基于工作记忆任务的认知训练游戏设计与应用

王神洋　王丽萍　陈宏

摘 要：为了提供一种能够改善认知功能的有效途径，本文以视空间工作记忆任务为训练着力点，利用Flash、Ajax等信息技术手段，设计了一种以游戏为呈现方式的认知训练软件，并在某高校大学生中进行试用和测评。结果发现该游戏软件能有效提高使用者的流体智力。相较于传统的训练方法，该认知训练游戏软件在保证有效性的同时更具趣味性，能满足各类认知训练用户的需求。

关键词：游戏设计；认知训练；视空间工作记忆；脑可塑性

中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2014）16-0081-04

一、引言

1.现代教学与脑科学之间的关系

20世纪30年代以来，研究者一直希望通过心理学、脑科学的研究成果来改善学校的学习与教学活动。[1]而近些年来，脑科学研究进展越来越受到人们的关注，脑科学的研究成果也越来越多地应用于教学领域，并对现代教学产生了深刻的影响。脑科学研究的进展和成就，不仅丰富和发展了脑科学的理论，而且还为教学研究向纵深发展提供了科学基础和技术手段，对现代教学实践产生了巨大的影响和重要的现实意义。[2]

2.脑的可塑性对教育的作用

脑的结构和功能，在经历了发育的关键期后，甚至在完全发育成熟后，仍然保持着相当程度的可塑性，这种可塑性可保持终生。因此，要努力创造有助于学生智力全面发展的良好环境。课堂上基于知识的传授无疑是重要的，但仅是学生智力活动的一部分，需要通过其他手段、方法以形象、生动的方式，来对脑的功能和结构进行塑造，以促进学生智力的全面发展。脑的可塑性是学习、记忆的神经基础，而脑的所有高级功能可以说都离不开学习、记忆，学习、记忆可以作为一个例子来说明可塑性对教育的重要性。[3]

3.当前认知训练任务存在的不足

工作记忆是与日常生活相关的非常重要的能力。工作记忆的概念是由Baddeley和Hitch于1974年提出的，认为它是一种对信息进行暂时加工和贮存的能量有限的记忆系统。[4]接着Baddeley通过研究发现工作记忆由一个中央执行系统（the central executive）和语音环路（phonological loop）、情景缓冲系统（episodic buffer）以及视空间模板（visuo-spatial sketch pad）组成。[5] 最近一些研究也表明，通过合适的训练可以提高个体的工作记忆。[6]如Jaeggi等人已在研究中发现，工作记忆训练可以提高个体的流体智力。[7]不同研究者在工作记忆训练研究中采用了不同的训练方法，如数字广度任务、词语广度任务、选择反应时任务、“n-back”任务等作为工作记忆训练的任务。[6]同时研究表明，教育游戏的特点要求游戏设计具有趣味性，给予良好的情感，如成就感、荣誉感、好奇感等。[8]教育游戏还需具有挑战性，有一定难度的游戏能激发玩家的征服心理，促使他们花更多的时间来完成任务，提高成绩。[9]这些特点同样适合于认知训练游戏的设计。但以往的这些训练形式仍不够多样化，训练者往往只能进行几个特定任务的训练，同时训练过程枯燥乏味，缺少必要的趣味性，无法激发训练者的兴趣，使训练者很难坚持进行训练。

很多研究表明，工作记忆广度任务比短时记忆广度任务能更好地预测复杂认知任务的成绩，并且工作记忆与流体智力之间有更强的联系，而短时记忆广度对流体智力的预测不显著。[10] [11] 于是本文利用测量视空间短时记忆广度的任务为切入点，首先验证了短时记忆的广度任务作为训练材料，对流体智力的提高并不明显，然后在此训练材料的基础上，对该训练任务进行了设计，加入心理旋转因素，在确保达到训练效果的同时，加大游戏难度，提高游戏的挑战性，并将该任务作为训练材料进行在线训练，同时验证了该训练方法可以有效提高个体的流体智力。

二、游戏的设计

早期的时候，短时记忆模型往往被假定成是单一系统，自从Baddeley提出工作记忆有视觉空间成分和语音成分两个子系统后，越来越多的研究者对视觉空间子系统的容量和语音子系统的容量进行区分。

Philips在柯西块测验（Corsi block test）的基础之上发明了另一种测量空间广度的方法，他给被试呈现了一个矩阵，其中部分单元以点填充，点的位置是随机的。接着呈现的测试矩阵，可能与先前矩阵相同或有一个点的位置不同，被试的任务是判断两个矩阵是否相同。Philips的这一个方法是比较成功的，它分离了视觉空间成分与言语成分。[12]

