視空間工作記憶任務(wù)訓(xùn)練軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

視空間工作記憶任務(wù)訓(xùn)練軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一、總結(jié)1.腦科學(xué)研究對(duì)現(xiàn)代教學(xué)的重要性自20世紀(jì)30年代以來，研究人員一直希望通過心理學(xué)。學(xué)、腦科學(xué)的研究成果來改善學(xué)校的學(xué)習(xí)與教學(xué)活動(dòng)。而近些年來,腦科學(xué)研究進(jìn)展越來越受到人們的關(guān)注,腦科學(xué)的研究成果也越來越多地應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域,并對(duì)現(xiàn)代教學(xué)產(chǎn)生了深刻的影響。腦科學(xué)研究的進(jìn)展和成就,不僅豐富和發(fā)展了腦科學(xué)的理論,而且還為教學(xué)研究向縱深發(fā)展提供了科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)手段,對(duì)現(xiàn)代教學(xué)實(shí)踐產(chǎn)生了巨大的影響和重要的現(xiàn)實(shí)意義。2.其他途徑、方法、儀器腦的結(jié)構(gòu)和功能,在經(jīng)歷了發(fā)育的關(guān)鍵期后,甚至在完全發(fā)育成熟后,仍然保持著相當(dāng)程度的可塑性,這種可塑性可保持終生。因此,要努力創(chuàng)造有助于學(xué)生智力全面發(fā)展的良好環(huán)境。課堂上基于知識(shí)的傳授無疑是重要的,但僅是學(xué)生智力活動(dòng)的一部分,需要通過其他手段、方法以形象、生動(dòng)的方式,來對(duì)腦的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑造,以促進(jìn)學(xué)生智力的全面發(fā)展。腦的可塑性是學(xué)習(xí)、記憶的神經(jīng)基礎(chǔ),而腦的所有高級(jí)功能可以說都離不開學(xué)習(xí)、記憶,學(xué)習(xí)、記憶可以作為一個(gè)例子來說明可塑性對(duì)教育的重要性。3.工作記憶訓(xùn)練工作記憶是與日常生活相關(guān)的非常重要的能力。工作記憶的概念是由Baddeley和Hitch于1974年提出的,認(rèn)為它是一種對(duì)信息進(jìn)行暫時(shí)加工和貯存的能量有限的記憶系統(tǒng)。接著Baddeley通過研究發(fā)現(xiàn)工作記憶由一個(gè)中央執(zhí)行系統(tǒng)(thecentralexecutive)和語音環(huán)路(phonologicalloop)、情景緩沖系統(tǒng)(episodicbuffer)以及視空間模板(visuo-spatialsketchpad)組成。最近一些研究也表明,通過合適的訓(xùn)練可以提高個(gè)體的工作記憶。如Jaeggi等人已在研究中發(fā)現(xiàn),工作記憶訓(xùn)練可以提高個(gè)體的流體智力。不同研究者在工作記憶訓(xùn)練研究中采用了不同的訓(xùn)練方法,如數(shù)字廣度任務(wù)、詞語廣度任務(wù)、選擇反應(yīng)時(shí)任務(wù)、“n-back”任務(wù)等作為工作記憶訓(xùn)練的任務(wù)。同時(shí)研究表明,教育游戲的特點(diǎn)要求游戲設(shè)計(jì)具有趣味性,給予良好的情感,如成就感、榮譽(yù)感、好奇感等。教育游戲還需具有挑戰(zhàn)性,有一定難度的游戲能激發(fā)玩家的征服心理,促使他們花更多的時(shí)間來完成任務(wù),提高成績(jī)。這些特點(diǎn)同樣適合于認(rèn)知訓(xùn)練游戲的設(shè)計(jì)。但以往的這些訓(xùn)練形式仍不夠多樣化,訓(xùn)練者往往只能進(jìn)行幾個(gè)特定任務(wù)的訓(xùn)練,同時(shí)訓(xùn)練過程枯燥乏味,缺少必要的趣味性,無法激發(fā)訓(xùn)練者的興趣,使訓(xùn)練者很難堅(jiān)持進(jìn)行訓(xùn)練。