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1 认知科学基础 张淑华朱启文杜庆东张 辉著 北 京

2 图书在版编目 (CIP) 数据认知科学基础 / 张淑华等著畅 北京 : 科学出版社, 2007 ISBN 978 唱 7 唱 03 唱 唱 1 Ⅰ 畅认 Ⅱ 畅张 Ⅲ 畅认知科学 - 研究 Ⅳ 畅 B842 畅 1 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2007) 第 号责任编辑 : 付艳侯俊琳 / 责任校对 : 陈玉英责任印制 : 钱玉芬 / 封面设计 : 无极书装 北京东黄城根北街 16 号邮政编码 : http: // 出版 印刷 科学出版社发行 各地新华书店经销 倡 2007 年 10 月第 一 版 开本 : B5 ( ) 2007 年 10 月第一次印刷 印张 : 21 3 /8 印数 : 字数 : 定价 : 38 畅 00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换枙科印枛 )

3 前 言 现代专家学者们普遍认为, 物质的本质 宇宙的起源 生命的本质和智能的呈现是人类关注的四个基本问题 认知科学 思维科学和人工智能等学科的研究都与四个基本问题之一的 智能的呈现 密切相关 认知科学旨在研究人脑和心智的工作原理及其发展机制, 研究内容包括知觉 学习 记忆 推理 语言理解 知识获得 注意 情感和意识等高级心理现象 认知科学是在心理学 计算机科学 人工智能 语言学 神经科学等基础科学和哲学的交界面上发展起来的高度跨学科的新兴科学, 其中认知心理学 人工智能和神经生理学是认知科学的核心学科 认知科学的创立标志着以现代科学为基础, 人类对自身特有的心理活动 脑和心智关系 人工智能的研究已进入到一个新的阶段, 这是近半个世纪以来科学发展史上的重要事件之一 认知科学这门新兴的学科被看作 20 世纪世界科学的最重要的进展之一 在其短短二三十年的发展中, 认知科学对心理工作原理的揭示获得了惊人的扩展和深入 近年来, 随着认知科学方法和技术的快速发展, 认知科学领域研究范围的不断扩大, 认知科学问题的研究已成为 21 世纪智力革命的前沿, 研究成果在促进科学技术的进步和社会发展中起着越来越重要的作用 本书从认知心理学 计算机科学 认知神经科学及认知语言学等视角对认知的心理机制与规律 生理基础 活动规律 表征方式以及认知科学在人类生活中的应用进行了多侧面的介绍 绪论部分重点介绍认知科学的涵义和学科基础, 第一篇重点阐述认知活动的心理规律与信息加工模式, 第二篇重点阐述认知活动的脑功能定位 生理机制和脑功能研究技术, 第三篇重点阐述认知与符号之间的表征与依赖关系, 第四篇重点阐述认知规律在教学中的应用和在人际认知中的应用, 第五篇重点阐述人工智能的理论模型 活动规律和未来趋势 通过阅读本书, 广大读者能够深入了解认知科学的发展 我们同时也期望本书的问世能够为相关研究领域的广大学者和研究人员提供有价值的参考读物 承担本书各章编写任务的有张淑华 朱启文 杜庆东 张辉 张辉对本书做了 i

4 认知科学基础总体策划, 王晓坤 衣伟婧 黄晓庆 叶露露和刘兵等人在文献收集整理与编辑中做了大量工作 ; 那杰教授 郭黎岩教授 刘力教授 宋戈教授和武秀波博士等认真审阅了本书稿并提出许多修改意见, 在此对为本书编辑出版做出贡献的同志表示感谢! 本书在编写过程经过反复讨论和交流, 但书中难免存有不足之处, 敬请专家 学者及广大读者批评指正! 作 者 2007 年 7 月 ii

5 目 录 前言 绪论 1 第一节认知科学概述 1 第二节认知科学的主要学科构成 2 参考文献 5 第一篇 认知过程的心理机制 第一章注意 6 第一节概述 6 第二节选择性注意 13 第三节分配性注意 24 第四节持续性注意 30 参考文献 33 第二章感知 35 第一节概述 35 第二节感知觉信息加工 36 第三节模式识别理论 40 第四节模式识别的影响因素 49 参考文献 55 第三章记忆 56 第一节概述 56 第二节记忆的结构 62 第三节感觉记忆 64 第四节短时记忆 68 第五节长时记忆 75 参考文献 79 第四章思维 80 第一节思维 80 第二节概念 83 iii

6 认知科学基础 第三节推理 90 第四节问题解决 96 参考文献 106 第二篇 认知活动的生理机制 第五章认知活动的生理基础 107 第一节神经元 107 第二节神经系统的结构与功能 119 参考文献 122 第六章认知过程的生理机制 124 第一节感知过程的生理机制 124 第二节记忆过程的生理机制 126 第三节思维过程的生理机制 131 参考文献 133 第七章认知活动的脑功能研究技术与方法 134 第一节功能磁共振成像 134 第二节事件相关电位概述 135 第三节正电子放射断层扫描 138 参考文献 141 第三篇 认知活动的符号表征 第八章符号表征的认知规律 142 第一节语言发展 142 第二节词汇 148 第三节意义表征 154 第四节范畴化 161 第五节隐喻 165 第六节转喻和转指 168 参考文献 172 第九章认知表征 173 第一节认知表征的内涵 173 第二节认知表征的演进 174 第三节认知与语言的相依 177 参考文献 191 iv

7 目 录 第四篇认知规律的应用 第十章学与教 192 第一节认知结构 192 第二节认知结构的建构 199 第三节认知结构的教学 206 参考文献 209 第十一章社会认知 210 第一节人际认知 210 第二节自我认知 233 参考文献 246 第五篇 认知规律的人工模拟 第十二章面向符号处理的人工智能系统 249 第一节人工智能概述 249 第二节基于信息加工理论的人工智能模型 257 第三节知识表示 265 第四节问题求解 276 第五节不确定推理 281 第六节人工智能的其他技术 284 参考文献 287 第十三章基于数值处理的计算智能 289 第一节概述 289 第二节神经计算 291 第三节遗传算法 300 第四节模拟退火算法 308 第五节蚁群算法 310 第六节分布式人工智能与 Agent 理论 313 第七节展望智能科学研究 323 参考文献 334 v

8 绪 论 第一节 认知科学概述 人的智能的研究牵涉到脑的功能 意识与思维等十分复杂的问题 对脑功能 意识与思维的研究, 国内外的评论认为有两个途径 : 一是研究人脑 脑科学的道路, 二是从心理学 人工智能和认知科学着手 诺尔曼指出, 认知科学就是要发现智能的表达和计算的规律, 要揭示认知系统的结构 功能和要素的特点 约翰逊 莱昂特认为, 认知科学的发展会促使人们改变原来对智能机器操作方式的看法 对认知系统的研究应着眼于三个层次 : 首先是要研究系统如何对符号进行处理的信息加工操作, 这是认知系统研究的基础功能 ; 然后还要研究如何利用这些认知操作来认识客观事物, 获得新的知识 除了这些理论探讨外, 还应当开发出能够认识客观事物, 自行获得新知识的人工认知系统, 即智能机器 纽厄尔和西蒙认为一个完善的物理符号系统应该有以下六种功能 : 输入符号, 输出符号, 存贮符号, 复制符号, 建立符号结构, 条件性迁移 这种完善的物理符号系统就是诺尔曼所称的 认知系统, 其本质是通过建立符号结构和条件性迁移来创造 控制和加工抽象符号的能力 信息加工的过程就是指一个认知系统 ( 人脑或计算机 ) 对输入到该系统中的物理符号进行操作, 对这些符号进行选择 接受 编码 储存 处理 提取 输出和传送等, 随后利用经过处理的信息进行计划 决策并指导自己的行为的过程 认知系统的最根本的认知功能就是对信息的重构 任何一个具有智能的认知系统都具有能执行信息重构的功能 人脑具有智能, 当然是能表现出信息重构功能的认知系统 计算机也具有信息重构的功能, 同样是表现出智能的认知系统 从这个意义上看, 也可以认为认知科学就是研究智能系统的科学 实现信息重构的认知操作是产生式 一个产生式由条件和行动两个部分组成 条件部分描述了一些状态或情境 产生式的基本规则是 若条件为 X, 则实施行动为 Y 其计算机描述则为分支语句 if 爥 then 爥 如果这些条件能够得到满足, 就能执行该产生式所规定的行动 一个产生式的完成可以引发另外一个产生式 一个认知系统就是由一系列的产生式所组成的 对现实各种各样的信息重构的每一个产生式的条件与行动进行精确的定量描述, 是认知科学的一个中心任务 1

