Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЪЕМ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ. ЕГО ГРАНИЦЫ 11
1.1. Теория информации в исследованиях объема кратковременной памяти 14
1.2. Единицы памяти. Группирование и декодирование 20
1.3. Модели памяти 25
1.4. Механизмы работы кратковременной памяти 29
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СУБЕКТИВНОИ ОРГАНИЗАЦИИ ПРЕДЪЯВЛЕННЫХ СТИМУЛОВ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ С УЧЕТОМ СУБЪЕКТИВНОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТИМУЛОВ.
2.1. Нейрофизиологическая теория восприятия и памяти. Объем кратковременной памяти и субъективный алфавит 37
2.2. Экспериментальное определение структуры стимульного ряда. Постановка задачи. Методика проведения эксперимента 45
2.3. Результаты и их обсуждение 50
2.3.1. Зависимость объема памяти от размера заданного алфавита и величины запоминаемого чанка 50
2.3.2. Экспериментальное выявление структуры стимульного ряда. 55
2.3.3. Расчет объема кратковременной памяти по нейрофизиологической теории с учетом размера субъективных чанков и найденных в эксперименте значений субъективного алфавита 69
ВЫВОДЫ 77
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕМА КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ 79
ВЫВОДЫ 94
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ОБ'ЕМА КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ И ДРУГИХ ЛИЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ТОЧНОСТЬ ПРОГНОЗА УСПЕШНОСТИ ОБУЧЕНИЯ ШКОЛЬНИКОВ (практическое приложение). 95
ВЫВОДЫ 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 110
ЛИТЕРАТУРА 115
ПРИЛОЖЕНИЕ 128
- Теория информации в исследованиях объема кратковременной памяти
- Нейрофизиологическая теория восприятия и памяти. Объем кратковременной памяти и субъективный алфавит
- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕМА КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПАМЯТИ
Введение к работе
Внутренние преобразования, происходящие при запоминании предъявляемого стимульного материала в процессе кратковременного запоминания, являются одними из важнейших активных процессов, изучаемых в когнитивной психологии. Применение системного подхода в изучении этих явлений с использованием разных уровней анализа: от нейрофизиологического до когнитивного открывает возможность установления количественных закономерностей при их исследовании.
АКТУАЛЬНОСТЬ вьшолненной работы определяется важностью установления количественных закономерностей, которьм подчиняется работа памяти человека. При этом большой интерес представляет субъективное преобразование человеком воспринимаемой им информации и ее соотношение с предъявленной информацией. Эта проблема в данной работе исследуется на материале кратковременной памяти.
Как именно организована предъявленная информация в памяти, каково субъективное представление внешне заданных стимулов в процессе кратковременного запоминания? Каковы количественные закономерности, которым подчиняется процесс кратковременного запоминания с учетом внутренней репрезентации стимулов. Ответы на эти вопросы кроме теоретического интереса важны также для прояснения многих практических аспектов исследования личности с точки зрения ее интеллектуальных возможностей, прогнозирования успешности разных видов деятельности (обучения школьников, операторской деятельности и т.д).
Количественные закономерности памяти изучались в экспериментальной психологии, начиная с Эббингауза (1885), Джеймса (1890). Исследования памяти, направленные на раскрытие структуры самого процесса запоминания развивались в работах П.Жане (1928), А.Н.Леонтьева (1928,1931), Л.В.Занкова (1927) и др.. А.А.Смирнов (1943,1945), П.И.Зинченко (1939,1945) и др. исследовали образование внутренних единиц при смысловой и логической обработке запоминаемого материала.
Применение теории информации в психологии открыло новые возможности для количественных оценок памяти и количественного выражения организации материала, его структурности. Было установлено известное правило Миллера (Miller, 1956) - объем кратковременной памяти не зависит от количества информации в отдельных символах, а измеряется отрезками информации (чайками), диапазон изменения которых 7+ или -2. Объединение отдельных элементов предъявляемого алфавита в более крупные единицы (группы) Миллер назвал структурированием. А образующиеся при этом структурные единицы -чайками. Одна из трудностей изучения мнемических процессов связана с определением структуры, а также размера самого чанка.
