儿童认知发展的两种新理论解释框架

  • 投稿胡杨
  • 更新时间2015-09-07
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孙崇勇

(吉林师范大学教育科学学院,四平 136000;吉林师范大学心理研究所,四平 136000)

[摘要]传统的认知发展理论不足以完全解释儿童的认知发展,需要借助于新的理论解释框架。神经建构主义主要是通过分析神经活动类型的生物制约来解释认知发展变化的机制,在对认知发展的解释中比较强调神经结构与神经活动类型的重要性。新联结主义模型延续了早期模型用神经网络解释认知发展的传统,但在简单循环网络的基础上增加了互动激活网络。该网络既包含下一上加工,又包含上一下加工;其隐含单元既影响输入单元又影响输出单元。分布式表征与分级式表征是联结主义新模型的两大重要特征。

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关键词 ]认知发展;神经建构主义;新联结主义

认知发展理论本质上是一种解释系统,是关于“什么得到发展”的知识。最为全面的认知发展理论是瑞士心理学家皮亚杰的逻辑发展理论。在他的理论中,建构知识的主要因果机制是适应和提炼借助于环境而存在的认知“图示”,儿童建构知识是他与外部世界互动经验的结果。皮亚杰重视个体对周围环境的建构以及发展阶段本身的探讨,但忽视从社会文化的维度来研究认知发展,没有对人类认知过程如何受到社会文化环境和实践活动的影响进行深入探讨。前苏联心理学家维果斯基提出了认知发展的另一种解释性说明。他的理论包含更多的文化视角,强调社会互动在认知发展过程中的关键作用,以及成人在调节儿童的文化知识与支持他们获得文化知识中所扮演的重要角色。维果斯基的认知发展理论可以说在一定程度上弥补了皮亚杰逻辑发展理论的不足,但这两种理论都没有关注大脑生物学方面的变化对认知发展的影响,因此可以说,到目前为止,这些已有的解释框架还不足以完全解释儿童认知发展,需要产生新的理论解释框架。

最近,随着认知神经科学在探索人类认知中取得越来越引人注目的成果,出现了解释大脑如何学习的一种新理论框架,即神经建构主义。这一理论框架覆盖了认知发展的生物学各个方面,诸如伴随着学习大脑物理结构发生的变化,以及大脑的功能组织随之而发生的变化等。另外,联结主义也提出了新的解释框架来思索认知发展。新联结主义的模型是关于复杂认知如概念发展如何从互联网的简单开关节点学习活动中产生的。这些计算机网络与神经网络相似,它们要么能激发动作电位,要么不能。因此,在原则上,联结主义能按照神经网络解释认知发展,而该网络能从“输入”中获悉复杂的结构。本文拟对神经建构主义和新联结主义模型这两种有关儿童认知发展的新解释框架进行描述与讨论,以开阔我们对儿童认知发展的理解。

一、神经建构主义

神经建构主义就是通过分析神经活动类型的生物制约来解释认知发展变化的机制。其中,神经活动类型包含了心理表征,它们影响大脑的发育,并进而会影响给心理表征以支撑的神经基质的发展。在神经建构主义看来,环境体验对于认知发展来说十分重要,因为它们将会改变大脑的“硬件”,促使其心理表征的本质发生变化,这反过来又会促使神经系统经验的更新。神经建构主义主要是建立在“生物制约”概念的基础之上,它们是对认知发展的制约,而不仅仅是对学习的制约。

(一)基因制约

第一种制约来自于基因的生物活动。传统上关于基因功能的观点认为,从基因(DNA)到核糖核酸(RNA),再到蛋白质的结构,只存在单维的因果关系流向。然而,最近的研究揭示,环境与行为的影响在控制基因表达方面具有根本性的作用。基因的活动并不是严格按照事先设定的时间表进行,而是由来自内部与外部环境的各种信号所控制,由神经中枢、个体行为与外部的环境事件所调节。基因自己不能“开”和“关”,必须有信号告诉它们这样做,这些信号产生于细胞的里面、外面,或有机体的外面。为了精确地描述认知发展,必须理解所有这些交互活动。例如,低水平的神经递质5-羟色胺与抑郁密切相关。在猴子身上,母猴与婴儿的5-羟色胺水平是相关的,在不安全的归属感上也是相关的,因此从逻辑上看,低水平的5-羟色胺与异常的母性关心或共享基因应是互相联系的。神经建构主义指出,要充分了解这些交互活动,就有必要解释抑郁等认知发展障碍。从这个意义上说,认知发展来自于基因活动、神经活动以及行为与环境之间的双边互动,环境体验以各种特定的方式影响着基因表达。