9 认知科学基础由于认知系统的复杂性, 对它要进行多维度 全方位的综合研究, 需要使用多门学科的工具和方法 认知科学是由人工智能 认知心理学 心理语言学 神经心理学 人类学和哲学所组成的交叉科学 这些学科之间的跨度很大, 在知识基础 技术路线和研究范式等诸方面都有很大差异, 要综合运用这些学科的知识进行研究很不容易, 加之认知科学是诞生不过 20 年的新兴科学, 人类对它的研究至今尚未取得突破性的进展 要推进认知科学的研究, 必须把方法论作为首要问题 第二节 认知科学的主要学科构成 认知科学是当代新兴的研究门类, 被看作 20 世纪世界科学的最重要的进展之一 认知心理学的理论奠基人福多 ( Fudor) 在谈到认知科学学科组成时说 : 标准的一致意见是, 核心学科是计算机科学 语言学 哲学, 也许主要是认知心理学 根据我的观点, 认知心理学是中心学科 然后是神经科学, 也许还有人类学的某些部分以及与此类似的领域 如果你是一位认知心理学家, 知道一点心智哲学 语言学和计算机理论, 这就使你成为一个认知科学家 如果你是认知心理学家, 但不知道这些领域的东西, 那么你是认知心理学家但不是认知科学家 就是说认知科学是多学科交叉的学科 而在历史上, 关于认知科学的学科性质问题曾有两种观点 第一种观点把认知科学看成是一门新兴的独立学科 它有自己特殊的研究对象, 即研究的是智能系统, 包括自然的智能系统和人工的智能系统 它有自己专门的学科语言, 以此来建构关于智能系统的认知过程的模型和理论 认知科学的研究目标就在于增进对构成自然和人工智能基础的一般计算原理的理解 单一学科的观点采纳的是机能主义的立场 机能主义的研究取向强调的是对物理的装置 物理的过程和状态作机能水平上的描述 同一心理过程和状态可以由不同的物理过程和状态实现出来 不同的心理过程和状态也可以由同一物理过程和状态实现出来 这样就把智能系统和实现它的基础相对地分离开了 显然, 自然的或人的智能系统是由生物性的神经系统或人脑实现出来的, 人工的或机器的智能系统是由计算机的电子元件实现出来的 尽管它们的实现基础不同, 但却在智能的水平上可以是相同的 都是对物理符号的操作系统, 或称是信息加工系统 人类心理与人工智能具有同样的信息加工性质 有些研究者把人和计算机看作是信息加工系统的两个物种 人是自然的物种, 而计算机是人造的物种, 但它们同为信息加工系统所具有的性质并没有什么根本性的差别 著名的认知科学家 Newell 认为, 智能就是物理符号的操作 任何机器只要能够以正确的方式操作正确的符号, 那就肯定具有与人相同的智能过程 2

10 绪 论 计算机和人同样具有思维能力, 同样要遵循一定的计算规则对不同内容进行符号操作 从这个意义上讲, 认知科学应该是一门单一的学科 第二种观点把认知科学看成是一个多学科合作的事业 它强调认知心理学 人工智能 语言学 神经科学和哲学等多学科的合作, 但每一学科仍可保持自己独特的探索目标 基本问题和研究方法 认知科学仅在于提供研究心灵工作原理的合作原则和沟通途径 每门学科都有自己着重探索的领域, 认知心理学是认知科学的核心学科, 它关注的是人的认知活动, 包括知觉 注意 记忆 推理 问题解决 认知发展等 计算机科学或人工智能也是认知科学的核心性学科 它关注的是如何使机器具有与人相类同的智能 语言学家主要关注人类的语言, 理解语言知识是怎样在心灵中得到表征的, 是怎样获得的, 是怎样得到觉知和运用的, 以及是怎样与其他的认知成分相关联的 神经科学研究动物或人类神经系统与其信息加工能力之间的关联 哲学对认知科学的贡献主要表现在两个方面 : 一是科学哲学对认知科学事业的考察, 主要分析的是认知科学的研究目标和为达到该目标而采取的研究策略 ; 二是心灵哲学对认知科学提出的一些重大理论问题的思考, 特别是涉及到符号计算的逻辑问题和心理活动的意向性问题 另外, 各门学科分别使用不同的研究方法来考察和探索心灵的工作原理 认知心理学家倚重的是有目的和系统的观察, 以及在一定控制条件下的实验室实验 人工智能的研究者倚重的是编制计算机的程序以及了解程序运行过程中的问题, 来实现和检验他们关于智能的构想和解释 语言学家倚重的是解析语言的规则系统, 如语音规则 语法规则和语义规则等, 由此来了解语言现象和检验关于语言现象的理论解释 神经科学家倚重的是生理学的方法, 来考察信息加工的神经生理基础 哲学家倚重的是严密的推论, 以探讨认知科学的目标 方法 概念和理论等的合理性, 以及一些重大理论问题的可能的解决途径 在众多有关认知科学的学科中, 认知心理学 人工智能和认知神经科学普遍被视为认知科学的三大核心学科 认知心理学主要涉及认知的内部心理机制问题 阐述智力的本质和过程 是关于智力的理论 (Anderson 1980; Aimon 1981) 认知心理学兴起于 20 世纪 50 年代, 并于 60 年代之后迅速发展起来 1967 年, 美国心理学家奈塞尔 ( Neisser) 出版了枟认知心理学枠一书, 该书的问世标志着认知心理学的确立 他认为认知心理学是研究信息经感觉输入的转换 加工 存贮 恢复 提取与使用的过程 包括视知觉 听知觉 记忆与思维高层次心理过程三大部分 到了 20 世纪 80 年代, 认知心理学已成为西方心理学界盛行的一个主要流派 在科学研究层面上认知心理学把包括注意 知觉 学习 记忆 语言 情绪 概念形成和思维在内的错综复杂现象作为自己的主要研究对象 感知是大脑通过各种感觉器官接受外界的声 光 触 3

11 认知科学基础嗅等信息, 其中视觉感知起着尤为重要的作用 认知以感知为基础, 知觉是脑对客观各种属性的综合反应, 知觉的表达是研究其他各个层面认知过程的基础 记忆是对感知的保持, 有了记忆, 当前的反应才能在以前反应的基础上进行 ; 有了记忆, 人才能积累经验 记忆和遗忘是大脑的本能 学习是基本的认知活动, 学习的神经生物学基础是神经细胞之间的联系结构突触的可塑性变化, 该方向的研究已经成为当代脑科学中一个十分活跃的领域 学习主要是通过语言来表达的, 人类智能和其他生物智能最突出的差别就在于语言, 尤其是文字语言 语言以语音为外壳, 词汇为材料, 语法为规则 语言是结构最复杂 使用最灵活 应用最广泛的符号系统 人们通过语言进行思维和认知的交流 还有很多其他的认知行为, 如注意 意识等 广义的认知心理学主要研究人的心理活动过程以及个体认知的发生和发展, 探讨人的心理事件 心理表征与信念 意向等心理活动 狭义的认知心理学是指信息加工心理学, 是以信息加工理论为主要核心内容的心理学 人工智能问世于 1956 年, 是由 人工智能之父 麦卡锡及一批科学家在达特茅斯召集的一次会议上首次提出的 人工智能 ( artificial intelligence, AL) 是一门综合了计算机科学 心理学 哲学的交叉学科 它是研究如何用计算机去模拟 延伸和扩展人的智能, 如何使计算机变得更聪敏 更能干, 如何设计和制造具有更高智能水平的计算机的理论 方法 技术及应用系统的一门新兴的科学技术 人工智能的研究领域主要有专家系统 机器学习 模式识别 自然语言理解 自动定理证明 自动程序设计 机器人学 博弈 智能决定支持系统和人工神经网络 它是面向实际应用的, 也就是说什么地方有人在工作, 或需要有人在工作, 它就可以用在什么地方 认知神经科学发端于 20 世纪 70 年代后期, 形成于 90 年代, 是由美国心理学家米勒首先提出来的 认知神经科学是在传统的心理学 生物学 信息科学 计算机科学 生物医学工程以及物理学 数学 哲学等交叉的层面上发展起来的一门新兴科学, 旨在阐明自我意识 思维想像和语言等人类高级精神活动的神经机制 换句话说, 它是研究脑如何创造精神的 虽然认知神经科学发展较晚, 但是人类对神经和大脑功能的探索可以追溯到 19 世纪 早在 1819 年德国医生 Call 和他的学生 Spurzheim 首先提出了 颅相学, 认为人的头骨外形与脑的形状是相互对应的, 不同心理功能分别定位于不同的大脑区域, 大脑共有 35 个特定功能区域等 1861 年法国神经病理学家布洛卡 ( Broca) 报道了一则表达性失语症病例 该病人能理解语言, 能讲出单词, 但不能讲出合乎语法的句子 待病人死后经解剖发现其损伤部位在左半球额下回后部, 证明了大脑中存在言语运动中枢, 即布洛卡区 这是人类第一次在人的大脑皮质上得到机能定位的直接证据, 因而布洛卡被誉为神经科学之父 对脑与神经方面的研究必须拥有两 4

