（一）研究方向

本實驗室長期致力於科學概念改變與數位學習之研究，是以開創系列研究，包括數位化科學推理、數位科學論證、多媒體科學學習，和遊戲式科學學習，近年開始從認知角度探討科學概念建構與重建的研究。目前採用眼動儀及腦波儀協助探討認知多媒體理論與學生科學知識建構的關係。並嘗試以EEG探討學生知識建構的關係。並運用眼動儀探討學生科學概念改變成功的理由，同時輔以EEG探索雙重情境學習模式之所以可促使學生科學概念改變成功的原因。截至目前為止，我們已經運用眼動儀探討認知多媒體理論在遺傳、減數分裂、有絲分裂、化學反應、熱的傳播、電等一系列概念的科學概念建構與重建的關係。

（二）研究內容

  1. 科學概念改變研究
    (1) 雙重情境學習模式對於科學概念改變式之研究
    (2) 概念改變與推理研究
    (3) 數位化科學概念改變研究
    (4) 科學推理和概念改變
  2. 數位化科學論證研究
    (1) 不同科學內容之科學論證內涵與層次
    (2) 論證與概念改變之研究
  3. 數位化科學學習研究
    (1) 運用數位化學習環境，探討學生科學學習之成效
    (2) 建置不同理論架構為基礎的數位化科學學習內容促進科學學習。
  4. 認知多媒體理論與科學學習研究
    (1) 探討modality與不同多媒體呈現方式間的關係。
    (2) 探討不同多媒體呈現科學方式與學生科學概念建構的關係。
  5. 認知與科學知識架構、概念改變的關係
    (1) 以眼動儀與EEG探討科學知識建構的關係。
    (2) 以眼動儀與EEG探討雙重情境學習模式之所以可以促進科學概念改變的原因。
    (3) 探討working memory capacity與學生科學知識建構與重建間的關係，同時以眼動儀輔助探討working memory capacity與不同多媒體呈現科學方式間的關係。
    (4)以眼動儀和EEG探討數位多媒體學習之知識建構歷程
  6. 教育遊戲對科學學習和沉浸經驗的影響

（三）實驗設備

眼動儀 The EyeLink 1000 system

EyeLink 1000 system-1EyeLink 1000 system-2EyeLink 1000 system-3

本實驗室所使用之眼動儀為SR research所開發之EyeLink 1000系統，其光學系統裝置為Desktop Mount機型。本系統當中包括一台Host Computer、一台Display Computer、一組Video Overlay box與一組移動式眼動追蹤裝置。Host Computer主要用於眼動資料的記錄功能與硬體組態設定，並能在實驗進行過程中即時顯示受試者的眼球凝視位置，且誤差時間僅僅只有2毫秒，使研究者能 更加即時掌握實驗狀況。而Display Computer，主要用於實驗設計及呈現實驗材料，並透過網路裝置將資料即時傳回Host Computer中紀錄及顯示。Video Overlay box主要用於整合動態影像及眼球凝視資料，以了解受試者在觀看動態影像時其眼球凝視的狀況。而移動式眼動追蹤裝置配有單眼及雙眼的高速攝影鏡頭，最高取 樣率可達1000 Hz，平均凝視位置誤差可低至0.15°，且體積輕巧，攜帶方便，使實驗更具機動性。

本系統所搭配使用的軟體有兩套。在實驗設計階段，研究者可使用Experiment Builder軟體進行實驗流程設計，Experiment Builder是一套視覺化實驗設計軟體，只需要透過拖曳的方式將所需的實驗元件依實驗需求加以連結即可。而在資料分析階段，主要是利用Data Viewer進行分析。在Data Viewer中，研究者可直接選取並匯出所需要的眼動資料，包括眼球凝視座標、次數、時間、軌跡…等，並且能夠依不同的分析需求群組資料或是選擇特定 區域進行分析。

EyeLink系統在各領域研究中的應用層面相當廣泛，在硬體及軟體上也具備友善的操作界面。而本實驗室主要將EyeLink用於科學教育領域的相關研究 上，藉由學生的眼動資料行為分析學生在科學學習歷程中的認知活動，並進一步探討眼動模式和科學概念改變與概念重建間的交互關係。