(二)细胞制约

神经建构主义界定的第二种制约是“细胞制约”(eJicellment),即神经的发展受到细胞环境的制约。有研究发现,即使是在胎儿发育的最早期,特定细胞的发育都会受到其分子与周围细胞互动的影响。在接下来的发展阶段,神经活动要么和感觉经验同时发生,要么伴随着感觉经验发生,它在神经网络的形成过程中发挥着重要的作用。神经联结样式的精密性以及随着而来的稳定性都得依靠神经活动。神经活动在神经网络形成中的特定作用在视觉柱(ocular dommance columns,简称为ODC)的领域得到了较为深入的研究。视觉柱主要位于视觉皮层区域,以斑纹或斑点的方式排列着。在那里,神经对从某一只眼睛输入的信息进行有选择性的反应。这些视觉柱最初的形成可能依赖于出生前与出生后产生的本能神经活动。在随后的关键时期,不断变化的视觉经验能够导致视觉柱组织的变化。例如,在出生后婴儿发育的早期,短暂地闭上一只眼睛会导致该眼睛视觉柱的收缩,而睁开一只眼睛会导致该眼睛视觉柱的扩张。这表明,以活动为基础的神经间竞争是精细神经联结建构的推进机制。从神经建构主义的观点看,这些研究发现十分重要,因为它们揭示了经验是如何改变神经网络,而神经网络又是如何支持这些经验的加工处理的。在神经建构主义者看来,神经结构的形态及其之下的神经联结样式制约着形成表征的神经活动类型。然而,神经活动类型自身也能导致神经结构形态的变化,因此也能改变这种制约作用。

(三)大脑制约

第三种生物制约是“大脑制约”(enbrainment),即单个功能性的大脑区域与其他区域互动,这些区域间的互动会影响所涉及到的神经结构的发展,并影响到神经表征的发展。就像大脑嵌入在身体里一样,功能性的单个大脑区域也被嵌在大脑之中,它与大脑其他区域共同发展。当代神经影像学研究可以给予大脑制约以有力支持。已有研究表明,大脑区域间的功能性特征对其他区域极其敏感,并且受彼此间活动的制约,如反馈过程和上下互动。对一些失去某种感觉通道的人的研究发现了大脑发展中区域间互动的重要性,例如,盲人从早期开始的盲文阅读中可以激活某大脑皮层区域,这相当于视力正常的人激活其视觉皮层一样。因此,很明显,盲人的大脑区域在失去视觉信息输入的情况下,针对视觉信息的加工处理发挥着与众不同的功能性作用。这一点也可以从经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,简称为TMS)技术的运用中得到证实。经颅磁刺激是1985年由巴克(Barker)与其助手等人首先创立的,主要是通过头皮刺激大脑皮层运动区、脊髓神经或周围神经,在相应的肌肉上记录复合肌肉动作电位。该技术因具有无创、无痛、操作简便及安全可靠等优点,很快被应用于临床。已有研究表明,用经颅磁刺激盲人的视觉皮层会破坏其盲文字母的触觉识别,而对视力正常的人则不会产生这样的消极影响。这种大脑区域互动的观点可以用来解释大脑皮层上和皮层下不同区域的发展性整合,以便获得某种特殊的能力,如面孔识别、目标定位行为、记忆、分类、适应、语言等。

