基于EEG探索刺激条件下设计中的顿悟现象
李梦蝶，熊艳*，李彦，袁萍
（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）
摘要：目的：创新设计是一个创造过程，需要不断创新以产生更好的设计概念。顿悟是一个豁然开朗的体验，往往伴随着全新角度的认识及更具创造力的答案。设计中的顿悟能有效提高设计方案的创新性，结合认知神经科学手段进行脑电实验研究有助于了解并促进这一过程。方法：比较了8名被试在解决心理学领域经典顿悟问题和设计问题的EEG脑电数据的异同，并结合回顾性口语及草图分析评估设计想法，以此探索设计问题中顿悟的产生机制，并进一步探究了远领域刺激对设计中顿悟的促进作用。结果：在设计问题解决过程中，远领域刺激下的被试产生了与经典顿悟问题解决类似的顿悟反应，右半球中央颞区（CT区）会出现gamma波的突然上升，显示出比自由设计任务更强的同步性，其设计想法更具创新性，专家评分更高。结论：远领域材料刺激了远距离知识的组合和顿悟的产生，设计想法更具创新性。研究结果为创新设计辅助工具的完善提供了一定的理论依据。
关键词：创新设计；顿悟；EEG；远领域刺激
顿悟是突然的颖悟。格式塔心理学认为顿悟是一种通过重新组织知觉环境并突然领悟其中的关系而发生的过程。国内外学者主要从心理学角度对顿悟进行探索。国内学者如罗劲、张庆林等采用传统字谜、脑筋急转弯及科学发明问题为实验任务进行研究[1-7]。国外学者则较常采用远距离词语联想任务通过fMRI、ERP和EEG实验记录分析被试在解决经典顿悟问题时的脑活动[8-11]。A. Rosen等[12]通过EEG脑电研究他们在解决“十硬币问题”过程中的脑电信号，发现右额的γ波表明了重构的过程，导致顿悟式解决；Sandkühler S等[8]的研究发现顿悟现象会造成顶枕区域的γ波的明显变化；Jungbeeman M等[9]检测到顿悟解决方案出现的前0.3 s时，在相同区域有一个高频（γ波）神经活动的突然激活。在设计领域，Chandrasekera T等[13]采用实时记录和回溯分析法得出潜意识暗示的影响导致了灵感顿悟的产生，王业成[14]采用同样方法研究了设计师在设计一款照明装置的过程中，阈上知觉和阈下知觉潜意识暗示对手绘过程中顿悟的影响。
设计领域中有关顿悟过程的研究在国内外仅处于初始阶段。经典顿悟问题如九点问题、火柴问题和双绳问题等往往是几何空间问题或转换思维角度的问题，通常具有问题明确、答案确定的特点。设计被认为是一个病态结构的开放性过程[15]，设计问题往往是不良定义的，约束条件及所采用的知识无法明确，设计结果不存在最优答案，需要在不断的迭代过程中逐步完善，得出更优的设计。而顿悟可以在这个过程中为设计师提供无限灵感。因此研究设计者产生顿悟的内在机理对设计创新有非常重要的意义。
本研究采用EEG实验，比较被试在解决经典顿悟问题和设计任务中的γ波活动。其中设计任务包括无刺激条件（自由设计）和远领域材料刺激条件，在对比两种条件下的γ波活动的同时对比设计方案的创造性。通过观察不同条件下中的设计者大脑活动和方案创造性差异，探讨外界刺激如何帮助设计者产生有效的顿悟过程，进而产生更有创意的设计方案，可以为创新设计辅助工具的进一步完善提供理论依据。
Spatial 3D Numerical Simulation Research on a New Foundation Structure of Offshore Wind Power WANG Tingting,SU Liyuan,LU Shengjun(1)
1 实验任务设计
1.1 实验及任务设计
10名被试进行实验，其中一位被试实验过程中电极松动导致脑电数据记录不全无法分析，一位被试在限制时间内未能解决经典顿悟问题，不在本文研究范围内。经过筛选，最终对8名被试的实验数据进行研究。被试均是来自创新设计与创新方法实验室的研究生（平均年龄24.8，男性），对创新设计相关领域知识均有一定的研究和实践。本研究设计了一组实验，包括两个经典顿悟问题和两个设计任务问题。两个设计任务问题又分别在自由设计和远领域材料刺激两种条件下进行。
