任务复杂性的评估一个理论模型

任务复杂性的评估一个理论模型

任务复杂性的分析是发展心理学的一个重要领域。为了理解儿童心理或行为的发展,研究者需要选择合适的任务。皮亚杰正是选择了合适的任务证实了自己的理论假设,但也正是这些任务使他的理论备受批评,因为采用单个任务探讨个体心理发展时非常容易导致客观的任务和情境特点没有和主观的个体认知能力清楚地区分开来,使得对儿童行为的解释比较模糊。如果在相同背景下探讨儿童完成结构复杂性不同的任务,或者完成结构复杂性相同但内容不同的任务,就可以避免解释模糊的问题。然而,这带来的问题是如何分析不同任务的复杂性呢。任务复杂性分析也是心理测量学关注的问题。对于斯皮尔曼提出的一般智力(即g因素),最没有争议的事实就是,任务在此因素上的负荷是知觉到的任务复杂性的函数。Stankov和他的同事们探讨了各种任务复杂性和认知能力的关系,提出导致任务在认知能力上负荷增加的重要原因就是任务复杂性的操作。然而,尽管人们已经充分认识到任务复杂性对评估认知能力的影响,但如何分析任务的复杂程度呢?对此,不同的研究者有不同的看法。上个世纪90年代以来,新皮亚杰学派的代表人物之一哈尔福德(Halford)及其同事在多年研究的基础上提出了关系复杂性(relationalcomplexity)理论,认为可通过考察任务的关系复杂性来确定任务的难度。该理论实质上结合了其早先提出的结构—映射理论和联结主义的平行分布加工模型(PDP),不仅解释了信息加工理论的加工能力限制问题,而且为分析任务复杂性提供了方法。本文将对该理论进行详细介绍和评论。1项目间的关系根据哈尔福德的观点,以往加工能力的测量大多测的是为以后加工而储存的信息,而不是实际被加工的信息。而且不仅是项目,项目之间的关系或结构也限制着认知加工。因此加工能力的限制应根据能够并行加工的关系复杂性来界定。1.1元关系和大小大鼠大鼠的关系关系复杂性,指关系的数量,确切地说是相关的实体或变量的数量。一元关系只有一个变量,如类概念中黑狗是狗的一种,即狗(黑狗),这里括号外的斜体表示关系或操作,括号里表示关系的一个例证。而二元关系则有两个变量,如大象和老鼠哪个比较大,即较大(大象,老鼠)。三元关系则有三个变量,如2、3、5等三个数字相加,即相加(2,3,5)。四元关系则有四个变量,如,比例就有四个相互作用的成分,诸如2/3=6/9等等。每个变量都对应一个槽,比如,二元关系就有两个变量或者说两个槽,其中每个槽都能填充很多不同的内容,如较大(马,狗)或者较大(山峰,田鼠丘)。因此,每个变量对应一个维度,N维关系就是N维空间里点的集合。这里实体、变量和维度的含义是等同的。1.2概念组块和分解加工要求,指任务对解决者施加的影响,它反映了完成任务需要的认知资源,是关系复杂性的函数。任务越复杂,加工要求就越高。那么人类最多能够加工几元关系?或者说加工能力的限制是多少?哈尔福德认为,尽管少数人在最佳情况下或许能够加工五元关系,但一般来说成人能够平行加工的最复杂的关系是四元关系。当然,这里所言的限制是“软”限制,也就说加工能力不是有或者无的关系,而是渐变的,随着极限的到达,速度和精确性都会下降。比如,某个年龄的儿童在二元关系任务上正确率为98%,在三元关系任务上为70%,在四元关系任务上为50%。此观点随之而来的问题是,如果任务太过复杂以致超过四元关系将如何加工。哈尔福德提出有两种机制可以减少任务的复杂性,即概念组块和分解。概念组块,即将概念重新编码成复杂程度较低的关系。哈尔福德经常列举的例子就是速度问题。根据速度的定义,v=s/t,速度、距离和时间的关系是三元关系,但是速度可以直接表达为一元关系,如转盘上指针的位置(60千米/小时)。在这个一元关系表征中,速度,距离和时间之间的关系没有界定。如果想要计算随着距离的增加和时间的减少速度如何变化,必须回到三元关系表征中。这样,概念组块就节省了加工容量,但其代价是一些关系变得暂时无法通达。分解,即将任务分成不超过加工容量的多个步骤,然后进行序列加工。其例子包括多位数加减法运算,数以及排序任务等。例如,两个多位数的加法就可以分解成多个步骤,首先将两个多位数的个位、十位、百位等对齐,然后分别将两个数的个位数字相加,十位数字相加,百位数字相加等等。概念组块和分解能够通过降低关系复杂性从而减少任务的加工要求,但不是任何情况下儿童都能使用这两种机制,因为它们与个体的知识经验有很大关系。概念组块机制中,经验的主要功能就是提供组块的方式;而分解机制,很大程度上是儿童为了突破平行加工的限制而采取的策略,也与儿童的知识经验密不可分。因此这两种机制的运用具有很大的灵活性,这就给任务复杂性的分析带来很大的不确定性。