Разные аспекты группировки запоминаемого материала, проблема количества и величины "оперативных единиц" (термин, аналогичный чанкам Миллера, введенный В.П.Зинченко (1964), Г.В.Репкиной (1965, 1969)), зависимость объема памяти от времени экспозиции, характера мотивации исследовались в работах Wickelgren (1964), Atkinson, SMfrrin (1971), Baddeley (1976), Broadbent (1975, 1985), Г.Г. Вучетич (1971,1980), В.П.Зинченко (1980), Б.М. Величковского (1980), MacGregor (1987).
В последующем было показано, что диапазон запоминаемых отрезков информации шире, указанного Миллером -от 2.5 единиц (Sipos, Stupavska, 1978) до 18 элементов (Г.Г.Вучетич, 1973). П.Б.Невельский (1963, 1965) в своих экспериментах показал зависимость долговременного запоминания от количества информации в каждом запоминаемом элементе. Simon (1974) обнаружил, что с увеличением размера структурной единицы, объем кратковременной памяти, измеряемый в этих единицах, уменьшается.
Невозможность рассчитать объем кратковременной памяти по заданному размеру алфавита запоминаемых стимулов ограничивала применение информационного подхода в психологии. Кроме того оставался открытым вопрос о закономерностях внутреннего преобразования информации, о соотношении внутренней, субъективной репрезентации стимульного материала с внешним заданным представлением стимулов, а также о количественных закономерностях, которым подчиняется этот процесс. Не было теории, позволяющей количественно связать параметры, характеризующие субъективное представление заданных элементов алфавита, и объем кратковременной памяти.
На необходимость системного анализа психических процессов человека указывали Б.Г.Ананьев, П.КАнохин, М.Н.Ливанов, А.Н.Леонтьев, А.А.Смирнов, С.Л.Рубинштейн, А.А.Лурия, Б.Ф.Ломов, Squier и многие др. Для решения поставленных выше вопросов нами была привлечена нейрофизиологическая модель восприятия и памяти, разрабатываемая в лаборатории когнитивной психофизиологии ИПРАН под руководством А.Н. Лебедева (1976-1998). Данная модель позволяет связать психологические характеристики кратковременной памяти с параметрами периодической электрической активности мозга. Такой подход к исследованию памяти позволяет использовать разные уровни анализа: от нейрофизиологического до когнитивного - и является системным. Проверка нейрофизиологической модели памяти при изучении влияния на объем памяти заданного стимульного ряда и его субъективной трансформации является главной задачей нашего исследования.
В данной работе были поставлены следующие ЦЕЛИ:
1. Экспериментальное исследование зависимости объема кратковременной памяти от структуры предъявленного стимульного ряда, размера внешне заданного объективного алфавита, из которого сформирован заданный ряд, и субъективной трансформации этого ряда.
2. Определение количественных закономерностей, которым подчиняется процесс кратковременного запоминания с учетом внутренней репрезентации внешних стимулов.
3. Оценка возможности прогноза успеваемости учащихся на основе модифицированной методики измерения объема кратковременной памяти.
На основании анализа экспериментальных и литературных данных были выдвинуты следующие ГИПОТЕЗЫ:
1. В соответствии с принципом детерминизма С.Л.Рубинштейна - внешние причины действуют через внутренние условия, а деятельность человека определяется своим объектом не прямо, а через ее внутренние закономерности. Применяя этот принцип к закономерностям функционирования кратковременной памяти, можно ожидать, что объем кратковременной памяти определяется не только внешне заданным объективным алфавитом или заданной структурой стимульного ряда, но и их субъективной трансформацией в процессе запоминания.
2. Уравнения динамической теории памяти позволяют более точно определять объем кратковременной памяти, если принимать во внимание внутреннюю репрезентацию внешних предъявляемых стимулов.
