譚平 周開軍 李桂梅 覃業(yè)梅 何靜

摘要：該文針對腦與認知課程較難開展相關(guān)實驗的問題，提出將 PsychoPy 引到腦與認知的課程實驗中，介紹了 PsychoPy 的特點以及優(yōu)勢，并設(shè)計內(nèi)隱注意力的實驗案例，然后從案例設(shè)計思路、原理和方法到實驗教學(xué)評價對該案例進行了詳細闡述，旨在幫助同學(xué)們通過實驗掌握認知科學(xué)相關(guān)知識和科學(xué)實驗流程，為后續(xù)相關(guān)課程和技術(shù)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：腦與認知；PsychoPy；內(nèi)隱注意力；腦機接口；實驗案例

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0143-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

腦與認知是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和人工智能專業(yè)的重要基礎(chǔ)知識課程，體現(xiàn)了腦科學(xué)、認知科學(xué)、人工智能及計算機和信息科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域交叉的特點[1-2]。該課程要求學(xué)生掌握腦與認知科學(xué)的基本概念、知識結(jié)構(gòu)及其在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用，熟悉認知相關(guān)的智能科學(xué)技術(shù)方法、原理與應(yīng)用等，了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對已有成果展開分析與討論，為今后進一步的學(xué)科探索打好基礎(chǔ)。

1 腦與認知課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 教師大多來自工科，對腦與認知科學(xué)教學(xué)經(jīng)驗不足

腦與認知課程由于涉到多個學(xué)科與領(lǐng)域，因此講授腦與認知內(nèi)容的教師自身應(yīng)具備多專業(yè)交叉的知識和技術(shù)素養(yǎng)，而現(xiàn)實是課程教師大多來自工科背景，缺乏腦科學(xué)、認知科學(xué)和心理學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)，知識結(jié)構(gòu)對于講授腦與認知內(nèi)容還是明顯不足。另外，腦與認知知識結(jié)構(gòu)、教學(xué)目標(biāo)、實驗內(nèi)容也沒有統(tǒng)一明確的認識，因此教師講授腦與認知內(nèi)容時缺乏統(tǒng)一的培養(yǎng)模式，教學(xué)因人而異也比較困難。因此，需要教師參與培訓(xùn)，提高知識水平，同時制定統(tǒng)一的教學(xué)大綱與實驗體系，確保實驗內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容一致[3-4]。

1.2 部分實驗內(nèi)容與認知科學(xué)教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系不夠緊密

腦與認知課程現(xiàn)有教學(xué)主要以講授為主，較少開展相關(guān)腦與認知相關(guān)的實驗。已開設(shè)該課程的學(xué)校，他們的實驗也主要以圖像識別、語音信號、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)內(nèi)容為主，而較少觸及認知科學(xué)的相關(guān)實驗[5]。

1.3 實驗教學(xué)配套設(shè)備不足

腦與認知實驗平臺尚未完全建立，不少實驗課程采用臨時開設(shè)的方式，實驗內(nèi)容簡單，與實際需求嚴(yán)重脫節(jié)。腦與認知的實驗教學(xué)一般需要配套軟硬件環(huán)境的支撐。在建設(shè)腦與認知實驗教學(xué)軟硬件環(huán)境時，應(yīng)從實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗環(huán)境條件出發(fā)，有計劃地建設(shè)腦與認知應(yīng)用型實驗平臺[6]。另一方面要充分調(diào)動教師的積極性和創(chuàng)造性，結(jié)合實驗環(huán)境和資源開發(fā)具體的實驗案例，并根據(jù)實驗內(nèi)容編寫配套的實驗指導(dǎo)手冊。

2 腦與認知實驗案例的設(shè)計與探索

腦與認知課程中包含腦科學(xué)和認知科學(xué)，因此相關(guān)認知實驗是非常重要的實驗教學(xué)內(nèi)容。通過實驗可以幫助同學(xué)們快速了解認知實驗的流程，提高對腦與認知課程的進一步理解。本案例設(shè)計是利用開源軟件PsychoPy設(shè)計內(nèi)隱注意力實驗[7-9]，其他理解、記憶、腦機接口等相關(guān)認知實驗設(shè)計過程類似。

