基于工作記憶內(nèi)容的注意：兒童與成人的比較研究

侯　秀，潘　毅

(杭州師范大學教育學院，浙江 杭州311121)

基于工作記憶內(nèi)容的注意：兒童與成人的比較研究

侯秀，潘毅

(杭州師范大學教育學院，浙江 杭州311121)

摘要：選取10名小學兒童(7～8歲)和10名大學生(19～27歲)作為被試，采用“工作記憶+視覺搜索”的雙任務(wù)實驗范式，探討兒童與成人基于工作記憶內(nèi)容的視覺注意的異同.實驗要求被試在工作記憶保持階段完成一個視覺搜索任務(wù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兒童與成人均表現(xiàn)出基于工作記憶內(nèi)容的注意：相對于中性條件來說，工作記憶內(nèi)容與干擾項匹配會顯著降低成人被試的搜索績效，而工作記憶內(nèi)容與目標匹配會顯著提高兒童被試的搜索績效.研究結(jié)果表明，盡管兒童和成人都表現(xiàn)出了基于工作記憶內(nèi)容的視覺注意，但兒童較成人能更好地運用該注意機制以提高視覺搜索績效且受其不利影響較少.

關(guān)鍵詞：工作記憶；選擇性注意；偏向競爭模型；認知負荷理論

0引言

視覺選擇性注意是個體用來選擇任務(wù)相關(guān)信息并抑制無關(guān)信息的一種認知機制，而工作記憶是視覺刺激消失后對任務(wù)相關(guān)信息的積極保持以及對無關(guān)信息的抑制.從兩者的定義可以看出，視覺選擇性注意和工作記憶都是選擇任務(wù)相關(guān)信息并抑制無關(guān)干擾，有很大的相似性.腦成像研究也表明工作記憶和視覺注意的相關(guān)腦區(qū)有很大部分的重疊，這些都提示視覺注意和工作記憶有著緊密的聯(lián)系.近年來，有關(guān)工作記憶與視覺注意的交互作用已成為認知心理學研究的熱點領(lǐng)域，基于工作記憶內(nèi)容的視覺注意就是其中一個很重要的方面[1-3].

Downing[4]要求被試將某面孔保持在工作記憶中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當注意目標項出現(xiàn)在匹配面孔的位置時，被試的反應(yīng)速度要快于目標出現(xiàn)在不匹配面孔時的反應(yīng)速度，這表明工作記憶中的表征內(nèi)容可以引導視覺注意選擇視場中與之匹配的物體.Soto等[5]在其研究中讓被試記住彩色幾何形狀，也發(fā)現(xiàn)了類似的基于工作記憶內(nèi)容的注意效應(yīng)，當記憶匹配項包含著目標項時反應(yīng)速度最快，記憶匹配項不出現(xiàn)的情況下反應(yīng)速度次之，記憶匹配項包含干擾項時反應(yīng)速度最慢.注意的競爭偏向模型[6]是解釋這一現(xiàn)象的主要理論模型.視覺搜索場景中的項目間相互競爭注意資源，記憶項的積極保持使得視覺搜索場景中的刺激處于不同的地位.由于記憶匹配項在大腦中的激活程度更高，使得記憶匹配項在競爭中處于優(yōu)勢地位，獲得進入意識的優(yōu)先權(quán)，因此記憶匹配項更容易優(yōu)先得到注意偏向.

盡管工作記憶內(nèi)容對注意的引導作用已經(jīng)得到了很多研究的證明，然而已往研究對象大多是成年被試，兒童基于工作記憶內(nèi)容的注意的特點仍不清楚.楊海波[7]選取三至五年級的學齡兒童為研究對象,發(fā)現(xiàn)工作記憶內(nèi)容的性質(zhì)可以影響自上而下的注意控制，有效條件下的反應(yīng)時都短于無效條件.但他并沒有關(guān)注到不同工作記憶負荷條件下中性刺激的加工差異.當記憶負荷高時，中性條件下的反應(yīng)時與無效條件下的反應(yīng)時更加接近；而當記憶負荷低時，中性條件下的反應(yīng)時與有效條件下的反應(yīng)時更接近.Soto等[5]的研究表明成年人在中性條件下的反應(yīng)時與有效條件下的反應(yīng)時更接近，這提示三到五年級兒童基于工作記憶內(nèi)容的注意與成人可能存在差異.楊海波在其研究中使用的刺激圖形是由不同類型線條構(gòu)成的不同形狀的圖形，而Soto使用的是具有不同線條顏色的不同形狀的圖形.因此，兩項研究結(jié)果的差異可能是由于實驗所使用的刺激材料不一致導致的，而不是被試的年齡差異.為此，本研究擬采用相同的刺激材料以探討不同年齡被試基于工作記憶內(nèi)容的注意特點.

