類比推理的眼動研究：揭示個體類比推理策略發(fā)展的有效手段

/類比推理的眼動研究：揭示個體類比推理策略發(fā)展的有效手段【摘要】近年來，研究者利用眼動技術(shù)具有高時間精度的優(yōu)勢，探明不同年齡群體完成類比推理過程的眼動模式特點并得出其在進行類比推理時所使用的策略。基于類比推理的眼動研究發(fā)現(xiàn)了三種典型的類比推理策略——項目優(yōu)先策略、結(jié)構(gòu)匹配策略和語義限制策略。成人更多表現(xiàn)為項目優(yōu)先策略，兒童更多表現(xiàn)為語義限制策略。未來研究可以優(yōu)化類比推理眼動指標，尤其是全局掃視路徑的計算方法，并重點關(guān)注特殊群體的類比推理眼動模式以及關(guān)注類比推理策略與其他認知能力的交互作用。 1前言 類比推理(analogicalreasoning)作為抽象邏輯思維的一種重要形式，指在某種情景或領(lǐng)域中先前獲得的有關(guān)問題(源問題)解決方法的知識向另一個情景或領(lǐng)域問題(靶問題)的遷移(Gentner，1988；Holyoak，2012)。類比推理賦予了人類在未經(jīng)歷過的復雜情況下進行推斷和學習的能力，被認為是人類認知發(fā)展的“驅(qū)動力”(Rattermann&Genter，1998)，是人類智能的主要載體之一(Hofstaster，2001；Holyoak，2012)。從個體的嬰兒時期開始，類比推理能力就發(fā)揮著重要的作用。類比推理可以幫助嬰兒適應(yīng)環(huán)境(Gentner，2010)，預測學齡前兒童的學習效能(Chiu&Alexander，2014)，與學齡兒童數(shù)學等科學課程的學習息息相關(guān)(Richland&McDonough，2010；Zhengetal.，2008)，甚至可以預測個體之后的學業(yè)和專業(yè)成就(Kunceletal.，2004)。所以，類比推理一直是研究者比較關(guān)注的研究領(lǐng)域。 在過去的數(shù)十年里，研究者多從行為研究的角度探究類比推理的發(fā)展特點及影響因素(Choetal.，2007；Chuderska&Chuderski，2014；Richland&Burchinal，2013；李紅，馮廷勇，2002；張莉等，2010)，但單一的行為數(shù)據(jù)維度不足以描述個體完成類比推理的具體過程。例如，工作記憶能力不足的個體和抑制控制能力不足的個體完成類比推理任務(wù)時的行為數(shù)據(jù)指標是類似的(如，正確率低于正常個體，反應(yīng)時高于正常個體)。研究者們近來利用眼動技術(shù)深入探究兩種個體完成類比推理過程，發(fā)現(xiàn)工作記憶能力不足的被試在“編碼”階段不能夠很好地加工類比情景中的源物體和靶物體之間的聯(lián)系，會在源物體和靶物體上花費更多時間(陳逸群等，2020；汪夏，陳向陽，2012)；而抑制控制能力不足的被試在“映射”階段不能夠很好地抑制其他刺激的干擾，會在知覺干擾和其他選項中花費更多的時間(Starretal.，2018；Thibaut&French，2016)。行為層面的結(jié)果數(shù)據(jù)無法揭示個體在不同類比推理階段的具體表現(xiàn)，更難以探明不同群體類比推理模式的差異。 眼動技術(shù)可以很好地把這種行為指標上無顯著差異，但實質(zhì)在不同類比階段具有差異的類比推理模式區(qū)分開，并且能夠獲得個體在類比推理過程中的直接信息。眼動技術(shù)應(yīng)用于類比推理領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢及特點：首先，眼動技術(shù)具有高時間精度的特點(Rayner，1979)，可以細微準確地揭示類比推理的時間進程問題。類比推理過程由編碼、推理、映射、應(yīng)用、調(diào)整和反應(yīng)六個階段組成(Sternberg，1977)，行為研究數(shù)據(jù)大多只能得到有關(guān)“推理”和“映射”兩個階段的結(jié)果(Gordon&Moser，2007)，但眼動技術(shù)憑借其收集到的數(shù)據(jù)貫穿整個類比推理過程的特性，能夠為類比推理的其他階段分析提供數(shù)據(jù)。