12 绪 论 个必需的条件 : 一是作为一门实验科学, 对脑和神经系统的研究在很大程度上依赖于研究手段的发展与完善, 依赖于采用行之有效的实验方法控制和分析人的心理过程 ; 二是神经科学的发展在相当程度上取决于能否找到合适的实验材料来对某个特定问题进行研究, 特别是能够用于观察和研究人类脑功能的无损伤性技术和设备的使用 前一个条件等到 20 世纪 50 年代末将计算机的信息加工理论应用于研究人的认知过程, 即认知心理学的产生时才具备 ; 后一个条件等到 20 世纪 50 年代末, 随着计算机在生物学中的应用导致脑事件相关点位的出现才具备, 再到 20 世纪 80 年代正电子发射断层扫描技术的出现才进一步成熟 这两个基本条件的具备才使认知神经科学的出现成为可能 随着科学技术的不断发展, 认知神经科学开始在 70 年代后期得到迅速发展 其发展沿着两大研究方向进行 : 一是神经信息传递 编码和加工的研究, 在 70 ~80 年代阐明了神经细胞之间信息传递的化学机制, 80 ~90 年代发掘出细胞内信号传导的多种机制, 90 年代则在细胞核内发现了与神经信息存贮相关的基因调节蛋白, 揭示了神经信息和遗传信息的内在联系纽带 ; 二是生物医学构像技术, 特别是在 1992 ~1994 年开始出现的功能性磁共振成像技术可以用于人类认知活动的研究 脑事件相关电位 脑磁图和高分辨脑成像等方法, 可以为人脑认知功能研究提供诸多新的数据 参考文献 贝斯特.2000 畅认知心理学畅黄希庭等译畅北京 : 中国轻工业出版社, 13 ~18 戴汝为.1997 畅认知科学进展. 中国科学基金, 1: 1 ~5 第三届国际认知科学大会组委会编 第三届国际认知科学大会论文集. 合肥 : 中国科学技术大学出版社, 37 ~51 葛鲁嘉.1995 畅认知科学的性质与未来. 吉林大学社会科学学报, 1: 21 ~26 蒋新松 智能科学与智能技术. 信息与控制, 23 (1) : 32 ~35 卡米洛夫 史密斯畅 超越模块性 认知科学的发展观. 缪小春译. 上海 : 华东师范大学出版社, 11 ~23 李伯约.1999 畅论认知科学的方法. 云南教育学院学报, 15 (5) : 89 ~92 刘晓力.2003 畅认知科学研究纲领的困境与走向. 中国社会科学, 1: 99 ~108 罗瑾, 晏碧华.2005 畅认知进化观 : 认知科学研究范式的新取向. 西安文理学院学报 ( 社会科学版 ), 5: 78 ~80 萨伽德畅 认知科学导论. 朱菁译. 合肥 : 中国科学技术大学出版社, 33 ~51 宋健 智能控制 超越世纪的目标. 中国工程科学, 1 (1) : 3 ~6 武秀波等 认知科学概论. 北京 : 科学出版社熊哲宏 认知科学导论. 武汉 : 华中师范大学出版社, 6 ~12 赵南元 认知科学揭秘. 北京 : 清华大学出版社, 67 ~79 中国科学院心理研究所战略发展研究小组.2001 畅认知科学的现状与发展趋势. 中国科学院院刊, 3: 168 ~171 5

13 第一篇 认知过程的心理机制 第一章注意 环境给人们提供了大量的刺激, 这些刺激有的对人很重要, 有的对人不那么重要, 有的毫无意义 人要正常生活与工作, 就必须选择重要的信息, 排除无关刺激的干扰 在心理学中, 注意的地位是比较特殊的 认知心理学把人的认知系统看成一种信息加工系统 此系统受到通道容量的限制 人只能从各种感觉信息中选择少量重要的信息, 进行知觉加工, 然后再选择某些信息保存在记忆中 必要时, 从记忆中有选择地提取某些信息, 对环境中的刺激作出不同的反应 正因为这样, 认知心理学家认为, 注意在人类的信息加工中有着重要的意义 没有注意参加, 信息的输入 编码 储存和提取, 都难以实现 本章先介绍注意的概念 性质和种类及在认知心理学中的地位, 然后分别介绍有关注意的一些重要的研究领域, 如选择性注意及其理论模型 分配性注意 持续性注意等 这其中包括许多最新的研究成果 最后, 会简要介绍一下注意的实验研究范式 第一节概 述 一 注意的概念及特征 ( 一 ) 注意的概念注意的研究引起了大家的重视, 但什么是注意, 至今没有统一的定义 鲁利亚 (Luria 1973) 强调注意的选择功能, 认为人的心理过程的选择性通常被称为注意 选择性是注意的重要功能, 但是仅仅用选择性来说明注意的实质是不够的 索尔索 (Solso 1988) 指出, 注意是指心理努力对感觉事件或心理事件的集中 在心理学 6

14 第一章注 意 中, 心理努力这个概念本身的涵义并不清楚, 而且说心理努力对 感觉事件 的集中也是不全面的 马丁代尔 (Martindale 1991) 把注意定义为当前被激活的一系列结点 他认为人脑中的各个认知单元在当前一刻被激活的程度是不一样的, 激活较少的单元处于短时记忆中, 成为注意的边缘, 而激活最多的单元占据着注意的焦点 这个定义带有描述性质, 而且在定义注意时, 使用注意的 边缘 焦点 这些词, 也是不恰当的 现在较一致的看法是, 注意是和意识紧密相关的一个概念, 但不同于意识 简单地说, 注意是心理活动或意识对一定对象的指向和集中 人在高度集中自己的注意时, 注意指向的范围就缩小 这时候, 他对自己周围的一切就可能 视而不见, 听而不闻 了 从这个意义上说, 注意的指向性和集中性是密不可分的 ( 二 ) 注意的特征 1 畅注意的广度注意的广度也称注意范围, 是指一个人在同一时间内能清楚地观察到对象的数量 最早进行注意广度实验的是汉密尔顿 ( Hamilton 1859) 他在地上撒石弹子让被试即刻辨认, 被试很不容易立刻看到 6 个以上的弹子, 如果把石弹子以 2 个 3 个或 5 个放成一堆, 被试能辨认的堆数和掌握一个个石弹子数一样多 之后, 研究者用速示器在 0 畅 1 秒的时间内呈现彼此不相联系的数字 图形 字母等, 结果表明, 成人注意平均广度为 : 黑色圆点 8 ~9 个, 外文字母 4 ~6 个, 几何图形 3 ~4 个, 汉字 3 ~4 个 注意广度的另一种形式是感知在时间上分布的刺激物的广度 陶布曼 ( Taub 唱 man 1950) 用计时器连续呈现一个短促的音或闪光, 每次呈现的刺激物数量不等, 呈现速率也有变化, 然后让被试说出每次呈现的数量 视觉刺激呈现的速度过快, 会产生融合现象 听觉却可以感受更高的频率 一般来说, 刺激物数量越多, 呈现速度越快, 判断的错误越多, 而且趋向于低估, 这种倾向对于视觉刺激物来说更加明显 注意广度受两个因素的影响 : 知觉对象的特点, 知觉者的活动任务和知识经验 在知觉任务相同时, 知觉对象的特点不同, 注意的范围会有很大的变化 知觉对象越集中, 排列越有规律, 越能成为相互联系的整体, 注意的范围就越大 知觉对象相同, 如果人的活动任务不同或知识经验不同, 注意的范围也会有变化 如用速示器呈现一句中文句子, 我们的注意范围就远比不懂中文的外国人要大得多 这是知识经验不同之故 2 畅注意的稳定性注意的稳定性是指注意保持在某一对象或活动上的时间久暂的特性 例如, 学 7