В соответствии с выдвинутыми гипотезами в работе были поставлены и РЕШАЛИСЬ СЛЕДУЮЩИЕ ЗАДАЧИ:
1. Экспериментальная проверка предполагаемой зависимости объема кратковременной памяти на структурные единицы (чанки), из которых состоит предъявленный стимульный ряд, и на элементы заданного алфавита, от размера алфавита стимулов и величины заданных чанков.
2. Экспериментальное исследование внутренней репрезентации внешне заданного стимульного ряда. Выявление субъективной организации стимулов и ее влияния на объем кратковременной памяти.
3. Расчет значений объема кратковременной памяти, полученных по формулам нейрофизиологической модели памяти с учетом как внешне заданной структуры стимульного ряда, так и экспериментально выявленной его внутренней структуры. Сопоставление полученных теоретических и экспериментальных значений объемов памяти.
4. Оценка возможности прогноза успеваемости учащихся по объему кратковременной памяти и сравнение его с прогнозом успеваемости на основе комплескного психологического обследования школьников.
Результаты проведенного исследования позволяют ВЫНЕСТИ НА ЗАЩИТУ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
1. Экспериментально установленная нелинейная зависимость объема кратковременной памяти на цифры от размера запоминаемых структурных единиц в области малых размеров расходится с расчетами по формуле нейрофизиологической теории памяти. Причиной этого расхождения являются особенности субъективного представления заданного стимульного ряда.
2. При учете субъективной репрезентации стимульного ряда объем кратковременной памяти рассчитывается по уравнениям динамической теории
памяти с большей точностью по сравнению с расчетом, опирающимся только на величину заданного в эксперименте алфавита. В результате находит свое количественное объяснение выявленное в эксперименте расхождение с теорией.
3. Объем кратковременной памяти обратно пропорционален размеру объективно заданного и субъективного алфавитов запоминаемых стимулов, что согласуется с нейрофизиологической моделью памяти.
4. Относительный размер структурной единицы (чанка), равный половине предельного теоретического значения объема кратковременной памяти, и взятый в качестве коэффициента в уравнении нейрофизиологической теории памяти, обеспечивает высокую точность прогноза объема памяти при разнообразных алфавитах стимулов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ состоит в том, что впервые показано,что:
- Объем кратковременной памяти определяется не только объективно заданной структурой стимульного ряда, но и его субъективной репрезентацией. Полученные экспериментальные результаты количественно подтверждаются расчетами по уравнениям динамической модели памяти.
Уравнение нейрофизиологической теории памяти с коэффициентом, равным половине предельного теоретического значения объема кратковременной памяти, количественно объясняет экспериментальную зависимость объема памяти от алфавита стимулов в широком диапазоне их размеров.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты докладывались и обсуждались на 7-ой Европейской конференции Психометрического общества (Триер, 1991); на 24-ой ежегодной конференции Европейской группы по математической психологии (Москва, 1993); на Первой Российской конференции
по экологической психологии (МоскваД 996); на юбилейной международной научной конференции, посвященной 25-летию Института психологии и 70-летию со дня рождения Б.Ф.Ломова (Москва, 1997); на 3-ей и 4-ой научно-практических конференциях: Состояние и проблемы технологических измерений. Секция - Измерения в психологии. (Москва, февраль 1997, декабрь1997); на ежегодной научной конференции Института психологии (Москва, 1998); на международной конференции: Аттестация, методика и проблемы технологических измерений. Секция - Измерения в психологии. (Москва, 1998); на расширенном заседании лаборатории когнитивной психофизиологии Института психологии РАН (1998).
Большая помощь в написании программ, организации экспериментов и обсуждении результатов исследований была оказана А.Н.Лебедевым, Н.А.Скопинцевой, Б.В.Пулькиным.
Проведенное исследование позволило сформулировать следующие основные ВЫВОДЫ.