例如，可以將被試完成類比推理任務(wù)全程的眼動數(shù)據(jù)按時間順序分為“前時間片段(slice1)”、“中時間片段(slice2)”、“后時間片段(slice3)”。“前時間片段”的眼動模式為“編碼”和“推理”過程提供客觀數(shù)據(jù)；“中時間片段”的眼動模式為“映射”和“應(yīng)用”過程提供客觀數(shù)據(jù)；而“后時間片段”的眼動模式更多體現(xiàn)的是被試“調(diào)整”和“反應(yīng)”過程(Thibaut&French，2016)。其次，眼動數(shù)據(jù)可以揭示個體類比推理表現(xiàn)更深層次的原因。例如，行為研究只能揭示相比成人，兒童在類比推理過程中更容易受到分心或干擾的影響(Gentner&Medina，1998；Richlandetal.，2006；Simmsetal.，2018；馬曉清等，2008)，但是眼動技術(shù)可以深入探明相比成人，兒童具體是在類比推理的哪個階段(早期編碼階段還是后期決策階段)受到分心或干擾的影響而造成類比推理表現(xiàn)變差(Thibaut&French，2016；Thibautetal.，2011)。最后，眼動技術(shù)可以突破傳統(tǒng)行為研究在測量過程中的局限。具體來說，行為研究以幼兒或特殊兒童群體為被試時，只能以紙質(zhì)測驗的形式采用事后回溯或提問的方式推斷被試解決類比推理問題策略(Richlandetal.，2006)。但眼動技術(shù)可以通過計算機記錄個體在加工類比推理問題時的實時眼動模式(如對不同物體的注視順序及時間)直接得到個體的類推策略，無需被試進行刻意的按鍵或口頭報告等行為反應(yīng)。眼動技術(shù)不僅可以優(yōu)化測量環(huán)節(jié)，而且使結(jié)果更為直觀和準確。 2類比推理眼動研究的常用范式及指標 目前有兩種不同的范式被用于類比推理的眼動研究——情景類比推理任務(wù)(Gordon&Moser，2007；Frenchetal.，2016)和經(jīng)典的A∶B∶∶C∶D類比推理任務(wù)(Thibaut&French，2016；Vendettietal.，2017；Whitakeretal.，2017)。情景類比推理任務(wù)如圖1a，上圖表示源情景，由兩個物體的一層關(guān)系組成(如“貓追老鼠”)，其中源物體用箭頭表示(如“貓”)。下圖表示靶情景，由五個物體組成，其中兩個物體組成和源情景相同的關(guān)系(如“男孩追女孩”)，其余三個物體一個與源情景中的某個物體構(gòu)成知覺或語義干擾(如“鳥”)，另外兩個是與核心類比關(guān)系無關(guān)的物體(如“房子”和“球”)。要求被試從靶情景中選擇一個和源物體具有相同關(guān)系的物體。研究者可以通過改變情境關(guān)系復雜性、增減場景元素或改變干擾選項性質(zhì)探究成人和兒童完成情境類比推理任務(wù)的表現(xiàn)及其影響因素(Richlandetal.，2006)。采用該范式的眼動研究者會事先畫好情景中各個物體的興趣區(qū)，分析被試在不同時間進程內(nèi)對各個興趣區(qū)的注視情況及興趣間的掃視情況來分析被試完成類比推理的特點，或是進行不同年齡群體的類比推理眼動模式的對比分析。 經(jīng)典的A∶B∶∶C∶D類比推理任務(wù)如圖1b，上行呈現(xiàn)的是一組未完成類比推理問題，由A、B、C和一張空白圖片組成，下行呈現(xiàn)的是四張選項圖片(一張目標圖片T，一張干擾圖片S，兩張無關(guān)圖片U)。要求被試根據(jù)A和B的關(guān)系(如“兒童睡在床上”)，從下行四張選項圖片中選擇一張與C圖片進行匹配并作為空白處的答案(正確答案應(yīng)是“貓睡在枕頭上”，“老鼠”為語義干擾圖片S，“拖鞋”和“吉他”為無關(guān)圖片U)。該研究范式可以通過操縱A和B的類比推理關(guān)系遠近及難易程度(Andrews&Bohadana，2017；Vendettietal.，2014)或是干擾選項的性質(zhì)(Vendettietal.，2017)深入探究類比推理的影響因素。該任務(wù)范式用于眼動研究時，每張圖片為一個興趣區(qū)，便于研究者分析被試在各個興趣區(qū)的注視情況及興趣間的掃視情況。 