摘 要 目前已有许多研究证据表明, 工作记忆训练能提高成人、儿童的流体智力成绩, 然而这种训练是否能够提高幼儿的流体智力表现, 更为重要的是, 如果训练确有成效, 那么这种训练效果能否长期保持?为此, 本研究选择了幼儿园 4~5 岁幼儿进行工作记忆训练任务, 考察工作记忆训练对流体智力的提升及保持效应。实验中设立 3 个组：实验组、控制 1 组和控制 2 组。实验组采用单个空间 n-back 的工作记忆游戏程序进行训练, 控制 1 组采用“水果忍者”的游戏程序进行训练, 两组进行游戏训练的时间均为 14 天, 每天 15 min; 控制 2 组不进行任何训练。结果发现, 训练后实验组幼儿被试的流体智力成绩明显优于两个控制组, 在 6 个月后再进行测试, 这种优势仍然保持。本研究结果表明, n-back 工作记忆训练可以提高幼儿的流体智力成绩, 并且这种训练效果具有持续的稳定性。
关键词 工作记忆训练; 刷新功能; 流体智力; 幼儿
1 引言
流体智力是由 Cattell (1963)提出的两类智力之一, 它独立于所学知识而存在(Carpenter, Just, & Shell, 1990), 是使用逻辑推断来分析新问题、识别模式和关系的能力。研究表明, 流体智力可有效预测学业水平和后天成就(Deary, Strand, Smith, & Fernandes, 2007; Neisser et al., 1996; Rohde & Thompson, 2007)。过去一直认为流体智力由生物遗传决定, 不能被后天的经验改变(Chen & Li, 2007; Gray & Thompson, 2004; McNab et al., 2009), 然而近年来, 越来越多的研究证据表明, 认知训练尤其是工作记忆的训练可以促使流体智力的改善 (Jaeggi, Buschkuehl, Jonides, & Perrig, 2008; Jaeggi, Buschkuehl, Jonides, & Shah, 2011; Jaušovec & Jaušovec, 2012)。
工作记忆是一个容量有限的记忆系统, 它帮助个体暂时保持和操作信息, 是知觉、长时记忆和动作之间的接口, 作为思维过程的支撑(Baddeley, 2003)。研究者发现, 工作记忆能力与高水平的认知能力存在高相关, 例如 Kyllonen 和 Christal (1990) 对 4 项研究(被试量分别为 723、412、415 和 594) 进行验证性因子分析发现, 工作记忆容量与推理能力之间相关的估计与以往的研究保持一致(r = 0.8~0.9)。此外, 工作记忆能力与阅读、写作、数学和科学的学业成就息息相关 (Abu-Rabia, 2003; Daneman & Tardif, 1987; De Smedt, Ghesquière, & Verschaffel, 2004; De Smedt et al., 2009; Gathercole & Pickering, 2000; Gathercole, Pickering, Knight, & Stegmann, 2004)。
Baddeley 和 Hitch (1974) 提出了工作记忆的模 型, 认为工作记忆的核心是中央执行功能。 Miyake 等人(2000)采用潜变量分析的方法研究了中央执行功能的 3 个成分, 研究结果发现中央执行功能的转换功能、抑制功能和刷新功能可以独立作用又存在中等程度相关。近年来, 研究发现中央执行功能与智力存在高相关(Brydges, Reid, Fox, & Anderson, 2012; Kane & Engle, 2002; Moreno et al., 2011)。
目前有研究发现工作记忆的刷新功能与流体智力存在高相关(Colom, Abad, Quiroga, Shih, & Flores-Mendoza, 2008), 当前训练工作记忆刷新功能的任务主要有活动记忆任务和 n-back 任务。赵鑫、王一雪、刘丹玮和周仁来(2011)对 9~11 岁小学生使用两种材料的活动记忆任务进行每周 3~4天的工作记忆刷新任务训练, 每天训练 15~20 min, 总共训练 15 天。研究结果显示, 经过活动记忆任务训练, 儿童的流体智力水平显著提高。训练刷新功能的另一种常用任务为 n-back 范式(Chen, Mitra, & Schlaghecken, 2008; Jaeggi, Buschkuehl, Perrig, & Meier, 2010; Jaeggi et al., 2007; Klingberg, Forssberg, & Westerberg, 2002; Lilienthal, Tamez, Shelton, Myerson, & Hale, 2013; Seidler et al., 2010)。