15 认知科学基础生在 45 分钟的上课时间内, 使自己的注意保持在与教学活动有关的对象上 ; 外科医生在连续几小时的手术中聚精会神地工作等 这些都是注意稳定性的表现 注意稳定性与注意对象的特点有关 如果注意的对象是单调的 静止的, 注意就难以稳定 ; 如果注意的对象是复杂的 变化的, 注意就容易稳定 注意的稳定性还与人的积极性有关 如果人对所从事的活动持积极的态度, 有浓厚的兴趣, 并借助有关动作维持知觉或思维进程, 或从不同的角度进行观察和思考, 那么注意就越稳定 ; 反之, 注意就容易分散 3 畅注意的分配注意的分配是指人在进行两种或多种活动时能把注意指向不同对象的现象 也就是个体在同一时间对两种或两种以上的刺激进行注意或将注意分配到不同的活动中去 注意的分配是有条件的 同时进行的几种活动的复杂程度 熟悉程度和自动化程度都会影响注意分配的难易程度 注意分配最重要的条件是在同时进行着的几种活动中, 必须对每一种活动都相当熟悉, 其中一种是自动化了的或部分自动化了的 其次, 同时进行的几种活动如果建立起联系形成了某种反应系统, 这样注意分配也就能够实现 4 畅注意的转移注意的转移是指人有意地把注意从一个对象转移到另一个对象上, 或从一种活动转移到另一种活动上 如根据新任务把注意从一门功课转移到另一门功课上, 这就是注意的转移 注意的转移与注意的分散根本不同, 前者是有意地根据活动任务的需要把注意从一种对象转向另一个对象, 后者则是在需要稳定时不随意地改变了注意的对象 注意转移的快慢和难易依赖于原来注意的强度 原来注意强度越大, 注意的转移就越困难 越缓慢 ; 反之, 注意的转移就比较容易 二 注意的种类 ( 一 ) 不随意注意 随意注意 随意后注意我们对事物的注意, 有时是不需要任何意志的努力的 ; 有时是有目的的, 需要付出意志的努力来维持 这样, 我们可以将注意分成不随意注意 随意注意和随意后注意三种 1 畅不随意注意不随意注意也叫无意注意, 它是在没有任何意图 没有预先目的 不要求意志努力的情况下而产生的注意 在这种情况下, 我们对注意的东西没有任何准备, 也没有明确的认识任务 注意的引起与维持不是依靠意志的努力, 而是取决于刺激物 8

16 第一章注 意 本身的性质 在这个意义上, 不随意注意是一种消极被动的注意 在这种注意活动中, 人的积极性的水平较低 不随意注意的产生机制是在新异刺激物的影响下, 人们自然地把感受器转向刺激物, 在大脑皮层相应部位引起最优势的兴奋中心, 从而形成定向反射, 而对其他正在进行的活动产生了抑制作用 不随意注意的影响因素主要有刺激物本身的特点和人本身的状态 (1) 刺激物本身的特点 不随意注意的引起跟刺激物的强度 刺激物的新异性 刺激物的活动变化和刺激物间的对比关系有关 强烈的刺激物, 如尖锐的声音 浓烈的气味等都会让我们不由地引起注意 刺激物的新异性指刺激物异乎寻常的特性 人们容易被中等复杂程度的图形所吸引, 而过于简单或过于复杂的图形则不易引起人们的注意 富于变化的刺激物和正在活动的刺激物也易引起无意注意 对不随意注意来说, 起决定作用的往往不是刺激的绝对强度, 而是刺激的相对强度, 即刺激物强度与周围物体强度的对比或是刺激物间的任何一种显著的差别 (2) 人本身的特点 除了刺激物的特点外, 不随意注意还和人自身的状态 兴趣 需要 过去经验等有密切的关系 能满足人的需要的事物, 容易引起人们的注意 需要既是人们主动地探索环境的内部原因, 也是引起不随意注意的重要条件 如服装设计师逛商场时, 各式各样的服装就会引起他们的注意 兴趣是人们的认识性需要, 它对不随意注意的发生也有重要影响 人们过去的经验也是引起不随意注意的重要条件 经历过一件事, 当它再次出现时, 很容易引起人们的注意 2 畅随意注意随意注意又叫有意注意 它是一种自觉的 有预定目的 并经过意志努力而产生和保持的注意 随意注意是人向自己提出一定的任务, 自觉地把某些刺激物区分出来作为注意的对象 当我们确定做某件事之后, 在做这件事的过程中就会有意地把注意集中到我们认为要干的事情上 这时我们所注意到的那个刺激物的特点不论是否强烈 是否新异 是否有趣, 我们都必须注意, 同时应排除各种无关刺激的干扰 如果说动物也有不随意注意的话, 那么只有人才有随意注意 随意注意是人所特有的一种高级注意形式 它是注意的一种积极 主动的形式 (1) 在从事某项活动时要加深对活动的理解 对活动任务的意义理解得越清楚 越深刻, 完成任务的愿望越强烈, 那么, 为完成这项活动任务所需的一切就越能引起随意注意 (2) 兴趣的影响 我们有这种经验, 有趣的事物容易引起随意注意 间接兴趣对随意注意的产生有重要作用, 它能够维持人们稳定而集中的注意 (3) 运用自我提醒和自我命令 在活动的进程中经常提醒自己, 特别是在要求加强注意的紧要关头, 自我提醒和自我命令对随意注意起着重要作用 9

17 认知科学基础 (4) 过去经验的影响 知识经验对随意注意也有重要影响 一方面, 人们对自己异常熟悉的事物或活动, 可以自动地进行加工和操作, 无需特别集中注意 另一方面, 人们想要在活动中维持自己的注意, 又和他们的知识经验有一定关系 (5) 排除外界的干扰, 创造习惯的工作条件 一个有毅力 顽强的人, 易于使自己的注意服从当前的目的与任务 外界干扰不利于注意的坚持, 应该设法采取措施, 排除与完成活动任务无关的干扰 3 畅随意后注意从特征上来讲, 随意后注意同时具有不随意注意和随意注意的某些特征 它是注意的一种特殊形式 它自觉地和目的 任务联系在一起 但它不需要意志努力, 在这方面它又类似于不随意注意 从发生上讲, 随意后注意是在随意注意的基础上发展起来的 影响随意后注意的因素主要是对活动的直接兴趣 随意后注意既服从于当前的活动目的与任务, 又能节省意志努力, 因而对完成长期 持续的任务特别有利 当我们完成各种较复杂的智力活动或动作技能的时候, 我们设法增进对这种活动的了解, 让自己逐渐喜欢它, 并且自然而然沉浸在这种活动中 这样, 才能在随意后注意的状态下, 使活动取得更大成效 ( 二 ) 选择性注意 持续性注意 分配性注意通常, 注意还可以分为三种基本类型 : 选择性注意 持续性注意和分配性注意 1 畅选择性注意选择性注意是个体在同时呈现的两种或两种以上的刺激中选择一种进行注意, 而忽略另外的刺激 当两个或两个以上的物体同时出现时, 我们常常只注意其中一个物体, 而不注意另外的物体 在人声嘈杂的公共汽车上, 我们只注意朋友间的窃窃私语 ; 在琳琅满目的百货商店里, 我们只把目光投向自己最需要的物品上 影响选择性注意的因素有 : (1) 刺激物的物理特性 信息的选择是以刺激物的物理特性为基础的, 例如信息的位置 强度 音调等, 物理特性惹人注意者较占优势 (2) 刺激物的语意联系 格雷和卫德班 (1960) 的双耳分听实验证明了语意联系对信息选择的作用 后来, 研究者发现, 即使在无意识的状态下, 语意分析仍可影响到对信息的选择 (3) 作业的熟练程度 作业的熟悉性也会影响对信息的选择 熟悉的专家在完成追随作业时, 可能只需要消耗很小的注意能量 而经验较少的被试则对信息的选择有很大影响 (4) 作业间的相似性 两种作业的相似性对信息选择也是很重要的 当两种相似性很强的作业呈现两耳时, 干扰作用较强, 而两种相似性较差的作业呈现两耳时, 10

18 第一章注 意 由两种同时性输入造成的加工能力的限度, 便在相当大的程度上被克服了 2 畅分配性注意分配性注意是个体在同一时间对两种或两种以上的刺激进行注意, 或将注意分配到不同的活动中 分配注意是完成复杂工作任务的重要条件 如果一个汽车司机不能同时把注意分配在不同的活动上, 就不能成为一个合格的司机 有些交通事故正是由于司机不能很好地分配注意造成的 影响分配性注意的因素 : (1) 活动的熟练程度 如果人们对同时进行的这几种活动都比较熟悉, 其中有的活动接近于自动地进行, 那么注意的分配就较好 ; 相反, 如果人们对要分配注意的几种活动都不熟悉, 或活动都比较复杂, 那么分配注意就比较困难了 (2) 活动的性质 一般地, 注意和同时进行的活动的性质有关 把注意同时分配在几种动作技能上比较容易, 而把注意同时分配在几种智力活动上就难得多了 3 畅持续性注意持续性注意是指注意在一定时间内保持在某个认识的客体或活动上, 也叫注意的稳定性 警觉是持续性注意的一种特殊形式 它是指 在一段时间内将注意维持在那些不经常出现和预想不到的目标上 ( Parasuraman 1984) 在这个意义上, 警觉和持续性作业才能相互借用 影响持续性注意的因素 : (1) 感觉通道 人通过不同的感觉通道接受外界输入的信号 研究发现, 不同的感觉通道对持续注意的能力存在很低的相关 同时, 从一种感觉通道所获得的经验可以影响到随后另一感觉通道的成绩 (2) 刺激物的强度和持续时间 刺激信号的强度对持续注意有显著影响 洛布和彬弗德 (1963) 的实验证明, 当信号 噪音比上升时, 作业的成绩是上升的 研究还表明, 当信号 噪音比很低时, 持续性注意或警觉的衰退很明显 持续性注意也受刺激物持续时间的影响 持续时间短, 注意的衰退快 ; 持续时间延长, 注意的衰退渐趋缓慢 (3) 作业的性质 在同时性分辨作业中, 目标信号是刺激事件的一部分 在继时性分辨作业中, 目标信号是通过改变重复出现的一个标准刺激的某些特性而得到的 在此情况下, 被试必须在记忆中连续地比较标准值的变化 由于记忆的负荷增加, 在高速率的条件下, 使敏感性随时间而下降 (4) 事件率 事件率是决定警觉作业成绩的一个重要因素 事件率即中性事件的频率或背景事件的速率 杰里逊和皮克特 (1964) 研究表明, 持续性注意的质量是与中性事件的呈现速率成反比的 美兹格等 (1974) 进一步发现了事件率对不同关键信号强度的不同作用 当背景事件率上升时, 弱信号受到的不利影响更大 11