本次游戏设计以Philips视空间短时记忆的测量任务为参照。在该游戏设计中，训练者被呈现一个棋盘的样式，它已被表明很难进行语义编码，首次呈现时包含3×3总共9个独立的方块，每个方块的正面和背面颜色不同。然后随机从这9块独立的方块中产生三个方块，将这三个方块翻转过来呈现给训练者，经过3秒的时间后，再将这三个方块恢复原样，然后训练者通过鼠标点击来确定这三个方块刚才出现的位置，如果全部答对，则增加一个难度。下一个难度将会呈现3×4总共12个独立方块的方块矩阵，此次训练者需要在3秒内记住随机翻转过来的方块数目为四个方块。如果此次仍然全部答对，那下一个难度将会呈现4×4总共16个独立方块的方块矩阵，此次训练者需要在3秒内记住的随机翻转过来的方块数目也变成了五块，接下来难度递增的过程以此类推。如果训练者在某个难度等级没有用鼠标点正确呈现的全部位置时，训练者需要在同一个难度等级再次进行训练，如果再次训练时，训练者仍然无法全部点正确，那此时的训练需要降低一个等级进行训练。当训练者到达第30次时，就结束本次训练，将训练成绩呈现给训练者，并将数据发送到服务器保存以便于统计。

由于先前的研究已经表明，短时记忆的广度对流体智力的预测不显著，将短时记忆的广度任务作为训练材料，无法明显提高训练者的流体智力，因此需要对该游戏进行设计，以便通过训练可以提高训练者的流体智力。自从Shepard等人在1971年提出了心理旋转的概念后，不同研究者对心理旋转的信息加工机制进行了研究。[13]心理旋转是一种想象自己或客体旋转的空间表征转换能力，它有相对易变性和可塑性的认知加工特征，通过心理旋转来提高空间智能成为可能。[14]有研究表明，个体心理旋转能力与智力有非常显著的正相关。[15]基于以上研究，我们来对基于视空间短时记忆任务的训练游戏进行重新设计。在上述游戏当中，每次随机产生翻转过来的方块后，在呈现给训练者3秒以后，再将随机产生的方块恢复原样，接下来并未对其进行旋转操作。本次游戏设计中，方块矩阵恢复原样以后，需对其以60度每秒的速度随机进行顺时针或者逆时针旋转90度后，才让训练者判断刚才翻转过的方块。而难度等级的变化方式与上一个游戏一致。该游戏流程如图1所示。

三、关键技术

1.Flash技术用以设计游戏

该游戏使用的方法是在线训练方式，因此需要设计基于web平台的训练游戏。由于HTML的功能十分有限，无法达到人们的预期设计，以实现令人耳目一新的动态效果，在这种情况下，使用既简单直观又有强大的动画设计工具的Flash比较合适。Flash既可以快速设计简单的动画，又可以使用Adobe ActionScript 3.0开发高级的交互式项目。Flash也是一种用于互联网的动画编程语言，它采用了网络流式媒体技术，突破了网络带宽的限制，可以在网络上更快捷地播放动画，同时Flash有很好的交互性，在Flash中可以通过加入按钮来控制页面的跳转和链接，按钮还可以发出各种声音，丰富了游戏的表现手段。由于Flash使用的是矢量技术制作和生成动画，也使文件大大“减小”，并且大部分浏览器都内置了Flash Player，训练中使用也比较方便。因此，Flash技术能很好地满足该游戏的设计。

2.Ajax技术进行数据记录

Ajax（Asynchronous JavaScript And Xml）并不是一种新技术，而是整合了JavaScript、Xml、CSS等已有技术，用于创建快速动态网页的技术。通过Ajax，我们可以使网页实现异步更新，在不需要页面重载的情况下与web服务器进行数据的交互，不仅减轻了服务器的压力，而且使用户获得了更好的体验。一个Ajax交互从一个称为XMLHttpRequest的JavaScript对象开始，它允许一个客户端脚本来执行HTTP请求，并且将会解析一个XML格式的服务器响应。Ajax处理过程中的第一步是创建一个XMLHttpRequest实例。使用HTTP方法（GET或POST）来处理请求，并将目标URL设置到XMLHttpRequest对象上。Ajax不需要任何浏览器插件，但需要用户允许JavaScript在浏览器上执行，Ajax应用程序必须在不同的浏览器和平台上经过严格的测试，保证其能正确地执行。在游戏训练过程中，每次游戏结束后，需要查看训练结果，这时不需要跳转到另外一个新的页面就可直接来呈现训练成绩。

