認知神經科學實證：6月嬰大腦預測力決定語言發展

113年12月10日

【本篇報導由幼兒與家庭科學學系  王馨敏教授研究團隊提供】 　　腦科學證據顯示，還不會說話的嬰兒，大腦就能夠學習環境輸入規則並據此進行預測。本文由臺灣師範大學和美國耶魯大學跨國合作，率先以大腦實證資料指出，六個月大嬰兒其大腦的訊息預測能力（或稱大腦預測力）和後續語言發展緊密相關。   　　大腦無時無刻都在針對周遭環境進行預測，跨國團隊以臺灣嬰兒為研究對象，讓嬰兒反覆學習「聽到聲音就會看到圖片」的對應關係，之後，在測試階段隨機省略原本應該緊接著聲音出現的圖片；在此同時，以「功能性近紅外光光譜儀（fNIRS）」收集負責處理視覺訊息的大腦枕葉神經活動。研究顯示，因為嬰兒大腦能夠預測圖片會緊接著聲音出現，所以即便圖片沒有出現，枕葉也會產生神經活動，團隊稱此神經活動為大腦預測訊號，顯示嬰兒的大腦預測力（圖一）。 圖一：嬰幼兒大腦預測訊號之測量   　　團隊的研究結果發現，12個月大嬰兒的大腦預測力對於同時性的表達性詞彙能力有獨特的變異解釋量；此外，6個月大嬰兒的大腦預測力和12個月大以及18個月大時的表達性詞彙能力之間也呈現穩定正相關，說明大腦預測力在表達性詞彙發展歷程中扮演關鍵性角色。然而，需注意的是，大腦預測力較佳的嬰兒不見得能夠長期保有其語言發展優勢，而大腦預測力較弱的嬰兒有可能迎頭趕上，因此，有必要持續追蹤這些孩子後續的語言發展。為探究此議題，研究團隊持續追蹤上述這批孩子至3.5-4歲，收集其更完整的語言發展資料，此外，為增加樣本數，也在這批孩子18個月大時，額外多收了42名18個月大幼兒加入研究。研究結果顯示，6月齡時測得的大腦預測訊號除了和孩子的詞彙能力有關，也與孩子18個月大時的句子複雜度、30個月大的語詞連結能力有關。此外，在6月齡時的大腦預測訊號不但與18個月大時的表達性詞彙能力相關，與26個月大的表達性詞彙能力也有相關，更關鍵的發現是，6月齡時測得的大腦預測訊號和3.5-4歲時孩子習得新詞彙的能力也有顯著相關；研究也發現，18個月大時的大腦預測力與3.5-4歲時孩子的詞彙理解能力有顯著相關。綜合這些研究結果顯示，某些在早期大腦預測訊號較弱且詞彙能力較弱的孩子，到了詞彙能力發展相對穩定的3.5-4歲時，其詞彙能力並沒有迎頭趕上其他孩子。此研究結果說明，大腦預測力較強的幼兒，在語言發展與學習上可能較有優勢，如何在育兒這條路上提升孩子的大腦預測力是未來研究可以著力之處。   原文出處： Wang, S., Zhang, X., Hong, T., Tzeng, O. J., & Aslin, R. (2022). Top-down sensory prediction in the infant brain at 6 months is correlated with language development at 12 and 18 months. Brain and Language, 230, 105129. https://doi.org/10.1016/j.bandl.2022.105129 Wang, S., Tzeng, O. J., & Aslin, R. N. (2022). Predictive brain signals mediate association between shared reading and expressive vocabulary in infants. PloS one, 17(8), e0272438. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0272438