1.3多元关系的使用如何确定任务的关系复杂性呢?哈尔福德将关系复杂性思想和实验设计中的因素数量进行了类比。一个实验设计可以被视为自变量和因变量之间的一组关系。one-way实验设计相当于自变量和因变量之间的二元关系。two-way实验设计相当于自变量和因变量之间的三元关系。也就是说,关系复杂性可以通过有相互作用的变量的多少来确定。然而,如1.2所述关系复杂性可以通过概念组块和分解得以减少,因此同时加工的相关变量的数量不能直接代表任务的复杂性。有效的关系复杂性应该通过减少技术得以确定,即有效的关系复杂性是在没有损失信息的情况下使用分解和重组程序使关系能够减少到最少维度。这样,如果三元关系可以减少为二元关系而不损失信息的话,那么有效的关系复杂性就是二元而不是三元。以下是哈尔福德列举的一个例子,向我们具体说明了如何使用减少技术。例如,有以下3个事实:(1)约翰在学校玩网球;(2)约翰在公园踢足球;(3)马克在公园踢足球。直觉上看起来这是包括人,运动项目和地点的三元关系。那就是说,玩(人,运动项目,地点)={(约翰,网球,学校),(约翰,足球,公园),(马克,足球,公园)}。最初我们可能认为关系复杂性是三元的,但是,这个三元关系可以按运动项目分解为两个二元关系,结果关系变成:玩(人,运动项目)={(约翰,网球),(约翰,足球),(马克,足球)};运动项目被玩(运动项目,地点)={(网球,学校),(足球,公园)}。现在,根据共同的属性运动项目,将这两个二元关系进行重组,和最初的三元关系玩(人,运动项目,地点)包含相同的元素。因此,三元关系是可以分解为两个二元关系的,有效的关系复杂性是二元。此外,关系复杂性的确定,还有一些具体原则。如果任务通过分解需要几步来完成的话,其复杂性是由最复杂的那步确定的,这在所有领域都是如此。然而,在不同的具体领域中还有其他一些原则,如当A与B、C比较时(如,红色不同于蓝色和绿色),B和C就可以组块,这时虽然涉及3个变量,但实质只有两个。1.4加工四元关系的能力结构哈尔福德认为,我们观察到的认知发展阶段可归因于随着年龄的增长,表征的分化导致加工的关系复杂性的增加。他将皮亚杰的四个阶段和关系复杂性大致对应起来。1岁儿童能够加工一元关系,对应皮亚杰提出的前概念阶段;2岁儿童能够加工二元关系,对应皮亚杰提出的直觉阶段;5岁儿童能够加工三元关系,对应具体运算阶段;11岁儿童能够加工四元关系,对应形式运算阶段。尽管哈尔福德也划分了年龄阶段,但是他认为关系复杂性对认知发展的影响并不意味着发展就是不连续的。加工能力类似于门槛,是一个限制性因素,特定水平概念的获得必须在能力足够之后才能发生。但发展是经验驱动的,属于特定水平复杂性的概念是无穷的。因此,每种概念的获得都是相关经验的函数,学到什么受到能力的影响,但能力增加到较高的复杂性后,复杂性较小的概念的获得并不会停止。在此意义上讲,发展是连续的。哈尔福德反复强调发展依赖于加工能力和知识获得过程的交互作用,即获得的内容既取决于加工能力,也取决于知识经验。他还认为以往加工能力理论强调儿童不能够做什么,并且暗示加工能力是儿童行为表现不可超越的障碍,其实是一个误解。概念组块和分解部分的讨论可以表明加工能力的限制并没有构成表现的障碍。加工能力理论其实是关于过程的,而不是障碍的。特定的被试群体能够平行加工特定的复杂性,意味着任务必须被组块或者分解以便保持在能力范围内,即采取特定的策略使任务能够被处理。概括来讲,能力限制仅仅意味着当组块和分解被抑制时能力受到限制。1.5不同领域内关系复杂相同的任务的成绩相互关系分析关系复杂性理论是哈尔福德及其同事在20年来大量实证研究基础上提出的,他们采用的任务包括经典的皮亚杰任务,如类包含、传递性推理、等级分类、平衡秤任务等,也包括其他的一些任务,如关系从句的理解、心理理论、推理、代数运算、交通管理等[9,10,11,13,14,15]。通过这些研究,哈尔福德想证实他们提出的三个预测,即复杂性水平相同的任务难度相同;假使复杂性不同的几个任务的材料、程序和知识都相同,那么关系复杂性水平越高,难度也越大;不同领域关系复杂性相同的任务的成绩能够相互预测。以传递性推理任务为例,哈尔福德认为此任务包含三元关系,是通过将前提中的元素整合成一个有序的三元组而完成的。比如,前提“张三比李四高,李四比王五高”需要同时加工三个元素,即张三、李四、王五,才能对张三和王五的关系作出判断。这比只包含两元关系的前提(如“张三比李四高”)的编码施加了较高的加工负荷。他们以3～8岁儿童为被试进行的研究支持了此观点,即包含三元关系的任务比包含二元关系的任务难度要大。为了验证自己的理论,哈尔福德进行的大量实证研究涉及多个不同领域。