2.1 PsychoPy的介紹

PsychoPy 是一款基于 Python 語言完全開源的專門為編制心理學(xué)實驗程序而設(shè)計的一款免費軟件[7]。該軟件是英國諾丁漢大學(xué) Jonathan Peirce教授等人開發(fā)，2003發(fā)布第一版，2018年發(fā)布第三版，最新版本號為 2021.2.3，官方網(wǎng)址為 https：//psychopy.org。憑借其易用性和穩(wěn)定性，能夠替代傳統(tǒng)實驗軟件E-prime等心理學(xué)實驗軟件[10]。

2.2 PsychoPy的實驗設(shè)計流程

PsychoPy 給用戶提供兩種實驗設(shè)計方式：圖形模式和代碼模式。其中圖形模式，用戶可通過圖形界面的簡單設(shè)置，就能很快設(shè)計一個實驗。編程模式需要用戶有較好編程能力。這里以圖形模式介紹設(shè)計流程。圖形模式中包含三個界面：一個流程（Flow）；一個或多個環(huán)節(jié)（Routines），它們在流程中組合到一起；還有一些組件（Components），它們將用在各個環(huán)節(jié)中。

其中組件是實驗中的基本單元，典型的刺激組件包括圖像、文字組件，而響應(yīng)組件包括鼠標(biāo)、鍵盤組件等。這些組件在實驗過程中能表達某個需要的動作，也可連接外部硬件設(shè)備。Builder 中有許多組件，表1 列出了常用組件。

環(huán)節(jié)（Routines）主要定義各組件的交互過程，包含一個或多個刺激，以及響應(yīng)。當(dāng)然也可包括其他內(nèi)容，例如指令提示、反饋信息或者其他消息等。一次試驗可以包含多個環(huán)節(jié)。

流程 Flow 在 Builder 界面的下方。Flow 實際就是一個流程框架圖，可以控制各環(huán)節(jié)的順序以及各環(huán)節(jié)重復(fù)的次數(shù)（通過插入 Loop 控制循環(huán)次數(shù)）。Flow 中的每個環(huán)節(jié)按順序執(zhí)行，其中一個環(huán)節(jié)執(zhí)行完后，按順序執(zhí)行下一個環(huán)節(jié)，如果有循環(huán)的話，就執(zhí)行循環(huán)，循環(huán)結(jié)束后， 執(zhí)行下一個環(huán)節(jié)，直到退出。

圖形模式設(shè)計實驗的步驟主要有4步：

第1步： 刺激呈現(xiàn)設(shè)計；

第2步： 收集實驗者的反饋信息；

第3步： 設(shè)計重復(fù)次數(shù)，并改變每次內(nèi)容；

第4步： 提取所收集的實驗數(shù)據(jù)；

第5步： 分析實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，得到相關(guān)結(jié)論。

2.3 PsychoPy 認知實驗舉例

這里以 Posner Cueing實驗為例，該實驗是為了研究內(nèi)隱注意力的影響[8]。該實驗中，參與者注視屏幕，然后屏幕上會呈現(xiàn)一個刺激，參與者必須快速響應(yīng)，判斷刺激目標(biāo)是在左邊還是右邊。在目標(biāo)出現(xiàn)之前，屏幕上會短時間內(nèi)出現(xiàn)一個暗示方向的三角形，它暗示目標(biāo)出現(xiàn)是左邊還是右邊。通常情況下，這個三角形暗示的方向與目標(biāo)的位置一致，這樣參與者的注意力會轉(zhuǎn)移到該三角形暗示的位置上，期待目標(biāo)在這個位置出現(xiàn)。而在某些時候，這暗示的三角形會指示錯誤的位置，目標(biāo)方塊會出現(xiàn)在錯誤的一邊。通過觀察參與者響應(yīng)速度，能測量注意力的影響，當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在注意的位置時，大部分人的響應(yīng)會快一些。下面介紹設(shè)計流程。

1） 設(shè)置刺激呈現(xiàn)

