視空間工作記憶任務訓練軟件的設計與實現

視空間工作記憶任務訓練軟件的設計與實現

一、總結1.腦科學研究對現代教學的重要性自20世紀30年代以來，研究人員一直希望通過心理學。學、腦科學的研究成果來改善學校的學習與教學活動。而近些年來,腦科學研究進展越來越受到人們的關注,腦科學的研究成果也越來越多地應用于教學領域,并對現代教學產生了深刻的影響。腦科學研究的進展和成就,不僅豐富和發(fā)展了腦科學的理論,而且還為教學研究向縱深發(fā)展提供了科學基礎和技術手段,對現代教學實踐產生了巨大的影響和重要的現實意義。2.其他途徑、方法、儀器腦的結構和功能,在經歷了發(fā)育的關鍵期后,甚至在完全發(fā)育成熟后,仍然保持著相當程度的可塑性,這種可塑性可保持終生。因此,要努力創(chuàng)造有助于學生智力全面發(fā)展的良好環(huán)境。課堂上基于知識的傳授無疑是重要的,但僅是學生智力活動的一部分,需要通過其他手段、方法以形象、生動的方式,來對腦的功能和結構進行塑造,以促進學生智力的全面發(fā)展。腦的可塑性是學習、記憶的神經基礎,而腦的所有高級功能可以說都離不開學習、記憶,學習、記憶可以作為一個例子來說明可塑性對教育的重要性。3.工作記憶訓練工作記憶是與日常生活相關的非常重要的能力。工作記憶的概念是由Baddeley和Hitch于1974年提出的,認為它是一種對信息進行暫時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)現工作記憶由一個中央執(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,通過合適的訓練可以提高個體的工作記憶。如Jaeggi等人已在研究中發(fā)現,工作記憶訓練可以提高個體的流體智力。不同研究者在工作記憶訓練研究中采用了不同的訓練方法,如數字廣度任務、詞語廣度任務、選擇反應時任務、“n-back”任務等作為工作記憶訓練的任務。同時研究表明,教育游戲的特點要求游戲設計具有趣味性,給予良好的情感,如成就感、榮譽感、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間來完成任務,提高成績。這些特點同樣適合于認知訓練游戲的設計。但以往的這些訓練形式仍不夠多樣化,訓練者往往只能進行幾個特定任務的訓練,同時訓練過程枯燥乏味,缺少必要的趣味性,無法激發(fā)訓練者的興趣,使訓練者很難堅持進行訓練。很多研究表明,工作記憶廣度任務比短時記憶廣度任務能更好地預測復雜認知任務的成績,并且工作記憶與流體智力之間有更強的聯系,而短時記憶廣度對流體智力的預測不顯著。于是本文利用測量視空間短時記憶廣度的任務為切入點,首先驗證了短時記憶的廣度任務作為訓練材料,對流體智力的提高并不明顯,然后在此訓練材料的基礎上,對該訓練任務進行了設計,加入心理旋轉因素,在確保達到訓練效果的同時,加大游戲難度,提高游戲的挑戰(zhàn)性,并將該任務作為訓練材料進行在線訓練,同時驗證了該訓練方法可以有效提高個體的流體智力。二、短時記憶的廣度對流體智力的預測早期的時候,短時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子系統(tǒng)后,越來越多的研究者對視覺空間子系統(tǒng)的容量和語音子系統(tǒng)的容量進行區(qū)分。Philips在柯西塊測驗(Corsiblocktest)的基礎之上發(fā)明了另一種測量空間廣度的方法,他給被試呈現了一個矩陣,其中部分單元以點填充,點的位置是隨機的。接著呈現的測試矩陣,可能與先前矩陣相同或有一個點的位置不同,被試的任務是判斷兩個矩陣是否相同。Philips的這一個方法是比較成功的,它分離了視覺空間成分與言語成分。本次游戲設計以Philips視空間短時記憶的測量任務為參照。在該游戲設計中,訓練者被呈現一個棋盤的樣式,它已被表明很難進行語義編碼,首次呈現時包含3×3總共9個獨立的方塊,每個方塊的正面和背面顏色不同。