1. Экспериментально установлено, что объем кратковременной памяти на заданные структурные единицы (чанки) уменьшается с ростом их размера и размера заданного алфавита. Найденная зависимость согласуется с нейрофизиологической моделью памяти.
2. Вместе с тем экспериментальные значения объема кратковременной памяти на цифры в области малых размеров заданного алфавита расходятся с теоретическим расчетом. Причиной этого расхождения являются особенности субъективного представления заданного стимульного ряда.
3. Экспериментально выявлена внутренняя структура предъявленного для запоминания стимульного ряда. Установлено количество субъективных чанков разных размеров и их процентное соотношение в каждой серии.
4. Расчет по уравнениям динамической теории памяти с учетом размера субъективных структурных единиц (чанков) позволяет получить более точные значения объемов кратковременной памяти по сравнению с расчетом, учитьівающим только величину заданного в эксперименте алфавита.
5. Относительный размер структурной единицы (чанка), равный половине предельного теоретического значения объема кратковременной памяти, взятый в качестве коэффициента в уравнении нейрофизиологической теории памяти, обеспечивает высокую точность прогноза объема памяти при разнообразных алфавитах стимулов.
6. Возможен успешный прогноз успеваемости по предложенной нами методике оценки объема памяти укрупненными единицами - строками. Хотя коэффициент корреляции между этим прогнозом и реальной успеваемостью ниже, чем тот же коэффициент, полученный по результатам комплексного обследования учащихся, но предложенный прогноз требует во много раз меньше времени. Это может представить практический интерес в условиях массового обследования школьников.
7. Модель динамического кодирования сигналов в памяти становится более точной с учетом выявленных субъективных трансформаций стимульного ряда.
Теория информации в исследованиях объема кратковременной памяти
Исследованию активной деятельности человека в процессах запоминания и обработки информации способствовали изменения, прогоошедшие в науке и технике: появление кибернетики с понятием "саморегулирования" (Н.Винер, 1948), активное использование теории управления и применение ЭВМ, разработка теории информации и теории случайных процессов ( статистической теории связи ). "Анализ внутренних психических процессов стал казаться естественным после появления ЭМВ"-, пишет Найссер (U.Neisser, 1967).
Положения статистической теории связи стали использоваться и в психологии. Шеннон (Shannon, 1948) предложил простую формулу для оценки количества информации, содержащейся в сообщении. По аналогии с теорией информации человек стал рассматриваться как система связи, пропускная способность которой ограничена. Такое представление о человеке объясняло многие ограничения психофизиологических возможностей ,таких как избирательность внимания, объем кратковременной памяти, рефрактерный период - задержка реакции на втором из следующих друг за другом стимулов.
Информационный подход к изучению памяти позволил найти абсолютную количественную меру для запоминаемого материала -количество информациии. Раньше не было возможности количественно сравнить разнородный запоминаемый материал. Теперь же можно было определить количество информации, содержащейся в запоминаемом материале, закодированном разными символами. Для этого нужно знать длину алфавита и вероятность появления этих символов. Одна двоичная единица информации (бит) есть то количество информации, которое необходимо нам для принятия решения при выборе из двух одинаковых возможностей. Поэтому одна двоичная цифра (0 или 1) несет 1 бит информации. Одна восьмеричная цифра (0,1,2 7,8) несет 3 бита информации, одна десятичная цифра- 3,3, бита информации, одна буква русского алфавита несет до 5 бит информации, не больше. Количество информации в соответствии с формулой Шеннона log2N=I (бит) или определяется тем, в какую степень I надо возвести основание двоичного логарифма - 2, чтобы получить вероятность N появления элемента алфавита. Или, другими словами говоря, 3 бита позволяют нам сделать выбор из 8 равновероятных возможностей, 5 битов - из 32.