在 n-back 范式的训练中, 研究者向被试呈现一系列刺激, 被试的任务就是判断当前刺激是否与之前第 n 个刺激相同, n 的数值越大, 对工作记忆的要求就越高, 因此 n 的变化会导致正确率和反应时的变化(Jonides et al., 1997)。Jaeggi 等人(2008; 2011)分别以成人和 8~10 岁的小学生作为被试进行工作记忆 n-back 范式的训练。在 2008 年的研究中, Jaeggi 等人(2008)对成人被试使用视觉和听觉双 n-back 范式进行训练, 四组被试训练时间分别为 8 天、12 天、17 天和 19 天, 每天 1 次, 每次 25 min, 训练结束 1 至 2 天内进行工作记忆测试, 结果显示实验组成绩显著高于控制组。流体智力测验结果显示, 训练时间越长, 被试的流体智力提高幅度显著越大。该研究结果表明, n-back 范式训练不仅可以提高人的工作记忆水平, 而且还可以同时提高流体智力的水平。进一步, Jaeggi 等人(2011)对 8~10 岁的小学生使用单个视觉空间 n-back 范式训练, 训练时间为 4~6 周, 每天训练 15 min。训练结束后, 实验组的小学生工作记忆成绩显著优于控制组, 作为流体智力指标的瑞文测验成绩也显著优于控制组。停止训练 3 个月后, 实验组被试流体智力测验成绩依然显著高于控制组。
许多研究为理解工作记忆与流体智力的关系提供了重要的参考, 研究也报告了不同水平上工作记忆和流体智力有高相关 (Colom et al., 2008; Conway, Cowan, Bunting, Therriault, & Minkoff, 2002; Conway, Kane, & Engle, 2003; Engel de Abreu, Conway, & Gathercole, 2010; Kane, Hambrick, & Conway, 2005; Süß, Oberauer, Wittmann, Wilhelm, & Schulze, 2002)。不少研究以神经环路为基础提供了证据来说明工作记忆和流体智力依赖相似的神经网络, 并且绝大部分位于外侧前额叶和顶叶 (Gray, Braver, & Raichle, 2002; Gray, Chabris, & Braver, 2003; Gray & Thompson, 2004; Kane & Engle, 2002), 这些研究都可以比较有说服力地解释为什么工作记忆训练可以提高流体智力水平。
当然, 也有研究提出这样的训练效果可能是短暂的, 例如, Hempel 等人(2004)采用 n-back 任务对被试进行工作记忆训练, 训练前、训练进行到两周以及训练结束后四周都进行了 fMRI 扫描。脑成像结果显示, 训练进行到两周时, 被试大脑背外侧前额皮质有明显的激活, 但激活在训练结束后四周逐渐降低。
整体来看, 运用 n-back 范式训练个体的工作记忆进而提升流体智力的研究结果多数是正面的。尤其是 Jaeggi 等人对成人与小学生进行的训练研究结果引发了研究者们的积极关注和探索(赵鑫, 周仁来, 2010)。
然而, 目前工作记忆训练研究还存在两个主要问题：
第一个存在问题是：至今为止, 很少看到对婴幼儿工作记忆及其对流体智力提高的影响的研究, 而婴幼儿时期是个体心理发展的重要时期(Piaget, 1981), 也是多项心理机能发展的敏感期(Siegler, 2006)。目前工作记忆的训练研究, 主要还是针对成人或中小学生进行, 有研究者(Shipstead, Redick, & Engle, 2012)总结了 11 个有关训练儿童产生迁移效果的研究, 其中只有两个研究对 4~6 岁的幼儿进行工作记忆训练 , 第一个是 Thorell, Lindqvist, Bergman Nutley, Bohlin 和 Klingberg (2009)对 4~5 岁幼儿进行 Cogmed 系统的工作记忆训练和抑制训练, 要求被试使用鼠标按刺激出现的顺序(或逆序) 进行点击作答, 其难度的指标包括刺激数量和刺激种类数量, 难度的改变适应于被试表现, 该系统的工作记忆训练规则属于工作记忆广度任务(刘春雷, 周仁来, 2012)。他们关注训练后幼儿的工作记忆、抑制、注意力、问题解决能力和反应速度五个方面, 结果发现工作记忆训练提升了幼儿的工作记忆和注意力。显然, 这项对幼儿进行的工作记忆的训练研究并没有与流体智力的提升联系起来。第二个是 Bergman Nutely 等人(2011)对 101 名 4~6 岁幼儿进行同样是 Cogmed 系统的工作记忆训练, 训练持续 25 天, 每天训练 15 min。研究者不仅关注训练在工作记忆的近迁移效果, 还分析了训练是否在流体智力上产生了远迁移, 研究结果显示工作记忆训练的近迁移效果显著, 但对流体智力没有迁移效果。据分析, 其工作记忆训练研究之所以没有在流体智力上产生显著迁移效果, 可能是研究者没有采用针对工作记忆刷新功能的训练任务。