本實驗中，需要呈現(xiàn)一個暗示信號，該信號可以用類似箭頭的三角形實現(xiàn)，點擊組件界面中多邊形即可插入多邊形組件。為了保證方向指示，采用銳角三角形，其參數(shù)設(shè)置為寬100，高200。除了暗示信號外，還有目標(biāo)信號，這里直接使用正方形，其出現(xiàn)的位置將在左邊或右邊。圖 1 是該實驗的設(shè)計圖，其中主要環(huán)節(jié)是 trails，而 ITI 環(huán)節(jié)設(shè)置為每次實驗的短暫停頓。在 trial 環(huán)節(jié)中，有暗示和目標(biāo)兩個組件實現(xiàn)刺激呈現(xiàn)。它們的參數(shù)包括形狀、大小和停頓時間等，圖2中是這兩個組件的示意圖，其中（a）和（b）表示暗示信號和目標(biāo)信號方向一致，而（c）和（d）表示不一致。

2） 收集實驗者的反饋信息

環(huán)節(jié)中的按鍵組件完成對實驗者反饋信息的收集任務(wù)。實驗者在刺激呈現(xiàn)后，判斷目標(biāo)刺激出現(xiàn)的位置，然后按鍵回復(fù)。判斷目標(biāo)出現(xiàn)在左邊時，按左鍵；目標(biāo)出現(xiàn)在右邊時，按右鍵。按鍵 Key 組件的主要屬性設(shè)置值如表2所示。

3） 設(shè)計實驗重復(fù)次數(shù)

在流程界面上點擊插入循環(huán)塊。由于試驗中有一些參數(shù)，需要建立一個參數(shù)文件。該文件可以在 xlsx表格文件中設(shè)置，其中第一行是表頭，第二行開始是各參數(shù)的值，如表3 所示。該xlsx文件添加到trials屬性的conditions中。

4） 提取實驗數(shù)據(jù)，并分析獲得結(jié)果

實驗結(jié)束后，在 data 目錄文件夾下保存了以實驗名稱為開頭的csv文件，該文件包含了trial的所有實驗數(shù)據(jù)。本實驗中，可以進行數(shù)據(jù)分析，例如統(tǒng)計準(zhǔn)確率、暗示與目標(biāo)一致時的響應(yīng)速度，不一致時的響應(yīng)速度。表 4列出了一個實驗者的具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從統(tǒng)計信息中可以看出，當(dāng)暗示和目標(biāo)不一致時，實驗者平均響應(yīng)時間為1.21秒；而暗示和目標(biāo)信息一致時的，實驗者平均響應(yīng)時間為0.63 秒。由實驗可以得出結(jié)論，當(dāng)視覺刺激出現(xiàn)在被注意的空間位置時，被試的反應(yīng)速度要更快（相比刺激出現(xiàn)在不被注意的空間位置時，反應(yīng)時縮短約60 ms）。這個結(jié)論可以用于解釋人們生活中的一些常識，例如駕駛員開車時左右看后視鏡，這樣的動作有益于提高駕駛員在出現(xiàn)危險情況時反應(yīng)判斷的速度。

3 結(jié)論

本文介紹了PsychoPy的特點以及在認知實驗中的應(yīng)用，并以Posner內(nèi)隱注意力實驗作為案例進行詳細介紹。可以看出PsychoPy能非常方便快速地搭建腦與認知的一些基礎(chǔ)實驗，幫助同學(xué)們通過實驗掌握認知科學(xué)相關(guān)知識和科學(xué)實驗流程，為后續(xù)相關(guān)課程和技術(shù)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[7] PsychoPy Manual [EB/OL]， [2021-8-30]. http：//www.psychopy.org.

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[9] Meyerhoff， H.S.， Papenmeier， F. Individual differences in visual attention： A short， reliable， open-source， and multilingual test of multiple object tracking in PsychoPy. Behav Res， 2020， 52： 2556–2566.

[10] Garaizar P， Vadillo MA. Accuracy and precision of visual stimulus timing in PsychoPy： no timing errors in standard usage. PLoS One. 2014， 3;9（11）：e112033.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】