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幾何學問題解決中的眼動和視覺工作記憶的模型

當前欄目:免費論文 更新時間:2019-04-09 責任編輯:秩名

 摘要:動眼幾何推理引擎模型(OGRE)被建議在幾何學問題解決中建立眼動和視覺工作記憶的模型。OGRE假設圖形中的幾何元素在它們被瀏覽時被加入到視覺工作記憶中。新增加的元素覆蓋已經存在在記憶中的元素。這個模型已經被應運到三組被試的眼動模式中:兩組幾何學專家模式和一組非專家模式。他們在解決那些提供了圖形的幾何問題時的眼睛運動和言語報告被及時地記錄下來。被試高度地運用了對同一幾何元素重復瀏覽的多余眼動模式。OGRE的視覺工作模型提供了重復瀏覽之間合理的次數分配。這個模型被用于估計幾何學中的視覺工作記憶的廣度。在問題和被試的作用上,這些估計是不同的,用平均值和標準差分別表示為:5.31.4,4.00.9,和4.71.6

關鍵詞:視覺記憶  眼動  瀏覽路徑  問題解決

   

1.引言

解決幾何問題是一個復雜的過程。問題解決者必須閱讀問題;如果沒有提供圖形,還需要自己建立一個圖形;在已有的圖示中搜索;從記憶中提取相關內容;推理病最終使問題得以解決,其中包括數字計算等過程。這個多步驟的過程能進行得非???,以至于它不能被現在可以利用到的技術所直接觀察到。出聲思維和寫出解題過程均有局限性,因為,它們只能報告那些到達“意識”的結論。而一些實驗中需要被報告的推論可能是許多比較小的步驟上得出的,問題解決者在報告這些步驟時往往會打斷其原來的解題思路。

幸運的是,現在有一種實驗范式來有繞過這些障礙的潛能。當問題以視覺形式呈現時,就像圖形,問題解決者的眼睛運動能夠給實驗者提供一個探查其心理活動的窗口。眼動實驗研究范式相較于傳統的出聲思維和寫出解題過程有很多顯而易見的優點。它不需要被試者任何附加的努力或訓練,眼動本身就是問題解決進程中的一部分,因此不會引起問題解決過程的混亂。

用眼動能推斷認知和知覺過程,但是,這并不是沒有困難的。Viviam (1990)討論了很多在這種研究方式上所存在的共同的固有的問題,并總結了唯一能夠正確解釋所獲得的眼動數據的方法是在一個特殊的理論框架中進行。在這里,我們描述了這樣一個理論框架,在圖形的幾何問題解決任務中被開發。在我們的模型被呈現之前,討論一些問題解決相關研究中的亮點是很有用處的。接下來的回顧不旨在全面詳盡,而是旨在說明被運用這個領域中不同的研究方法。

 

1.1 背景

現在流行的一個接近人類解決問題的模型是“生產系統”的運用。這些系統中最發展成熟的是Anderson’ACT—R家族模型(Anderson,1993)。生產是規則,包括被組織在一個有等級的目標結構中的條件和行為。問題解決包括了把記憶中的項目和生產中條件部分的元素進行匹配。當一個匹配被找到,產品“興奮”,即與生產相匹配的動作部分,就出現了。這個匹配過程一直被重復,直到問題被解決。

以生產為基礎的模型在預測特定條件下的行為方面做得很好。但是,實驗研究范式的詳細分析表明問題解決很少在一個分等級的、直接指向目標或有特定方法的生產系統模型中進行。問題解決看來更具有概率的,例如,Suppes 和 Sheehan(19821)的研究,用了1455項基于電腦的證據來建立理論。

問題解決的概率特征也能被眼動數據所支持。例如,一個被試做列算術練習時的眼動模式檢驗表明,被試者并沒有準確地服從簡單的從右往左、從上往下的算法,不管他們是不是明確地記得要按算法做(Supes,Cohen,Laddaga,&Floyd,1983)。超過30%的注視是回視、跳視和一些完全不符合算法的錯誤作業。這些不規則的注視出現的頻率驚人的高:8—16%的成人被試和17—36%的兒童被試都有這種現象。

這些在列算術、閱讀(Epelboim,Booth,&Steinman,1994)、數學圖形的心理動畫(Hegarty,1992)任務中發現的眼動模式,與其他任務的眼動模式一樣,支持著人類的推理甚至是十分簡單的十進制算法的執行都具有很高的概率性這一假設(Suppes,1981)。人們忘記了它們在幾何學中的位置,忘記了剛剛發現的刺激物,以及忘記了間接的結果,以至于要重復一個步驟甚至是從頭開始。有時候,他們識別了一個相似的模式并運用算法進行跳讀。問題解決必須具有很高的概率性是由于人類記憶和知覺的持續活動特性。