很多研究表明,工作記憶廣度任務(wù)比短時(shí)記憶廣度任務(wù)能更好地預(yù)測(cè)復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)的成績(jī),并且工作記憶與流體智力之間有更強(qiáng)的聯(lián)系,而短時(shí)記憶廣度對(duì)流體智力的預(yù)測(cè)不顯著。于是本文利用測(cè)量視空間短時(shí)記憶廣度的任務(wù)為切入點(diǎn),首先驗(yàn)證了短時(shí)記憶的廣度任務(wù)作為訓(xùn)練材料,對(duì)流體智力的提高并不明顯,然后在此訓(xùn)練材料的基礎(chǔ)上,對(duì)該訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),加入心理旋轉(zhuǎn)因素,在確保達(dá)到訓(xùn)練效果的同時(shí),加大游戲難度,提高游戲的挑戰(zhàn)性,并將該任務(wù)作為訓(xùn)練材料進(jìn)行在線訓(xùn)練,同時(shí)驗(yàn)證了該訓(xùn)練方法可以有效提高個(gè)體的流體智力。二、短時(shí)記憶的廣度對(duì)流體智力的預(yù)測(cè)早期的時(shí)候,短時(shí)記憶模型往往被假定成是單一系統(tǒng),自從Baddeley提出工作記憶有視覺空間成分和語音成分兩個(gè)子系統(tǒng)后,越來越多的研究者對(duì)視覺空間子系統(tǒng)的容量和語音子系統(tǒng)的容量進(jìn)行區(qū)分。Philips在柯西塊測(cè)驗(yàn)(Corsiblocktest)的基礎(chǔ)之上發(fā)明了另一種測(cè)量空間廣度的方法,他給被試呈現(xiàn)了一個(gè)矩陣,其中部分單元以點(diǎn)填充,點(diǎn)的位置是隨機(jī)的。接著呈現(xiàn)的測(cè)試矩陣,可能與先前矩陣相同或有一個(gè)點(diǎn)的位置不同,被試的任務(wù)是判斷兩個(gè)矩陣是否相同。Philips的這一個(gè)方法是比較成功的,它分離了視覺空間成分與言語成分。本次游戲設(shè)計(jì)以Philips視空間短時(shí)記憶的測(cè)量任務(wù)為參照。在該游戲設(shè)計(jì)中,訓(xùn)練者被呈現(xiàn)一個(gè)棋盤的樣式,它已被表明很難進(jìn)行語義編碼,首次呈現(xiàn)時(shí)包含3×3總共9個(gè)獨(dú)立的方塊,每個(gè)方塊的正面和背面顏色不同。然后隨機(jī)從這9塊獨(dú)立的方塊中產(chǎn)生三個(gè)方塊,將這三個(gè)方塊翻轉(zhuǎn)過來呈現(xiàn)給訓(xùn)練者,經(jīng)過3秒的時(shí)間后,再將這三個(gè)方塊恢復(fù)原樣,然后訓(xùn)練者通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊來確定這三個(gè)方塊剛才出現(xiàn)的位置,如果全部答對(duì),則增加一個(gè)難度。下一個(gè)難度將會(huì)呈現(xiàn)3×4總共12個(gè)獨(dú)立方塊的方塊矩陣,此次訓(xùn)練者需要在3秒內(nèi)記住隨機(jī)翻轉(zhuǎn)過來的方塊數(shù)目為四個(gè)方塊。如果此次仍然全部答對(duì),那下一個(gè)難度將會(huì)呈現(xiàn)4×4總共16個(gè)獨(dú)立方塊的方塊矩陣,此次訓(xùn)練者需要在3秒內(nèi)記住的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)過來的方塊數(shù)目也變成了五塊,接下來難度遞增的過程以此類推。如果訓(xùn)練者在某個(gè)難度等級(jí)沒有用鼠標(biāo)點(diǎn)正確呈現(xiàn)的全部位置時(shí),訓(xùn)練者需要在同一個(gè)難度等級(jí)再次進(jìn)行訓(xùn)練,如果再次訓(xùn)練時(shí),訓(xùn)練者仍然無法全部點(diǎn)正確,那此時(shí)的訓(xùn)練需要降低一個(gè)等級(jí)進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)訓(xùn)練者到達(dá)第30次時(shí),就結(jié)束本次訓(xùn)練,將訓(xùn)練成績(jī)呈現(xiàn)給訓(xùn)練者,并將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器保存以便于統(tǒng)計(jì)。