目前本實驗室在眼動相關研究之期刊論文計有7篇：

  1. Liang, C. P., & *She, H. C. (2021). Investigate the effectiveness of single and multiple representational scaffolds on mathematics problem solving: Evidence from eye movements. Interactive Learning environments. doi.org/10.1080/10494820.2021.1943692. (SSCI) (IF=4.965)
  2. Chen, S. C., & *She, H. C. (2020). Effects of Analogical Learning Approaches and Presentation Modalities on Ninth Graders’ Learning Outcome and Eye Movements: a Preliminary Study. Journal of Science Education and Technology, 29, 547-560. https://doi.org/10.1007/s10956-020-09835-7. (SCI)(SSCI) (IF=2.315)
  3. Tsai, P.Y., Yang, T.T., *She, H. C., & Chen, S. C (2019). Leveraging College Students’ Scientific Evidence-Based Reasoning Performance with Eye-Tracking-Supported Metacognition. Journal of Science Education and Technology. 28(3),613-627(SCI)(SSCI) (IF=1.644) https://doi.org/10.1007/s10956-019-09791-x
  4. Tsai, P.Y., *She, H. C., Chen, S. C., Huang, L. Y., Chou, W.C., Duann, J.R., Jung, T.P. (2019). Eye Fixation-related Fronto-parietal Neural Network Correlates of Memory Retrieval. International Journal of Psychophysiology, 138, 57-70. (SCI) (SSCI) (IF=2.868) DOI: 10.1016/j.ijpsycho.2019.02.008
  5. Chen, S. C., Hsiao, M. S., *She H. C. (2015). The effects of static versus dynamic 3D representations on 10th grade students’ atomic orbital mental model construction: Evidence from eye movement behaviors. Computers in Human Behavior, 53, 169-180. (SSCI) (IF=2.880). https://doi.org/10.1016/j.chb.2015.07.003
  6. Chen, S. C., *She, H. C., Chuang M. H., Wu, J. Y., Tsai, J. L. & Jung, T.P. (2014). Eye movements predict students’ computer-based assessment performance of physics concepts in different presentation modalities. Computers & Education, 74, 61-72. (SSCI) (IF=2.556) https://doi.org/10.1016/j.compedu.2013.12.012
  7. *She, H. C. & Chen, Y.Z. (2009). The Impact of Multimedia Effect on Science Learning: Evidence from Eye Movements. Computers & Education, 53(4), 1297-1307. (SSCI) (IF=2.059) https://doi.org/10.1016/j.compedu.2009.06.012

腦波儀 The NeuroScan SymAmps2 system

Event Related Potential (ERP)-1Event Related Potential (ERP)-2Event Related Potential (ERP)-3

本實驗室所使用的腦波儀為NeuroScan公司所開發的SymAmps2系統。本系統的硬體部分包括64channel電極帽、訊號放大器、電源供應器及兩台桌上型個人電腦。SymAmp2系統配有64個單極電極及4個雙極電極，可同時支援進行腦電波、眼電、及心電的紀錄，單極取樣率可達20000Hz。軟 體部分則有Scan4.4、STIM2、3DSpaceDx ＆Source四套軟體。Scan4.4主要用於腦波紀錄與資料分析，一方面可在實驗進行過程中使用線上分析以了解受試者即時的腦 部活動及變化，另一方面也可在實驗結束後進行離線分析。STIM2則用於編寫實驗材料及實驗程序，並且能透過網路裝置與Scan4.4連接，將實驗刺激與受試者反 應即時標記於腦波資料上，有助於後端的資料離線分析進行。而3DSpaceDx可用來建立受試者真實頭顱模型以獲得精確的電極位置， Source軟體則是利用所收集得到的腦波資料加以運算比對，以進行腦波來源的定位分析，並且將定位結果與3D影像結合呈現，讓研究者可以更精確了解特定腦波的來源區域。

