認為是處理視覺訊息，顳葉 則是處理語音訊息，此結果支持多媒體確實能幫助學習者有效地進行訊息的處 理，而文本則是花費了學習者較多的心智活動。

Gerě and Jaušcvec （2001）更進一步研究，受詴者經由文本與多媒體課程 兩種不同的學習表徵進行物理相關課程的學習時，其腦波變化為何？研究結果 發現使用多媒體學習的α1 與 α2 在顳葉與枕葉處顯著低於使用文本學習。另外，

研究亦發現在文本學習有較高的同調性，顯示大腦間訊息傳遞較頻繁，因此可

知文本學習比多媒體學習需要更多大腦區域間的連結。此研究結果可顯示，腦 波的測量確實可以協助我們了解人類進行認知活動時的腦部變化情形，因而推 論出可能的認知歷程機制。

Sauseng 等人 （2005） 利用一系列 top-down 的視覺空間任務，進行 α 波 的去極化與工作記憶中視覺空間訊息處理兩者間關係的探討，其研究結果發現，

與記憶保留的階段相比，受詴者在操作的階段，其前額葉（prefrontal lobes）的 α 波功率增加較多，枕葉的 α 波則降低較多。依研究的結果推論，人類處理視 覺空間的訊息會先從前方傳送至後方視覺處理區進行處理，但需應用資訊進行 操作時，會將資訊傳至前額葉進行處理。由此研究可知，EEG 確實可用來探知 人類認知歷程的機制為何。

除了探討不同多媒體表徵對腦波的影響外，多媒體教材對科學學習的成效 上仍有許多未知的面向，而針對 2D 或 3D 動畫結合腦波的研究目前尚不多見，

因此本研究企圖以此角度切入，探討學習者使用 2D 和 3D 兩種不同型式的動畫 進行學習時，其腦波變化有何不同。

Kim 等人 （2005）利用虛擬實境結合包含腦波等各式生理現象變化研究 cybersickness 的病徵，其研究發現在受詴者經歷虛擬實境的過程中，在 F3 和 T3 的位置δ 波的功率增加，在 F3 和 P3 的位置 slow β 的功率降低，在 T3 的位置 β 波則是從頭到尾都維持一定。因此我們可知，當人們在處理和空間相關的訊息 時，在腦波的部分可能會產生如上述的變化。3D 動畫較 2D 動畫偏向虛擬實境 的特質，故可觀察經由 3D 動畫學習的學習者，在 F3、T3 和 P3 的位置，是否 也產生相同的腦波變化，藉此比較 2D 和 3D 兩者所傳遞之空間訊息是否有所不 同。

透過文獻探討，可發現腦波變化結合多媒體學習或是認知活動的研究探討，

目前已有一些結果。而針對 2D 或 3D 動畫結合空間能力在腦波變化的研究則尚 不多見，因此研究者企圖以此角度切入，探討學生經由 2D 或 3D 不同型式動畫 學習歷程中，其腦波變化有何不同？空間能力的不同是否會影響學生在經由 2D 或 3D 動畫多媒體教材學習時的腦波差異？其差異為何？