開源PsychoPy用于腦與認知課程的實驗案例

譚平 周開軍 李桂梅 覃業(yè)梅 何靜

摘要：該文針對腦與認知課程較難開展相關實驗的問題，提出將 PsychoPy 引到腦與認知的課程實驗中，介紹了 PsychoPy 的特點以及優(yōu)勢，并設計內隱注意力的實驗案例，然后從案例設計思路、原理和方法到實驗教學評價對該案例進行了詳細闡述，旨在幫助同學們通過實驗掌握認知科學相關知識和科學實驗流程，為后續(xù)相關課程和技術的學習奠定基礎。

關鍵詞：腦與認知；PsychoPy；內隱注意力；腦機接口；實驗案例

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0143-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

腦與認知是智能科學與技術專業(yè)和人工智能專業(yè)的重要基礎知識課程，體現(xiàn)了腦科學、認知科學、人工智能及計算機和信息科學等多學科領域交叉的特點[1-2]。該課程要求學生掌握腦與認知科學的基本概念、知識結構及其在現(xiàn)實生活中的應用，熟悉認知相關的智能科學技術方法、原理與應用等，了解相關領域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對已有成果展開分析與討論，為今后進一步的學科探索打好基礎。

1 腦與認知課程教學現(xiàn)狀

1.1 教師大多來自工科，對腦與認知科學教學經(jīng)驗不足

腦與認知課程由于涉到多個學科與領域，因此講授腦與認知內容的教師自身應具備多專業(yè)交叉的知識和技術素養(yǎng)，而現(xiàn)實是課程教師大多來自工科背景，缺乏腦科學、認知科學和心理學相關基礎，知識結構對于講授腦與認知內容還是明顯不足。另外，腦與認知知識結構、教學目標、實驗內容也沒有統(tǒng)一明確的認識，因此教師講授腦與認知內容時缺乏統(tǒng)一的培養(yǎng)模式，教學因人而異也比較困難。因此，需要教師參與培訓，提高知識水平，同時制定統(tǒng)一的教學大綱與實驗體系，確保實驗內容與教學內容一致[3-4]。

1.2 部分實驗內容與認知科學教學內容聯(lián)系不夠緊密

腦與認知課程現(xiàn)有教學主要以講授為主，較少開展相關腦與認知相關的實驗。已開設該課程的學校，他們的實驗也主要以圖像識別、語音信號、神經(jīng)網(wǎng)絡等相關內容為主，而較少觸及認知科學的相關實驗[5]。

1.3 實驗教學配套設備不足

腦與認知實驗平臺尚未完全建立，不少實驗課程采用臨時開設的方式，實驗內容簡單，與實際需求嚴重脫節(jié)。腦與認知的實驗教學一般需要配套軟硬件環(huán)境的支撐。在建設腦與認知實驗教學軟硬件環(huán)境時，應從實驗教學內容和實驗環(huán)境條件出發(fā)，有計劃地建設腦與認知應用型實驗平臺[6]。另一方面要充分調動教師的積極性和創(chuàng)造性，結合實驗環(huán)境和資源開發(fā)具體的實驗案例，并根據(jù)實驗內容編寫配套的實驗指導手冊。

2 腦與認知實驗案例的設計與探索

腦與認知課程中包含腦科學和認知科學，因此相關認知實驗是非常重要的實驗教學內容。通過實驗可以幫助同學們快速了解認知實驗的流程，提高對腦與認知課程的進一步理解。本案例設計是利用開源軟件PsychoPy設計內隱注意力實驗[7-9]，其他理解、記憶、腦機接口等相關認知實驗設計過程類似。

2.1 PsychoPy的介紹

PsychoPy 是一款基于 Python 語言完全開源的專門為編制心理學實驗程序而設計的一款免費軟件[7]。該軟件是英國諾丁漢大學 Jonathan Peirce教授等人開發(fā)，2003發(fā)布第一版，2018年發(fā)布第三版，最新版本號為 2021.2.3，官方網(wǎng)址為 https：//psychopy.org。憑借其易用性和穩(wěn)定性，能夠替代傳統(tǒng)實驗軟件E-prime等心理學實驗軟件[10]。

