工作记忆与算术认知的研究现状与前瞻，本文主要内容关键词为：算术论文,认知论文,现状论文,记忆论文,工作论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
［中图分类号］ B844 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1002-0209(2004)01-0040-05
一、引言
Baddeley等[1]于1974年提出了工作记忆(working memory)的概念，指出工作记忆包括中央执行系统(central executive)、语音环路(phonological loop)和视空间模板(visual-spatial sketch pad)等三部分。中央执行系统负责工作记忆中的注意控制，其功能类似于一个能量有限的注意系统，该系统负责指挥各种次级系统的活动；视觉空间模板对视觉图像信息进行操作；语音环路贮存与复述言语信息。其中视觉空间模板与语音环路是两个平行的子系统(slave systems)。工作记忆是一种记忆系统，用于有限容量信息的暂时性储存与加工，这种形式的信息储存和加工方式在许多复杂的认知活动中都起着非常重要的作用，如推理、语言理解、问题解决等，对算术问题解决能力的作用尤为明显。因此，近年来关于工作记忆与算术认知的研究备受关注，并取得了卓有成效的研究成果。1978年，Hitch[2]开创了工作记忆在算术认知中作用的研究。他认为个体在计算算术题时，犯错误的原因主要有两个，其一是忘记了部分计算结果（如425+63中5+3的结果），其二是忘记了最初的信息（如在验证3+6＞8正误时，被试忘记了最初呈现的运算符号是“＞”，还是“＜”）。因此，他指出工作记忆在算术认知中起重要作用。随着研究的深入，越来越多的研究者就工作记忆的中央执行系统、语音环路及视空间模板对算术认知的作用进行了区分。本文拟从工作记忆的各部分与算术认知关系的视角，对此领域近年来的主要研究成果进行简要的回顾和分析，并在此基础上讨论该领域研究的新趋势。
二、关于工作记忆与算术认知的研究现状
研究工作记忆的典型范式是“双重任务”模式，其中一个任务是主任务，另一个任务是次级任务。双重任务模式的理论假设是，当两个同时进行的任务涉及同一认知资源时，一个认知任务的成绩会受到另一任务的干扰；当这两个任务涉及不同的认知资源时，同时完成两个任务可以和单独完成这些任务取得一样好的成绩。而验证式任务和产生式任务则分别是研究算术认知的两种典型的范式，验证式任务要求被试尽量正确且快速地判断诸如8+4=13或26×11=372这样题目的正误；产生式任务要求被试根据任务要求算出正确答案。
在算术认知领域，研究者通常从简单算术和复杂算术这两个方面入手，研究工作记忆与问题解决的关系。所谓简单算术，是指参与运算的数小于10的基础运算（如8+4或7×6）；复杂算术是指参与运算的数大于10的运算（如19+45或17×13）。一般情况下，个体通过从长时记忆中提取答案这种快捷的方法解决简单算术问题，而解决复杂的算术问题则需要真正的运算过程。从这个意义上讲，个体解决简单算术题和复杂算术题的运行机制是有区别的。
在此，我们将综合验证式任务和产生式任务的研究成果，分别讨论工作记忆各部分在简单算术认知和复杂算术认知中的作用。
（一）工作记忆与简单算术认知
相对于复杂算术认知而言，工作记忆与简单算术认知关系的研究较早受到了研究者的重视，其研究成果也为复杂算术认知的研究奠定了基础。
1.中央执行系统与简单算术认知