在设计任务P1和P2中，CT区γ波的power值均表现出类似的趋势，远领域材料刺激条件下的CT区的γ波power值远高于自由设计条件。在设计任务P1中，远领域材料刺激条件（P12）下CT区γ波的power值比自由设计条件（P11）高出0.077 μV2（高151%）。同时，观察图4发现，被试在解决经典顿悟问题和远领域刺激条件下的设计问题时（顿悟时段（-2.5～1 s）内）各脑区γ波power值并无明显区别，且均比无刺激条件下高。
图1 十硬币问题及火柴问题示意图
（2）两个设计任务问题：台灯设计（P1）和水瓶设计（P2）。设计过程分为两个阶段：自由设计（P11、P21）和远领域图片或文字刺激阶段（P12、P22）。自由设计阶段中被试不提供任何刺激，远领域刺激阶段提供4张图片及一段提示性文字；为保证远领域的要求，提供的刺激与设计任务不属同一设计单元，在知识节点上也没有相似性的信息[16]，水瓶设计任务中提供篮球、香蕉、书、蘑菇四张图片；台灯设计任务中提供滑板、油漆、帽子、水四张图片。所有图片经过灰度处理，背景为白色。
正式实验前，电脑屏幕出现实验模式，实验任务要求等说明，被试阅读完毕并表示理解后随即进行实验。实验过程中采用Brain Vision Recorder采集EEG信号，并用摄像机全程记录实验过程，同时收集实验过程中的草图作为分析参考。脑电数据采集设备型号为Brain Product TM actiChamp-32，通过33个电极记录脑电波，采样频率为50 kHz，阻抗20 kΩ，电极位置按照国际10-20-system标准。
图4是对EEG数据平均处理后的γ波在不同任务中各脑区power值的分布图。对设计任务的重复测量方差分析显示，任务对γ波没有显著性影响（P＞0.05）。
图2 设计任务实验步骤设计
1.2 数据处理
基于电极分布的位置，对本文研究区域按照国际惯例分为6个：右前额区域（frontal, F）（Fp2, FT10, F4, F8）、右前额中部区域（frontocentral, FC）（FC2, FC6）、右中央颞区（centrotemporal, CT）（C4, T8）、右中央顶区（centroparietal, CP）（CP2, CP6）、右顶颞（parietotemporal, PT）（P4, P8）、右顶枕（parietooccipital, O）（O2）。
EEG脑电信号的记录与处理通过Brain Vision Recorder和Brain Vision Analyzer 2.1软件（BrainProduct Inc.）来实现。为消除被试移动等活动产生的高频肌电信号和眨眼引起的眼电信号等的影响，需对原始数据进行滤波处理（滤波范围为1.6～50 Hz）并去除眼电信号。根据已有研究，选取想法生成时间点（鼠标标记点）前2.5 s到后1 s（-2.5～1 s）阶段作为顿悟时间段进行分析；并用傅里叶变化进行功能频谱分析，计算出各波段的功率谱密度，即power值。实验参考阶段获取的power值为参考值，实验任务阶段获取的为激活power值。各电极位的最终power值由相应的激活值减去参考值获得（ΔP＝P激活－P参考）。
但结合Bonferroni多重比较分析可见，右中央颞区（CT区）相对于其他区域发生了显著性变化，而其他区域并未出现显著性特征（如表2所示，仅截取CT区与其他区域比较结果部分）。在解决设计问题过程中，通过P11和P12、P21和P22任务的对比，可以看出设计任务过程中远领域刺激对右中央颞区（CT区）γ波的power值的大小有显著影响。
2 实验数据分析
2.1 回顾性口语及草图分析
为比较被试设计方案的创新性，对被试的回顾性口语和草图进行整理，邀请三位产品设计专家对被试的想法进行评分，分值区间为0～5分，数字越大创新程度越高，取三位专家评分的平均值为被试想法的最终得分。