第二个存在问题是：目前所进行的工作记忆训练提高流体智力的研究, 大多数是考察训练后的即时效应, 尽管也有人考察了训练后一段时间的延续效果, 但是, 最多也只是考察 3 个月后的延续效应。这个时间间隔对于验证训练的长期效应还是不够的。
3~6 岁幼儿阶段是智力的启蒙时期(Piaget, 1981), 个体大脑皮层的厚度在 6 岁达到顶峰(Shaw et al., 2006), 该时期个体的脑具有可塑性和敏感性 (Lenroot et al., 2009; Pascual-Leone, Amedi, Fregni, & Merabet, 2005)。因此, 探讨 n-back 范式对幼儿进行工作记忆训练, 考察是否能够提高其流体智力, 并且这种提高效果是否有比较长期的稳定性与持续性, 显然是有重要意义的。
据此, 本研究拟探究工作记忆训练是否能提高幼儿的工作记忆水平及其流体智力水平, 同时通过 6 个月的跟踪, 探讨这种训练效果是否有比较长期的稳定性。
2 实验研究
2.1 被试
某民办市一级幼儿园 3 个自然班, 共 96 名幼儿, 幼儿家长知情并同意。3 个班随机安排为实验组、控制 1 组和控制 2 组。实验组因幼儿缺席和退学剔除 3 名被试, 因不明白规则剔除 4 名被试, 剩余 25 名被试(男生 15 人, 女生 10 人), 控制 1 组因幼儿缺席剔除 2 名被试, 剩余 30 名被试(男生 20 人, 女生 10 人), 控制 2 组因幼儿缺席剔除 1 名被试, 剩余 31 名被试(男生 20 人, 女生 11 人)。剩余被试共 86 名幼儿。实验开始时被试平均年龄 4.9 (±0.38)岁, 3 个班幼儿平均年龄差异不显著。
2.2 实验设计
实验采用单因素设计, 实验组进行 n-back 范式程序的训练, 控制 1 组进行“水果忍者”游戏程序的训练, 控制 2 组不进行任何训练。在训练程序开始前以及训练程序结束后对 3 个组的所有被试进行流体智力测验, 训练结束 6 个月后对实验组和控制 1 组进行流体智力测验。本实验采用双盲实验设计, 实验组和控制 1 组的训练过程都由学校教师在不知晓训练目的的前提下对幼儿进行引导和操作; 前测和后测都由同一位实验员在不知晓被试分组的情况下进行施测; 被试的数据以不记名、不分组的方式由一位实验员进行统计。
2.3 实验材料
2.3.1 工作记忆训练程序
采用自编训练程序。训练程序以类似平板电脑游戏方式呈现, 程序共有 3 个难度, 即 1-back、 2-back 和 3-back, 每个难度下有 2 个关卡, 训练共 6 个关卡, 每组有 15 + n 个试次, 每个试次呈现时间为 500 ms, 反应时间为 2500 ms, 每个试次后被试都需按键反应来判断当前画面中的刺激物所在位置是否与前第 n 个画面中的相同, 相同按一个键, 不相同按另一个键。其中有 10 个试次需判断为不同, 5 个试次判断为相同, 所有试次均随机呈现。每个被试每天需要接受 10 组训练, 大约 15 min, 共训练 14 天。为保证幼儿良好的精神状态, 每天的训练均在上午 9 点至 10 点间进行。训练地点为幼儿园的活动室, 幼儿对该活动室熟悉, 且活动室的光线、通风良好, 噪音程度较小, 每天由教师带领幼儿集体进入活动室并按照学号入座, 每位幼儿的座位在每天的训练中固定。每天训练开始前由实验员摆放桌椅并调试平板电脑, 每台平板电脑的亮度、分辨率、耳机音量一致。根据被试当天的训练成绩, 被试可以从实验员处换取贴纸作为奖励。每个关卡的难度设置详见表 1。
2.3.2 控制组游戏
控制 1 组的幼儿将在相同的平板电脑上进行 “水果忍者”游戏训练, 该游戏要求游戏者迅速准确地在屏幕上滑动手指, 手指划过目标物而获得分数, 同时避开某些障碍物才得以继续游戏。控制 1 组进行训练的地点与实验组相同, 且使用同一批平板电脑。游戏时间和实验组相同, 均为上午 9 点至 10 点之间, 根据幼儿园的课程表安排, 14 天中的 7 天是实验组先训练, 控制 1 组再进行训练, 另 7 天为控制 1 组先进行训练后, 实验组再进行训练。控制1 组的被试同样可以根据训练成绩来领取贴纸作为奖励。
2.3.3 流体智力测验