19 认知科学基础 三 注意在认知中的地位及注意的核心问题 ( 一 ) 注意在认知中的地位实验心理学建立的早期, 注意在心理学中占有重要地位 冯特 (1832 ~1920) 把注意看成是意识领域内的一个范围狭小的中心区域 詹姆士 (1842 ~1910) 是早期重视注意研究的另一位著名的心理学家 在枟心理学原理枠 (1890) 和枟心理学教科书枠 (1892) 中讨论了注意的本质和选择作用 ; 詹姆士还提出了注意的双重系统假设, 把注意区分为无意注意和有意注意, 或不随意注意 ( 或自发注意 ) 和随意注意 在 20 世纪初, 由于行为主义和格式塔心理学的诞生及其对心理学的巨大影响, 注意的重要性逐渐为人所忽视 第二次世界大战后, 情况发生了很大变化 在布鲁德本特于 1958 年出版其著作枟知觉与交流枠后, 注意研究重新受到了研究者的重视, 并且从此以后一直是心理学的重要议题之一 注意既是知觉的一个方面, 也是意识的一种特殊状态, 它贯穿于人的有意识活动的始终 ( 二 ) 注意的核心问题 20 世纪 60 年代以来, 心理学家至少从两个角度即选择性注意和分配性注意开展了详细的实验研究, 并且在总结研究结果的基础上提出了一系列理论模型及对注意现象的解释 那么, 选择性注意这一部分, 心理学家大多从两个方面即听觉注意和视觉注意来阐述他们的观点 听觉选择性注意理论包括过滤器理论 衰减理论 后期选择理论及多阶段理论 这些理论解释了注意加工过程中的主要问题, 例如注意如何选择与任务有关的信息, 选择过程究竟发生在信息加工的哪个阶段上 ; 视觉选择性注意包括基于位置的注意选择理论 基于物体的注意选择理论 特征控制抑制选择理论 偏向 竞争模型, 几种视觉注意现象及研究有非注意盲现象 变化盲现象 注意瞬脱现象 多目标追踪注意选择研究等 当然, 跨通道的选择性注意研究也是当今的一个研究热点 在分配性注意这一部分, 心理学家提出了两个大的理论框架 : 认知资源分配的理论和自动化加工的理论 认知资源分配的理论包括单一通道理论和多重资源理论, 自动化加工的理论包括有意识注意与自动化加工理论 受控制加工与自动化加工理论 这些理论研究了注意如何同时被分配到两个或两个以上的任务中 同时, 一些心理学家也对持续性注意进行了研究 而且也提出了一些重要的理论模型, 比如唤起理论 信号检测理论和期待理论 此外, 心理学家也在不断改进注意的实验研究范式, 它也在朝着多元化方向发展 12

20 第一章注 意 第二节选择性注意 一 选择性注意概述 对注意的研究是从有关信息缩减问题展开的 人类各种感官每时每刻都在同时受到许许多多的内外刺激的撞击, 又由于人类的信息加工系统的能力是有限的, 人不可能对所有撞击感官的刺激都进行完善加工, 所以, 人们总是选择重要的而忽略其他的 因此, 注意的核心问题也就是对信息的选择分析 对选择性注意的研究可弄清楚人类怎样有效地选择某些输入刺激, 而不是另外一些刺激, 以及研究选择过程的性质和未被注意刺激的情况 对选择性注意的研究是从听觉选择性实验研究开始的 比较著名的理论有过滤器理论 衰减理论 后期选择理论和多阶段选择理论 前两者叫做知觉选择模型, 后期选择模型又叫做反应选择模型 它们的主要差别在于对注意机制在信息加工系统中所处的位置有不同的看法 知觉选择模型认为起注意作用的过滤器位于觉察和识别之间, 它意味着不是所有的信息都能进入高级分析而被识别 依照反应选择模型, 注意的机制位于识别和反应之间, 它意味着几个输入通道的信息均可识别, 但只有一部分可引起反应 20 世纪 60 年代以来, 在大量行为研究和脑功能研究的基础上, 研究者们提出了一些关于视觉注意加工的理论模型 关于视觉选择注意单元的问题存在着 基于位置 和 基于物体 两种不同的观点, 进而提出了基于物体的和基于位置的注意选择模型 后来一些心理学家认为人类对视觉信息的加工是基于位置还是基于物体与加工对象的特征有密切关系 对视觉对象的注意并非绝对是基于位置或是基于物体的加工 所以又出现了特征控制抑制模型和偏向 竞争模型 对视觉注意研究的现象主要有非注意盲现象 变化盲现象 注意瞬脱现象以及多目标视觉注意追踪现象 注意的加工不仅发生在视觉水平, 而且它是由更高级的脑功能控制的基础认知功能, 负责对外界的各类刺激进行指向和集中 所以在视觉 听觉甚至表象加工等信息处理过程中, 都有注意机制的参与, 不同的信息加工通道可能涉及不同的注意机制 对选择性注意的跨通道研究越来越引起研究者的广泛关注 本节主要介绍听觉选择性注意 视觉选择性注意, 然后简单介绍跨视听通道选择性注意的研究 二 听觉选择性注意 研究选择性注意最早是从听觉选择性注意开始的 听觉选择性注意主要有四个 13

21 认知科学基础理论 : 过滤器理论 衰减理论 后期选择理论和多阶段选择理论 前两者叫做知觉选择模型, 后期选择模型又叫做反应选择模型 它们的主要差别在于对注意机制在信息加工系统中所处的位置有不同的看法 多阶段理论相对来说, 对注意的解释比较灵活 这部分我们先介绍四种理论, 然后分析一下知觉选择模型和反应选择模型的异同 ( 一 ) 听觉选择性注意的理论 1 畅过滤器理论过滤器理论 (Filter Model), 又叫瓶颈理论 是英国著名心理学家 Broadbent 根据一系列双耳分听实验于 1958 年提出的一个解释注意选择作用的理论 ( Broadbent 1954) 设计的一个双耳同时分听的实验 ( 不附加追随程序 ), 如下 : 他向被试的右耳呈现 3 个数字, 同时向左耳则呈现另 3 个数字, 例如 : 右耳 : 4, 9, 3 左耳 : 6, 2, 7 向被试两耳同时呈现刺激的速度为每秒 2 个数字 然后, 要求被试再现 结果发现, 被试可用两种方式再现 : 第一种以耳朵为单位, 分别再现左右耳所接收的信息, 如 : 493, 627; 第二种以双耳同时接收到的信息为单位按顺序成对地再现 如 : 4, 6; 9, 2; 3, 7 Broadbent 原估计能达到 95% 的准确再现率, 但实际上, 以第一种方式再现的准确率为 65%, 以第二种方式再现的准确率为 20% Broadbent 解释道, 每只耳朵相当于刺激输入的一个通道, 而过滤器只允许每个通道的信息单独通过 所以, 在运用以耳朵为单位的再现方式时, 被试可注意每只耳朵的全部项目, 并只需要从右耳转到左耳或者从左耳转到右耳, 即只需转换一次, 因而再现的效果好 而运用双耳刺激成对再现的方式, 则在双耳之间至少需作 3 次转换, 被试因不能注意每只耳朵的全部项目而导致一些信息迅速丧失, 因此其再现效果差 他的理论模型见图 1 唱 1 Cherry (1953) 使用双耳同时分听的追随耳程序的实验, 其实验结果也支持这种过 图 1 唱 1 Broadbent 的过滤器模型 14