兩種研究范式得到有關(guān)類比推理的發(fā)展特點是類似的(Gladyetal.，2014)。由于經(jīng)典的A∶B∶∶C∶D類任務(wù)具備“適用年齡群體廣”、“可通過設(shè)置選項性質(zhì)來操縱任務(wù)中的干擾類型”、“便于設(shè)置興趣區(qū)”等優(yōu)點，近幾年類比推理的眼動研究采用經(jīng)典的A∶B∶∶C∶D類任務(wù)更多一些。相比行為指標揭示的有限結(jié)果，目前的眼動研究采用這兩個類比范式已經(jīng)探明了兒童和成人解決類比推理問題時使用的類比策略是存在差異的(Starretal.，2018；Vendetti，etal.，2017)，并揭示了兒童類比表現(xiàn)不足主要是因為類比初期編碼階段對源物體間的關(guān)系加工不足且在后期反應(yīng)和調(diào)整階段對項目的掃視監(jiān)控不足(Thibaut&French，2016)。 近年來的眼動研究以上述兩種類比任務(wù)為實驗材料，主要關(guān)注不同年齡群體在類比推理過程中對每個項目(如，A，B，C，T等)的注視情況、項目間(如，A-B，A-C，C-T等)的眼跳情況以及整體掃視路徑等眼動指標。具體來說，個體對各項目的注視情況代表個體對項目的辨識、理解和分析程度，個體在項目之間的眼跳掃視情況反映個體的信息搜索行為。例如，個體對A、B物體的注視及A-B間掃視代表對個體對源物體及其關(guān)系的加工理解程度；個體對C物體及選項的注視和掃視反映了個體的答案搜索行為(Thibaut&French，2016)。研究表明，成人和兒童在類比推理過程中對不同項目的注視時間、項目間的眼跳模式均不同(French&Thibaut，2014；Gordon&Moser，2007；Thibautetal.，2011)。Thibaut等人(2011)對比5歲、8歲兒童和成人完成含有語義干擾的A∶B∶∶C∶D類比推理任務(wù)的眼動模式發(fā)現(xiàn)，成人會更多地注視A項目和B項目以及在AB之間來回掃視，然后再去注視C項目，并在C項目和選項間的來回掃視。兒童與此相反，兒童會優(yōu)先關(guān)注C項目及各個選項，不斷地在C項目和各個選項中來回掃視，而更少關(guān)注A項目和B項目。隨后的研究者(Vendettietal.，2017)探究成人完成既包含語義干擾又包含知覺干擾的A∶B∶∶C∶D類比推理任務(wù)的眼動模式發(fā)現(xiàn)，成人仍然是首先較多注視A物體和B物體及在AB之間來回掃視，但是轉(zhuǎn)向四個選項時會首先關(guān)注知覺干擾選項而非語義干擾或目標選項。 單個項目的注視及項目間的眼跳只能反映被試在類比推理過程中的局部動態(tài)視覺搜索情況，近年來，研究者試圖揭示不同年齡群體完成類比過程的全局掃視路徑以全面揭示被試在類推過程中的動態(tài)眼動信息。Glady等人(2014)提出了一套新的眼動路徑分析方法，他們改進Jarodska等人(2010)的路徑比較算法，將全局的掃視路徑簡化為關(guān)鍵點的眼跳向量，然后將不同被試的掃視路徑的眼跳向量描繪在二維散點圖中，通過散點圖的分布得到不同掃視路徑的相似度和差異度。他們基于這套算法比較了6歲兒童和成人完成情景類比任務(wù)和A∶B∶∶C∶D類比任務(wù)的眼動模式，發(fā)現(xiàn)每個年齡群體完成兩種不同的類比推理任務(wù)的眼動路徑表現(xiàn)出一致性；但是兒童的二維散點圖比成人的更分散，這也表明了兒童和成人完成類比推理任務(wù)的掃視路徑的差異。 圖1類比推理情景任務(wù)和經(jīng)典A∶B∶∶C∶D類比推理任務(wù)舉例 3基于眼動模式的成人與兒童類比推理策略比較 類比推理眼動研究的早期探索已經(jīng)揭示了兒童和成人完成類比任務(wù)時，在項目的注視情況、項目間的眼跳情況甚至全局掃視路徑都有差異，但這些研究結(jié)果多為描述性的眼動模式結(jié)果，研究者試圖基于兒童或成人眼動模式推斷出其深層的類推策略的差異，并關(guān)注是否可以通過兒童或成人眼動模式表現(xiàn)出的類比推理策略預測其完成類比推理任務(wù)的正確率(Starretal.，2018；Vendettietal.，2017)。 