视频游戏与空间认知 Video Games and Spatial Cognition

发表于2018-07-17
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Journal:  Review of General Psychology  2010, Vol. 14, No. 2, 92–104

Paper:  Video Games and Spatial Cognition (视频戏与间认)

Authors: Ian Spence and Jing Feng

Note:  

1.    红色字体提示的“补充内容”,是我补充的,理解这篇论文必要的、却没有在论文中说明的相关知识,包括 概念和研究发展概要)

2.  要特提醒注意的是:关于通过神经科学来解释人的行为,很重要的一点:到目前为止,证明的是关联性,而非因果关系(There is correlation, rather than causation)即,缺乏普适性(generalizability)市场上已经出现的,所谓的基于认知神经科学,对游戏设计进行优化以及帮助游戏公司理解玩家行为等服务,存在对效果的夸大,甚至虚假宣传

3.  关于人的认知、信息处理过程、判断和决策偏差,墙裂推荐一本好书Thinking, Fast and Slow (作者:诺贝尔经济学奖得主 Daniel Kahneman 教授)   这本书,我看了好几遍。

Abstract  摘要

视频游戏爱好者们花很多时间玩游戏,这种密集的活动可能改变大脑和行为。

本篇综述回顾了对视频游戏改变空间认知过程的能力的研究。概述了对学习的潜在机制的初步研究阶段,也考虑了这些新知识可能的应用。

几项实验表明,玩动作游戏会引发一些知觉、感知和注意能力的变化,这些能力对于空间认知中的许多任务很重要。这些基本能力包括对比敏感度(contrast sensitivity)空间分辨力(spatial resolution)注意视野(attentional visual field)枚举(enumeration)多目标跟踪(multiple object tracking)视觉运动协调(visuomotor coordination)和速度。

除了改变基本任务的表现之外,玩动作视频游戏对更复杂的空间任务,例如心理旋转(mental rotation),具有有益的影响,从而表明学习的泛化远远超出了游戏中的训练活动。这种远迁移(far transfer)在学习中通常难以捉摸,本篇综述讨论一些早期的研究,这些研究阐明了对空间认知能力负责的大脑功能。

最后我们认为,学习视频游戏不仅有助于提高对学习机制的理解,还可以为空间技能的教学提供提供新的方法。

关键词:动作视频游戏,空间注意力,感知学习,性别差异,大脑训练

电子游戏现在可以与电影和电视相媲美,成为娱乐的来源。几乎所有的孩子都会玩电脑游戏,这可能会影响他们的行为。尽管对视频游戏和认知之间关系的研究始于30年前,但自从2003年,GreenBavelier的开创性的论文发表以来,实验的速度大大加快。他们证明了玩动作视频游戏可以改变空间注意力处理,这引发了关于我们如何学习解决空间问题的研究。

这篇综述,首先简要讨论,视频游戏作为娱乐的主要媒介的出现,特别强调似乎能够改变空间认知过程的游戏类型。

然后研究,玩电子游戏如何改变参与执行空间任务的知觉、感知、注意力和其他认知能力。这篇评论并不试图涵盖空间认知的所有领域,也不涵盖所有类型的视频游戏。

大多数关于空间认知的研究都集中在有限的感知和认知能力上,并且探索了只玩几种游戏的效果。尽管空间处理经常涉及视觉以外的知觉 特别是听觉和触觉– 本篇综述主要关注视觉空间认知(visuospatial cognition)。本篇综述关注的是空间能力(spatial abilities),但是由于空间技能涉及认知的许多方面,所以玩视频游戏对超出空间认知领域的,言语和分析过程具有次要影响,这些次要影响并未呈现在本篇综述中。

Genres of Electronic Games  电子游戏类型

很少量的游戏类型(Arsenault2009)成为心理学实验的主题。读者请参考Kent(2001)关于当今丰富多彩的视频游戏发展的全面介绍,以及Adams(2009)提供的补充卷,对游戏设计原则进行了权威分析,它几乎包括所有可以想象的电子游戏类型。

游戏的多样性和类型似乎几乎是无限的,而且有很多不同的类型。流行类型包括动作、冒险、舞蹈、驾驶、打斗、迷宫、音乐、解谜、角色扮演、模拟、运动和策略游戏。虽然大多数游戏都适合某种类别,但其中一些游戏很难归类,而另一些则暂居了不止一个类型。例如,模拟游戏试图模仿复杂的现实生活活动,如规划城市,运营公司或治理国家,通常具有角色扮演、拼图和战略要素。