В связи с применением теории информации в психологии памяти, одним из первых, вызвавших всеобщий интерес, вопросов относился к непосредственному запоминанию и возможности получения количественной меры измерения объема кратковременной памяти в двоичных единицах информации (битах). Миллер (1956) впервые поставил проблему: Если объем кратковременной памяти измерять в битах, то будет ли объем памяти зависеть от количества информации. Для ответа на поставленный вопрос он привлек данные экспериментов Хейза (J.R.Hayes, 1952) и Поллака (I.Pollack, 1953), специально проведенные для измерения объема кратковременной памяти. Эти опыты показали, что человек способен воспроизвести по памяти 9 двоичных цифр, 8 десятичных цифр, 7 букв алфавита или восьмеричных цифр, 5 односложных слов, что составляет соответственно 9, 25, 33 и 50 битов. Таким образом, в указанных пределах объем памяти не был константой и зависел от количества информации не так, как это предсказывала теория информации.
Нейрофизиологическая теория восприятия и памяти. Объем кратковременной памяти и субъективный алфавит
Согласно нейрофизиологической теории восприятия и памяти человека каждый образ восприятия или памяти закодирован системой нейронных ансамблей (А.Н.Лебедев 1977,1982,1987,1990,1992,1993,1997). Единицами памяти, ее нейронными кодами - нейронными "буквами" являются группы волн - синхронных импульсных разрядов нейронов в составе одного ансамбля. Ансамбли, вовлекаемые последовательно в течение одного цикла активности, образуют нейронное кодовое "слово".
Зная параметры колебаний нейронной активности, можно рассчитать хотя бы приближенно, разнообразие актуализированных образов памяти. Т.е. можно рассчитать алфавит нейронных единиц памяти. Нейронные "буквы" разделены временем пониженной возбудимости нейрона (временем относительной рефрактерности), следующим после каждого реактивного залпа нейронов. У центральных нейронов относительная рефрактерность около Юме. Среднее время относительной рефрактерности, вычисленное по одиночным альфа-веретенам ЭЭГ человека, составляет также 10 мс. Длительность одного типичного цикла активности ансамбля, как уже указывалось, равна 100 мс. Таков период колебаний в диапазоне альфа-ритма. Значит за это время, принимая во внимание время рефрактерности -10 мс, возможно вычислить максимальное число пакетов волн, равное 10. Если учесть, что одна из волн указывает на начало группы волн, то число N волн, способных кодировать информацию, будет определяется уравнением: где F - средняя по многим испытуемым частота альфа-колебаний, равная 10 Гц, (константа Бергера А.Н,Лебедев, 1997), R - время пониженной возбудимости нейронов, равное в среднем 10 мс для диапазона альфа-волн ЭЭГ (константа Ливанова - А.Н.Лебедев, 1997).
Нейронные кодовые "слова" также как и "нейронные буквы" разделены пробелами, равными времени пониженной возбудимости нейронов 10 мс. Число нейронных "слов" также определяется формулой (1), т .к. одна из групп волн является указателем начала кодового слова. Каждое "нейронное слово" содержит 9 " нейронных букв". Общее же число слов определяется формулой С= NN, известной из теории информации. Это максимально возможное количество разных кодовых последовательностей - слов. Это емкость долговременной памяти, равная С= 9 9= 387 420 489 единиц памяти.
Представление о циклических нейронных кодах восприятия и памяти позволяет осуществить количественный расчет ряда психологических характеристик.
Согласно нейрофизиологической модели памяти, количественная зависимость между тремя важными психологическими показателями, объемом долговременной памяти - С , объемом кратковременной памяти - Н, и алфавитом предъявляемых стимулов - А выражается в первом приближении формулой:
Прологарифмировав уравнение (2), мы получаем выражение для расчета значений объема кратковременной памяти:
Эта формула устанавливает нелинейную обратно пропорциональную связь объема кратковременной памяти с размером внешне заданного алфавита.