由表1、图3可看出，在两个设计问题解决过程中，被试在远领域刺激设计过程中产生的设计想法来源于实验提供的刺激材料，且整体上比自由设计获得更高的评分，表示设计想法具有更高的创新性。
表1 基于回顾性口语及草图分析评价设计想法
图3 草图
由于篇幅限制，表1、图3仅显示3分以上的设计方案。
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2.2 EEG数据分析
本文研究在经典顿悟问题D1、D2和远领域刺激设计问题P12、P22解决过程中设计者的EEGγ波（38～44 Hz）活动规律，比较经典顿悟问题和设计问题，以及自由设计任务和远领域刺激设计任务解决过程中顿悟规律的异同。其中，对顿悟产生的判断主要根据被试在阐释阶段对思考过程的自述、思考得出方案及草图的创新性和EEG脑电数据结果综合得出。
运用SPSS（Statistical Package for Social Science）软件分别对所得被试变量的不同波在任务、大脑区域进行随机区组设计的重复测量方差分析（Analysis of variance，ANOVA），并通过Greenhouse-Geisser 程序对自由度进行纠正以防止球面假设的干扰，两两范围检验和多重比较检验的显著性水平（P）为系统默认值0.05。
本文四个实验任务根据EEG实验步骤循环进行，如图2所示。其中设计任务分为6个阶段，第一阶段为参考阶段，此阶段呈现10 s的交叉十字，将此阶段脑电波信号作为后续实验任务中数据分析的基准；然后是任务阶段，给被试呈现任务信息；随后进入想法生成阶段，要求被试进行无声思考，在产生想法的第一时间点击鼠标左键以进入下一个阶段，并将此时点击鼠标的标记点作为想法生成时间点；紧接着呈现远领域文字/图片刺激材料；随后继续进行无声思考并点击鼠标左键以进入最后阶段；最后阶段为回顾阶段，被试在此阶段回顾想法生成过程进行口头描述，并将想法绘制在A4纸。完成回顾后进入下一个循环。值得强调的是，经典顿悟问题在设计任务之前进行，分为4个阶段，没有提供刺激材料阶段及其随后的想法产生阶段。本实验过程主要对被试在产生想法时间点（即点击鼠标标记点）前后的EEG脑电信号进行记录和分析，以此分析想法生成过程、设计想法以及各脑区γ波活动三者之间的关系。
图4 右半球各脑区γ波在不同任务中power值变化
根据已有心理学领域的顿悟过程研究，对产品概念设计阶段的顿悟过程进行类比，认为被试在解决设计问题时也能产生顿悟反应，并呈现出相似的EEG脑电规律，提出相关实验假设如下：（1）顿悟解决方案出现前，右半球中央颞区（CT区）将出现γ波（38～44 Hz）段power值的突然上升；（2）由于刺激材料的激发作用，远领域激励条件下设计者表现出比自由设计任务更强的CT区γ波同步性，说明前者导致了组合意识的增强，且导致远领域刺激任务中的设计方案相比自由设计更具创新性。
当然也有参加日内瓦展的品牌退出离去，比如宝玑在加入斯沃琪集团后，便退出日内瓦而回到巴塞尔；而早期的Gerald Genta、Daniel Roth和Franck Muller等，也都陆续离开了日内瓦展；甚至是早年参加日内瓦展的历峰旗下品牌登喜路，也有好多年不再参加表展了。
表2 γ波Bonferroni任务多重比较分析
（1）两个经典顿悟问题：十硬币问题（D1）：初始状态下十个硬币呈上三角排列，要求被试移动三个硬币使其上下颠倒为下三角排列；火柴问题（D2）：要求被试用6根长度一样的火柴，拼出4个三角形。如图1所示。
第二，采用“3+2+1.5”模式，法语授课。哈工程学生前3 年在本校学习，第4、5 年在南特学习法语授课课程，并完成毕业论文或用英语进行的工程实习，之后返回我校完成硕士学位的学习(1.5年)，最后获得哈尔滨工程大学工学硕士和南特工程师学位。学生只需向原学校缴纳学费和其他费用。
3 讨论
通过EEG γ波数据分析，本研究根据实验假设从两个方面进行讨论：