2.2 PsychoPy的實驗設計流程

PsychoPy 給用戶提供兩種實驗設計方式：圖形模式和代碼模式。其中圖形模式，用戶可通過圖形界面的簡單設置，就能很快設計一個實驗。編程模式需要用戶有較好編程能力。這里以圖形模式介紹設計流程。圖形模式中包含三個界面：一個流程（Flow）；一個或多個環(huán)節(jié)（Routines），它們在流程中組合到一起；還有一些組件（Components），它們將用在各個環(huán)節(jié)中。

其中組件是實驗中的基本單元，典型的刺激組件包括圖像、文字組件，而響應組件包括鼠標、鍵盤組件等。這些組件在實驗過程中能表達某個需要的動作，也可連接外部硬件設備。Builder 中有許多組件，表1 列出了常用組件。

環(huán)節(jié)（Routines）主要定義各組件的交互過程，包含一個或多個刺激，以及響應。當然也可包括其他內容，例如指令提示、反饋信息或者其他消息等。一次試驗可以包含多個環(huán)節(jié)。

流程 Flow 在 Builder 界面的下方。Flow 實際就是一個流程框架圖，可以控制各環(huán)節(jié)的順序以及各環(huán)節(jié)重復的次數(shù)（通過插入 Loop 控制循環(huán)次數(shù)）。Flow 中的每個環(huán)節(jié)按順序執(zhí)行，其中一個環(huán)節(jié)執(zhí)行完后，按順序執(zhí)行下一個環(huán)節(jié)，如果有循環(huán)的話，就執(zhí)行循環(huán)，循環(huán)結束后， 執(zhí)行下一個環(huán)節(jié)，直到退出。

圖形模式設計實驗的步驟主要有4步：

第1步： 刺激呈現(xiàn)設計；

第2步： 收集實驗者的反饋信息；

第3步： 設計重復次數(shù)，并改變每次內容；

第4步： 提取所收集的實驗數(shù)據(jù)；

第5步： 分析實驗數(shù)據(jù)和結果，得到相關結論。

2.3 PsychoPy 認知實驗舉例

這里以 Posner Cueing實驗為例，該實驗是為了研究內隱注意力的影響[8]。該實驗中，參與者注視屏幕，然后屏幕上會呈現(xiàn)一個刺激，參與者必須快速響應，判斷刺激目標是在左邊還是右邊。在目標出現(xiàn)之前，屏幕上會短時間內出現(xiàn)一個暗示方向的三角形，它暗示目標出現(xiàn)是左邊還是右邊。通常情況下，這個三角形暗示的方向與目標的位置一致，這樣參與者的注意力會轉移到該三角形暗示的位置上，期待目標在這個位置出現(xiàn)。而在某些時候，這暗示的三角形會指示錯誤的位置，目標方塊會出現(xiàn)在錯誤的一邊。通過觀察參與者響應速度，能測量注意力的影響，當目標出現(xiàn)在注意的位置時，大部分人的響應會快一些。下面介紹設計流程。

1） 設置刺激呈現(xiàn)

本實驗中，需要呈現(xiàn)一個暗示信號，該信號可以用類似箭頭的三角形實現(xiàn)，點擊組件界面中多邊形即可插入多邊形組件。為了保證方向指示，采用銳角三角形，其參數(shù)設置為寬100，高200。除了暗示信號外，還有目標信號，這里直接使用正方形，其出現(xiàn)的位置將在左邊或右邊。圖 1 是該實驗的設計圖，其中主要環(huán)節(jié)是 trails，而 ITI 環(huán)節(jié)設置為每次實驗的短暫停頓。在 trial 環(huán)節(jié)中，有暗示和目標兩個組件實現(xiàn)刺激呈現(xiàn)。它們的參數(shù)包括形狀、大小和停頓時間等，圖2中是這兩個組件的示意圖，其中（a）和（b）表示暗示信號和目標信號方向一致，而（c）和（d）表示不一致。