本實驗室使用NeuroScan SymAmps2 system收集學生在科學概念建構與重建歷程中的腦波訊號，並且透過頻譜分析(Delta、Theta、Alpha、Beta及Gamma波段分析)、腦波強度分析（Spectrum power）、腦部活化區域（Topographic）及來源比對（Source），了解學生在此歷程中腦波之動態變化，並進一步探討學生在科學概念建構與重建歷程中其腦波變化與學習成效之間的關係。

目前腦波研究在認知心理、神經工程與生理醫學的研究領域中已經進行多年，並且已取得多項豐碩的研究成果，雖然如此，目前對於人腦在認知功能及相關機制上的了解仍然相當有限，相較之下，科學學習歷程中所牽涉到的認知功能更為複雜，但是腦波在科學教育領域中的相關研究及應用可說是微乎其微。因此，本實驗室之目 標在以科教的理論背景為基礎，結合ERP & EEG的技術為科學教育領域開創新的研究方向及途徑，將來更計劃將腦波儀的實驗技術進一步與眼動儀的相關實驗技術整合，取得更多生物或生理上的直接證據以 了解學生在科學概念建構與重建歷程中其訊息處理模式及認知資源的分配情形，並希望這些研究結果在未來能夠協助我們更加了解學生在科學學習過程中複雜的認知機制。

目前本實驗室在腦波相關研究之期刊論文計有9篇：

  1. *She, H.C., Huang, L.Y, & Duann, J.R. (2023, 8). A Shared Hippocampal Network in Retrieving Science-related Semantic Memories. International Journal of Neural Systems. 33(8), 2350034. (SCI)
  2. Chou, W.C., She, H.C., & Jung, T. P. (2023, Feb.). Human brain dynamics and coordination reflect the task difficulty of optical image formation involves relational reasoning. International Journal of Neural Systems. 24 Feb 2023:2350018. DOI: 10.1142/s0129065723500181 (SCI) (IF:8.0)
  3. Liang, C. P., She, H. C., Huang, L. Y., Chou, W. C., Chen, S. C. & Jung, T. P. (2020). Human Brain Dynamics Reflect the Correctness and Presentation Modality of Physics Concept Memory Retrieval. Frontiers in Human Neuroscience. doi.org/10.3389/fnhum.2020.00331 (SCI)(IF=3.169)
  4. Huang, L. Y., *She, H. C. & Jung, T. P. (2018). Neural oscillation correlates chemistry decision-making. International Journal of Neural Systems. 28(3), 1750031. DOI: 10.1142/S0129065717500319 (SCI) (IF=4.580)
  5. Chen, S. C., Hsiao, M. S., *She H. C. (2015). The effects of static versus dynamic 3D representations on 10th grade students’ atomic orbital mental model construction: Evidence from eye movement behaviors. Computers in Human Behavior, 53, 169-180. (SSCI) (IF=2.880). https://doi.org/10.1016/j.chb.2015.07.003
  6. Chou, W.C., Duann, J.R., *She, H. C., Huang, L.Y., Jung, T.P. (2015). Explore the functional connectivity between brain regions during a chemistry working memory task. PLOS ONE, 10 (6), e0129019. (SCI) (IF=3.057). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0129019
  7. Huang, L. Y., *She, H. C., Chou, W. C., Chuang, M. H., Duann, J. R. & Jung, T. P. (2013). Brain Oscillation and Connectivity during a Chemistry Visual Working Memory Task. International Journal of Psychophysiology. 90(2), 172-179. (SCI) (SSCI) (IF=2.648) https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2013.07.001
  8. Lai, K., *She, H. C., Chen, S.C., Chou, W.C., Huang, L.Y., Jung, T.P., Gramann, K. (2012). Encoding of physics concepts: Concreteness and presentation modality reflected by human brain dynamics. PLoS ONE, 7(7): e41784. (SCI) (IF=3.730) https://doi.org/10.1371/journal.pone.0041784
  9. *She, H. C., Jung, T.P., Chou, W.C., Huang, L.Y., Wang, C.Y., Lin, G.Y. (2012). EEG dynamics reflect the distinct cognitive process of optic problem solving. PLoS ONE, 7(7): e40731. (SCI). (IF=3.730) https://doi.org/10.1371/journal.pone.0040731