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。
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。
梨花松开方竹沿河而行，她知道从此一别，就是永生。梨花走在河北岸，方竹走在河南岸；俩人依旧默默地隔河而行，边走边你看我一眼、我看你一眼。不知不觉，又回到他们相遇的地方，彼此都站住了。良久，梨花让方竹先走；但方竹不走，他让梨花先走。方竹说：“回去吧！回去……”梨花依旧没动。方竹又挥手道：“回去吧！回去……”梨花这才毅然转过身去，眼泪就哗地涌了出来。她小跑了几步，突然又站住了，转过身来，只见方竹依旧站在河边，呆呆地望着她，她就转身跑了。
（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。
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。
韩冬炎之流，并不鲜见，广州市委原书记万庆良被嘲讽为“规划之神”，主政广州后，先后计划建9个新城，总面积近800平方公里；南京市原市长季建业则被称为“推土机市长”，一路从扬州“挖”到南京，直至把自家“挖”进监狱；云南省委原副书记仇和也是以卖光公有企事业、大搞野蛮拆迁、大兴土木营造形象工程和面子工程而著称，把“春城”昆明折腾成了“拆城”。
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2 设计任务实验步骤设计
1.2 数据处理
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。
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。
由于篇幅限制，表1、图3仅显示3分以上的设计方案。
护理专任教师进行临床实践已成为高等职业院校师资培训的重要发展途径,关于临床实践的各个方面如何开展才能达到预期的效果,还需要护理教育者和护理管理者共同商讨和不断完善。
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。
斗室内，冼星海正全神贯注修改《在太行山上》曲谱，未发觉有人到访。一曲终了，郭沫若捅了捅冼星海后背：“星海,周副主席看你来了。”他让冼星海先试唱一遍,说：“我和周公当你的第一个听众”。冼星海说：“这是一首二部合唱,需要有一个人和我配合。”周恩来便说：“你唱主旋律,我唱第二声部，如何？”冼星海兴奋地说：“好！”浑厚而激昂的歌声在小屋里回荡。合唱完后，周、郭当场拍板，确定《在太行山上》在武汉纪念抗战一周年歌咏大会上演唱。1938年7月，武汉歌咏大会盛况空前。这首歌由张曙、林路、赵启海等在大会上唱出，迅速传遍大后方及各敌后抗日根据地。
互动性是推特的又一大特性。传统媒体时代，用户大多数时候系被动接受内容，用户和信息发布者之间存在一定的互动可能性，如读者可给报社编辑写信或通过收视率向电视台作出反馈，但该类模式不对等程度较高，且实现较为不便。推特大大提高了用户间进行互动的便利。任一推特用户均可通过“@”、评论、带评论转发、私信等手段便捷地向其他用户发起互动，这一行为实时传达至对方，对方也可直接回应，这一过程易于实现，可操作性强。
2 实验数据分析
2.1 回顾性口语及草图分析
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）。
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）。
表1 基于回顾性口语及草图分析评价设计想法
任务问题解决方案草图评分 D1移动三个顶点。对应口语：我开始试了一下三个硬币一起移动……但是好像不行……突然想到是不是移动三个顶点就可以，于是得到了答案。图3（a）（b）－ D2①火柴不一定首尾相连。对应口语：我看到题目只是说拼出4个三角形，并没有规定大小要求一样之类，那么应该不一定需要首尾相连。图3（c）－ ②火柴不一定全在同一平面。对应口语：我想的是三根火柴围成一个大的三角形，然后再把三根放到里面，就交叉的，通过同一点……因为题目没有说长度必须一样。图3（d）－ P11①发光部分为曲面，由多个小LED灯组成。图3（e）3 ②灯管为圆环状。图3（f）3 ③对已有台灯的改进，立柱可以收缩，顶端为光源。图3（g）3.33 ④伞状，不用时可以收起来，撑开时发光。图3（h）3.33 P12①由图片中流体想到可以将台灯做成瀑布形状，还可以显示时间。图3（i）4 ②看到文字提示想到书的造型，寓意书给我们带来光明，悬浮台灯。图3（j）3.33 ③由图片提示联想到水滴状台灯，上面挂一串长短不同的灯，四五个。图3（k）4.67 ④一种类似于八爪鱼造型，多个灯头，可调节灯的亮度和整体造型。图3（l）4 P21①树型水瓶，杯体是树干，杯盖是树冠。图3（m）3 ②不倒翁式水壶，轻轻一碰就可以倒水，造型可爱。图3（n）3.67 P22①根据文字提示想到腰带水壶，出行时可直接缠绕到腰带上。图3（o）4.67 ②看到文字提示，想到了莲藕的造型，藕有个特性是一节一节的，有时候希望是小的，有时候希望是大的，做成可拼接的样子。图3（p）4 ③看书的图片，想到书本的造型，书本可以合起来，喝水时打开，自带吸管。图3（q）3.67 ④看篮球图片，想到可以做成西瓜形状，可折叠，没水的时候体积变小。图3（r）4
图3 草图
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。
2.2 EEG数据分析
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）。
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。
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。
图4 右半球各脑区γ波在不同任务中power值变化
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2 γ波Bonferroni任务多重比较分析
（I）区域（J）区域平均值差值（I－J）标准错误显著性 CTF0.08270.0180.001 FC0.0800.0180.001 CP0.0850.0180 PT0.0850.0180 O0.1080.0180
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。
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.因变量。农村化学品企业产值(Outputjt)，其中，j和t分别代表省份和年度。本文以《规划》中明确规定的化学品污染重点防控产业中农村化学品企业总产值作为因变量的替代变量。
（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。
司大愣子媳妇对我说：“秀容川，你不能再跟别呦呦来往了！你才十四岁，坏了名声，看日后哪个女的敢嫁给你。”
（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。
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。
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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：领域论文; 过程中论文; 阶段论文; 想法论文; 过程论文; 哲学论文; 宗教论文; 心理学论文; 心理过程与心理状态论文; 《机械》2019年第1期论文; 国家自然科学基金重点项目(51435011)论文; 四川大学制造科学与工程学院论文;