由于先前的研究已經(jīng)表明,短時(shí)記憶的廣度對(duì)流體智力的預(yù)測(cè)不顯著,將短時(shí)記憶的廣度任務(wù)作為訓(xùn)練材料,無法明顯提高訓(xùn)練者的流體智力,因此需要對(duì)該游戲進(jìn)行設(shè)計(jì),以便通過訓(xùn)練可以提高訓(xùn)練者的流體智力。自從Shepard等人在1971年提出了心理旋轉(zhuǎn)的概念后,不同研究者對(duì)心理旋轉(zhuǎn)的信息加工機(jī)制進(jìn)行了研究。心理旋轉(zhuǎn)是一種想象自己或客體旋轉(zhuǎn)的空間表征轉(zhuǎn)換能力,它有相對(duì)易變性和可塑性的認(rèn)知加工特征,通過心理旋轉(zhuǎn)來提高空間智能成為可能。有研究表明,個(gè)體心理旋轉(zhuǎn)能力與智力有非常顯著的正相關(guān)?；谝陨涎芯?我們來對(duì)基于視空間短時(shí)記憶任務(wù)的訓(xùn)練游戲進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在上述游戲當(dāng)中,每次隨機(jī)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)過來的方塊后,在呈現(xiàn)給訓(xùn)練者3秒以后,再將隨機(jī)產(chǎn)生的方塊恢復(fù)原樣,接下來并未對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作。本次游戲設(shè)計(jì)中,方塊矩陣恢復(fù)原樣以后,需對(duì)其以60度每秒的速度隨機(jī)進(jìn)行順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后,才讓訓(xùn)練者判斷剛才翻轉(zhuǎn)過的方塊。而難度等級(jí)的變化方式與上一個(gè)游戲一致。該游戲流程如圖1所示。三、關(guān)鍵技術(shù)1.畫面線的設(shè)計(jì)該游戲使用的方法是在線訓(xùn)練方式,因此需要設(shè)計(jì)基于web平臺(tái)的訓(xùn)練游戲。由于HTML的功能十分有限,無法達(dá)到人們的預(yù)期設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)令人耳目一新的動(dòng)態(tài)效果,在這種情況下,使用既簡(jiǎn)單直觀又有強(qiáng)大的動(dòng)畫設(shè)計(jì)工具的Flash比較合適。Flash既可以快速設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的動(dòng)畫,又可以使用AdobeActionScript3.0開發(fā)高級(jí)的交互式項(xiàng)目。Flash也是一種用于互聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)畫編程語言,它采用了網(wǎng)絡(luò)流式媒體技術(shù),突破了網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制,可以在網(wǎng)絡(luò)上更快捷地播放動(dòng)畫,同時(shí)Flash有很好的交互性,在Flash中可以通過加入按鈕來控制頁面的跳轉(zhuǎn)和鏈接,按鈕還可以發(fā)出各種聲音,豐富了游戲的表現(xiàn)手段。由于Flash使用的是矢量技術(shù)制作和生成動(dòng)畫,也使文件大大“減小”,并且大部分瀏覽器都內(nèi)置了FlashPlayer,訓(xùn)練中使用也比較方便。因此,Flash技術(shù)能很好地滿足該游戲的設(shè)計(jì)。2.面信息的交互Ajax(AsynchronousJavaScriptAndXml)并不是一種新技術(shù),而是整合了JavaScript、Xml、CSS等已有技術(shù),用于創(chuàng)建快速動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的技術(shù)。