(四)身体制约

第四种生物制约是“身体制约”(enbodiment),它是指当儿童把身体作为从外界环境中获取信息的工具时,其感觉功能将制约其心理表征。大脑嵌入在身体之中,而身体又置身于物理环境与社会环境之中,这一事实既制约又促进儿童经验的发展。神经活动类型产生于感觉输入,因此感觉器官的功能对大脑表征的建构有着重要的影响。从这个意义上说,身体充当着从外界环境获取信息的过滤器的作用。比较典型的例子是,婴儿视力与运动控制的有限性会制约其感觉经验的获得,还会限制其复杂表征的建构。然而,发展中的身体不仅充当信息的过滤器,还能充当操控环境并产生新的感觉输入与经验的工具。例如,即使是新生婴儿也会有目的地把手臂移向光束,以使手臂上的亮点不可见。这就完成了婴儿与环境之间的反馈,它改变了环境并产生了特定的感觉输入。在这之后,婴儿会协调其日益增强的灵活性和感觉运动,以便更深入地探索和操控他们周围的环境,从而产生更多的感觉输入。这些感觉输入反过来会不断修正神经网络,建构更为复杂的表征。所以,身体制约的观点强调探索中的能动性,这是认知发展最为核心的方面。这里的能动性是指主体能够主动地进行基于自身目标和信念的活动,即主体感知周围环境变化,并做出基于目标的行为。这也就意味着,儿童不是被动地吸收环境中的信息,而是通过操控环境从中有选择性地学习一些经验。

(五)社会制约

韦斯特曼(Westermann)等人提出的最后一种制约认知发展的因素是“社会制约”(ensocialment)。社会制约指的是社会环境对个体的社会性与行为发展有重要的影响,例如影响基因的表达。处于发展中的儿童所处的特定环境对于其认知表征的出现有着高度制约性的影响,因为环境会限制儿童经验的获得,还能提供其他操控经验的特定方式。这些制约主要指环境的物理属性。另外,环境还具有社会属性,如儿童与其照料者之间存在互动。已有研究表明,母亲与儿童之间的同步互动对儿童的安全感、归属感,情感表达、社会认知等都具有重要的影响。与之相对应,母婴之间正常关系的破坏和遭受早期精神刺激,比如照料者死亡、婴儿受忽视或受虐待等,都会对婴儿的神经和认知发展产生重要的负面影响。

总的来说,在认知发展过程中,这些制约形成一个互动网络,它们共同塑造着构成心理表征基础的神经结构,韦斯特曼等人将之描绘为如图1所示的互动模型。从这一模型可知,神经发展依赖于受经验影响的神经活动,神经结构制约着神经活动类型,反过来神经活动类型也影响着神经结构与基因表达。这两块功能性大脑皮层区域在互动中发展,其中一块大脑区域能改变另一块大脑区域的神经活动类型及其神经结构,促进其心理表征本质属性的发展。大脑与它的身体以及周围的环境密切联系。另外,身体形态制约着身体使用,而身体使用通过改变环境体验产生新鲜的感觉经验。这一点要么通过移动感觉器官(如眼睛),要么通过操控环境就能实现,并不需要改变外部环境。环境体验通过细胞制约能产生神经活动,神经活动又能通过大脑制约导致接下来的大脑神经结构的变化。可见,与社会环境的互动既对神经发展有影响,也对基因表达有影响。这些影响或者以与环境有关的直接经验为中介,或者以特定环境中不断变化的个体行为为中介。

二、新联结主义模型

(一)新联结主义模型的神经网络结构

当神经建构主义把目标投向认知发展的生物机制时,联结主义更关注学习。联结主义者建构了认知的计算机模型,由简单的加工单元网络构成。每个单元有输出,是单元输入系统的一个简单的数学功能,目的是作为神经网络的松散表征。认知实体如概念或语言等,通过几个单元用激活的样式来表征,就像大脑中分布的表征一样。早期的联结主义模型是自下而上的单向流动,即在模型中信息只能向前流动。输入单元接受实验者控制的信息(如语言),然后这些信息向前流人隐含单元(该单元位于输入单元与输出单元之间),接着流人输出单元。早期联结主义模型的主要贡献就是论证了简单的网络输入结构(如语言结构)是能习得的。很显然,在缺乏先天知识的情况下,输入结构确实是可以习得的,特别是语言。新联结主义模型延续了早期模型用神经网络解释认知发展的传统,但在简单循环网络的基础上增加了互动激活网络,该网络既包含自下而上的加工,又包含自上而下的加工。与之相联系的是下一上单元与上一下单元,中间单元则位于下一上单元与上一下单元的中间。在新联结主义模型中,中间单元既影响上一下单元又影响下一上单元,从而促进互动激活网络的发展。克瑞斯安森和柴特( Christiansen&Chater)据此绘制了如图2所示的解释模型。