四、游戏实现

本游戏开发使用的工具是Adobe Flash CS3的动画软件，该软件是目前非常流行的二维动画制作软件之一，可以实现多种动态特效，其体积比较小巧，虽然版本比较低，但其提供的功能已经可以满足本次开发的需要，而且CS3运行比较稳定，可以方便地使用Adobe ActionScript 3.0来实现游戏设计当中的复杂动作。本游戏先使用Adobe Flash CS3中的矩形工具绘制出两块等大小的小正方形，并分别将其填充上区分度明显的两种颜色，用来作为游戏设计中的原素材，然后利用创建补间动画来实现单块方块的翻转动作，接着使用ActionScript 3.0脚本语言实现不同行列大小的矩阵以及在该矩阵中随机进行相应数量方块的翻转和鼠标按键的监听动作。游戏结束以后，Flash不仅可以直接显示本次训练的成绩，训练者还可以通过调用相应的JavaScrip语言，即利用Ajax与服务器进行数据交换，将游戏的训练成绩传送到服务器上保存起来，训练者再次训练时，可以看到最近几次自身训练的情况以及与其他训练者的训练成绩比较，从而激发了玩家的兴趣，使玩家坚持训练。

五、应用与效果分析

1.应用对象

2013年12月，我们招募36名浙江工业大学本科生参与试验。入选标准：要求被试身体健康，瑞文测试智力正常，眼睛无明显器质性病变，在此之前均未参加过任何心理物理试验。36名被试均自愿参与整个试验过程并签订了知情同意书，且对实验目的不了解，但在试验前对流程等有一定的了解。36名大学生按前测流体智力成绩被平均分配。

2.训练方式及评价手段

控制组被试与实验组被试在同一时间进行前后测测量，中间间隔时间相同。实验过程中，控制组不训练，其余两组进行为期3周，每周5天，每天进行约5 分钟视空间工作记忆广度任务训练或基于视空间工作广度任务下的心理旋转训练。实验结束后，最后取得的有效数据为32人，其中视空间工作记忆广度任务组（13人）、视空间工作记忆广度下的心理旋转任务组（9人）和控制组（10人）。测评工具使用的是流体智力测量工具——高级瑞文推理测验。本次测评为了防止被试的学习效应，将高级瑞文推理测验的36个题目按奇偶数分成两套，前测使用的是序号为奇数的18个题目进行测试，后测使用的是序号为偶数的18个题目进行测试，同时为了防止被试出现天花板效应，对测试进行了时间规定，本次测试要求被试在10分钟内完成以上18个题目，从而来收集测评数据；测评后的成绩采用的是SPSS18.0 统计软件来对数据进行统计分析。统计方法包括配对t检验、独立t检验和均值比较。以P<0.05为差异有统计学意义。

3.效果分析

对3组被试试验前后流体智力的数值分别进行配对样本t检验，结果显示：实验组一、实验组二、控制组三这3组训练组前测流体智力处于同一水平，无显著性差异（p=0.089，p>0.05），而后测每一组流体智力差异均有统计学意义（p<0.05）。如下表所示，其中实验组一、控制组，训练后的流体智力平均成绩反而有所下降，而实验组二的流体智力平均成绩在训练以后有所提升。在试验结束以后，经过对训练者访谈，训练者均表示：后测的题目难度要大于前测的题目，即瑞文高级推理测验中偶数题目的难度要大于奇数题目，这就导致了实验组一与控制组测试成绩的倒退，但实验组二训练者在题目难度有所提升的情况下，成绩仍有所提升。这也正好说明，实验组二的训练方式比实验组一和控制组更加有效，是一种能更有效提高流体智力的复杂任务训练方式。测试成绩柱状图如图6所示。

六、结束语

本研究结果显示，基于视空间工作记忆广度下的心理旋转游戏训练，更有效地提高了训练者的流体智力。近年来，随着认知神经科学的发展，为工作记忆的训练提供了客观的认知神经评价标准。研究表明，工作记忆的中央执行系统和一般流体智力在大脑前额区存在重叠。[6]对于心理旋转的神经机制，大量的研究结果表明顶叶、枕叶和额叶在心理旋转的过程中起着重要作用。[16][17]由此可见，从神经机制上看，心理旋转和流体智力的脑功能区在额区也存在着关联，这些研究都为视空间工作记忆广度下的心理旋转对流体智力的影响提供了理论依据。同时，通过将认知心理学与信息技术结合来设计认知训练在线游戏，不但确保了认知训练游戏的有效性，而且丰富了训练的形式，激发了训练者的兴趣。当然本研究还存在着许多不足之处需要研究者进行更深入的研究和完善，目前认知训练任务形式仍然不够丰富，理论基础仍然需要广大研究者不断完善，以便设计出更多有利于促进训练者流体智力提升的有效游戏。

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（编辑：李晓萍）