基于工作记忆内容的注意：儿童与成人的比较研究

侯　秀，潘　毅

(杭州师范大学教育学院，浙江 杭州311121)

基于工作记忆内容的注意：儿童与成人的比较研究

侯秀，潘毅

(杭州师范大学教育学院，浙江 杭州311121)

摘要：选取10名小学儿童(7～8岁)和10名大学生(19～27岁)作为被试，采用“工作记忆+视觉搜索”的双任务实验范式，探讨儿童与成人基于工作记忆内容的视觉注意的异同.实验要求被试在工作记忆保持阶段完成一个视觉搜索任务，结果发现儿童与成人均表现出基于工作记忆内容的注意：相对于中性条件来说，工作记忆内容与干扰项匹配会显著降低成人被试的搜索绩效，而工作记忆内容与目标匹配会显著提高儿童被试的搜索绩效.研究结果表明，尽管儿童和成人都表现出了基于工作记忆内容的视觉注意，但儿童较成人能更好地运用该注意机制以提高视觉搜索绩效且受其不利影响较少.

关键词：工作记忆；选择性注意；偏向竞争模型；认知负荷理论

0引言

视觉选择性注意是个体用来选择任务相关信息并抑制无关信息的一种认知机制，而工作记忆是视觉刺激消失后对任务相关信息的积极保持以及对无关信息的抑制.从两者的定义可以看出，视觉选择性注意和工作记忆都是选择任务相关信息并抑制无关干扰，有很大的相似性.脑成像研究也表明工作记忆和视觉注意的相关脑区有很大部分的重叠，这些都提示视觉注意和工作记忆有着紧密的联系.近年来，有关工作记忆与视觉注意的交互作用已成为认知心理学研究的热点领域，基于工作记忆内容的视觉注意就是其中一个很重要的方面[1-3].

Downing[4]要求被试将某面孔保持在工作记忆中，结果发现当注意目标项出现在匹配面孔的位置时，被试的反应速度要快于目标出现在不匹配面孔时的反应速度，这表明工作记忆中的表征内容可以引导视觉注意选择视场中与之匹配的物体.Soto等[5]在其研究中让被试记住彩色几何形状，也发现了类似的基于工作记忆内容的注意效应，当记忆匹配项包含着目标项时反应速度最快，记忆匹配项不出现的情况下反应速度次之，记忆匹配项包含干扰项时反应速度最慢.注意的竞争偏向模型[6]是解释这一现象的主要理论模型.视觉搜索场景中的项目间相互竞争注意资源，记忆项的积极保持使得视觉搜索场景中的刺激处于不同的地位.由于记忆匹配项在大脑中的激活程度更高，使得记忆匹配项在竞争中处于优势地位，获得进入意识的优先权，因此记忆匹配项更容易优先得到注意偏向.

尽管工作记忆内容对注意的引导作用已经得到了很多研究的证明，然而已往研究对象大多是成年被试，儿童基于工作记忆内容的注意的特点仍不清楚.杨海波[7]选取三至五年级的学龄儿童为研究对象,发现工作记忆内容的性质可以影响自上而下的注意控制，有效条件下的反应时都短于无效条件.但他并没有关注到不同工作记忆负荷条件下中性刺激的加工差异.当记忆负荷高时，中性条件下的反应时与无效条件下的反应时更加接近；而当记忆负荷低时，中性条件下的反应时与有效条件下的反应时更接近.Soto等[5]的研究表明成年人在中性条件下的反应时与有效条件下的反应时更接近，这提示三到五年级儿童基于工作记忆内容的注意与成人可能存在差异.杨海波在其研究中使用的刺激图形是由不同类型线条构成的不同形状的图形，而Soto使用的是具有不同线条颜色的不同形状的图形.因此，两项研究结果的差异可能是由于实验所使用的刺激材料不一致导致的，而不是被试的年龄差异.为此，本研究拟采用相同的刺激材料以探讨不同年龄被试基于工作记忆内容的注意特点.

张学民等[8]采用注意线索范式研究小学生注意发展,结果发现:小学三年级儿童存在注意阶段性波动，其注意集中能力低于一年级和五年级的儿童.另有研究[9-12]表明小学一年级儿童是能够完成认知实验任务的最小年龄被试，并且无论是三年级还是四年级或五年级的儿童，其工作记忆内容都可以引导注意.为了得到最大的差异同时也保证被试能完成实验任务，本研究选取小学一年级学生以及在校大学生为研究对象，以探讨儿童与成人基于工作记忆内容的注意特点.