名詞類別在大腦裡的處理歷程

113年12月10日

【本篇報導由英語學系  詹曉蕙優聘教授研究團隊提供】 　　概念系统的認知神經科學研究主要集中在具體並通用的語意類別上，很少會探討特屬於某語言的分類系統。本研究使用事件相關電位，透過特屬漢語的分類詞（例如「一顆葡萄」的「顆」）與類別詞（例如「鮭魚」的「魚」）兩大系統，從處理歷程的時間面來研究概念系统的組織。研究團隊要求實驗參與者判斷分類詞─名詞配對的一致性，其中名詞可能具有或不具有類別詞。結果顯示，在訊息處理早期的階段，分類詞和類別詞的訊息皆被激發並有交互作用；然而在中期的處理階段，大腦只選擇了分類詞的訊息參與分類詞─名詞一致性的運算。而在運算階段的晚期，分類詞和類別詞訊息再次有交互作用。從這兩種分類系統之間的動態可以得知概念具有可分離的組成部分。   　　大多概念系統的認知神經科學研究聚焦於具體的語義範疇，然而此研究探討認知神經科學研究裡相對較少觸及的領域──抽象、語言特定的分類系統。 　　何謂語言特定的分類系統？人類語言學家綜觀全世界的語言，整理出語言裡存在著五種對名詞的分類系統：語法性別（grammatical gender）、類別名詞（class noun）、分類詞（classifier）、量詞（measure word）與類別詞（class term）。語法性別與類別名詞比較偏向「語法」，只有部分語言有這兩個系統，而即使有，分類的數量也不多。量詞與類別詞則比較偏向語意，幾乎在所有的語言裡都可以發現，而且分類數量不少。而介於「偏語意」及「偏語法」兩者中間的，則是分類詞，數量從數十個到上百個不等。中文裡有豐富的量詞、類別詞與分類詞，而這個研究選取了類別詞與分類詞兩大系統，以事件相關電位為工具，研究此兩類名詞分類訊息在大腦的運作。   研究團隊請實驗參與者評估分類詞─名詞配對的一致性，實驗情境如下：  (1)有類別詞＋正確分類詞：四顆/砲彈（「顆」為分類詞，「彈」為類別詞） (2)無類別詞＋正確分類詞：兩顆/葡萄（「顆」為分類詞） (3)有類別詞＋錯誤分類詞：四隻/砲彈（「隻」為分類詞，「彈」為類別詞） (4)無類別詞＋錯誤分類詞：兩隻/葡萄（「隻」為分類詞）  　　研究發現，在訊息處理的早期階段（150-250 ms），分類詞和類別詞的訊息都被激發並且彼此有交互作用；然而隨著過程的進展，這種初始的互動發生了轉變：在350-500毫秒和600-800毫秒時，只有分類詞的訊息被選中用於計算分類詞─名詞的一致性，顯示了一種具選擇性且分階段的互動模式。研究團隊認為，在處理歷程的早期階段，此兩種訊息都被激發並相互交織，顯示出廣泛的概念系統網路在此時有全面性的激發，亦即大腦並未對訊息種類進行劃分或優先排序。然而，隨著處理的演變，認知動態發生了變化，大腦進入了語言處理的途徑，開始彙整訊息，也因此有了選擇性的表現：與完成實驗作業（判斷分類詞─名詞配對的一致性）相關的分類詞訊息成為唯一的焦點，而類別詞訊息則被排除在外。然而，認知之旅並沒有就此結束。在一致性的運算完成之後，在800-1000毫秒的期間，分類詞和類別詞的訊息再度共同參與。 　　這種訊息的重新交織顯示了大腦在概念處理上的靈活性，也揭示了概念不是僵化的，而是流動、靈活的。這種靈活性允許大腦根據語言處理的語境需求去分離與重新整合概念的元素，而在大約350毫秒時進入彙整的階段。此項研究不再侷限於過去探討具體且普遍的語義範疇的既定領域，而是深入探索抽象的、語言特定的分類系統，為認知神經科學和語言學發展做出了重要貢獻。   原文出處：Chan, S. H. (2022). Dynamics of nominal classification systems in language processing. Language, Cognition and Neuroscience, 37(6), 671-685. https://doi.org/10.1080/23273798.2021.2011331  