然后隨機從這9塊獨立的方塊中產生三個方塊,將這三個方塊翻轉過來呈現給訓練者,經過3秒的時間后,再將這三個方塊恢復原樣,然后訓練者通過鼠標點擊來確定這三個方塊剛才出現的位置,如果全部答對,則增加一個難度。下一個難度將會呈現3×4總共12個獨立方塊的方塊矩陣,此次訓練者需要在3秒內記住隨機翻轉過來的方塊數目為四個方塊。如果此次仍然全部答對,那下一個難度將會呈現4×4總共16個獨立方塊的方塊矩陣,此次訓練者需要在3秒內記住的隨機翻轉過來的方塊數目也變成了五塊,接下來難度遞增的過程以此類推。如果訓練者在某個難度等級沒有用鼠標點正確呈現的全部位置時,訓練者需要在同一個難度等級再次進行訓練,如果再次訓練時,訓練者仍然無法全部點正確,那此時的訓練需要降低一個等級進行訓練。當訓練者到達第30次時,就結束本次訓練,將訓練成績呈現給訓練者,并將數據發(fā)送到服務器保存以便于統(tǒng)計。由于先前的研究已經表明,短時記憶的廣度對流體智力的預測不顯著,將短時記憶的廣度任務作為訓練材料,無法明顯提高訓練者的流體智力,因此需要對該游戲進行設計,以便通過訓練可以提高訓練者的流體智力。自從Shepard等人在1971年提出了心理旋轉的概念后,不同研究者對心理旋轉的信息加工機制進行了研究。心理旋轉是一種想象自己或客體旋轉的空間表征轉換能力,它有相對易變性和可塑性的認知加工特征,通過心理旋轉來提高空間智能成為可能。有研究表明,個體心理旋轉能力與智力有非常顯著的正相關?；谝陨涎芯?我們來對基于視空間短時記憶任務的訓練游戲進行重新設計。在上述游戲當中,每次隨機產生翻轉過來的方塊后,在呈現給訓練者3秒以后,再將隨機產生的方塊恢復原樣,接下來并未對其進行旋轉操作。本次游戲設計中,方塊矩陣恢復原樣以后,需對其以60度每秒的速度隨機進行順時針或者逆時針旋轉90度后,才讓訓練者判斷剛才翻轉過的方塊。而難度等級的變化方式與上一個游戲一致。該游戲流程如圖1所示。三、關鍵技術1.畫面線的設計該游戲使用的方法是在線訓練方式,因此需要設計基于web平臺的訓練游戲。由于HTML的功能十分有限,無法達到人們的預期設計,以實現令人耳目一新的動態(tài)效果,在這種情況下,使用既簡單直觀又有強大的動畫設計工具的Flash比較合適。Flash既可以快速設計簡單的動畫,又可以使用AdobeActionScript3.0開發(fā)高級的交互式項目。Flash也是一種用于互聯網的動畫編程語言,它采用了網絡流式媒體技術,突破了網絡帶寬的限制,可以在網絡上更快捷地播放動畫,同時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和鏈接,按鈕還可以發(fā)出各種聲音,豐富了游戲的表現手段。由于Flash使用的是矢量技術制作和生成動畫,也使文件大大“減小”,并且大部分瀏覽器都內置了FlashPlayer,訓練中使用也比較方便。因此,Flash技術能很好地滿足該游戲的設計。2.面信息的交互Ajax(AsynchronousJavaScriptAndXml)并不是一種新技術,而是整合了JavaScript、Xml、CSS等已有技術,用于創(chuàng)建快速動態(tài)網頁的技術。通過Ajax,我們可以使網頁實現異步更新,在不需要頁面重載的情況下與web服務器進行數據的交互,不僅減輕了服務器的壓力,而且使用戶獲得了更好的體驗。一個Ajax交互從一個稱為XMLHttpRequest的JavaScript對象開始,它允許一個客戶端腳本來執(zhí)行HTTP請求,并且將會解析一個XML格式的服務器響應。Ajax處理過程中的第一步是創(chuàng)建一個XMLHttpRequest實例。使用HTTP方法(GET或POST)來處理請求,并將目標URL設置到XMLHttpRequest對象上。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應用程序必須在不同的瀏覽器和平臺上經過嚴格的測試,保證其能正確地執(zhí)行。在游戲訓練過程中,每次游戲結束后,需要查看訓練結果,這時不需要跳轉到另外一個新的頁面就可直接來呈現訓練成績。