1方法

1.1　被试

10名大学生被试(5名男生，5名女生；平均年龄21.9岁)和10名小学一年级被试(5名男生，5名女生；平均年龄7.7岁).所有被试都是右利手，且视力或矫正视力正常.

1.2　刺激材料与实验设备

刺激材料为使用Photoshop CS3制作的彩色几何图形，包括正方形(1.8°×1.8°)、菱形(1.4°×1.8°)、六边形(1.6°×1.6°)、圆形(1.6°×1.6°)、三角形(1.6°×1.8°)，每种图形有红、黄、绿、蓝、粉5种线条颜色.实验使用台式电脑运行程序，屏幕分辨率为1 024×768像素，刷新率为75 Hz.

1.3　程序与设计

使用E-prime2.0编写实验程序，采用个体施测的方式开展实验.正式实验开始前先进行练习，直到被试掌握实验要求后开始正式实验.

在每一个实验试次中，屏幕上首先呈现500 ms的注视点(0.3°×0.3°)，接着会呈现1 000 ms的记忆线索刺激两次(间隔100 ms，见图1).在250 ms的间隔时间之后会呈现1 000 ms(儿童被试组为1 500 ms)的搜索任务.搜索任务中的两个图形的颜色形状都不相同，每个图形都包含一条黑色直线，其中一个图形中包含竖线，另一个图形中包含斜线，斜线可能向左偏也可能向右偏，偏角为18°.被试的任务是正确快速地判断斜线的方向并做出相应的按键反应.随后在500 ms的间隔时间后，出现一个记忆探测项，其颜色或形状可能和记忆项一样，也可能与记忆项不一样.只有当两者的形状和颜色都相同时，才认为记忆项和探测项相同.被试的任务是正确地判断出探测刺激和记忆项是否相同并做相应的按键反应.根据搜索任务中线索的有效性，实验条件共有3种：在有效条件下，搜索矩阵中的记忆匹配项包含的是目标斜线；中性条件下，记忆线索项不出现在搜索矩阵中；在无效条件下，搜索矩阵中的记忆匹配项包含的是干扰竖线.

注：不同的填充纹理代表不同的颜色　　　　　图1　试验程序和刺激示例　　　Fig. 1　Schematic illustration of experimental procedure　　　　　and example stimuli

实验采用3×2的混合设计，有效性为被试内变量，包含有效、中性和无效3个水平；年龄为被试间变量，分为儿童组和成年组两个水平.正式实验包含198个试次，其中有效、无效及中性条件各占1/3.3种条件在每个实验试次中随机出现.注意任务的目标刺激出现在左边和右边的可能性各半，斜线向左或向右的可能性各半.此外，对于记忆任务而言，在一半的试次中，最后呈现的记忆探测项与记忆项的颜色和形状一致，另一半的试次中与记忆项的颜色或形状不一致.上述各种因素均得到有效的平衡，且在每个实验试次中随机出现，因此被试无法预测注意任务目标刺激的位置以及记忆项的颜色.

2结果

2.1　记忆任务的正确率

所有被试的平均记忆正确率为83.975%，其中儿童组为72.82%，成年组为95.13%，各条件下的记忆任务正确率见图2.对所有被试的记忆任务正确率进行2(年龄：儿童组、成年组)×3(有效性：有效、中性、无效)混合方差分析，结果发现年龄的主效应显著(F(1,18)=21.644,P<0.001,η2=0.546)，有效性的主效应显著(F(2,36)=4.214,P=0.023,η2=0.190)，有效性和年龄的交互效应显著(F(2,36)=3.615,P=0.037,η2=0.167).进一步分析发现，对于儿童组被试而言，有效性对记忆任务正确率影响显著(F(2,18)=4.344,P=0.029,η2=0.326)，有效条件下的记忆正确率高于中性条件下的正确率(P=0.014)，有效条件下的记忆正确率与无效条件下的记忆成绩边缘显著(P=0.068)，但是无效条件下的记忆成绩与中性条件下的记忆成绩没有显著差异(P=0.842).对于成年组被试而言，有效性对记忆成绩的影响不显著(F<1).