Нами совместно с Н.А. Скопинцевой (1994) были проведены эксперименты со 117 испытуемыми по определению объема кратковременной памяти для алфавитов разной длины (цифры 0 и 1, цифры от 0 до 5, от 0 до 9, буквы русского алфавита, бессмысленные слоги). Исследовалась зависимость объема кратковременной памяти от размера различных алфавитов. В этих экспериментах за объем кратковременной памяти принималось число элементов алфавита, правильно воспроизведенных со своим значением и на своей позиции. Экспериментально, как и предполагалось, была установлена обратно пропорциональная зависимость между объемом кратковременной памяти и длиной заданного алфавита. Большему размеру заданного алфавита, соответствует меньший объем кратковременной памяти. Для этих же алфавитов были рассчитаны предельные значения объемов кратковременной памяти по формуле (3) (табл.6, стр.70).
Однако сопоставление теоретических значений, полученных в расчетах по предлагаемой модели, и экспериментальных данных показало, что они совпадают не во всем диапазоне значений. Наибольшее совпадение имеет место при больших длинах внешних алфавитов, а наибольшее расхождение наблюдается для алфавитов малой длины (рис. 1).
Экспериментальное исследование объема кратковременной памяти
Кратковременная память человека является характеристикой личности, по которой можно судить о возможностях интеллектуальной деятельности человека, в частности, успешности его обучения. Связь интеллекта с характеристиками памяти и в том числе с объемом кратковременной памяти давно известна. Определение объема кратковременной памяти использовалось в оценке интеллекта еще в тестах А.Бине (1908). В начале века возникла проблема выявления способности к обучению в обычных школах, создавшая потребность в тестах, которые могли бы выявить эти способности. Бине были разработаны первые тесты, предназначенные для измерения уровня интеллектуального развития. В основе одной из шкал этих тестов был положен объем сознания (термин, используемый при зарождении экспериментальной психологии) - объем кратковременной памяти. Впоследствии объем кратковременной памяти использовался как общий психометрический показатель интеллекта (W.Bennett, 1982; P.A.Vernon, 1985; L.Stankov, B.Myors, 1990; C.L.Kyllonen Patrick,1993) и для прогнозирования успеваемости школьников (Г.М.Понарядова, 1982; О.Ф.Потемкина, 1985). Биоэлектрические корреляты памяти и успеваемости у школьников, влияние мнемических способностей на процесс обучения школьников изучали Э.А.Голубева(1980,1993), С.А.Изюмова (1995).
М.А.Холодная (1997) анализировала различные направления исследования интеллекта, разделяя факторы, влияющие на развитие и работу интеллекта (социо-культурные, личностные, нейро-физиологические) и функциональные свойства интеллекта (уровень обобщения, обучаемость, контроль потребностей и т.д.)
Г.Аизенк (1995) писал о существовании, по крайней мере, трех концепций интеллекта: биологической, психометрической и социальной. Наиболее фундаментальным аспектом интеллекта является так называемый биологический интеллект. Он служит физиологической основой познавательной деятельности. Следующий аспект интеллекта - это психометрический интеллект, продуктивность которого на 70% определяется биологическим интеллектом. На 30% он зависит от средовых факторов, включающих в себя образование, воспитание, культурные факторы. Социальный интеллект включает в себя как биологический, так и психометрический, но гораздо шире, так проявляется в социальной адаптации личности и включает в себя личностные факторы, мотивацию, здоровье, весь опыт человека и т.д.. С этой точки зрения биологический интеллект может рассматриваться как наиболее фундаментальный и лежащий в основе других видов интеллекта.
Связь памяти и интеллекта позволяет использовать объем кратковременной памяти для исследования как биологического, так и психометрического аспектов интеллекта и предсказывать уровень интеллектуального развития человека. Нейрофизиологическая модель памяти и восприятия А.Н.Лебедева может служить инструментом изучения базового (биологического) интеллекта. Опираясь на эту модель памяти, можно рассчитать предельные значения объема кратковременной памяти.
Для осуществления прогнозов успешности интеллектуальной деятельности человека важно знать количественные показатели объема кратковременной памяти. Чем точнее определены количественные показатели, тем обоснованнее прогнозы успешности деятельности человека в разных сферах, в частности, прогнозы успеваемости учащихся.