22 第一章注 意 滤器模型 它对后来的注意研究产生很大的影响, 并且对信息加工观点起过积极作用 Broadbent 认为, 外界的信息是大量的, 而人的神经系统高级中枢的加工能力极其有限, 不可能对所有的感觉刺激进行加工 为了避免系统超载, 需要过滤器加以调节, 选择一些信息进入高级分析阶段, 并进一步得到加工 而其余信息被阻断在过滤机制外面, 而迅速衰退 这种过滤器类似波段开关, 可以通过一个通道, 使该通道的信息通过, 而其余的通道则被阻断, 信息不能通过 这种过滤器的作用体现出注意的功能, 因此这种理论被称作 注意的过滤器模型 我们可以从这个理论模型看出 : 输入通道可以是不同的感觉器官或成对的感觉器官的两个部分 ( 如左耳和右耳 ), 或不同方位的声音等等 输入通道的数量较多, 而过滤器至高级分析水平的通道只有一条, 体现出过滤器的选择作用 这个模型后来被 Welford (1959) 称为单通道模型 在这个模型中, 过滤器的选择作用不是随机的, 而是有一定的制约的 新异的刺激 较强的刺激 具有生物意义的刺激等易于通过过滤器, 受到人们注意 过滤器模型得到不少双听实验的支持, 但也有一些实验结果与 Broadbent 的实验和理论不吻合, 那就是过滤器允许不止一个通道的信息通过 人可同时注意两个通道的刺激 这些实验结果尽管没有完全否定 Broadbent 的过滤器模型, 但对这个模型的实质 ( 即只存在一条通向高级分析水平的通道 ) 提出了疑问, 因而引起许多争论 2 畅衰减模型过滤器理论得到了某些实验的支持, 但一些研究发现, 这种理论并不完善 Gray 等 (1960) 在一项实验中, 通过耳机给被试两耳分别依次呈现一些音节和数字, 如左耳为 ob 2 tive, 右耳为 6 jec 9 要求被试追随一个耳朵听到的声音, 并在刺激呈现之后做出报告 结果发现, 被试报告的既不是 ob 2 tive 或 6 jec 9, 也不是 ob 6 2 jec 或 tive 9, 而是 objective 他的实验证明, 非追随耳的部分信息仍受到加工 而按照过滤器理论, 非追随耳的信息将被全部过滤掉, 被试只能接受追随耳信息 根据这个非追随通道的信息得到的高级分析的实验结果及日常生活和研究的结果, Treisman (1964) 通过实验对上述过滤器模型加以改进, 提出衰减模型 ( Atten 唱 uation Model) ( 图 1 唱 2) 她认为过滤器并不是按 全或无 的方式工作的, 不是只允许一个通道的信息通过, 而是既允许追随通道的信息通过, 也允许非追随通道的信息通过, 只是非追随通道的信息受到衰减, 强度减弱了, 一些信息仍可得到高级加工 Treisman 比 Broadbent 更加重视高级分析水平本身的功能, 将阈限概念引入其中 她认为, 已储存的信息在高级分析水平有不同的兴奋阈限 阈限较低的信息没被衰减, 而较高的被衰减了 Treisman 的衰减模型不同于 Broadbent 的过滤器模型, 主要在于将过滤器的 全或无 的工作方式改为衰减, 从而将 Broadbent 的单通道 15

23 认知科学基础模型改成双通道或多通道模型 衰减模型承认注意在通道间的分配, 显得比过滤器模型更富弹性 但这两个模型有几个共同点 第一, 这两个模型都认为高级分析水平的容量有限或通道容量有限, 对外来信息须通过过滤器或衰减装置加以调节 ; 第二, 这种过滤器的位置在这两个模型中也是相同的, 都处于初级分析和高级的意义分析之间 ; 第三, 这种过滤器的作用又是选择一部分信息进入高级的知觉性质的 因此, 当前认知心理学中, 多倾向于将这两个模型合并, 称之为 Broadbent 唱 Treisman 过滤器 衰减模型, 并将它看作注意的知觉选择模型 许多心理学家对它持肯定的态度 3 畅后期选择理论图 1 唱 2 Traisman 衰减模型对于非追随耳的信息可以得到高级分析的实验结果, 除了 Treisman 提出了衰减模型以外, 其他学者还提出了另一个与之完全不同的理论 这个理论以 Deutsch (1963) 为代表, 他认为, 几个输入通道的信息均可进入高级分析水平, 全部得到知觉加工, 注意不在于选择知觉刺激, 而在于选择对刺激的反应 他设想高级水平的分析结构可以识别一切输入信息, 对重要的刺激会做出反应, 对不重要的刺激则不做出反应 如果更重要的刺激出现, 则又会挤掉原来重要的东西, 改变原来的重要标准, 做出另外的反应 这个理论认为注意是对反应的选择, 因而它被称作反应选择模型 ( Response selection Model) ( 图 1 唱 3), 也被称作后期选择模型 图 1 唱 3 后期选择模型 4 畅多阶段选择理论后期选择理论假设, 注意的选择过程总是发生在所有的信息都得到充分的知觉加工以后的某个特定的阶段, 这似乎意味着认知加工是一个非常刻板的系统 但 Johnston & Heinz 认为, 事实也许并非如此, 他们提出了一个更为灵活的模型, 认为选择过程有可能发生在几个不同加工阶段上 有两个主要的假设 : 1 认知加工是一种资源的消耗过程, 所以在进行选择之前的加工阶段越多, 所需的认知资源也就越多 ; 2 不同的任务要求决定了选择发生的阶段, 并且遵循尽早的原则 16

24 第一章注 意 多阶段选择理论避免了过于绝对化的假设带来的难题, 尤其他指出了任务要求对选择阶段的影响 但是, 仍然需要为它的假设提供足够的实验证据 ( 二 ) 知觉选择模型和反应选择模型的比较两类注意模型的比较, 反应选择模型不同于知觉选择模型 ( 图 1 唱 4) 它们的主要差别在于注意机制在信息加工系统中所处的位置不同 在知觉选择模型中, 起注意作用的过滤器位于觉察和识别之间, 它意味着不是所有的信息都能进入高级分析而被识别 这个模型也称为早期选择模型 依照反应选择模型, 注意的机制位于识别和反应之间, 它意味着几个输入通道的信息均可识别, 但只有一部分可引起反应 图 1 唱 4 知觉选择模型与反应选择模型的比较 现在, 对于知觉选择模型和反应选择模型, 心理学家倾向知觉选择模型, 原因之一是反应选择模型显得太不经济了, 所有的输入都得到包括高级分析在内的全部力量, 然后大多数经过分析的信息几乎立即被忘记了 不过这还不是有力的论据, 像这种看起来不经济的过程也不是完全不可能的, 类似的现象在认知心理学的其他研究领域中也是存在的, 如 Sternberg 提出的短时记忆信息提取的模型 反应选择实际上是记忆堵塞现象, 它也是与认知系统加工能力有限联系着的 而且, 这两个模型也都认为, 几个通道的信息可以同时受到注意, 即都承认注意的分配 这就是一些实验结果既可以从知觉选择模型, 也可以从反应选择模型得到解释的重要原因 现在可以设想, 注意既可是知觉选择, 也可以是反应选择, 而在不同的条件下有不同的选择 主张知觉选择模型的人多利用附加追随程序的双听技术, 将注意引向一个通道, 再来分析和比较两个通道的作业情况, 他们所研究的是集中性注意 ( fo 唱 cused attention); 而支持反应选择模型的人多应用不附加追随程序的双耳作业, 使注意分配到双耳, 他们所研究的是分配性注意 所以, 才会得出不同的结果 三 视觉选择性注意 人们对选择性注意的研究从听觉选择性注意研究逐步向视觉选择性注意研究发展 但在过去的三十多年里, 绝大多数研究者对视觉注意的关注要超过听觉注意 为什么会这样呢? 一个可能的理由是, 一般来说, 对视觉刺激呈现时间的控制要比听觉的容易的多 研究者们通过大量研究, 形成了几个重要的理论, 并且对视觉选择性注意的一些现象进行了深入的研究 我们在这部分先介绍视觉选择注意的几种理论, 然后介绍一下有关几种视觉现象的研究 17