图2　儿童组和成年组被试在不同条件下记忆任务的正确率Fig. 2　Accuracy on the memory task acrossdifferent conditions for children and adults

2.2　注意任务的正确率

各处理条件下的注意任务正确率见图3.对被试的注意任务正确率进行2(年龄：儿童组、成年组)×3(有效性：有效、中性、无效)混合方差分析，结果显示：有效性的主效应显著(F(2,36)=8.946,P<0.01,η2=0.332)，年龄的主效应显著(F(1,18)=6.166,P<0.05,η2=0.255)，年龄与有效性的交互效应显著(F(2,36)=4.625,P<0.05,η2=0.204).进一步分析发现，对于儿童组被试而言，有效性对注意任务正确率的影响显著(F(2,18)=8.020,P<0.01,η2=0.471)，有效和中性条件下的正确率差异显著(P<0.05)，有效和无效条件下的正确率差异显著(P<0.01)，中性和无效条件下的正确率差异不显著(P>0.05)；对于成年组被试而言，有效性对注意任务的正确率也有显著影响(F(2,18)=5.333,P<0.05,η2=0.372)，与儿童组被试不同的是，成年组被试无效和中性条件下的差异显著(P<0.05)，有效和中性条件下差异不显著(P=0.222)，有效和无效条件下注意任务的正确率达到边缘显著(P=0.08).

图3　儿童组和成年组被试在不同条件下注意任务的正确率Fig. 3　Accuracy on the attention task acrossdifferent conditions for children and adults

2.3　注意任务的反应时

对反应时数据的分析仅包括正确反应的试验，各处理条件下的注意任务平均反应时见图4.对反应时进行2(年龄：儿童组、成年组)×3(有效性：有效、中性、无效)混合方差分析，结果发现有效性的主效应显著(F(2,36)=15.961,P<0.001,η2=0.470)，年龄的主效应显著(F(1,18)=17.088,P=0.001,η2=0.487)，年龄和有效性的交互作用达到边缘显著(F(2,36)=2.689,P=0.082,η2=0.130).进一步分析发现，对于儿童组被试而言，有效性对注意任务的反应时影响显著(F(2,18)=7.272,P=0.01,η2=0.447)，有效和中性条件下的反应时差异显著(P<0.01)，有效和无效条件下的反应时差异显著(P<0.05)，中性和无效条件下的反应时差异不显著(P>0.05)；对于成年组被试而言，有效性对注意任务反应时也有显著影响(F(2,18)=20.088,P<0.001,η2=0.691)，有效和中性条件下的反应时差异显著(P<0.05)，有效和无效条件下的反应时差异显著(P<0.01)，中性和无效条件下的反应时差异显著(P<0.01).

图4　儿童组和成年组被试在不同条件下注意任务的反应时Fig. 4　Reaction times on the attention task acrossdifferent conditions for children and adults

最后，分别将无效条件下的正确率和反应时减去有效条件下的正确率和反应时得到基于工作记忆内容的注意捕获的效应量，再对两组被试的注意捕获的效应量进行差异检验，结果发现用正确率和反应时计算出的效应量在两组被试之间均没有显著差异(Ps>0.05)，表明儿童与成人基于工作记忆内容的注意效应没有显著差异，基于工作记忆内容的注意捕获在7～8岁时已经基本形成.

3讨论

本研究使用“工作记忆+视觉搜索”的双任务范式，考察了儿童和成年人基于工作记忆内容的视觉注意机制，结果发现保持在儿童与成人工作记忆中的表征内容都可以自动引导视觉注意.但是儿童基于工作记忆内容的注意捕获与成年人有着不同的特点：相对于中性条件来说，工作记忆内容与干扰项匹配会显著降低成人被试的搜索绩效，而工作记忆内容与目标匹配会显著提高儿童被试的搜索绩效.

认知负荷理论认为认知活动需要消耗认知资源，若活动需要的资源超过了个体拥有的资源总量就会引起资源分配不足，从而影响学习或问题解决效率，这被称之为认知超载[13].该理论强调图式和规则的作用，认为学习时消耗的心理努力是认知负荷的本质属性，而图式和规则自动化是减轻认知负荷、提高认知加工效率的关键.从工作记忆以及注意任务的成绩可以看出，与成年人相比，儿童完成工作记忆以及注意任务需要更多的心理努力，即儿童完成这两种任务时的认知负荷更高.

