工作记忆和推理
2016/8/9 哲学园

     工作记忆和推理

     张清芳1974年，Baddeley和Hitch在模拟短时记忆障碍的实验基础上提出了工作记忆的三系统概念，用“工作记忆”代替了原来“短时记忆”的概念。Baddeley[1]认为工作记忆指的是一种系统，它为复杂的任务比如言语理解、学习和推理等提供临时的储存空间和加工时所必需的信息，工作记忆系统能同时储存和加工信息，这和短时记忆概念仅强调储存功能是不同的。工作记忆分成三个子成分，分别是中枢执行系统、视空初步加工系统和语音环路。大量行为研究和神经心理学的许多证据表明了三个子成分的存在，有关工作记忆的结构和作用形式的认识也在不断地丰富和完善。人们发现工作记忆与语言理解能力、注意及推理等联系紧密。

     1工作记忆和推理能力

     推理能力与智力有密切的关系，“分析智力”(analyticintelligence)指运用信息推理和解决问题的能力，它不依赖于人们以前的或从学校获得的知识，这与1963年Cattell所说的“流体智力”(fluid intelligence)相似。实际上，分析智力指的是使思维适应新的认知问题的能力。分析智力测试一般采用的是瑞文渐进推理测验，因为这个测验有较高的信度和效度，对个体智力的预测也较好。更为重要的是，有许多理论和研究表明工作记忆在解决推理问题中起着重要的作用，因此有许多研究者利用此测验研究工作记忆在推理中的作用。

     Carpenter,Just和Shell[2]分析了人们解决瑞文渐进推理测验时的加工过程。结果发现所有和管理子目标的能力。他们根据结果建立了两个模型：FAIRAVEN和BETTERAVEN，表示在测试中“好”与“极好”之间的差异。两个模型的差别是：其一，BETTERAVEN有能力比FAIRAVEN产生更多的抽象关系；其二，BETTERAVEN有能力在工作记忆中管理许多个子目标，因而能够解决更为复杂的问题。Salthouse[3]研究了工作记忆对成人认知推理中被试表现出的共同的加工特征是一种渐进的编码策略，唯一不同的是产生抽象关系的数目的年龄上差异的影响。被试年龄从18岁到80岁，一般来说，年轻人的工作记忆能力要好于老年人。在认知任务中工作记忆低水平者表现差，因为他们不能成功地保持信息，正确率也低，而高水平工作记忆者则能保持更多的信息并且对此进行加工，推理出正确的结果，因而正确率高。而且，还发现推理探测再认测试与工作记忆的测量和认知操作都有相关，因此，工作记忆影响推理的方式之一是影响了加工过程中信息的保持，有限的信息保持能力是引起年龄差异的主要原因之一。我们可以把推理测验的加工过程分成三个步骤：首先，工作记忆要保持信息，决定各单元图形的相同和不同之处；随后利用这些信息决定各单元图形的关系，保持这些信息并将其联结起来协调各行和各列的关系，决定选择哪一项。可以看出，在推理中工作记忆不仅保持信息，而且为加工操作提供能量资源。在推理中工作记忆起着重要作用，它是推理的核心。

     Larson等人在1988和1989年发现工作记忆和推理存在中等程度的相关(0.30～0.59)。1990年，Kyllonen和Christal对大量新招募的美国空军飞行员进行了传统的标准智力测验的测量(瑞文渐进推理测试)，同时也进行了工作记忆测验，他们发现两类测验之间有非常高的相关，但智力测验更多地倾向于过去的知识，而工作记忆更容易受加工速度的影响。1991年，Christal在工作记忆测量和标准的美国空军测验的基础上，预测新兵学习逻辑门电路(Logic gates)课程的成绩。结果发现工作记忆提供了更好的预测，而且工作记忆比传统的推理测验(美国空军测验)更少受教育和文化的影响。工作记忆中的差异也反映在推理中的性别差异上，Halpern[4]发现男性在视觉空间工作记忆、运动技能、时空反应等能力上优于女性，而女性在运用语言和意义信息的能力上优于男性。Howe等人[5]研究了不同工作记忆能力和记忆负荷的不同对类别包含(class-inclusion)加工的影响，结果发现在两种条件下推理结果有类似的效应，特别是当记忆负荷增加或工作记忆阅读广度降低时，推理策略的复杂性就降低。因此，工作记忆中存在的差异和推理之间的关系似乎对于心理测量有着巨大的应用价值，也许在将来对工作记忆的测量可以代替我们现在所用的智力测验。