目前，研究者利用眼動技術(shù)提出了三種常用的解決類比推理問題的策略——項目優(yōu)先策略(project-firststrategy)、結(jié)構(gòu)匹配策略(structure-mappingstrategy)和語義限制策略(semantic-constraintstrategy)(圖2)。以“手套∶手∶∶襪子∶腳”為例，A項目指“手套”，B項目指“手”，C項目指“襪子”，D項目指“腳”。個體若采用項目優(yōu)先策略(Hummel&Holyoak，1997)，則會優(yōu)先關(guān)注A項目、B項目以及在AB之間來回掃視，然后再注視C項目和目標，為尋找與C項目匹配的選項縮短搜尋空間。即個體會首先明確“手套”和“手”的關(guān)系(如“手套”讓“手”更暖和)，然后再明確和匹配“手套”和“襪子”之間的關(guān)系(如它們都屬于保暖類衣物)，匹配了兩個領(lǐng)域的關(guān)系后，個體就會應(yīng)用“手套”和“手”的相似規(guī)則產(chǎn)生“腳”的答案(如“襪子”讓“腳”更暖和)。結(jié)構(gòu)匹配策略則是假定知識是有結(jié)構(gòu)層級的，類比推理問題可以通過匹配一個物體到另一個物體的結(jié)構(gòu)表征映射來完成(Markman&Gentner，1993)。如果個體采用結(jié)構(gòu)匹配策略，則會首先注視A項目、C項目，然后在AC之間來回眼跳，然后再注視B項目和目標，試圖尋找類比問題的答案。同樣以“手套∶手∶∶襪子∶腳”為例，個體則會首先匹配“手套”和“襪子”，產(chǎn)生很多種可能性，然后再根據(jù)“手”(B項目)推斷“腳”(D項目)。所以，項目優(yōu)先策略是一種自上而下的策略，結(jié)構(gòu)匹配策略是一種自下而上的策略。語義限制策略最早由Leech等人(2008)提出，是指個體在類比推理過程中首先關(guān)注C項目和反應(yīng)選項，不斷地在C項目和干擾選項中來回掃視，試圖尋找與C項目匹配的選項。在“手套∶手∶∶襪子∶腳”例子中，被試的搜索空間會只局限于“襪子”，而不優(yōu)先注視“手套”和“手”。語義限制策略是被認為不夠成熟有效的策略，尤其是當類比推理關(guān)系復雜性超過個體的工作記憶容量時，個體會選擇這種認知負擔小的類比推理策略。 圖2基于眼動模式發(fā)現(xiàn)的三種典型的類比推理策略 目前有兩種方法可以基于眼動模式得出個體解決類比推理問題所采用的具體策略。一種方式是將被試解決每一個類比推理問題時長按時間順序平均分為三份(Thibaut&French，2016)，然后對個體完成所有類比推理問題的每一份時長進行加和平均，關(guān)注被試在三段時間內(nèi)的不同興趣區(qū)的注視點情況及興趣區(qū)間的掃視情況。French和Thibaut(2014)將兒童和成人完成A∶B∶∶C∶D類比推理任務(wù)的眼動模式按時間進程平均分為“前時間片段”、“中時間片段”、“后時間片段”，發(fā)現(xiàn)個體在“前時間片段”的眼動模式對于其完成類比推理任務(wù)的正確率有64%的預測率，個體在“中時間片段”的眼動模式可達82%的預測率，個體在“后時間片段”的眼動模式高達90%的預測率。隨后，Thibaut和French(2016)進一步比較5歲兒童、8歲兒童、青少年及成人完成含有語義干擾選項的A∶B∶∶C∶D類比任務(wù)在三個時間片段的眼動模式，發(fā)現(xiàn)青少年和成人在“前時間片段”時更多關(guān)注A項目和B項目，并在AB間來回掃視，在“中時間片段”時更多關(guān)注C項目、正確目標選項及語義干擾選項，在“后時間片段”時更多關(guān)注C項目和正確目標選項，這符合項目優(yōu)先策略。但是5歲和8歲兒童在“前時間片段”時會優(yōu)先關(guān)注C項目，而非A項目和B項目，在“中時間片段”和“后時間片段”時，兒童仍對C項目與正確目標選項及C項目與語義干擾選項中不斷掃視，呈現(xiàn)出語義限制策略的特點。此外，相比5歲和8歲兒童，青少年和成人在“后時間片段”時都對A項目及B項目有較多的回視，說明青少年和成人對自己的類比過程有更密切的監(jiān)控能力。這些研究結(jié)果都說明細致劃分眼動時間進程的方法不僅可以有效地預測其類比推理表現(xiàn)，還可以揭示被試在類比推理不同階段所采用的類比推理策略。 