工作记忆与注意共享有限的认知资源[14]，注意搜索的效率影响工作记忆的成绩.根据竞争偏向模型，工作记忆的积极保持使得记忆匹配项目处于竞争优势地位，儿童首先注意到记忆匹配线索的位置.有效条件下，注意很快受到匹配刺激的吸引，有效的线索提示促进了儿童注意搜索任务的完成，注意搜索任务消耗的认知资源较少，用来完成工作记忆的认知资源较多.无效条件下，无效的提示线索延迟了目标的识别，注意任务消耗的资源较多，工作记忆任务可用的认知资源少.中性条件下，儿童较高的工作记忆负荷使其抑制无关新异刺激的能力减弱，注意受到新异目标刺激的吸引，从而干扰了目标的识别，注意任务消耗的资源较多，因而工作记忆可用的资源也较少.有效条件下工作记忆任务可用的认知资源多于无效以及中性条件，最终使得有效条件下儿童的工作记忆任务成绩要高于无效及中性条件下的工作记忆成绩.

本研究中，中性条件下儿童的反应与无效条件下的反应接近.一方面，可能是因为目标外周新异的干扰刺激对儿童注意的吸引，使得儿童不能快速有效地搜索到目标斜线.研究表明新异刺激可以吸引个体的注意.Downing[4]也发现目标任务会影响新异刺激对注意的吸引.当有记忆要求时，匹配刺激比新异刺激更会获得注意优先权.而当没有记忆要求时，新异的刺激首先捕获注意；另一方面，可能是由于儿童对目标外周新异刺激的抑制不够.首先，儿童本身的执行控制能力相对于成年人而言较弱.Nicholas选取不同年龄段的被试，以任务转换的损耗作为执行控制的指标，发现执行控制功能随年龄的增加(7～82岁)呈倒U形变化.在中性条件下，儿童有限的执行控制能力使其不能很好地抑制目标周围新异线索刺激的干扰，新异刺激在竞争中占据了优势地位，阻碍了其目标识别.其次，相对较高的工作记忆负荷使得儿童过滤干扰刺激的能力降低.Lavie[15]发现随着工作记忆的负荷增加，可以用来选择目标并抑制干扰的资源会减少.与成人相比，儿童工作记忆负荷相对较高，从而降低了儿童对干扰刺激的过滤.儿童过滤新异刺激干扰的能力低于成年人，因此中性条件下目标外周的新异刺激对儿童的干扰要大于成年人.

Woodman等[16]认为基于工作记忆内容的注意捕获的发生可能是因为个体主动地、策略性地注意匹配刺激，以巩固工作记忆中的内容，从而提高工作记忆成绩.本研究的结果不支持这一观点:如果被试策略性地注意记忆匹配项，那么无效与有效条件下的记忆成绩都应高于中性条件，这与本研究的结果矛盾.本研究发现对于成年被试而言，工作记忆内容的有效性对其记忆成绩没有影响，这与先前的研究结果一致.然而对于儿童被试而言，工作记忆内容的有效性对其记忆成绩有影响，并且有效条件下的记忆成绩高于无效以及中性条件，而中性与无效条件下的没有差异.这说明即便无效条件与有效条件一样都包含记忆匹配项，但是无效条件下的记忆成绩并没有高于中性条件.

4结论

本研究考察了儿童和成人工作记忆中的表征内容对视觉注意的引导作用，结果发现：1)工作记忆内容与视觉搜索刺激之间的匹配关系对成年人的记忆成绩没有显著影响，而对儿童的记忆成绩有显著影响.对于儿童而言，有效条件下的工作记忆成绩高于中性和无效条件，而中性与无效条件之间没有显著差异，表明在中性和无效条件下儿童完成注意任务需要消耗更多的认知资源；2)儿童与成人均表现出了基于工作记忆内容的注意选择：相对于中性条件来说，工作记忆内容与干扰项匹配会显著降低成人被试的搜索绩效，而工作记忆内容与目标匹配会显著提高儿童被试的搜索绩效.这表明儿童比成人能更好地运用基于工作记忆内容的注意机制以提高视觉搜索绩效并且能够较少受其不利影响.

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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，主要从事认知心理学研究. E-mail:yipan@hznu.edu.cn

基金项目：浙江省自然科学基金项目(LY13C090006)；浙江省社科规划之江青年课题(13ZJQN002YB)；教育部人文社科青年项目(14YJC190010).

收稿日期：2015-03-02

文章编号:1674-232X(2015)03-0247-05

中图分类号:B844

文献标志码:A

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