如,在一项关于航空交通管理的研究中,他们给被试呈现了两种情境,第一种情境下飞机较少,但被试却报告认知负荷较大,第二种情境下飞机较多,但被试却觉得该情境容易控制,其原因就在于第一种情境比第二种情境包含更复杂的关系。在另外一个研究中,他们给儿童施测了传递性推理、等级分类、类包含、句子理解、假设检验、基数的理解等六个不同领域的任务,每个领域都包含二元关系和三元关系项目,结果表明儿童在不同领域内关系复杂相同的任务上,其成绩存在显著的正相关。此外,他们还采取关系简单匹配任务,即让被试判断一对物体之间的关系和另一对物体之间的关系是否相同,发现大猩猩能够加工二元关系。2日本的研究结果是什么?关系复杂性理论是哈尔福德在多年实证研究基础上,分析了多个理论的异同,吸收了很多领域的研究成果之后逐渐形成的,目前已引起了不少其他研究者的关注。该理论与其他分析任务复杂性的方法相比有更清楚的数学定义,促进了客观的任务分析,而且也创造了神经网络计算模拟的可能性。可以说,关系复杂性概念不仅具有很大的理论意义,更具有重要的方法学意义。比如,我们知道皮亚杰对年龄阶段的划分受到质疑的一个重要原因就是很多其他的研究者进行重复测量后,与皮亚杰的研究结果不相符,而关系复杂性理论对此问题的回答是应该对任务的复杂性进行细致分析,因为表面相似的任务,复杂性可能会很不同。然而,该理论也存在以下的问题和不足。2.1关系复杂性理论的价值问题难度是问题本身的属性,是抛开人的因素来讨论问题的“客观”难度,而问题解决难度实质上是从主客体相互关系的角度来考虑的“主观”问题难度。如果是主观的问题解决难度,应存在很大的个体差异和个体内差异,对于不同被试或者个体发展的不同时期,问题解决的难度都是不同的,而不是固定的几元关系,因此关系复杂性理论分析的不是主观的问题解决难度。但作为客观的问题难度,该理论又考虑了知识经验和策略在任务复杂性分析中的作用。个体知识经验不同,采取的组块或分解方式就会不同,因而对于不同个体任务的关系复杂性也将不同,这又使得关系复杂性分析具有很大的主观性和不确定性。因此,关系复杂性理论分析的实质上既不是纯粹的客观问题难度,也不是纯粹的主观问题解决难度。正因为如此,Sweller对该理论的看法是:“我不确定该如何测量关系复杂性……留给我们的主要是经验问题,因为确定复杂性之前必须确定知识经验水平……虽然关系复杂性理论在区分不同任务的工作记忆负荷方面有相当的潜力,但在区分个体间的工作记忆能力方面作用不大,而且最终个体间的差异是由关系复杂性造成的还是知识经验造成的目前也没有解决”。对此,辛自强提出的关系—表征复杂性模型或许能够提供更好的解决,即客观的问题难度由任务客观的关系复杂性来界定,而主观的问题解决难度则由表征复杂性来界定。然而,客观的关系复杂性和主观的表征复杂性又该如何评估和测量呢?此问题还有待进一步探讨和澄清。2.2关于层次关系的复杂性关于维度层次关系对任务难度的影响,哈尔福德没有给予足够的重视。他认为维度层次关系也可以通过关系复杂性进行分析,因为不管是分析平行加工的维度还是维度的层次关系,根本原则都是分析发生交互作用的维度数量。但实际上,其区别对理解认知加工具有很大意义。平行加工的维度数量反映了“水平的”复杂性,而维度的层次关系反映了“垂直的”复杂性。从问题表征的角度来讲,体现为表征广度和表征深度。前者是能同时表征的同一层次上关系的数量;后者是能理解的关系的最高层次。它们之间并不总是一致的,即表征广度大的未必表征深度就大,表征深度大的未必表征广度就大。当然如果问题表征的广度与深度都大,那么问题的解决难度必定也大。关于维度的层次关系对任务难度的影响,Commons等人以及Frye等人都曾论述过。对于维度层级关系的重要性,Zelazo等人还指出“层次复杂性的问题还促使我们思考,是什么导致复杂知识结构不断得以建构的”,即复杂性水平n是如何发展到水平n+1的。此外,哈尔福德对维度的关系类型也没有考虑。举例来说,代数运算“2+3+5”、“2+3×5”、“3+5÷2”的难度肯定是不同的。但根据哈尔福德的观点,它们都包括三个维度,因此复杂性、难度也相同。可以说,关系复杂性分析的应用范围是很有限的。究竟该如何看待维度层次关系对任务难度的影响呢?如何整合维度的平行关系、层次关系以及关系类型呢?能否提供一套量化的评价标准以供我们对任务进行客观的评价?这些问题有待我们进行深入的探索。2.3认知发展是领域特殊性的且领域一般性的表现关系复杂性理论作为认知发展理论,一些基本的理论问题没有明确阐述,如认知发展的机制如何,认知发展是领域特殊性的还是领域一般性的。关于前者,哈尔福德曾提到随着年龄的发展