自下而上的加工是由外部刺激开始的加工,也称数据驱动加工,即先对较小的知觉单元进行分析,然后再转向较大的知觉单元,也就是从低水平到高水平的加工。如对单词“HAPPY”的加工就属于自下而上的加工。自上而下的加工是较高水平的加工,制约着较低水平的加工,也称概念驱动加工,即由一般知识或概念引导开始,形成制约加工的所有阶段或水平的假设。如对句子“__pple is fruit”的加工就属于自上而下的加工。在新联结主义模型看来,自下而上的加工也能产生自上而下的加工效应,如音素复位效应。已有研究发现,在缺乏有关真实单词知识的情况下,音素复位是有可能的,如某人听到一段语音的咳嗽声时会自发补充一个被丢失的音素。最近的研究还发现,纯粹的自下而上的加工可以把单词从语音流中分割开来。在新联结主义者看来,成人通过语音加工、句子加工与大声阅读就能成功地进行语言加工,并获得语言方面的能力,而不一定是离散的符号表征。而在这之前,大部分的认知理论都假定符号表征在形式上是离散的或是变形的,在具体的认知任务中,它们或者参与,或者不参与。

(二)新联结主义模型的两大特征

分布式表征与分级式表征是联结主义神经网络的两大重要特征。传统的符号加工系统以局域性的、内容寻址的方式来对知识进行表征。这种表征方式虽然容易理解和实现,但并不表明它们就是表征知识的最自然方式。联结主义神经网络的解释则与此不同。在联结主义神经网络中,知识并不贮存于特定的单元之中,而是以交互作用的激活模式扩散在整个网络中,或者说知识存在于神经网络的联结权重之中,与此相对应,需要采用分布式表征的方式来加工知识。分布式表征强调神经网络的并行分布加工,注重网络加工的数学基础。显然,联结主义神经网络是以整体论的方式来存贮和恢复信息的。分布式表征既能同时克服多重约束的影响,又可节约大量的单元,而且加工速度快,因此联结主义神经网络不失为模拟大脑基本操作的较为成功的网络模式。

作为联结主义神经网络的另一大特征,分级式表征也很重要。根据相关神经放电的数量、频率与类型的一致性程度,表征也可以分级。例如婴儿在不同的年龄阶段可以识别不同级别的表征事件。有研究发现,婴儿在4个月左右时能识别闭合事件中的高度变量,在7个月左右时能识别容积事件中的高度变量,在12个月左右时能识别遮盖事件中的高度变量。这种现象发生的原因之一可能是,婴儿最初只对闭合事件中的相对高度有一定的经验,在后面的事件中,婴儿才有机会去观察物体和遮盖物的相对高度。当然,婴儿在不同的年龄阶段识别不同级别的表征事件,并不是假定认知系统可以分离,而是隐含物体的微弱表征只能满足闭合事件的识别,而不能满足容积事件和遮盖事件的识别。相类似地,分级式表征原则上也可以解释为明显的认知功能性双重分离。例如有两组被试,其中一组被试能成功完成任务A,但不能完成任务B,而另一组被试能成功完成任务B,但不能完成任务A。成人认知心理学中也可看到双重分离,其证据是认知功能性的分离。

三、结束语

尽管神经建构主义和新联结主义模型对于形成新的认知发展理论框架很关键,但二者通常不能与社会认知因素、人际交往等所起的重要作用整合,二者的研究取向也不能与影响儿童认知发展的内在认知因素所起的作用整合,如想象性游戏与内部言语。在维果斯基看来,内部言语从其本质特征上为认知发展提供了一种变形的符号系统,是儿童组织内部精神生活的一种方式,是向后和向前延伸的“动作时间域”。而联结主义的代表人物并没有详细说明内部言语、想象性游戏等的输入机制,因为这些内部言语和想象性游戏产生于儿童的内部心理世界。

总的来说,神经建构主义对认知发展的解释中强调神经结构与神经活动类型的重要性,但同时也承认广义环境的关键作用,从而避免了神经简单论的倾向,与皮亚杰的认知发展建构理论相辅相成。如果这些来自认知神经科学的观点越来越重要,那么未来的认知发展理论建构似乎有可能要遵循整合的路径。当代认知发展理论必须承认皮亚杰的知识建构理论和维果斯基的社会文化与互动理论的重要性,同时它还必须与关于大脑实际上如何学习的生物制约保持一致。