張學民等[8]采用注意線索范式研究小學生注意發(fā)展,結(jié)果發(fā)現(xiàn):小學三年級兒童存在注意階段性波動，其注意集中能力低于一年級和五年級的兒童.另有研究[9-12]表明小學一年級兒童是能夠完成認知實驗任務(wù)的最小年齡被試，并且無論是三年級還是四年級或五年級的兒童，其工作記憶內(nèi)容都可以引導注意.為了得到最大的差異同時也保證被試能完成實驗任務(wù)，本研究選取小學一年級學生以及在校大學生為研究對象，以探討兒童與成人基于工作記憶內(nèi)容的注意特點.

1方法

1.1　被試

10名大學生被試(5名男生，5名女生；平均年齡21.9歲)和10名小學一年級被試(5名男生，5名女生；平均年齡7.7歲).所有被試都是右利手，且視力或矯正視力正常.

1.2　刺激材料與實驗設(shè)備

刺激材料為使用Photoshop CS3制作的彩色幾何圖形，包括正方形(1.8°×1.8°)、菱形(1.4°×1.8°)、六邊形(1.6°×1.6°)、圓形(1.6°×1.6°)、三角形(1.6°×1.8°)，每種圖形有紅、黃、綠、藍、粉5種線條顏色.實驗使用臺式電腦運行程序，屏幕分辨率為1 024×768像素，刷新率為75 Hz.

1.3　程序與設(shè)計

使用E-prime2.0編寫實驗程序，采用個體施測的方式開展實驗.正式實驗開始前先進行練習，直到被試掌握實驗要求后開始正式實驗.

在每一個實驗試次中，屏幕上首先呈現(xiàn)500 ms的注視點(0.3°×0.3°)，接著會呈現(xiàn)1 000 ms的記憶線索刺激兩次(間隔100 ms，見圖1).在250 ms的間隔時間之后會呈現(xiàn)1 000 ms(兒童被試組為1 500 ms)的搜索任務(wù).搜索任務(wù)中的兩個圖形的顏色形狀都不相同，每個圖形都包含一條黑色直線，其中一個圖形中包含豎線，另一個圖形中包含斜線，斜線可能向左偏也可能向右偏，偏角為18°.被試的任務(wù)是正確快速地判斷斜線的方向并做出相應(yīng)的按鍵反應(yīng).隨后在500 ms的間隔時間后，出現(xiàn)一個記憶探測項，其顏色或形狀可能和記憶項一樣，也可能與記憶項不一樣.只有當兩者的形狀和顏色都相同時，才認為記憶項和探測項相同.被試的任務(wù)是正確地判斷出探測刺激和記憶項是否相同并做相應(yīng)的按鍵反應(yīng).根據(jù)搜索任務(wù)中線索的有效性，實驗條件共有3種：在有效條件下，搜索矩陣中的記憶匹配項包含的是目標斜線；中性條件下，記憶線索項不出現(xiàn)在搜索矩陣中；在無效條件下，搜索矩陣中的記憶匹配項包含的是干擾豎線.

注：不同的填充紋理代表不同的顏色　　　　　圖1　試驗程序和刺激示例　　　Fig. 1　Schematic illustration of experimental procedure　　　　　and example stimuli

實驗采用3×2的混合設(shè)計，有效性為被試內(nèi)變量，包含有效、中性和無效3個水平；年齡為被試間變量，分為兒童組和成年組兩個水平.正式實驗包含198個試次，其中有效、無效及中性條件各占1/3.3種條件在每個實驗試次中隨機出現(xiàn).注意任務(wù)的目標刺激出現(xiàn)在左邊和右邊的可能性各半，斜線向左或向右的可能性各半.此外，對于記憶任務(wù)而言，在一半的試次中，最后呈現(xiàn)的記憶探測項與記憶項的顏色和形狀一致，另一半的試次中與記憶項的顏色或形狀不一致.上述各種因素均得到有效的平衡，且在每個實驗試次中隨機出現(xiàn)，因此被試無法預(yù)測注意任務(wù)目標刺激的位置以及記憶項的顏色.