大多数研究者认为中央执行系统对简单算术认知具有重要影响。如Ashcraft等[3]选取验证式任务，对中央执行系统在简单算术认知中的作用进行了研究。实验要求被试在两种中央执行系统被干扰的情况下进行算术运算。一种情况要求被试做算术题（主任务）的同时，用呈现在屏幕上的一个字母作为首字母随机产生一个单词（次级任务）；另一种情况要求被试在做算术题（主任务）的同时，按顺序正确记忆呈现在屏幕上的四个自由排列的字母（次级任务）。对照组的被试，在做算术题（主任务）的同时，大声朗读呈现在屏幕上四个自由排列的字母（次级任务）。研究结果表明，由于两个实验组被试要执行过重的次级任务（据首字母产生单词或记忆四个自由排列的字母），所以算术成绩明显低于对照组被试。而次级任务又是为干扰了中央执行系统设计的，因而中央执行系统对简单算术认知具有重要影响。
Ashcraft的结论在其他的研究中也得到了证实（如Stuyven & Vandierendonck,1999,2001;Hecht,2002;Lemaire,Abdi & Fayol,1996等）。但同时也有另一些研究者认为，Asheraft等人关于工作记忆对简单算术认知影响的解释有些牵强。因为除了中央执行系统之外，其他的加工过程（如编码或反应）也可能对简单算术认知产生影响（如
,Desert,Aubrun & Seron,2001;Oberauer,Demmrich,Mayr & Kliegl,2001），由于不能有效分离工作记忆系统的功能，也就不能断定中央执行系统对简单算术认知的作用是唯一的。
我们认为Ashcraft等人的观点更具合理性，因为虽然编码和反应对简单算术认知也产生了部分影响，但中央执行系统对简单算术认知起了绝对重要的作用。如被试计算8×4时，他们会先对参与运算的数（8和4）及运算符号进行编码，随后自动激活正确答案，由于激活扩散的原因，一些错误的答案也可能被激活，如一些临近的数（31或33），为了得到正确答案，个体需要抑制错误答案而选择正确答案[4]，已有研究表明抑制和反应选择都依赖于中央执行系统[5]。因而从这一点可知，中央执行系统起了重要的作用。假如个体不能选择正确的答案，他就会应用其他策略（如重复加数8+8+8+8或用数字序列6,24,32）。个体发现正确且有效的策略需要计划、控制数字信息、有意识地搜索记忆系统等，这些过程也需要中央执行系统的参与。
2.语音环路与简单算术认知
相对于中央执行系统而言，仅有少数几项研究表明语音环路对简单算术认知起作用。Lemaire等(1996)[6]用验证式任务考察了个体关于2-9的一位数字的加法运算能力。他们将被试分成控制组与对照组，对控制组被试施加语音干扰（目的是干扰语音环路），对照组被试要自由产生字母（目的是干扰中央执行系统）。研究结果表明，自由产生字母任务对被试解决正确的验证式算术题和错误的验证式算术题都产生了明显的影响作用。而语音干扰只对正确的验证式算术题起作用（如8+4=12和3×6=18），对错误的验证式算术题不起作用。另外，还有Lee和Kang(2002)[7]也通过研究发现，语音对简单乘法问题的解决具干扰作用。
上述有关语音环路对简单算术认知起作用的两项研究，在实验设计方面都有些不足。如在Lee的研究中，语音次级任务要求被试低声重复无意义字母串。但因为无意义字母串会在每三个题更换一次，所以被试不得不每5秒更新他们的记忆内容。例如，被试在做前三个题时要低声重复“kfgtrm,kfgtrm”，在做接下来的三个题时，要低声重复“brpmsp,brpmsp”，随后可能又要重复“zxsptk,zxsptk”。记忆的刷新很明显是要求中央执行系统参与的，因而对于研究语音环路对算术认知的作用而言，Lee和Kang的实验不是有效的实验。