（1）对EEG数据分析结果表明，在经典顿悟问题解决任务（D1、D2）和远领域信息刺激下的产品设计问题任务中（P12、P22），被试均报告为突然得出的想法，而两种任务下被试的EEG脑电γ波（CT区）相对于其他脑区都表现出显著性差异，且在各脑区趋势类似。已有研究认为顿悟过程中（CT区）γ波会产生明显的变化，即顿悟过程中会出现γ波power值的上升[8-12]。通过对比经典顿悟问题和产品设计任务问题解决过程中γ波的power值可以得出，被试的EEG脑波活动在产品设计中的主观顿悟与在解决经典顿悟问题时形成了较为一致的趋势。这个结果证明了假设（1）的成立。
（2）在远领域刺激设计任务（P12、P22）中，被试均表现出相对于自由设计条件（P11、P21）更强的CT区γ波同步性，产生顿悟体验，并得出更富创造力的想法。CT区γ波的同步性反映了被试对远领域信息组合的意识，γ波同步性越强，代表的远距离联想的活动越活跃[9]。这说明当给设计者提供远距离刺激图片、文字材料时，设计者大脑会对远领域信息进行联想，这一结果在回顾性口语及草图分析中也有体现，也与已有文献[8-9,12]得到的结果一致。这与假设（2）的结果相符。
现有管理模式存在管理人员专业水平较低、监管力度不大等问题，不能满足对灌区管理的需求。灌区管理出现问题，势必会对灌区建设产生不利影响，影响现代化灌区建设的进程。在现代化灌区建设过程中，要对现有管理模式中的不足之处进行改进。
西方主宰世界方式：财富追逐。“自13世纪以后，威尼斯人就一直在通过开发和印度的海上贸易，远渡重洋跨过非洲南端而不是讨价还价来聚集财富。”[7]316葡萄牙的行为更为迅速，西班牙从此进入了一个完全地“新世界”，并将自己的所有附属地对外承包。在西伯利亚地区和美洲，一些亡命之徒都会在地图上未标明的位置四处聚财，占领了令人难以置信的大片土地。财富聚集的方式和狂热达到了前所未有的程度，加速了西方人主宰世界的野心和抱负。
4 结语
在设计过程中，设计师通过远距离材料刺激，将关联度低的两个事物联系起来，顿悟产生新的富有创造力的设计方案。研究表明，相比于自由设计任务，设计师在远领域文字、图片材料刺激下的设计问题解决过程中，大脑在右前颞区表现出更强的γ波同步性，表明被试在材料刺激下激活了大脑中的远领域知识，建立了远距离联系，产生了更具创新性的新想法。
本文针对被试在经典顿悟问题和设计问题解决过程中的表现设计了EEG脑电实验，分析了被试在思考过程中各脑区γ波的数据信息，初步探索了被试在解决设计问题过程中的顿悟表现，比较了设计问题中的顿悟与经典问题中顿悟的区别，并探索了远领域材料刺激对被试在设计过程中产生顿悟想法的促进作用。虽然实验通过方差分析验证了当前样本量的可靠性，但关于远距离材料的性质、内容和复杂程度等要素缺乏考虑。后续工作中可对文字、图片材料进行细分，通过更多的对比实验研究出顿悟的刺激机制，找到有效的刺激顿悟方式，以便提出更合适的设计思维激励工具，从而辅助创新设计。
侵权责任的量变应以矫正正义的框架范围为限，尤其不得超出“平等关系”和“损害填平”两项质的基础性规定。局部量变是事物发展过程中的必然现象，也是事物在环境中持续生存的必要条件。但是，当量变超越某个临界点，就会引发事物属性的改变而产生质变。矫正正义的两极性决定了侵权责任仅存在于平等主体关系之内；矫正正义的实质内容是“损害填平”。损害认定是“损害填平”的前提，但由于因果关系的普遍性特征，损害认定同样不全然是一个事实问题，而必然伴随着价值判断。在矫正正义的两极框架内，整个侵权法在特定社会政策和价值的导向下动态地调整其具体制度的内容，以实现行为人与受害人双方利益的平衡。
参考文献：
[1]罗劲. 顿悟的大脑机制[J]. 心理学报，2004，36（2）：219-234.
[2]罗劲，张秀玲. 从困境到超越:顿悟的脑机制研究[J]. 心理科学进展，2006，14（4）：484-489.
[3]邱江，张庆林. 创新思维中原型激活促发顿悟的认知神经机制[J]. 心理科学进展，2011，19（3）：312-317.