2結(jié)果

2.1　記憶任務(wù)的正確率

所有被試的平均記憶正確率為83.975%，其中兒童組為72.82%，成年組為95.13%，各條件下的記憶任務(wù)正確率見圖2.對所有被試的記憶任務(wù)正確率進行2(年齡：兒童組、成年組)×3(有效性：有效、中性、無效)混合方差分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)年齡的主效應(yīng)顯著(F(1,18)=21.644,P<0.001,η2=0.546)，有效性的主效應(yīng)顯著(F(2,36)=4.214,P=0.023,η2=0.190)，有效性和年齡的交互效應(yīng)顯著(F(2,36)=3.615,P=0.037,η2=0.167).進一步分析發(fā)現(xiàn)，對于兒童組被試而言，有效性對記憶任務(wù)正確率影響顯著(F(2,18)=4.344,P=0.029,η2=0.326)，有效條件下的記憶正確率高于中性條件下的正確率(P=0.014)，有效條件下的記憶正確率與無效條件下的記憶成績邊緣顯著(P=0.068)，但是無效條件下的記憶成績與中性條件下的記憶成績沒有顯著差異(P=0.842).對于成年組被試而言，有效性對記憶成績的影響不顯著(F<1).

圖2　兒童組和成年組被試在不同條件下記憶任務(wù)的正確率Fig. 2　Accuracy on the memory task acrossdifferent conditions for children and adults

2.2　注意任務(wù)的正確率

各處理條件下的注意任務(wù)正確率見圖3.對被試的注意任務(wù)正確率進行2(年齡：兒童組、成年組)×3(有效性：有效、中性、無效)混合方差分析，結(jié)果顯示：有效性的主效應(yīng)顯著(F(2,36)=8.946,P<0.01,η2=0.332)，年齡的主效應(yīng)顯著(F(1,18)=6.166,P<0.05,η2=0.255)，年齡與有效性的交互效應(yīng)顯著(F(2,36)=4.625,P<0.05,η2=0.204).進一步分析發(fā)現(xiàn)，對于兒童組被試而言，有效性對注意任務(wù)正確率的影響顯著(F(2,18)=8.020,P<0.01,η2=0.471)，有效和中性條件下的正確率差異顯著(P<0.05)，有效和無效條件下的正確率差異顯著(P<0.01)，中性和無效條件下的正確率差異不顯著(P>0.05)；對于成年組被試而言，有效性對注意任務(wù)的正確率也有顯著影響(F(2,18)=5.333,P<0.05,η2=0.372)，與兒童組被試不同的是，成年組被試無效和中性條件下的差異顯著(P<0.05)，有效和中性條件下差異不顯著(P=0.222)，有效和無效條件下注意任務(wù)的正確率達到邊緣顯著(P=0.08).

圖3　兒童組和成年組被試在不同條件下注意任務(wù)的正確率Fig. 3　Accuracy on the attention task acrossdifferent conditions for children and adults

2.3　注意任務(wù)的反應(yīng)時

對反應(yīng)時數(shù)據(jù)的分析僅包括正確反應(yīng)的試驗，各處理條件下的注意任務(wù)平均反應(yīng)時見圖4.對反應(yīng)時進行2(年齡：兒童組、成年組)×3(有效性：有效、中性、無效)混合方差分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有效性的主效應(yīng)顯著(F(2,36)=15.961,P<0.001,η2=0.470)，年齡的主效應(yīng)顯著(F(1,18)=17.088,P=0.001,η2=0.487)，年齡和有效性的交互作用達到邊緣顯著(F(2,36)=2.689,P=0.082,η2=0.130).進一步分析發(fā)現(xiàn)，對于兒童組被試而言，有效性對注意任務(wù)的反應(yīng)時影響顯著(F(2,18)=7.272,P=0.01,η2=0.447)，有效和中性條件下的反應(yīng)時差異顯著(P<0.01)，有效和無效條件下的反應(yīng)時差異顯著(P<0.05)，中性和無效條件下的反應(yīng)時差異不顯著(P>0.05)；對于成年組被試而言，有效性對注意任務(wù)反應(yīng)時也有顯著影響(F(2,18)=20.088,P<0.001,η2=0.691)，有效和中性條件下的反應(yīng)時差異顯著(P<0.05)，有效和無效條件下的反應(yīng)時差異顯著(P<0.01)，中性和無效條件下的反應(yīng)時差異顯著(P<0.01).