25 认知科学基础 ( 一 ) 视觉选择性注意的理论 1 畅基于位置的注意选择理论基于位置的注意选择理论认为, 注意类似于 聚光灯 或 变焦透镜, 只对所照射到的空间位置作进一步加工 注意不仅能够指向特定的空间位置, 而且在这个特定的范围内, 注意资源从焦点到外周呈梯度分布, 不同梯度上的刺激会得到不同程度的加工 Posner 利用线索提示范式 (cuing paradigm) 进行研究, 结果支持这一观点 在该研究中, 呈现三个水平并列的矩形, 要求被试以中间矩形为注视点, 然后先呈现提示线索 ( 增加左或右矩形边框的亮度 ), 其次呈现目标 ( 出现在左侧或右侧矩形上 ) 结果发现, 在有效线索情景下对目标的简单反应快于无效线索的情景, 所以他认为这是由于空间位置因素造成的 2 畅基于物体的注意选择理论这种理论模型是从知觉加工的角度出发, 认为在视觉选择注意加工过程中, 观察者倾向于将物体作为一个整体来识别, 即视觉注意系统按照知觉经验或知觉对象的表征, 将空间与非空间信息单元整合为一个整体, 并将这个整体作为注意加工的对象, 即基于物体的注意理论 Neisser 最早提出含有物体成分的注意选择支持基于物体的注意选择理论 在这一方面, Duncan 的研究最具代表性 在该研究中, 呈现由两个物体 ( 矩形, 线段 ) 重叠组成的刺激, 每个物体均有两个特征会发生变化 : 矩形的大小和缺口位置 ( 左, 右 ), 线段的结构 ( 点线, 短线 ) 和倾斜方向 ( 顺时, 逆时 ) 要求被试报告一个或两个特征 结果发现 : 当特征处于同一个物体上时, 报告一个特征与两个特征没有区别 ; 当两个特征处在不同物体上时, 报告该两个特征的准确率低于该两个特征处在同一个物体上的情景 Duncan 认为, 由于一个物体的两个特征之间的空间距离与两个物体的两个特征之间的空间距离是相同的, 因此, 无法以基于空间的注意选择机制来解释 一些研究者将 Posner 和 Duncan 的实验范式加以结合进行研究, 例如, Vecera 和 Farah 将材料分为集中刺激 ( 与 Duncan 的实验材料一致 ) 和分离刺激 ( 将 Duncan 的实验材料中的矩形和线段分开成置于左右两边 ), 先给予一个线索提示 ( 增加线段或矩形边框的亮度 ), 然后在矩形或线段上出现一个亮点, 要求对亮点做选择反应, 比较无效线索与有效线索反应时的差异, 结果与 Posner 的实验结果一致 据此, 他们认为注意的选择机制依赖于任务要求, 即在 Duncan 的实验中, 因为要求被试对形状进行辨别, 需要采用物体 ( 形状 ) 编码, 所以实验结果支持基于物体的注意选择, 而在该研究中, 因为只要求对点的出现进行检测, 只需要空间编码, 所以结果支持基于空间的注意选择 Egly 等进行了类似的研究, 发现注意选择既包含有 18

26 第一章注 意 物体的成分, 也包含了空间位置的成分, 但物体的效应强于空间位置的效应 有其他研究者采用了与 Egly 类似的实验范式, 获得了类似的结果 但是, Soto 等认为, Egly 等的研究在方法上存在一个局限性, 即在物体内无效线索情景下目标总出现在线索提示的物体上, 而在物体间无效线索情景下目标总出现在不同的物体上, 其空间位置也不同 同一物体的不同空间与不同物体的不同空间这两个条件是不对等的 所以, 他设置了四种实验条件 : 两类空间注意条件 ( 有空间提示和无空间提示 ) 和两类物体注意条件 ( 有物体提示和无物体提示 ) 结果发现, 注意的两种选择机制是共同作用的, 且基于空间的注意选择重于基于物体的注意选择 3 畅特征控制抑制模型持特征整合假设的人认为, 人在知觉客体中有两个阶段 : 早期的前注意阶段和特征整合阶段 ( 即集中注意阶段 ) 前者对特征进行自动的 平行的加工, 无需注意, 后者则通过集中注意将诸特征整合为客体, 其加工方式是系列的 这个假设较好地说明了视觉选择注意的特点 Treisman 对特征整合理论进行了修正, 提出了特征控制抑制模型, 认为注意的作用是通过三种方式在位置导向图中选择位置信息的表征 这三种方式分别是 : 1 某种非特异性的内部力量使注意指向特定的位置 ; 2 特征范围内的横向联系抑制了无关的非空间特征的位置 ; 3 物体的表征可以在位置地图中选择一个区域 这些选择是以位置导向图中各个结点的不同的激活方式为中介的, 高激活水平的位置上的特征不能被结合, 这些物体就不会被注意 4 畅偏向 竞争模型 Desimone & Duncan (2000) 提出了偏向 竞争模型, 将基于位置和基于物体的注意加工理论相结合 该模型认为, 当多个刺激同时呈现时, 大脑在视觉皮层对刺激的表征具有选择性 表征的选择性会因为视觉皮层或者其他大脑皮层的相关加工机制而发生改变 这些机制包括由感知觉刺激引起的自下而上的加工, 如新异刺激, 或者是自上而下的注意控制加工 当刺激不具有新异性, 不能引起自下而上的加工时, 自上而下的注意加工就会发挥作用 视觉注意任务的完成需要这两种加工之间的相互协调与平衡 来自物体的信息提供自下而上的资源, 当基于物体的信息不明显或不能引起有效的注意加工时, 被试就会使用来自空间位置的自上而下的加工资源 根据该模型, 当多个物体同时进入视觉注意系统时, 物体之间会产生竞争, 而如果空间朝向使注意指向某个特定位置, 这个位置信息会被首先进行加工, 同时来自邻近位置的干扰信息则被有效过滤掉了 ( 二 ) 视觉注意现象的研究视觉注意现象主要有非注意盲现象 变化盲现象 注意瞬脱现象以及多目标视觉注意追踪现象 那么我们依次介绍这四种视觉注意现象以及相关的实验研究 19

27 认知科学基础 1 畅非注意盲现象非注意盲是由 Mack & Rock (1998) 首先提出的概念, 指的是被试看不到视野中某个高于阈限的刺激, 即使这个刺激的物像投射在视网膜的中央凹 这种现象源于对某个刺激没有注意到 非注意盲揭示了视知觉与注意之间的复杂关系, 而以前对这个问题的研究都缺乏严格的控制, 如在前注意知觉的研究方法中, 不能有效地消除注意的影响 鉴于此, 他们设计了新的方法 整个实验一共 8 ~9 次, 分三种类型 : 非注意系列 外显分散注意系列和集中注意系列 实验开始先呈现一个注视点, 然后呈现一个 十 字形, 200ms 之后消失, 会有一个掩蔽呈现 要求被试判断组成 十 字形的横线和竖线哪个更长 两次或三次实验后, 在 十 字形四个象限会同时呈现一个黑色的小方块, 在被试做出线段长短的判断后, 询问被试是否看到另外的物体出现 接着是分散注意系列, 要求被试不仅要注意线段的长短, 还要注意是否有新的物体在视野中出现, 刺激呈现方式同前两个系列是一样的 结果发现, 在非注意系列中, 有很多被试报告没有新物体呈现 ; 在分散注意的集中注意系列中, 所有被试都报告有新物体出现 他们做了大量的实验, 一个有趣的发现是, 并非所有的物体的属性都会有非注意的现象, 像运动 位置 颜色 数量等属性可以在没有注意的条件下得到加工 2 畅变化盲现象变化盲指的是被试难以觉察到视觉场景中一些大的变化 变化盲现象通常出现在视觉场景的转换过程中, 如果场景转换发生在被试眼跳或眨眼期间, 如果相继的两幅图片之间有空屏间隔, 甚至在电影镜头切换的时候, 观察者常常注意不到变化的发生 Simons & Levin (1999) 在现场实验中也发现了变化盲的现象, 在校园僻静的小路上, 实验者向路过的人问路, 这时候有一群人从他们两人之间穿过, 同时实验者换成了另外一个人 结果 15 个人中只有 7 个人发现问路者 ( 实验者 ) 换成了另外的人 西蒙斯等人认为, 变化盲不是由于没有集中注意于目标物体而造成的, 注意和抽象编码的过程在变化检测中都是必要的 变化盲可能反映了视觉系统不能对变化前后的场景的表征进行有效的比较 3 畅注意瞬脱现象 (1) 注意瞬脱现象及研究 Broadbent1987 年首次发现被试对单词流中前一个目标词的准确辨认使得他们很难辨认出在该词后约 400ms 内呈现的另一个单词, 这表明注意加工在时间维度上的有限性 后来 Raymond 等人发展了快速系列视觉呈现 ( Rapid serial visual presenta 唱 tion, RSVP) 范式 其具体方法是由字母 数字 单词 图形等组成的刺激流在同一空间位置上以每秒 6 ~20 个刺激的速度连续呈现给被试, 要求被试辨别或觉察刺激流中的目标刺激 (Target, 以下简称 T1) 和一个探测刺激 ( Probe, 以下简称 T2, 20

