Διερεύνηση γνωστικών διεργασιών σε εκπαιδευτικά εικονικά περιβάλλοντα

Abstract

Information and Communication Technologies (ICT) is an umbrella term that includes a wide range of tools available to educational technology, nowadays. Recent research has shown that computers are affecting the way students think, learn, and develop their metacognitive skills. Virtual Reality (VR) is providing a new dimension to computer applications and is considered as a modern tool available to support learning processes. Educational virtual environments have many applications in learning, even on a practical level. The present thesis approaches the triptych: cerebral operations, virtual reality and education by the point of view of cognitive operations. The research approaches specific brain operations related to the interaction of individuals with virtual environments. Methodologically, it concerns a comparative study of virtual and real environments, focusing mainly on optical stimuli. Basic tool of the study are measurements related to the functioning of the human brain, the part of the body that receives stimuli from the environment and where perceptions, thoughts and ideas are produced. Measurements are being done through electroencephalography (EEG), e technique that records electrical cerebral activity in real time. Analysis is being supported by mathematical tools and is based on the behavior of the most important electrical brain rhythms (alpha, theta, beta, gamma and delta). In order to derive conclusions, certain cognitive operations, than can be described or detected - even partially - by the EEG, are being used. Research has revealed similarities and differences in cerebral operations between the two environments, related to cognitive operations such as attention, selective attention, mental workload and working memory, as well as operations that accompany and/or produce the perception and counting of objects, the perception of movement, the presence of other individual, orientation and spatial navigation, optical awareness, optic-space operation in general, alertness and vigilance, discrimination of objects with complex or difficult criteria and effects on the emotional state. Even though an attempt to derive generalized models of cerebral activity would be considered unachievable within the present research framework and notable differences between participants were observed in some activities, it is possible to observe general tendencies that reveal similarities and difference between real and virtual environments. Some differences are justified by corresponding differences in the perception ways are activated the virtual reality devices and are more or less expected. However, most differences are not observed in the processing of primary optical information, but mainly in a secondary associative process, while the most important differences are observed at the appearance of other person

Οι Τεχνολογίες της Πληροφορίας και των Επικοινωνιών (ΤΠΕ) αγκαλιάζουν ένα ευρύτατο φάσμα από τα εργαλεία που διαθέτει σήμερα η εκπαιδευτική τεχνολογία. Η σχετική επιστημονική έρευνα έχει δείξει ότι οι υπολογιστές επιδρούν στον τρόπο που οι σημερινοί μαθητές σκέφτονται, μαθαίνουν και αναπτύσσουν τις μεταγνωστικές τους δυνατότητες. Η εικονική πραγματικότητα παρέχει μια νέα διάσταση στις εφαρμογές της επιστήμης των υπολογιστών και θεωρείται ως ένα από τα πλέον σύγχρονα εργαλεία στη μαθησιακή διαδικασία. Τα εκπαιδευτικά εικονικά περιβάλλοντα βρίσκουν όλο και περισσότερες εφαρμογές στη μαθησιακή διαδικασία, ακόμη και σε πρακτικό επίπεδο. Η παρούσα διατριβή κινείται στο τρίπτυχο εγκεφαλικές λειτουργίες, εικονική πραγματικότητα και εκπαίδευση με σημείο αναφοράς τις γνωστικές λειτουργίες. Η ερευνητική προσέγγιση θέτει επιμέρους θέματα εγκεφαλικών λειτουργιών που αφορούν στην αλληλεπίδραση ατόμων με εικονικά περιβάλλοντα και μεθοδολογικά αφορά σε συγκριτική μελέτη εικονικών και παρόμοιων πραγματικών περιβαλλόντων με κυρίαρχα τα οπτικά ερεθίσματα. Βασικό εργαλείο είναι οι μετρήσεις στον ανθρώπινο εγκέφαλο χρησιμοποιώντας την τεχνική της ηλεκτροεγκεφαλογραφίας, η οποία με την κατάλληλη μαθηματική υποστήριξη μπορεί να καταγράψει την ηλεκτρική εγκεφαλική λειτουργία σε πραγματικό χρόνο. Η ανάλυση βασίζεται στη συμπεριφορά των σημαντικότερων εγκεφαλικών ρυθμών (άλφα, θήτα, βήτα, γάμα και δέλτα). Για την εξαγωγή συμπερασμάτων χρησιμοποιούνται ορισμένες γνωστικές λειτουργίες των οποίων οι αντίστοιχες εγκεφαλικές λειτουργίες μπορούν να περιγραφούν ή ανιχνευθούν - έστω και μερικώς - με το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα. Η έρευνα ανέδειξε ομοιότητες και διαφορές στις εγκεφαλικές λειτουργίες ανάμεσα στα δύο περιβάλλοντα σε γνωστικές λειτουργίες όπως η προσοχή, η επιλεκτική προσοχή, ο νοητικός φόρτος και η λειτουργία της μνήμης εργασίας, καθώς και σε λειτουργίες που συνοδεύουν ή/και παράγουν την αντίληψη και καταμέτρηση αντικειμένων, την αντίληψη της κίνησης, τη παρουσία άλλου ατόμου, το προσανατολισμό, την οπτικο-χωρική λειτουργία γενικά, τις καταστάσεις ετοιμότητας και αναμονής, τη διάκριση αντικειμένων με πιο σύνθετα ή δύσκολα κριτήρια, τις επιδράσεις στη συναισθηματική κατάσταση. Αν και μια απόπειρα γενίκευσης προτύπων εγκεφαλικής δραστηριότητας θεωρείται ανέφικτη στα πλαίσια της παρούσας έρευνας και παρόλο που σε ορισμένες διεργασίες παρατηρήθηκαν σημαντικές ασυμφωνίες ανάμεσα στους συμμετέχοντες, είναι δυνατό να προκύψουν παρατηρήσεις με γενικότερη εμβέλεια, που αφορούν περισσότερο σε τάσεις και όχι σε πρότυπα εγκεφαλικής λειτουργίας και αναδεικνύουν ομοιότητες και διαφορές ανάμεσα σε πραγματικά και εικονικά περιβάλλοντα. Ορισμένες από τις διαφορές δικαιολογούνται από αντίστοιχες διαφορές στις αντιληπτικές οδούς που ενεργοποιούν οι συσκευές εικονικής πραγματικότητας και είναι ως ένα σημείο αναμενόμενες. Οι περισσότερες όμως διαφορές δεν παρατηρούνται στην επεξεργασία των πρωτογενών οπτικών δεδομένων, αλλά κυρίως σε μια δευτερογενή συνειρμική επεξεργασία, ενώ οι σημαντικότερες διαφορές παρατηρούνται κατά την εμφάνιση άλλου ανθρώπου