     2工作记忆和各类推理的关系

     以上的研究结果表明工作记忆和推理有密切的关系，但到底工作记忆的哪些成分在推理中起作用呢？

     关于如何解决推理有两种重要理论[6]：一种是以推理的形式规则为基础的理论，主张演绎推理是一种类似逻辑证据的语法过程，运用规则从前提表征中推导出结论。另一种是心理模型理论，认为演绎推理是一种类似搜寻反例的语义过程，它把命题的表征看成是某种加工的输入，人们根据这种加工建立起与言语所描述的情境相符合的心理模型。理论方法不同，在解决推理问题中所采用的策略就不同。

     根据工作记忆系统的概念，研究工作记忆各成分和推理之间关系一般所采用的是“双重任务”(dual-task)实验范式。双重任务指的是同时进行两种任务，一个是推理任务，另一个是可以干扰工作记忆各成分的任务，称之为次级任务(secondary task)。干扰中央执行系统的活动是要求被试随机产生字母或数字，或者利用声音吸引被试的注意并做出相应行动；干扰语音环路采取的方法是要求被试不断地发音，例如the,the……或者按一定顺序数数，比如按1,3,6,8顺序数数等；对视觉空间初步加工系统干扰任务是持续的空间活动，比如被试不看键盘，按一定顺序盲打。所有的次级任务都要保证一定的速率和正确率，并且与推理任务同时进行。双重任务的原理是两个任务同时竞争同一有限的资源。例如对语音环路的干扰使得推理任务和次级任务同时占用工作记忆子系统语音环路的有限资源，在这种条件下如果推理的正确率下降，时间延长，我们就可以确定语音环路参与了推理过程。有一系列的研究[7-10]表明次级任务对工作记忆各成分的干扰是有效的。在实验中，一般会有一个控制组，只进行推理任务，这是为了跟其它三个双重任务实验组进行比较。一般测量的实验指标是推理的正确率和推理的时间。利用这种实验范式，人们进行了大量的研究工作。下面分五个方面来说明各类推理和工作记忆各成分的关系。

     2.1工作记忆和条件化推理

     1981年Evans和Brooks利用双重任务实验范式研究了条件化推理中工作记忆的作用，结果发现语音环路和中央执行系统都没有参与推理过程。他们认为同时进行的记忆负荷任务(干扰中央执行系统)延长了问题解决的时间，但推理问题的难度比较简单，因此次级任务和推理任务没有竞争同一有限资源，因而没有对推理造成影响。Toms,Morris和Ward[11]研究了工作记忆在条件化推理中的作用。结果发现条件化推理需要抽象的工作记忆心理表征作为中介，而不是影像或言语的表征。这个过程不需要视空加工系统或者语音环路的参与，只有中央执行系统在起作用。实验还说明工作记忆资源的运用在决定问题难度时是一个重要因素，不同的问题类型所要利用的工作记忆资源是不同的。Toms等人的实验中存在一个问题：只检验了推理任务结果，被试可能出现次级任务和推理任务之间的权衡。针对这一情况，Klauer等人对条件化推理重新进行了研究。结果发现：中央执行系统肯定参与了推理过程，而语音环路和视觉空间系统较少参与。研究者认为被试在条件化推理中使用的策略是符合心理模型理论，策略不同，对记忆的负荷就不同，运用类似心理模型的策略对视觉空间系统没有造成负荷，因而视觉空间加工系统没有参与条件化推理。因此，以上研究表明，在条件化推理中，中央执行系统起着重要作用。

     2.2工作记忆和演绎推理

     关于人们如何进行演绎推理仍无一致的结论，有很多人认为工作记忆的负荷是一个重要的因素。Gilhooly,Logie,Wetherick和Wynn[12]研究了演绎推理和工作记忆。实验一发现呈现句子的方式会影响演绎推理的正确率，在视觉方式下的正确率比听觉方式时高，这是因为视觉方式对记忆的负荷低于听觉方式。实验二采用的是双重实验范式和视觉同时呈现句子的条件下，发现当有记忆负荷，即对中央执行系统进行干扰的情况下，演绎推理最容易受到影响和损害，次之是语音环路，视空加工系统最少参与。这表明在演绎推理中的表征是一种更为抽象的形式，符合推理的心理模型理论，导致了中央执行系统参与了推理活动。有可能语音环路也起了作用，因为与推理任务同时进行的语音活动减慢了，表明两种任务可能在竞争同一有限资源。在此实验中，Gilhooly等人发现被试在演绎推理中可能运用一系列的策略，可以根据推理结果来推测被试使用的哪种策略。次级任务不同，被试使用的策略也可能不同，其对记忆的负荷也就不同；增加任务的负荷也会引起策略的变化，因为变化策略后对记忆的负荷也就降低了。1998年Gilhooly等人又用序列视觉呈现句子的方式采用双重任务实验范式研究工作记忆各成分和演绎推理的关系。序列呈现句子的方式比同时呈现句子的方式要求更多的储存空间。结果发现视觉空间系统和语音环路都参与了演绎推理，而且中央执行系统仍然在其中起着重要的作用。从以上结果可以得出结论，无论是序列呈现方式还是同时呈现方式，中央执行系统都参与了演绎推理；当记忆负荷增加时，有可能视觉空间系统和语音环路也参与推理过程。