批判性閱讀中的視覺行為模式：眼動數據的新發現

113年12月10日

【本篇報導由學習科學學士學位學程  蔡孟蓉教授研究團隊提供】 　　在21世紀，批判性閱讀對於資訊素養是不可或缺的。然而，學生如何閱讀和處理有爭議議題的衝突訊息，仍然不太清楚。此探索性研究目的旨在於運用眼動追蹤技術，辨識學生處理社會科學議題衝突資訊的批判閱讀視覺行為特徵，並檢視學生的視覺行為、閱讀策略和閱讀任務結果之間的關係。總共有48名本科和研究生參與閱讀食品科學議題相關的繁體中文衝突文本。在受試者閱讀的過程中，收集了眼動資料。並在閱讀後立即收集了自我陳述的批判性閱讀策略、記憶回溯和議題觀點。使用斯皮爾曼相關分析、遲滯序列分析和內容分析來分析數據。結果顯示，自我陳述批判性閱讀策略得分較高的受試者傾向於更專注在衝突訊息中的推理，並在他們的回應中包含更多的判斷。此外，兩種重要的批判性閱讀視覺行為模式被識別出來：（1）在思考或休息後，批判性讀者的視覺注意力直接轉向推理訊息；以及（2）批判性讀者的視覺注意力在推理和數據訊息之間轉移。這兩種視覺行為模式表明，對衝突資訊的批判、推理中，數據檢閱是相當重要的。這項研究利用眼動追蹤技術，在批判性閱讀策略和眼動數據與自我陳述的批判性閱讀策略之間的關係提供了證據。研究結果有助於未來適性化學習系統的設計和批判性閱讀策略的教學。   　　在二十一世紀，資訊素養涵蓋了批判性閱讀，但對於學生如何閱讀處理爭議議題仍不明瞭，因此本研究選擇兩個爭議性社會科學議題作為閱讀素材，素材呈現被分為：「定義、支持理由、支持資料、支持推論、反對理由、反對資料和反對推論」七種內容區塊。共收集48位參與者資料，閱讀素材過程中，全程使用眼動儀器紀錄閱讀者的眼動資訊，閱讀後收集參與者的自我陳述批判性閱讀策略、回溯和對議題的看法等資料，研究架構如圖1所示。 　　研究將所收集資料以斯皮爾曼相關分析來檢視自我陳述的批判性閱讀策略、眼動指標、回溯和批判性閱讀的閱讀任務成效之間的關係。此外根據自我陳述的批判性閱讀策略（CRS）得分，將參與者分為兩組（高分組、低分組），兩組得分存在顯著差異。圖2呈現為兩組遲滯序列分析結果，圖中箭頭線表示有顯著轉移的視覺行為，而箭頭指的地方表示視覺轉移的方向，高、低兩組有一些相似的雙向線（例如：從「定義」到「支持理由」)，有一條相似的單向線（例如：從「支持推論」到「反對理由」)，但只有高分組有從「反對資料」到「反對理由」和從「外部」返回到「反對理由」的轉移，而只有低分組有從「定義」到「外部」的轉移。高分組在「反對理由」和「反對資料」有顯著雙向轉移行為，這與先前一些研究文獻有相同發現，此可能表明高分組比低分組的學生更可能以相同的方法來處理支持和反對的資訊，推測是為了構建對爭議性問題的平衡表述。另一個差異為策略較高分的學生，從「外部」區到「反對理由」區的轉換可能表示經過休息或反思資訊後，學生將他們的注意力重新轉移至反對論點的一個重要元素，而策略較低分的學生從「定義」區視覺轉移至「外部」區，這可能表明這些學生可能由於資訊過載或因需要反思閱讀任務的合適方法，這種模式也可能源自於對問題的不熟悉或較低的批判性閱讀策略有關。 　　本研究有兩個主要發現：（1）發現自我陳述的批判性閱讀策略、眼動指標和對爭議問題閱讀後的評判之間存在顯著的相互關聯。（2）於高、低批判性閱讀策略兩組學生在閱讀社會科學問題的衝突報告時，有不同的視覺行為模式。此研究在評估批判性閱讀策略眼動追蹤科技應用及眼動追蹤資料和自我陳述批判性閱讀策略之間相關提供了證據，這些發現有助於在資訊素養課程中，教授學生在閱讀衝突資訊時的訊息檢查技巧和從證據推理的能力。未來設計適性或個別化學習系統時，可根據收集到的眼動數據，為學生提供合適的學習教材和回饋機制，來提高他們學習表現。 圖1：研究架構   圖2：The visual transition patterns of groups with higher and lower scores on critical reading strategies. Thick and thin lines indicate differences and similarities between the two groups, respectively. The number beside each arrow denotes the probability of the specific transition launched from one AOI. N = sample size; EN = total number of events (transitions).註：Definition:定義、Supporting Reason:支持理由、Supporting Data:支持資料、Supporting Inference:支持推論、Opposing Reason:反對理由、Opposing Data:反對資料、Opposing Inference:反對推論、Out:外部。     原文出處：Tsai, M.-J., Wu, A.-H., Bråten, I., & Wang, C.-Y. (2022). What do critical reading strategies look like? Eye-tracking and lag sequential analysis reveal attention to data and reasoning when reading conflicting information. Computers & Education, 187, 104544. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2022.104544