Vendetti及其同事發(fā)展出一套更為量化的計算類比推理策略的公式，他們根據(jù)被試在類比推理任務(wù)中對不同興趣區(qū)的注視情況及興趣區(qū)間的注視順序計算出被試完成類比推理任務(wù)的類推策略(Starretal.，2018；Vendettietal.，2017)。他們的理論假設(shè)是：發(fā)生越早且注視時間越長的注視點占權(quán)重越大。每一個注視點的計算分數(shù)是該注視點的持續(xù)時間與其位置倒數(shù)的乘積。具體來說，如圖3，公式1表示的是項目優(yōu)先策略的計算法方法，公式2表示的是結(jié)構(gòu)匹配策略的計算方法，公式3表示的是語義限制策略的計算方法。公式中的“分數(shù)某興趣區(qū)的首次注視點”指的是第一次注視該興趣區(qū)注視點(但在整個眼動序列中并不一定是第一個)的時長與其位置倒數(shù)的乘積；“分數(shù)AB興趣區(qū)間掃視”指的是由A興趣區(qū)轉(zhuǎn)移到B興趣區(qū)的注視點時長與其位置倒數(shù)的乘積，其他式子以此類推。公式中T、S、P、U分別指“目標選項”、“和C選項具有語義關(guān)聯(lián)的選項”、“和C選項具有知覺干擾的選項”以及“無關(guān)選項”。由于類比推理的過程非常復雜，需要經(jīng)歷“編碼”、“推理”、“映射”、“應(yīng)用”和“調(diào)整”多個階段，所以被試在解決類比推理問題時不會局限于某一種策略，而是會采用多個類推策略。Vendetti團隊判定被試完成每個類比推理試次所用策略的方法是：根據(jù)被試的眼動數(shù)據(jù)，計算每個試次三種策略公式的分數(shù)，哪種策略分數(shù)最高就判定被試完成本試次采用哪種策略。最后得到被試完成全部的類比推理任務(wù)采用三種類比推理策略的比例。 研究者采用這種類推策略的計算方法，結(jié)合兒童和成人完成A∶B∶∶C∶D任務(wù)的眼動模式發(fā)現(xiàn)，成人使用項目優(yōu)先策略的試次中注視知覺干擾選項和正確目標選項的概率是沒有差異的。成人使用結(jié)構(gòu)匹配策略的試次時會較多注視知覺干擾選項，即易受到知覺干擾的影響。成人使用語義限制策略時對語義干擾選項的注視比例會增加。更重要的是，成人使用項目優(yōu)先策略比例越大，被試完成類比推理任務(wù)的正確率越高；使用語義限制策略比例越高，個體的類比推理表現(xiàn)就越差；而結(jié)構(gòu)匹配策略的比例不能預測個體完成類比推理任務(wù)的正確率(Vendettietal.，2017)。隨后，Starr等人(2018)發(fā)現(xiàn)，相比成人，兒童采用語義限制策略比例更大。并且兒童之間存在較大的個體差異，能夠正確類比的兒童在眼動模式中體現(xiàn)在可以優(yōu)先關(guān)注AB配對，然后再看C項目和選項圖片。他們進一步指出，對于兒童來說，使用更有效的類比推理策略比抑制無關(guān)信息更能有效完成類比推理任務(wù)(Starretal.，2018)。 上述兩種基于眼動數(shù)據(jù)劃分類比推理策略的方法都被證明是有效的，并且研究所得結(jié)果有很多一致的地方，比如兒童會對C選項給予更多的關(guān)注，而成人則會對A和B選項給予更多的關(guān)注。這兩種方法在使用中各有利弊：時間進程的劃分方法更為直觀，可以直接看到被試在類比推理不同時間進程的眼動模式變化，不過由于不同被試完成同一個類比推理任務(wù)的時間不完全相同，所以要將每位被試的每個類比推理試次的眼動時間進程平均劃分三份，然后再把所有試次的同一個時間段內(nèi)，對各個項目的注視情況進行加和平均，數(shù)據(jù)處理相對繁瑣。相比之下，公式計算方法更為量化和簡便，但是由于公式計算方法對不同注視時間先后不同的注視點賦予的權(quán)重不同，研究者也未建立一套對注視點發(fā)生先后的量化標準，也具有一定的主觀性。未來研究可以將兩種方法結(jié)合使用，通過公式計算方法得到個體加工類比推理問題的策略，通過劃分時間進程的方法得到個體在類比推理不同階段的具體眼動模式，較為全面地揭示個體的類比推理的眼動過程及策略。 4總結(jié)與展望 近年來，研究者以兒童或成人為被試，對類比推理的眼動模式及眼動策略進行了研究。發(fā)現(xiàn)兒童和成人在類比推理過程