     2.3工作记忆和线性推理

     Vandierendonck等[13]研究了线性推理和工作记忆的关系。在线性推理过程中要区分两个过程，一是句子的加工过程，二是结果推理过程。首先给被试序列呈现各个前提句。要求被试阅读和理解句子并保持信息。以前的一些实验研究[14]表明阅读简单的句子不需要语音环路的参与，至少声音抑制的程度没有对简单句子的阅读产生影响。根据推理的心理模型理论，在加工中要形成句子的一个或多个心理表征，以此为基础进行推理。所有的句子呈现完毕后，呈现要求被试回答的问题和选项，这时就进入了结果推理过程，可能工作记忆的三个成分都参与了该过程。在进行推理任务的同时有次级任务分别来干扰推理任务，直至推理任务结束。实验中采用的线性推理问题有三类，分别是一个、两个和三个模型问题，要正确的推理必须建立一个、两个或三个空间模型。比如两个模型的问题，前提句子有三个：吉它在提琴的右边；钢琴在吉它的左边；吉它在手风琴的左边。那么这四种乐器的顺序有两种，为“钢琴、提琴、吉它、手风琴”或“提琴、钢琴、吉它、手风琴”。一个模型和三个模型问题与此类似。这三种类型问题的难度依次增大，利用的工作记忆资源也增多。实验结果：①正确率。控制组和三个实验组都达到了显著差异，表明三个成分都可能参与了线性推理过程，而且声音干扰的程度强于视空干扰和中央执行系统干扰。②句子的加工时间。从被试阅读句子的时间来看，只有在视空干扰和中央执行系统干扰条件下的时间显著长于控制组，而语音干扰组的时间短于控制组。表明声音的干扰对于被试理解和保持句子信息没有影响，而视空干扰和中央执行系统干扰对其有很大影响。心理表征可能是视觉空间编码形式，有一些研究也表明线性推理中建立的心理表征是空间形式的模型。中央执行系统可能起着控制过程的作用。③推理所要求的模型数目越多，推理难度越大，推理的正确率降低。这说明推理越复杂，对工作记忆的要求越高，推理就差。综合以上三点，可以得出结论：在句子加工过程中，只有视觉空间系统和中央执行系统参与，语音环路没有参加，它只是参与了结果推理过程。

     2.4工作记忆和TOL任务

     TOL(Tower of London)是用来评价执行功能的任务之一，它是河内塔任务的变式，有初始状态和目标状态。要求被试一步步移动盘子，达到目标状态，这种任务测试的是人的计划能力。要求被试首先在心里想移动的步骤，然后尽快执行。在TOL任务中，计划、保持信息、执行计划等，都对工作记忆的资源有要求。有许多人认为视觉空间记忆在TOL任务中起着重要作用，因为在任务中要将计划言语化比较困难，因此人们自然采用了视觉化的方式。Morris[15]等人则坚持认为言语复述参与了TOL任务，他们在病人和正常人脑活动的研究中发现左半球参与了任务，病人的缺陷表现在左额叶，正常人的左半球额叶活动显著高于右半球额叶，大脑左半球负责语言。由此，他们认为在TOL任务解决中，采取的方式是言语的计划和复述。Phillps[16]等人利用双重实验范式研究了工作记忆在TOL中的作用。结果表明TOL中央执行系统最多地参与了此过程，视觉空间系统处于中间，而语音环路参与最少。

     2.5总结

     从以上研究总结出影响实验结果的因素有：①推理任务。②记忆负荷。在不同的推理任务中或者不同的记忆负荷下，工作记忆参与推进过程的成分就不一样，参与的程度也不同。目前研究发现可以改变记忆负荷的方式有：呈现方式，比如听觉、视觉(同时呈现和序列呈现)对记忆的负荷就不同；次级任务，比如随机产生和按固定模式产生数字对记忆资源的要求就不同；推理策略，比如逻辑策略和猜测策略对记忆的负荷要求就不同；任务难度，难度不同，要求建立的心理表征的数目不同，记忆负荷就不同。研究最多的是关于各推理任务对结果的影响，其它因素都有待于进一步研究。