De Rammelaere等(1999)[4]对Lemaire等1996年的实验做了部分改进，用来考察简单加法任务。值得一提的是，他们在实验中采用“自由时间间隔产生任务”(random time interval generation task,RIG,Vandierendonck,De vooght & Van der Goten,1998)[8]作为次级任务，这个任务要求被试根据自己的情况敲击一个自由时间间隔步速键，以控制简单算术题呈现的时间间隔。已有大量相关实验证明，这种任务只对中央执行系统产生影响，对语音环路和视空间模板不产生影响，因而能有效地对工作记忆的各部分进行分离研究。这项研究结果表明，语音干扰不仅对错误的验证式算术题不起作用，而且对正确的验证式算术题也不起作用。随后，包括De Rammelarer在内的许多研究者都纷纷经过实证研究取得了共识，即语音环路对算术认知不起作用（如Fürst and Hitch,2000;Seitz & Schumann-Hengsteler,2000,2002)。
3.视空间模板与简单算术认知
另有一些研究者就视空间模板对简单算术认知的作用进行了研究，但由于研究材料不一、研究方法不一，得出的结论也存在不一致。如Seitz和schumann-Hengsteler(2000)[9]的研究表明，视空间模板并不影响简单乘法的产生式任务。Lee和Kang(2002)[7]的研究表明，视空间负荷干扰简单的减法任务。在Lee的视空间双重任务中，被试要记住抽象形象以及此形象在四方的视空间中的位置。但是，在实验中并没有对视觉过程和空间认知过程进行区分。Martein等(1999)[10]认为视空间资源和执行资源都对包括内容和位置的视空间任务起作用。因此，我们现在还不能断定视空间模板对简单算术认知一定是有影响的。
（二）工作记忆与复杂算术认知
相对于简单算术认知而言，复杂算术认知需要消耗更多的心理资源，它是否需要更多工作记忆资源的参与？工作记忆的三成分对复杂算术认知的影响过程和机制如何？近期的有关研究对这些问题进行了探索。
1.中央执行系统与复杂算术认知
中央执行系统除了在简单算术认知中对事实提取起作用外，也对复杂形式的算术运算起作用。Logie等(1994)[11]分别通过对语音环路、视空间模板和中央执行系统施加干扰，对复杂算术的产生式任务进行研究。研究结果表明，在语音干扰情况下，被试的错误答案与正确答案在数值上很接近（如16+23=37，错误答案为35或39仅与正确答案相差2）；而在干扰中央执行系统的情况下，被试的错误答案与正确答案相差甚远。因而得出结论，中央执行系统对计算至关重要。Ashcraft等(Ashcraft & Kirk,2001;Fürst & Hitch,2000;Seitz & Schumann-Hengsteler,2002)研究了中央执行系统对多位数运算的作用，研究结果表明，对中央执行系统施加负荷的次级任务会干扰数字的进位，因而中央执行系统对复杂数运算的进位有影响。De Rammelaere[12]的研究印证了上述结论，认为计算需要进位的题目比不需要进位的题目要求更精细的语义表征，并且发现当中央执行系统负荷过重时，被试解决复杂算术题的策略适应性便不能有效发挥，因而中央执行系统对复杂运算中策略的选择也有重要影响。
2.语音环路与复杂算术认知
虽然大多数研究者都认为语音环路对简单算术认知不起作用，但却普遍发现工作记忆的这一子系统对复杂算术认知起作用。
Fürst和Hitch(2000)[13]以三个位数的加法题为实验材料，研究语音环路对复杂算术认知的作用。在实验中，将两个三位数相加的题（如356+213）以视觉的形式呈现，分两种情况，即题目呈现4秒就消失或题目在被试计算时保持在电脑屏幕上，要求被试从个位、十位到百位的顺序写出正确答案，研究结果表明，语音干扰仅在题目呈现时产生影响，对题目保持在屏幕上时不产生影响。因而得出结论，语音环路对个体保持题目的初始信息起作用。Logie等(1994)[11]以一位数乘以两位数的题目（如6×29）为实验材料考察语音环路对复杂算术认知的影响，研究结果表明，语音环路对追踪计算的中间结果起作用。De Rammelaere[13]通过研究发现，语音环路对进位的数值也会产生影响。前述研究表明，语音环路对保持复杂算术运算中计算的正确性具有重要作用。