現代的有限制的容量的工作記憶概念最初是由Baddeley(1986)進行發展得來的。依據Baddeley所說,工作記憶系統能在復雜認知活動過程中暫時儲存信息。這個工作記憶的概念使它有別于長時記憶和非常短的短時記憶,或圖像記憶(大多數被歸因于視覺的持續性)。工作記憶中的這些項目能保持足夠長的時間以至于在至少一個心理活動中有用處。

視覺工作記憶廣度的估計依賴于具體的實驗條件,但是所有的估計都相對較小,不會超過10個項目。例如,Luck 和Vogel(1997)表示人類能夠記得四個視覺項目,不管是單獨呈現這些項目的單個特征如顏色,還是呈現多個特征的結合如顏色+方向+大小。他們推論視覺工作記憶“相較于儲存對象的多個單獨特征更多的是儲存對象的整體”。Lachter 和Hayhoe(1995)發現被試在對一系列圓點的空間布局做出判斷的表現中,如果圓點超過四個,就會很難進行判斷,因此,他們獲得了相似的估計值。

對于視覺工作記憶廣度一個較大的估計是Glassman,Garvey,Elkins,Kasal,和Couillard(1994)獲得的,他們發現人類和老鼠都能記得一個呈輻射狀迷宮的17條臂的14條,當這些猜想的可能性被進行運算時,這些結果得出了視覺——空間工作記憶的廣度,它最后被Miller(1956)在回顧短時記憶和注意的發現中得出,并描述為“有魔法的數字”72。

 

4.討論

一個基于眼動數據的理論模型的建立被用于估計一個認知變量,即視覺工作記憶的廣度。眼動的運用使在現實的、復雜的認知任務中測量變量成為可能。所有先前對于視覺工作記憶容量的量的估計都是建立在比較簡單的記憶任務上,例如,一系列被呈現過的客觀事物的回憶。

我們對于視覺工作記憶廣度的估計與一些先前的在一個條件變化下所獲得的估計非常的相似。他們稍微低于72的范圍。他們都支持這樣的想法,正如被一些理論所假設的那樣,盡管視覺記憶的廣度相對較小,但是都有多于一個的項目被儲存了。確實,我們懷疑這種在復雜的幾何學中充分運用圖形的問題解決能否用視覺記憶的廣度來恰當地建立心理學的模型。另一方面,當這里提出的模型被應用到一個更廣泛多樣的視覺任務中去時,好像視覺工作記憶廣度估計的范圍會變化得更大。未來理論中的一個很重要的問題是具體詳細地建立任務的特征和視覺記憶廣度之間相互作用模型。

這個OGRE模型不像其他基于眼動數據的認知過程模型,它強調眼動控制中隨機進程的角色。相反地,由圖3可知,比較專家與非專家的瀏覽路徑,推斷過程對整體的眼動模式有很大的影響。但是依據OGRE,推斷過程不能直接控制注視。它決定了哪些視覺信息在精確估計中被需要和如何委派一個視覺發動代理機制去具體地把這些信息安置在視覺工作記憶中,并使它們保持在那里。推斷是在一個較高的水平被做出的,代理機制只需要在需要表現一個或者另一個視覺行動時有效率的行動。一個簡單的隨機過程有可能是使較有智慧的推理過程從動眼神經的控制中擺脫的最有效率的解決。計劃和行動之間的二分法在關于運動控制的文獻中被很好地接受(Sternberg,Monsell,Knoll,&Wright,1978 的一般討論,和Zingale&Kowler,1987眼動控制的二分法的應用)。

這個心理運作和眼動控制之間的二分法的假設也必須假定有大于一個項目容量的視覺工作記憶,它必須有能力儲存先前注視所獲得的信息和使這些信息可以被高水平的認知過程所利用。但是,這個假設對于做出基于眼動數據的明確的認知過程的模型是不滿足的,因為它不允許在任何一個眼睛運動和一個特定的心理運作之間繪制簡單的形態圖。很多模型假定直接的認知活動控制眼睛的運動,并且不考慮視覺工作記憶的滿足條件。這個模型是不適當的因為它容許不切實際的簡單化的模型。

     這個OGRE模型能被修改和被擴展應用于其他運用視覺信息的認知任務中去。比如說,視覺工作記憶在閱讀中的運用可能。例如說,在這個假說下基于閱讀理論的眼動會自然地導致將從句、短語作為閱讀的單位而不是單個的詞。在閱讀中對先前注視的詞語的回視的分配能用于估計視覺工作記憶的廣度,這種用回視次數的分配的方法同樣被用于對幾何學中視覺工作記憶的廣度作出估計。

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