圖4　兒童組和成年組被試在不同條件下注意任務(wù)的反應(yīng)時Fig. 4　Reaction times on the attention task acrossdifferent conditions for children and adults

最后，分別將無效條件下的正確率和反應(yīng)時減去有效條件下的正確率和反應(yīng)時得到基于工作記憶內(nèi)容的注意捕獲的效應(yīng)量，再對兩組被試的注意捕獲的效應(yīng)量進行差異檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用正確率和反應(yīng)時計算出的效應(yīng)量在兩組被試之間均沒有顯著差異(Ps>0.05)，表明兒童與成人基于工作記憶內(nèi)容的注意效應(yīng)沒有顯著差異，基于工作記憶內(nèi)容的注意捕獲在7～8歲時已經(jīng)基本形成.

3討論

本研究使用“工作記憶+視覺搜索”的雙任務(wù)范式，考察了兒童和成年人基于工作記憶內(nèi)容的視覺注意機制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)保持在兒童與成人工作記憶中的表征內(nèi)容都可以自動引導視覺注意.但是兒童基于工作記憶內(nèi)容的注意捕獲與成年人有著不同的特點：相對于中性條件來說，工作記憶內(nèi)容與干擾項匹配會顯著降低成人被試的搜索績效，而工作記憶內(nèi)容與目標匹配會顯著提高兒童被試的搜索績效.

認知負荷理論認為認知活動需要消耗認知資源，若活動需要的資源超過了個體擁有的資源總量就會引起資源分配不足，從而影響學習或問題解決效率，這被稱之為認知超載[13].該理論強調(diào)圖式和規(guī)則的作用，認為學習時消耗的心理努力是認知負荷的本質(zhì)屬性，而圖式和規(guī)則自動化是減輕認知負荷、提高認知加工效率的關(guān)鍵.從工作記憶以及注意任務(wù)的成績可以看出，與成年人相比，兒童完成工作記憶以及注意任務(wù)需要更多的心理努力，即兒童完成這兩種任務(wù)時的認知負荷更高.

工作記憶與注意共享有限的認知資源[14]，注意搜索的效率影響工作記憶的成績.根據(jù)競爭偏向模型，工作記憶的積極保持使得記憶匹配項目處于競爭優(yōu)勢地位，兒童首先注意到記憶匹配線索的位置.有效條件下，注意很快受到匹配刺激的吸引，有效的線索提示促進了兒童注意搜索任務(wù)的完成，注意搜索任務(wù)消耗的認知資源較少，用來完成工作記憶的認知資源較多.無效條件下，無效的提示線索延遲了目標的識別，注意任務(wù)消耗的資源較多，工作記憶任務(wù)可用的認知資源少.中性條件下，兒童較高的工作記憶負荷使其抑制無關(guān)新異刺激的能力減弱，注意受到新異目標刺激的吸引，從而干擾了目標的識別，注意任務(wù)消耗的資源較多，因而工作記憶可用的資源也較少.有效條件下工作記憶任務(wù)可用的認知資源多于無效以及中性條件，最終使得有效條件下兒童的工作記憶任務(wù)成績要高于無效及中性條件下的工作記憶成績.