[4]邱江. 顿悟问题解决中原型激活的认知神经机制[D]. 重庆：西南大学，2007.
[5]邱江，张庆林. 字谜解决中的“啊哈”效应：来自ERP研究的证据[J]. 科学通报，2007，52（22）：2625-2631.
[6]张庆林，田燕，邱江. 顿悟中原型激活的大脑自动响应机制：灵感机制初探[J]. 西南大学学报（自然科学版），2012，34（9）：1-10.
[7]傅小兰. 探讨顿悟的心理过程与大脑机制——评罗劲的《顿悟的大脑机制》[J]. 心理学报，2004，36（2）：234-237.
[8]Sandkühler S，Bhattacharya J. Deconstructing insight: EEG correlates of insightful problem solving [J]. Plos One，2007，3（1）：498-498.
[9]Jungbeeman M，Bowden E M，Haberman J，et al. Neural Activity When People Solve Verbal Problems with Insight[J]. Plos Biology，2004，2（4）：2-4.
[10]Rothmaler K，Nigbur R，Ivanova G. New Insights into Insight: Neurophysiological Correlates of the Difference Between the Intrinsic “Aha” and the Extrinsic “Oh Yes” Moment[J]. Neuropsychologia，2016.
[11]Dietrich A，Kanso R. A review of EEG, ERP, and neuroimaging studies of creativity and insight.[J]. Psychological Bulletin，2010，136（5）：822-48.
[12]A. Rosen，M. Reiner. Right frontal gamma and beta band enhancement while solving a spatial puzzle with insight[J]. International Journal of Psychophysiology，2016.
[13]Chandrasekera T，Vo N, D'Souza N. The effect of subliminal suggestions on Sudden Moments of Inspiration (SMI) in the design process [J]. Design Studies，2012，34（2）：193-215.
[14]王业成. 潜意识暗示下手绘过程中顿悟的研究及原型系统设计[D]. 杭州：浙江理工大学，2016.
[15]BUCHANAN R. Wicked problems in design thinking[J]. Design Issues，1992，8（2）：5-21.
[16]袁萍，熊艳，李彦，刘龙繁，李梦蝶. 基于EEGα波活动探究信息激励距离对产品设计思维的影响[J]. 机械工程学报，2017，53（15）：40-48.
EEG Study of Insight in Stimulated Design Problem Solving
LI Mengdie，XIONG Yan，LI Yan，YUAN Ping
( School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )
Abstract：Objective：This paper aims to understand and promote innovation design process by the study of insight’s generation mechanism. Innovation design is a creating process. Designers need to be innovative to create better solution in this process. Insight is an “Aha!” experience, which is normally accompanied with a brand new angle of cognition and more creative solutions. Insight in design process can highly improve the innovation of design solutions. Cognitive neuroscience method is used to study the changing rule of gamma band in insight process. Method: The differences and similarities of eight subjects’ EEG data in problem dealing process were compared. The retrospective remarks and sketches were analyzed and evaluated in order to seek the feasibility of insight in design problem solving. The promotion of long-distance stimulation to insight in design process was investigated. Result: The paper discovers that in design process, subjects can have insight. Like dealing with classic psychological insight problems, there would be a rising of gamma band in right hemisphere centrotemporal area. Stronger synchronism of gamma band is found in CT area of long-distance stimulated design process, compared with that in free design process. Their design solutions are more innovative and the score of expert’s evaluation is higher. Conclusion: Far inter-domain information stimulates the combination of long-distance knowledge and the occurrence of insight, which further leads to more innovative ideas. This result provides certain theoretical foundation for design assistant tool.
Key words：innovation design；insight；EEG；far inter-domain stimulation
中图分类号：F406.13
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2019.01.001
文章编号：1006－0316 (2019) 01－0001－06
收稿日期：2018－03－07
基金项目：国家自然科学基金重点项目（51435011）
作者简介：李梦蝶（1993－），女，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事产品创新设计研究工作。
*通讯作者：熊艳（1974－），女，湖北武汉人，博士，副教授，主要从事产品创新设计研究工作。
标签：创新设计论文; 顿悟论文; EEG论文; 远领域刺激论文; 四川大学制造科学与工程学院论文;