通過Ajax,我們可以使網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)異步更新,在不需要頁面重載的情況下與web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互,不僅減輕了服務(wù)器的壓力,而且使用戶獲得了更好的體驗(yàn)。一個(gè)Ajax交互從一個(gè)稱為XMLHttpRequest的JavaScript對(duì)象開始,它允許一個(gè)客戶端腳本來執(zhí)行HTTP請(qǐng)求,并且將會(huì)解析一個(gè)XML格式的服務(wù)器響應(yīng)。Ajax處理過程中的第一步是創(chuàng)建一個(gè)XMLHttpRequest實(shí)例。使用HTTP方法(GET或POST)來處理請(qǐng)求,并將目標(biāo)URL設(shè)置到XMLHttpRequest對(duì)象上。Ajax不需要任何瀏覽器插件,但需要用戶允許JavaScript在瀏覽器上執(zhí)行,Ajax應(yīng)用程序必須在不同的瀏覽器和平臺(tái)上經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試,保證其能正確地執(zhí)行。在游戲訓(xùn)練過程中,每次游戲結(jié)束后,需要查看訓(xùn)練結(jié)果,這時(shí)不需要跳轉(zhuǎn)到另外一個(gè)新的頁面就可直接來呈現(xiàn)訓(xùn)練成績(jī)。四、基于c.0的復(fù)雜動(dòng)作模擬本游戲開發(fā)使用的工具是AdobeFlashCS3的動(dòng)畫軟件,該軟件是目前非常流行的二維動(dòng)畫制作軟件之一,可以實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)態(tài)特效,其體積比較小巧,雖然版本比較低,但其提供的功能已經(jīng)可以滿足本次開發(fā)的需要,而且CS3運(yùn)行比較穩(wěn)定,可以方便地使用AdobeActionScript3.0來實(shí)現(xiàn)游戲設(shè)計(jì)當(dāng)中的復(fù)雜動(dòng)作。本游戲先使用AdobeFlashCS3中的矩形工具繪制出兩塊等大小的小正方形,并分別將其填充上區(qū)分度明顯的兩種顏色,用來作為游戲設(shè)計(jì)中的原素材,然后利用創(chuàng)建補(bǔ)間動(dòng)畫來實(shí)現(xiàn)單塊方塊的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作,接著使用ActionScript3.0腳本語言實(shí)現(xiàn)不同行列大小的矩陣以及在該矩陣中隨機(jī)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)量方塊的翻轉(zhuǎn)和鼠標(biāo)按鍵的監(jiān)聽動(dòng)作。游戲結(jié)束以后,Flash不僅可以直接顯示本次訓(xùn)練的成績(jī),訓(xùn)練者還可以通過調(diào)用相應(yīng)的JavaScrip語言,即利用Ajax與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,將游戲的訓(xùn)練成績(jī)傳送到服務(wù)器上保存起來,訓(xùn)練者再次訓(xùn)練時(shí),可以看到最近幾次自身訓(xùn)練的情況以及與其他訓(xùn)練者的訓(xùn)練成績(jī)比較,從而激發(fā)了玩家的興趣,使玩家堅(jiān)持訓(xùn)練。五、心理物理試驗(yàn)2013年12月,我們招募36名浙江工業(yè)大學(xué)本科生參與試驗(yàn)。入選標(biāo)準(zhǔn):要求被試身體健康,瑞文測(cè)試智力正常,眼睛無明顯器質(zhì)性病變,在此之前均未參加過任何心理物理試驗(yàn)。36名被試均自愿參與整個(gè)試驗(yàn)過程并簽訂了知情同意書,且對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟涣私?但在試驗(yàn)前對(duì)流程等有一定的了解。36名大學(xué)生按前測(cè)流體智力成績(jī)被平均分配。2.數(shù)據(jù)分析和過程控制組被試與實(shí)驗(yàn)組被試在同一時(shí)間進(jìn)行前后測(cè)測(cè)量,中間間隔時(shí)間相同。