28 第一章注 意 一般在 T1 后的 1 ~8 个位置上呈现 ) T1 是在实验前规定好的一个刺激或几个刺激中的一个, T2 一般是一个固定的刺激, 例如 X 刺激流呈现完后要求被试报告 T1 和 T2, 刺激流中 T1 后的第 i 个刺激通常简称为 Lagi 项 实验发现如果 T2 在 T1 之后大约 200ms ~600ms 的时间段内呈现, T2 报告率大大降低, 大约在 T1 出现之后 300ms 时 T2 报告率最低 这个现象与人眨眼导致暂时的失明类似, 所以被命名为注意瞬脱 (attentional blink), 称为 AB 现象 近年来, 研究者开始探讨 AB 对空间认知加工的影响 Jiang 等研究发现 AB 降低了空间选择性注意成绩, 产生了程度更大的干扰效应 Visser & Enns 考察了 AB 对不同 ISI 下两个点矩阵空间整合的影响, 发现 AB 打断了这两个点矩阵的空间整合过程 Olivers 运用有线索提示的视觉搜索范式研究 AB 对空间工作记忆的影响, 发现 AB 显著降低了空间线索的可利用性, 使随后的空间记忆成绩下降, 并导致了程度更大的空间皱缩效应 Raymond 等关门理论认为, AB 现象是因为注意系统在对 T 加工时完全停止对外信息处理造成的, P 在 AB 中不起作用, 它无法解释不同 P 任务造成的不同结果 Shapiro 等的再现竞争理论认为, 对 T 和 P 从短时记忆中的提取取决于信息数量和信息之间相似性 : 数量越多且越相似, 对信息提取可能性就越小 Chun 和 Potter 的两阶段模型认为, 在第一阶段每一刺激都以概念性短时记忆形式得到辨认 ; 第二阶段的信息处理过程需要时间且容量有限 由于该理论也强调相似信息之间的相互干扰, 因而也不能很好解释 研究表明, 视觉空间关系加工不仅涉及各级视皮层 V1 到 V4 区, 还包括额叶部分区域 因此, 两类空间关系判断可能在不同程度上涉及中枢加工 注意瞬脱有几个必要条件 首先是必须是在双任务的情景下, 被试必须报告 T1 和 T2, 如果仅报告 T2, 被试几乎可以完全正确的报告 T2; 其次在 T1 和 T2 的前后必须有掩蔽刺激的出现, 实验发现 : 如果在 T1 或 T2 之后呈现一个空白而不是一个掩蔽刺激, 那么就不会出现瞬脱现象 这证明掩蔽刺激在瞬脱产生过程中的重要作用 (2) 对注意瞬脱现象的解释关于注意瞬脱的理论解释主要有两阶段模型 ( Two stage model) 和中枢干扰模型 两阶段模型认为首先存在一个辨别 (identification) 阶段, 两个目标刺激在这个阶段都得到了加工 T1 和 T2 的辨别结果暂时储存在一个概念短时记忆 ( Conceptual short 唱 term memory, CSTM) 中, T2 等待对 T1 的巩固完成之后才能得到巩固 CSTM 中的 T2 表征是易变和易受干扰的, 如果 T2 得不到及时巩固, 那么 T2 表征就会被其后的掩蔽刺激替代 其次是一个巩固阶段, 巩固阶段一次只能巩固一个目标, 只有 21

29 认知科学基础得到巩固的目标才能进入工作记忆, 达到可报告状态 中枢干扰模型认为, AB 现象的本质是注意容量有限, 是信息编入过程中短时记忆的特定信息处理阶段的延迟造成的 根据这一理论, 至少有反应选择 短期合并 心理旋转和从长时记忆中提取有关信息这四个操作需要中枢加工来予以支持 而在同一时间内, 中枢神经系统只能进行其中的一种操作, 所以当需要如上操作之一的中枢加工过程正在进行时, 其他需要中枢加工的操作就必须处于等待状态, 而那些不需要进行中枢加工的操作可以同上述中枢加工过程同步进行 如对 T2 的感觉编码和知觉编码过程就可以与 T1 的反应选择同步进行 从目前来看, 这一理论是较为全面和系统地解释有关 AB 现象的实验事实的理论之一 4 畅多目标视觉注意追踪的研究视觉注意在视觉信息加工过程中起着十分重要的作用, 人们通过视觉注意获得环境的各种信息, 并对这些环境信息进行进一步的知觉加工, 为个体的决策和行为反应提供依据 通常人们注意到的视觉刺激物可按其运动方式分为静态信息 动态信息以及动态与静态结合的信息 在以往研究中, 对视觉注意研究多采用静态信息 而在现实环境中, 人们接触更多的是运动的或静态结合的信息 当注意对象是运动变化的刺激时, 如何有效追踪及影响有效追踪的因素成为注意追踪研究的核心问题 视觉注意加工是基于空间信息的还是基于客体信息的? 这个问题一直是视觉选择注意研究争论的一个焦点 Treisman 等在一个研究 (2001) 中, 使用线索提示的方式将空间信息与物体信息进行了区分, 并将来源于空间和来源于客体的提示信息进行分离, 实验考察了不同的 SOA 与对空间信息和对物体信息的提示之间的交互作用 研究结果发现, 空间信息在 SOA 较短的情况下起到了易化加工的作用, 在长 SOA 条件下产生了返回抑制现象 该研究表明, 基于空间的注意与基于客体的注意并不互相排斥, 他们可能作用于注意加工的不同阶段 在上述的注意研究中, 研究者主要采用的是静止的刺激物, 建构的理论或模型也是通过对静止刺激物提出的 Scholl 等一项研究 (2001) 使用目标融合技术, 考察了人对运动物体的视觉选择注意加工机制 研究者通过变化刺激物的呈现方式 ( 在部分条件下使单个目标与单个分心刺激物在知觉上融合成为同一个物体 ), 被试必须在一定数量的分心刺激物的干扰下追踪相互独立且运动方向不确定的目标 被试对融合目标的追踪成绩较未融合目标成绩要差 研究表明, 追踪运动物体时, 同样是采用基于客体的注意机制 四 跨视听通道的选择性注意的研究 ( 一 ) 跨视听通道的选择性注意的研究概述在视觉 听觉甚至表象加工等信息处理过程中, 都有注意机制的参与, 不同的 22

30 第一章注 意 信息加工通道可能涉及不同的注意机制 对选择性注意的跨通道研究越来越引起研究者的广泛关注 研究者们对跨视觉与听觉通道的选择性注意提出了不同的假设 : 一种可能是存在相对分离的通道特异性的视觉 听觉空间注意系统, 在视觉和听觉空间独立地进行表征 ; 第二种假设认为可能存在一个单独的超通道注意系统, 它的功能是跨通道地调整目标知觉, 在空间内分配注意而不顾注意目标的通道 ; 第三种假设是实际上存在独立的通道特异性注意系统, 但它们之间存在连接, 使得听觉朝向在视觉空间里引起相应的朝向, 反之, 视觉朝向在听觉空间也能引起相应的朝向 那么, 到底是基于哪种假设? 研究者们大多从空间选择性注意角度进行了一些研究, 也得出了一些结论 下面我们介绍一下跨视听通道的空间选择性注意的研究 ( 二 ) 跨视听通道的空间选择性注意的研究相对于丰富的视觉选择性注意的研究来说, 对于跨感觉通道的空间选择性注意的研究显得较为单薄 Buchtel & Butter (1988) 对此进行了探索 被试对可能出现在注视点两侧 ( 偏心距为 10 度视角 ) 的一个亮点作简单反应, 视觉线索是亮点周围四个开亮 50 ms 的小点, 听觉线索是位于亮点之后的喇叭发出 50ms 的白噪声 结果表明, 听觉线索和视觉线索一样, 其有效和无效会导致 利益 损失 效应 ( 相对于中性条件, 有效线索使反应时缩短为获利, 无效线索使反应时增长为损失 ), 说明作为外周线索的听觉线索和视觉线索一样, 能引导视觉选择性注意 Spence & Driver1996 年研究了跨视听通道的内源性 ( 自主性的 受控制的 ) 选择性注意, 他们的实验任务是让被试判别听觉和视觉目标的位置 ( 上或下 ), 结果发现在视觉选择性注意和听觉选择性注意之间存在很强的空间连接 Monder & Amirault (1998) 研究了空间线索对听觉目标和视觉目标鉴别的影响 目标和线索可能是同一通道的, 也可能是通道间的 实验结果发现在通道内线索的有效性远远高于通道间的条件 此外, 是否可以观察到跨通道线索的效应依赖于线索和目标关系的可预测性 赵晨等 (1999) 利用空间线索技术研究跨视听通道的内源性选择性注意 实验结果表明, 视觉中央线索能可靠地引导出内源性视觉选择性注意 ; 听觉中央线索在较长的 SOA ( 至少 500 ms) 条件下也能引导出内源性视觉选择性注意 支持视觉和听觉具有特异性的注意加工通道, 但两者之间存在相互连接的假设 2003 年他们利用空间线索技术的实验模式, 考察跨视觉和听觉通道的内源性选择性注意与外源性 ( 自动的, 不受控制的 ) 选择性注意的相互关系 实验结果表明 : 1 听觉中央线索在较长的 SOA ( 至少 500 ms) 条件下, 可以引导内源性空间选择性注意 ; 同时外周线索的突现也能自动化地吸引部分注意资源 ; 2 听觉和视觉选择注意是分离的加工通道, 但二者之间存在相互联系 综上所述, Buchtel & Mondor 等人的实验结果表明, 视觉和听觉是独立的通道 23