2） 收集實驗者的反饋信息

環(huán)節(jié)中的按鍵組件完成對實驗者反饋信息的收集任務。實驗者在刺激呈現(xiàn)后，判斷目標刺激出現(xiàn)的位置，然后按鍵回復。判斷目標出現(xiàn)在左邊時，按左鍵；目標出現(xiàn)在右邊時，按右鍵。按鍵 Key 組件的主要屬性設置值如表2所示。

3） 設計實驗重復次數(shù)

在流程界面上點擊插入循環(huán)塊。由于試驗中有一些參數(shù)，需要建立一個參數(shù)文件。該文件可以在 xlsx表格文件中設置，其中第一行是表頭，第二行開始是各參數(shù)的值，如表3 所示。該xlsx文件添加到trials屬性的conditions中。

4） 提取實驗數(shù)據(jù)，并分析獲得結果

實驗結束后，在 data 目錄文件夾下保存了以實驗名稱為開頭的csv文件，該文件包含了trial的所有實驗數(shù)據(jù)。本實驗中，可以進行數(shù)據(jù)分析，例如統(tǒng)計準確率、暗示與目標一致時的響應速度，不一致時的響應速度。表 4列出了一個實驗者的具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從統(tǒng)計信息中可以看出，當暗示和目標不一致時，實驗者平均響應時間為1.21秒；而暗示和目標信息一致時的，實驗者平均響應時間為0.63 秒。由實驗可以得出結論，當視覺刺激出現(xiàn)在被注意的空間位置時，被試的反應速度要更快（相比刺激出現(xiàn)在不被注意的空間位置時，反應時縮短約60 ms）。這個結論可以用于解釋人們生活中的一些常識，例如駕駛員開車時左右看后視鏡，這樣的動作有益于提高駕駛員在出現(xiàn)危險情況時反應判斷的速度。

3 結論

本文介紹了PsychoPy的特點以及在認知實驗中的應用，并以Posner內隱注意力實驗作為案例進行詳細介紹?？梢钥闯鯬sychoPy能非常方便快速地搭建腦與認知的一些基礎實驗，幫助同學們通過實驗掌握認知科學相關知識和科學實驗流程，為后續(xù)相關課程和技術的學習奠定基礎。

參考文獻：

[1] 王志良， 腦與認知科學概論[M]， 北京郵電大學出版社， 2011.

[2] 劉柯，鄧欣等.智能科學與技術專業(yè)的“認知科學基礎”課程建設探析[J].教育教學論壇，2020， 461（15）：84-85.

[3] 趙秀潔，冷珊等.腦與認知科學課程的混合式教學探索與實踐[J].計算機教育，2019， 298（10）： 31-33+55.

[4] 孫美艷，劉微等.實驗教學中大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探究[J].吉林醫(yī)藥學院學報， 2021， 42（06）： 467-468.

[5] 劉思耘、江帆，認知心理學經(jīng)典實驗范式[M]，華中師范大學出版社，2014.

[6] 代煜，許林.腦與認知科學基礎課程中學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式探索[J].計算機教育，2017， 274（10）：54-56.

[7] PsychoPy Manual [EB/OL]， [2021-8-30]. http：//www.psychopy.org.

[8] Peirce Jonathan， MacAskill Michael. Building experiments in PsychoPy [M]. Sage Publish， 2018.

[9] Meyerhoff， H.S.， Papenmeier， F. Individual differences in visual attention： A short， reliable， open-source， and multilingual test of multiple object tracking in PsychoPy. Behav Res， 2020， 52： 2556–2566.

[10] Garaizar P， Vadillo MA. Accuracy and precision of visual stimulus timing in PsychoPy： no timing errors in standard usage. PLoS One. 2014， 3;9（11）：e112033.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】