實(shí)驗(yàn)過程中,控制組不訓(xùn)練,其余兩組進(jìn)行為期3周,每周5天,每天進(jìn)行約5分鐘視空間工作記憶廣度任務(wù)訓(xùn)練或基于視空間工作廣度任務(wù)下的心理旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,最后取得的有效數(shù)據(jù)為32人,其中視空間工作記憶廣度任務(wù)組(13人)、視空間工作記憶廣度下的心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)組(9人)和控制組(10人)。測(cè)評(píng)工具使用的是流體智力測(cè)量工具———高級(jí)瑞文推理測(cè)驗(yàn)。本次測(cè)評(píng)為了防止被試的學(xué)習(xí)效應(yīng),將高級(jí)瑞文推理測(cè)驗(yàn)的36個(gè)題目按奇偶數(shù)分成兩套,前測(cè)使用的是序號(hào)為奇數(shù)的18個(gè)題目進(jìn)行測(cè)試,后測(cè)使用的是序號(hào)為偶數(shù)的18個(gè)題目進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)為了防止被試出現(xiàn)天花板效應(yīng),對(duì)測(cè)試進(jìn)行了時(shí)間規(guī)定,本次測(cè)試要求被試在10分鐘內(nèi)完成以上18個(gè)題目,從而來收集測(cè)評(píng)數(shù)據(jù);測(cè)評(píng)后的成績(jī)采用的是SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)方法包括配對(duì)t檢驗(yàn)、獨(dú)立t檢驗(yàn)和均值比較。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。3.不同訓(xùn)練方式的流體智力成績(jī)差異對(duì)3組被試試驗(yàn)前后流體智力的數(shù)值分別進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn),結(jié)果顯示:實(shí)驗(yàn)組一、實(shí)驗(yàn)組二、控制組三這3組訓(xùn)練組前測(cè)流體智力處于同一水平,無顯著性差異(p=0.089,p>0.05),而后測(cè)每一組流體智力差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)。如下表所示,其中實(shí)驗(yàn)組一、控制組,訓(xùn)練后的流體智力平均成績(jī)反而有所下降,而實(shí)驗(yàn)組二的流體智力平均成績(jī)?cè)谟?xùn)練以后有所提升。在試驗(yàn)結(jié)束以后,經(jīng)過對(duì)訓(xùn)練者訪談,訓(xùn)練者均表示:后測(cè)的題目難度要大于前測(cè)的題目,即瑞文高級(jí)推理測(cè)驗(yàn)中偶數(shù)題目的難度要大于奇數(shù)題目,這就導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)組一與控制組測(cè)試成績(jī)的倒退,但實(shí)驗(yàn)組二訓(xùn)練者在題目難度有所提升的情況下,成績(jī)?nèi)杂兴嵘?。這也正好說明,實(shí)驗(yàn)組二的訓(xùn)練方式比實(shí)驗(yàn)組一和控制組更加有效,是一種能更有效提高流體智力的復(fù)雜任務(wù)訓(xùn)練方式。測(cè)試成績(jī)柱狀圖如圖6所示。六、對(duì)流體智力的作用本研究結(jié)果顯示,基于視空間工作記憶廣度下的心理旋轉(zhuǎn)游戲訓(xùn)練,更有效地提高了訓(xùn)練者的流體智力。近年來,隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展,為工作記憶的訓(xùn)練提供了客觀的認(rèn)知神經(jīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。研究表明,工作記憶的中央執(zhí)行系統(tǒng)和一般流體智力在大腦前額區(qū)存在重疊。對(duì)于心理旋轉(zhuǎn)的神經(jīng)機(jī)制,大量的研究結(jié)果表明頂葉、枕葉