四、基于c.0的復雜動作模擬本游戲開發(fā)使用的工具是AdobeFlashCS3的動畫軟件,該軟件是目前非常流行的二維動畫制作軟件之一,可以實現多種動態(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可以滿足本次開發(fā)的需要,而且CS3運行比較穩(wěn)定,可以方便地使用AdobeActionScript3.0來實現游戲設計當中的復雜動作。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,用來作為游戲設計中的原素材,然后利用創(chuàng)建補間動畫來實現單塊方塊的翻轉動作,接著使用ActionScript3.0腳本語言實現不同行列大小的矩陣以及在該矩陣中隨機進行相應數量方塊的翻轉和鼠標按鍵的監(jiān)聽動作。游戲結束以后,Flash不僅可以直接顯示本次訓練的成績,訓練者還可以通過調用相應的JavaScrip語言,即利用Ajax與服務器進行數據交換,將游戲的訓練成績傳送到服務器上保存起來,訓練者再次訓練時,可以看到最近幾次自身訓練的情況以及與其他訓練者的訓練成績比較,從而激發(fā)了玩家的興趣,使玩家堅持訓練。五、心理物理試驗2013年12月,我們招募36名浙江工業(yè)大學本科生參與試驗。入選標準:要求被試身體健康,瑞文測試智力正常,眼睛無明顯器質性病變,在此之前均未參加過任何心理物理試驗。36名被試均自愿參與整個試驗過程并簽訂了知情同意書,且對實驗目的不了解,但在試驗前對流程等有一定的了解。36名大學生按前測流體智力成績被平均分配。2.數據分析和過程控制組被試與實驗組被試在同一時間進行前后測測量,中間間隔時間相同。實驗過程中,控制組不訓練,其余兩組進行為期3周,每周5天,每天進行約5分鐘視空間工作記憶廣度任務訓練或基于視空間工作廣度任務下的心理旋轉訓練。實驗結束后,最后取得的有效數據為32人,其中視空間工作記憶廣度任務組(13人)、視空間工作記憶廣度下的心理旋轉任務組(9人)和控制組(10人)。測評工具使用的是流體智力測量工具———高級瑞文推理測驗。本次測評為了防止被試的學習效應,將高級瑞文推理測驗的36個題目按奇偶數分成兩套,前測使用的是序號為奇數的18個題目進行測試,后測使用的是序號為偶數的18個題目進行測試,同時為了防止被試出現天花板效應,對測試進行了時間規(guī)定,本次測試要求被試在10分鐘內完成以上18個題目,從而來收集測評數據;測評后的成績采用的是SPSS18.0統(tǒng)計軟件來對數據進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計方法包括配對t檢驗、獨立t檢驗和均值比較。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。3.不同訓練方式的流體智力成績差異對3組被試試驗前后流體智力的數值分別進行配對樣本t檢驗,結果顯示:實驗組一、實驗組二、控制組三這3組訓練組前測流體智力處于同一水平,無顯著性差異(p=0.089,p>0.05),而后測每一組流體智力差異均有統(tǒng)計學意義(p<0.05)。如下表所示,其中實驗組一、控制組,訓練后的流體智力平均成績反而有所下降,而實驗組二的流體智力平均成績在訓練以后有所提升。在試驗結束以后,經過對訓練者訪談,訓練者均表示:后測的題目難度要大于前測的題目,即瑞文高級推理測驗中偶數題目的難度要大于奇數題目,這就導致了實驗組一與控制組測試成績的倒退,但實驗組二訓練者在題目難度有所提升的情況下,成績仍有所提升。這也正好說明,實驗組二的訓練方式比實驗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雜任務訓練方式。測試成績柱狀圖如圖6所示。六、對流體智力的作用本研究結果顯示,基于視空間工作記憶廣度下的心理旋轉游戲訓練,更有效地提高了訓練者的流體智力。近年來,隨著認知神經科學的發(fā)展,為工作記憶的訓練提供了客觀的認知神經評價標準。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。對于心理旋轉的神經機制,大量的研究結果表明頂葉、枕葉