揭示科學學習歷程：以眼動儀解析閱讀與實驗操作的互動關係

113年12月10日

【本篇報導由教育心理與輔導學系  簡郁芩特聘教授研究團隊提供】 這篇論文主題是以穿戴式眼動儀系統（eye tracking）探討大學生如何透過閱讀文章和操作滑輪學習科學知識，特別是針對不同難易度的科學文本，讀者如何搭配做實驗去學習科學知識概念的認知歷程。眼動資料發現，讀者閱讀概念簡單的科學文章後，在操作實驗時，會有較長的眼球凝視時間放在直接「操作」滑輪組；但讀困難的科學文章後操作滑輪，會把較多凝視時間放在「準備」和「計畫」要選擇哪些滑輪與砝碼。本研究也發現，大學生在閱讀簡單或困難的科學文本之後，在問題解決的歷程上有所不同：學生讀困難文章後，寫問題解決測驗時比較常會去操作滑輪，且有來回對照滑輪組與測驗題的眼動行為，但閱讀簡單文章後的測驗，則沒有此眼動歷程。過去在科學學習的眼動研究領域主要都是探討讀者在螢幕呈現科學文章的閱讀歷程，缺乏在真實情境下操作科學實驗的眼動歷程。此研究的重要突破在於能以眼動紀錄和分析學習者在真實情境下操作科學實驗的學習歷程，看見巨觀和微觀的科學學習歷程與步驟，並知道學生在閱讀文章、實驗操作、解題三者之間的歷程關係，為科學學習歷程的研究議題提供更深入和更廣泛的探究可能性，因此被刊登在科教領域排名第一的頂尖期刊《Journal of Research in Science Teaching》（SSCI）。   　　閱讀科學文章和進行實驗操作是教育上學習科學知識的兩個常用方式。但是你有沒有好奇過，學生是怎麼透過閱讀科學文章和操作實驗共同去理解科學概念並做問題解決呢？這篇研究以眼動儀紀錄和分析大學生讀不同難易度的科學文章、操作滑輪，以及做問題解決測驗三者之間的眼動軌跡，回答這個有趣的問題。 　　穿戴式眼動儀（圖1）可以記錄學習者在閱讀文章或操作實驗時，會停在哪些文章訊息或實驗操作的部件上，以及停留多久的時間，還有在文章、科學操作，與測驗題紙，三者之間的轉移軌跡，因此，研究者就可以看見巨觀和微觀的科學學習歷程與步驟，以及認知歷程之轉換過程。 圖1：穿戴式眼動儀 　　眼動資料（圖2）顯示讀者閱讀概念簡單的科學文章後，在操作實驗時，會有較長的眼球凝視時間放在直接操作（performing）滑輪組；但讀困難的科學文章後操作滑輪，會把較多凝視時間放在準備（preparing）和計畫（planning）要選擇哪些滑輪與砝碼。 圖2：左圖是讀簡單文章和操作滑輪組的眼動熱區圖，右圖是讀困難文章和滑輪操作的眼動熱區圖。   　　此外，藉由轉移機率的統計計算（圖3），本研究也發現，大學生在閱讀簡單或困難的科學文本之後，在問題解決的歷程上有所不同：學生讀困難文章後，寫問題解決測驗時比較常會去操作滑輪，且有來回對照滑輪組與測驗題的眼動行為，但讀簡單文章後的測驗，則沒有此眼動歷程。過去在科學學習的眼動研究領域主要都是探討讀者在螢幕呈現科學文章的閱讀歷程，缺乏在真實情境下操作科學實驗的眼動歷程。此研究的重要突破在於能以眼動紀錄和分析學習者在真實情境下操作科學實驗的學習歷程，看見巨觀和微觀的科學學習歷程與步驟，並知道學生在閱讀文章、實驗操作、解題三者之間的歷程關係，為科學學習歷程的研究議題提供更深更廣的探究之可能性，因此被刊登在科教領域排名第一的頂尖期刊《Journal of Research in Science Teaching》（SSCI）。   (a) 閱讀簡單文章的轉移機率  (b) 閱讀困難文章的轉移機率 圖3：大學生讀科學文章、操作滑輪與問題解決測驗三者之間眼動的轉移機率（箭頭代表眼球移動的起迄點之轉移軌跡，箭頭旁的數字是轉移機率，如閱讀困難文章的情境下，全部大學生受試者的眼動凝視點從preparing區域轉移到performing是.51，代表超過一半以上的凝視點從滑輪組的預備區出去後，都會轉移到直接操作滑輪的區域。）   原文出處：Jian, Y.‐C. (2022). Influence of science text reading difficulty and hands‐on manipulation on science learning: An eye‐tracking study. Journal of Research in Science Teaching, 59(3), 358–382. https://doi.org/10.1002/tea.21731