     3神经心理学在工作记忆和推理方面的研究

     研究分为两类：一类是关于病人的研究。对病人的研究发现：额叶受损，推理时的执行功能受到损害。因为推理是一个复杂的过程，在临床上发现许多不同的病因中也存在推理上的障碍，比如精神分裂症，阿尔采莫氏症等等。关于病人的研究集中在额叶与推理的关系上，许多研究者认为额叶与信息的组织和部署有很大的关系，病人表现出的是执行功能的缺陷。前额叶皮质似乎执行着中央执行器的功能，有一些前额叶受损的病人通常在工作记忆中表现出严重的执行功能障碍，比如不能计划和组织，注意力容易分散，注意力不能转移等。

     另一类是关于正常人的研究。1997年，Gabriei及其同事运用功能性核磁共振成象技术在被试解决瑞文渐进推理测验时扫描他们的脑区。他们发现额叶、顶叶和颞叶皮层的一些脑区都有活动，可能空间、客体和言语工作记忆引发了许多脑区的活动，似乎推理是工作记忆能力的总和。Wickelgren[17]提到额叶皮质与产生工作记忆有密切关系，工作记忆要求各分散脑区协同工作，对客体、位置或词汇进行精确的加工。近来又发现前额叶皮质与高级的功能如记忆和学习有关，这个区域不仅在工作记忆中保存信息，而且在高级的推理活动中协调各感觉区域的活动。在推理任务中，需要被试阅读理解句子并保持信息，要形成心理表征并进行推理加工，可能需要多个脑区的参与，要确定具体脑区需要更进一步的研究。

     综上所述，工作记忆与推理关系密切，工作记忆在推理中基本上有两个作用：一是保持信息；二是在工作记忆中形成初步的心理表征，中央执行系统的表征形式比两个子系统更为抽象一些。额叶和前额叶在推理中可能起着重要的作用，工作记忆是推理的核心，推理是工作记忆能力的总和。关于这方面的研究取得了一定的进展，但许多问题尚未清楚且有许多争论存在，在实验手段和实验方法上也还存在许多缺陷。未来的研究应该将行为方面的研究和神经心理方向上的研究结合起来，可能会得到更有意义的结果。

     参考文献：[1] Baddeley A D.Working memory.Science,1992,255:556-559.[2] Carpenter P A,Just M A,Shell P.What one intelligence test measures:A theoretical account of the processing in the Raven Progressive Matrices Test.Psychological Review,1990,97(3):404-431.[3] Salthouse T A.Influence of working memory on adult age differences in matrix reasoning.British Joumal of Psychology,1993,84:171-199.[4] Halpem D F.Sex differences in intelligence:implications for education.The American Psychologist,1997,52(10):1091-1102.[5] Howe M L,Rabinowitz F M.Individual differences in working memory and reasoning -remembering relationship in solving classinclusion problems.Memory and Cogniton,1998,26(5):1089-1101.[6] Johnson-Laird P N.认知神经科学。上海教育出版社，1998.683-695.[7] Farmer E W,Berman J V F,Fletcher Y L.Evidence for a visuo-spatial scratch-pad in working memory:The Quarterly Joumal of Experimental Psychology,1986,38A:675-688.[8] Baddeley A D,Lewis V J,Vallar G Exploring the articulatory loop.The Quarterly Joumal of Experimental Psychology,1984,36:233-252.[9] Logie R H,Zucco G M,Baddeley A D.Interference with visual short-term memory.Acta Psychologica,1990,75:55-74.[10] Sims V,Hegarty M.Mental animation in the visuospatial sketchpad:Evidence from dual-task studies.Memory and Cognition,1997,25(3):321-332.[11] Toms M,Morris N,Ward D.Working memory and conditional reasoning.The Quarterly Journal of Experimental Psychology,1993,46A:679-699.[12] Gilhooly K J,Logie R H,Wetherick N E,Wynn V.Working memory and strategies in syllogistic reasoning tasks.Memory and Cognition,1993,21:115-124.[13] Vandierendonck A,Vooght G D.Working memory constraints on linear reasoning with spaitial and temporal contents.The Quarterly Joumal of Experimental Psychology,1997,50A(4):803-820.[14] Gathercole S E,Baddeley A D.Working memory and language.Hove:Lawrence Erlbaum Associates Ltd,1993.206-211.[15] Morris R G,Ahmed S,Syed G M,Toone B K.Neural correlates of planning ability:Frontal lobe activation during the Tower of London test.Neuropsychologia,1993,31:1367-1378.[16] Phillips L H,Wynn V,Gilhooly K J,Della Sala S,Logie R H.The role of memory in the Tower of London task.Memory,1999,7(2):209=231.[17] Wickelgren I.Getting a grasp on working memory.Science,1997,275:1580.

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