3.视空间模板与复杂算术认知
关于视空间模板对复杂算术认知影响的研究也较少。Seitz等(2000)[9]以复杂乘法为实验材料，分别对工作记忆的三个部分施加负荷。研究结果表明，视空间模板对复杂乘法的产生式任务不产生影响。Logie等(1994)[11]研究发现，虽然当加数以视觉形式呈现时，复杂加法运算受呈现的无关图片和空间位置干扰的影响；但当加数以语音形式呈现时，复杂加法运算则不受这两种因素的干扰。等(2001)[14]用两个三位数相加的复杂加法为实验材料，研究了不同类型的声音刺激和不同类型的视觉刺激对复杂算术认知的影响。研究结果表明，施加的声音干扰相似时，个体很难对两个加数进行有效计算，但视觉上的相似并没有对个体计算产生什么影响。因而得出结论，视空间模板对个体复杂算术运算不起作用。
虽然以上几项研究都表明视空间模板对复杂算术认知都不起作用，但有关这方面的研究还处于起步阶段，仍需要进一步的实证研究对上述结论予以检验。
三、工作记忆与算术认知研究的前瞻
通过对以上研究结果的回顾和分析，我们认为未来有关工作记忆与算术认知关系的研究应主要集中在以下几个方面。
（一）“纯”干扰中央执行功能的任务与算术认知
由于以往的研究已表明工作记忆中的中央执行系统对算术认知具有重要作用，因此应开展关于“纯”干扰中央执行功能的任务对算术认知影响的研究，但目前很少有研究采用这种任务为实验材料。De Rammelaere(2002)在研究中选用“自由间隔产生任务(random interval generation,RIG;Vandierendonck et al.,1998a)和“自由间隔决定任务”(random interval decision,RID;Szmalec et a1.,2002)，属于“纯”干扰中央执行系统的任务。由于这两种任务只对中央执行系统产生干扰，对其他两个子系统不产生影响，因而能有效地分离工作记忆各子系统的功能，使研究更有效。另外，越来越多的研究者认为工作记忆的中央执行系统的功能是可分离的，它包括抑制、记忆刷新、任务转换、计划等功能[15]。因此，随着工作记忆结构研究的深入，以及工作记忆对算术认知作用方面研究设计的改进，我们今后应更多地采用仅对中央执行系统产生影响的任务（如，反应选择、记忆更新、抑制等）对算术认知进行研究。当然，今后关注的焦点不仅仅是中央执行系统是否对算术认知起作用，还要关注中央执行系统怎样对算术认知起作用，以及中央执行系统的哪一部分对算术认知起作用。
（二）工作记忆在其他算术运算中的作用
在关于工作记忆与算术认知的研究中，以往研究者大多只关注工作记忆对加法和乘法的作用，很少考察其对减法和除法的作用。最近的研究表明，不同类型算术运算的加工过程存在显著差异。如，Campbell和Xue(2001)[16]发现相对于减法和除法而言，个体在计算加法时更倾向于使用提取策略。已有的研究表明工作记忆对加法和乘法进位运算产生作用，但我们还不知道工作记忆对减法和除法的借位运算是否也起作用。因此，我们在下一步的研究中应将研究内容扩展到加、减、乘、除以验证现在研究成果的普遍适用性。
（三）工作记忆与算术认知策略
目前，只有少数研究探查工作记忆与算术认知策略之间的关系。Hecht(2002)[17]研究结果表明，工作记忆仅仅改变复杂算术的策略适应性，而不改变简单算术的策略适应性。我们今后还需对这方面深入研究，以考察工作记忆对具有特殊性质算术题中的策略的影响，如运算中包含0的题目(16+0)或重复的加数（如16+16）的题目；另外以往研究工作记忆对算术认知策略的影响时，很少对策略的选择和执行进行区分，我们需要对这两部分分别进行研究。