按照 Jaeggi 等人 2011 年研究的做法(Jaeggi et al., 2011), 本实验中选用瑞文标准推理测验(SPM) (Raven, Court, & Raven, 1990)和非语言智力测验第四版(TONI-4) (Brown, Sherbenou, & Johnsen, 2010)来测验被试的流体智力。SPM 按逐步增加难度的顺序分成ABCDE组, 实验中只使用ABC三组, 共36题, 前测与即时后测题目相同, 但相同难度题目顺序不同, 对被试进行单人施测。TONI-4 有 AB 两个平行版本, 每个平行版本 60 题, 对被试进行单人施测。
2.3.4 态度及动机问卷
训练过程结束后, 对实验组和控制 1 组被试的态度和动机进行评估, 态度问卷采用李克特 5 点计分方法, 由实验组和控制 1 组的教师分别为两个组被试的表现进行评定, 评定的内容是训练过程中, 每位被试的注意力集中程度, 1 分为“注意力非常涣散”, 5 分为“注意力非常集中”。动机问卷为自编问卷, 共有 5 题, 由被试进行自评。问卷采用李克特 5 点计分方法, 为了便于幼儿理解, 回答选项采用 5 个表情来表示。被试进行自评前, 教师讲解答题规则, 并念出每个问题和答案的中文, 要求被试根据自己的情况和想法选择答案。
2.3.5 实验仪器
实验采用 9.7 英寸屏幕平板电脑, 屏幕分辨率为 1024×768。
2.4 实验程序与记分方法
2.4.1 工作记忆训练的程序及记分标准
实验组每个被试在第一次训练时都从 1-back 的第一个关卡训练开始, 在每个关卡中, 若错误的试次小于等于 3, 则进入下一个关卡; 若错误的试次大于等于 4 则停留在该关卡重新训练。重新训练的机会有两次, 若两次依然不能通过, 则下降一个关卡。每天每个被试训练 10 组, 最后被试所停留的关卡会被记录, 下一次同个被试进行训练时, 将从他上一次停留的关卡开始训练。被试每天在工作记忆训练中所取得的成绩由他最终停留的关卡决定, 例如第一天某被试进行到第 2 个关卡, 则他第一天的成绩记为 2, 第二天他进行到第 4 个关卡, 则第二天的成绩记为 4。
2.4.2 流体智力测验实施与记分方法
实验开始前对所有被试使用 SPM 进行流体智力前测, 训练结束后对所有被试使用 SPM 平行版本进行即时后测, 训练结束后 6 个月使用 TONI-4 的 A 部分对实验组和控制 1 组进行延缓后测。SPM 中, 答对 1 题记 1 分, 答错不记分, 不规定时间, 几乎所有被试都能在 20 min 内完成。TONI-4 根据其记分规则, 分数组成分为三部分, 连续做对 5 题后到出现 1 题失误为该被试基础部分, 连续 5 道题中有 3 道题错误则为该被试的上限部分, 基础部分和上限部分之间取得的分数为中间部分。共 60 题, 正确计 1 分, 错误计 0 分, 总分为做对的题目分数之和。两个测验均使用原始分。
2.5 数据处理
全部数据在 SPSS 13.0 for Windows 软件系统中输入与处理。
3 结果
3.1 工作记忆训练成绩
实验组共进行 14 天训练, 每天训练后实验组所有被试的平均成绩, 即平均达到的关卡见图 1。为证明实验组被试按要求完成了训练并且取得了进步, 我们对实验组被试前 5 天训练平均成绩与后 5 天训练平均成绩进行了配对样本 t 检验, 结果显示二者差异显著, t (24) = 7.62, p < 0.001。
3.2 流体智力测验结果
三个组训练前的前测和训练后即时后测的流体智力测试成绩见表 2, 对三组被试前测和后测成绩进行 3(分组：实验组 vs. 控制 1 组 vs. 控制 2 组) × 2(测试类型：前测 vs. 即时后测)的重复测量方差分析, 结果显示交互作用显著, F(2, 83) = 16.34, p < 0.001, η2 partial = 0.282。分别从两个方向对交互作用的效果进行分析：首先, 对训练前后三个组的成绩进行简单效应分析, 结果显示：对于前测, 三个组成绩差异不显著, F(2, 83) = 1.70, p = 0.188, η2 partial = 0.039; 而对于即时后测, 三个组差异显著(F(2, 83) = 13.70, p < 0.001, η2 partial = 0.268), 两两比较结果显示, 实验组即时后测成绩显著高于控制 1 组(p < 0.001)和控制 2 组(p < 0.001), 控制 1 组与控制 2 组即时后测成绩差异不显著(p = 0.388)。其次, 对每个组训练前后的成绩进行简单效应分析表明, 实验组的前测和即时后测成绩差异显著(p < 0.001), 控制 1 组的前测和即时后测成绩差异不显著(p = 0.093), 控制 2 组的前测和即时后测成绩差异也不显著(p = 0.185)。
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