本研究中，中性條件下兒童的反應(yīng)與無效條件下的反應(yīng)接近.一方面，可能是因為目標外周新異的干擾刺激對兒童注意的吸引，使得兒童不能快速有效地搜索到目標斜線.研究表明新異刺激可以吸引個體的注意.Downing[4]也發(fā)現(xiàn)目標任務(wù)會影響新異刺激對注意的吸引.當有記憶要求時，匹配刺激比新異刺激更會獲得注意優(yōu)先權(quán).而當沒有記憶要求時，新異的刺激首先捕獲注意；另一方面，可能是由于兒童對目標外周新異刺激的抑制不夠.首先，兒童本身的執(zhí)行控制能力相對于成年人而言較弱.Nicholas選取不同年齡段的被試，以任務(wù)轉(zhuǎn)換的損耗作為執(zhí)行控制的指標，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行控制功能隨年齡的增加(7～82歲)呈倒U形變化.在中性條件下，兒童有限的執(zhí)行控制能力使其不能很好地抑制目標周圍新異線索刺激的干擾，新異刺激在競爭中占據(jù)了優(yōu)勢地位，阻礙了其目標識別.其次，相對較高的工作記憶負荷使得兒童過濾干擾刺激的能力降低.Lavie[15]發(fā)現(xiàn)隨著工作記憶的負荷增加，可以用來選擇目標并抑制干擾的資源會減少.與成人相比，兒童工作記憶負荷相對較高，從而降低了兒童對干擾刺激的過濾.兒童過濾新異刺激干擾的能力低于成年人，因此中性條件下目標外周的新異刺激對兒童的干擾要大于成年人.

Woodman等[16]認為基于工作記憶內(nèi)容的注意捕獲的發(fā)生可能是因為個體主動地、策略性地注意匹配刺激，以鞏固工作記憶中的內(nèi)容，從而提高工作記憶成績.本研究的結(jié)果不支持這一觀點:如果被試策略性地注意記憶匹配項，那么無效與有效條件下的記憶成績都應(yīng)高于中性條件，這與本研究的結(jié)果矛盾.本研究發(fā)現(xiàn)對于成年被試而言，工作記憶內(nèi)容的有效性對其記憶成績沒有影響，這與先前的研究結(jié)果一致.然而對于兒童被試而言，工作記憶內(nèi)容的有效性對其記憶成績有影響，并且有效條件下的記憶成績高于無效以及中性條件，而中性與無效條件下的沒有差異.這說明即便無效條件與有效條件一樣都包含記憶匹配項，但是無效條件下的記憶成績并沒有高于中性條件.

4結(jié)論

本研究考察了兒童和成人工作記憶中的表征內(nèi)容對視覺注意的引導作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1)工作記憶內(nèi)容與視覺搜索刺激之間的匹配關(guān)系對成年人的記憶成績沒有顯著影響，而對兒童的記憶成績有顯著影響.對于兒童而言，有效條件下的工作記憶成績高于中性和無效條件，而中性與無效條件之間沒有顯著差異，表明在中性和無效條件下兒童完成注意任務(wù)需要消耗更多的認知資源；2)兒童與成人均表現(xiàn)出了基于工作記憶內(nèi)容的注意選擇：相對于中性條件來說，工作記憶內(nèi)容與干擾項匹配會顯著降低成人被試的搜索績效，而工作記憶內(nèi)容與目標匹配會顯著提高兒童被試的搜索績效.這表明兒童比成人能更好地運用基于工作記憶內(nèi)容的注意機制以提高視覺搜索績效并且能夠較少受其不利影響.

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Content-based Working Memory-driven Attention:A Comparative Study between Children and Adults

HOU Xiu，PAN Yi

(Faculty of Education，Hangzhou Normal University，Hangzhou 311121，China)

Abstract:In order to investigate the differences in working memory-driven attention between children and adults, ten pupils and ten college students are asked to perform a visual search task during working memory maintenance. The results show that working memory content can automatically guide attention for both children and adults: Relative to a neutral baseline, adults’ search is less efficient when memory content matches a distractor, while children’s search is more efficient when memory content matches the target. The results suggest that compared to adults, children can better utilize working memory-based attention to facilitate visual search while avoiding its detrimental influences.

Key words:working memory; selective attention; biased-competition model; cognition load theory

通信作者：潘毅(1981—)，男，副教授，博士，主要從事認知心理學研究. E-mail:yipan@hznu.edu.cn

基金項目：浙江省自然科學基金項目(LY13C090006)；浙江省社科規(guī)劃之江青年課題(13ZJQN002YB)；教育部人文社科青年項目(14YJC190010).

收稿日期：2015-03-02

文章編號:1674-232X(2015)03-0247-05

中圖分類號:B844

文獻標志碼:A

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2015.03.004