虽然同一类型内部存在一些差异,但类型之间无疑存在更大的差异。如果玩家要成功地应对在比赛中遇到的挑战和棘手的情况,每种类型的游戏都需要不同的技能。许多游戏涉及解决问题和计划,而其他游戏需要快速反应和优秀的视觉运动协调才能做玩好。甚至,还有的游戏需要社交和人际交往技巧。

事实上,视频游戏集体运用了我们在现实生活中所需的几乎所有认知和社交技能。然而,似乎只有少数游戏类型会影响认知过程,其中可能影响空间认知的游戏类型就更少

由于需要各种感知和认知技能,动作、驾驶、迷宫和拼图类游戏似乎最有可能影响空间认知。列出了一些感知和认知功能,多或少地,这些功能是玩这些类型游戏所必需的。迷宫和解谜类共用一列,因为这些游戏通常需要类似的技能。对每种类型中的典型游戏,所需的认知功能的相对重要性的评估,只作为粗略的比较指南

特定游戏要求的技能,可能具有与该该游戏所属类型的标准大不相同。涉及驾驶或类似活动的游戏(例如驾驶飞机、指挥坦克或船只)与动作游戏具有许多共同特征,因此可以假定它们需要类似的认知能力。

然而,如表1所示,与典型的动作游戏相比,驾驶游戏在多个维度上不那么极端。虽然迷宫和解谜游戏中也经常出现需要空间技能的问题,但它们很少需要速度,这一其他两种游戏类型的关键要素。在行动或驾驶游戏中取得成功,需要快速反应和瞬息间的决策。太迟才注意到威胁或反应过慢的玩家,在游戏中不会成功,甚至无法生存。尽管解谜和迷宫游戏中对认知需求可能相当大,它们很少需要如此迅速的行动和反应。

在动作类型中,第一人称射击游戏(FPS)可能是最流行的游戏,许多评论都涉及这种类型的游戏。FPS游戏非常受欢迎,尤其是在年轻男性中。在撰写本文时(2010),最成功的FPS游戏大概是Call of Duty(使命召唤),它的发行方Activision宣布自2003年推出该系列以来销售额达到30亿美元。然而,由于FPS游戏被认为鼓励攻击行为或冒险行为,FPS以及其他动作和驾驶游戏的暴力性质引起了许多人的关注。虽然很难确定这种担忧是否合理,但至少有一些证据表明,玩动作游戏的积极后果可能会超过负面影响。

第一款商业射击游戏是投币式街机游戏。受到大学实验室的实验性游戏的启发,Computer Space 1971年出现,比著名的的街机游戏Atari Pong更早一年,该游戏模拟乒乓球游戏。尽管在商业上失败,Computer Space创建了射击游戏类型在游戏中,玩家不得不向威胁摧毁玩家火箭飞船的两个飞抵开火。如果玩家的命中次数足够高,玩家可以继续在游戏中获得奖励,而无需额外投入金钱。虽然Magnavox Odyssey等家用游戏机(home consoles)也于20世纪70年代首次出现,但在1970年代末和80年代初推出个人电脑之前,家用电子游戏并没有普及。

专用游戏机一直在生产,到目前仍很受欢迎,但是如果年轻的程序员对游戏有好的想法,那么专门的硬件不再需要设计和制造。因此,进入视频游戏市场的价格大幅降低,大批小型的独立公司开始制作各种类型的创新游戏。可以理解的是,考虑到年轻人正在设计游戏,其他年轻人正在购买游戏,设计游戏仍然非常受欢迎,并且开发了多种类型。

一些射击游戏从后面观察玩家的角色或化身,被称为第三人称射击游戏(TPS),但最终随着3D图形的改进,更受欢迎的游戏采用以玩家角色为视点的FPS视角。但是,许多游戏仍然允许在第一人称视角和第三人称视角之间切换。此外,视点通常可以旋转360度,玩家可以选择化身将遵循的路径。现代射击游戏主要是FPS,但大多数都包含TPS选项。多人对战的机会也是可以的,同一个游戏中有多个玩家参与。现实主义水平很高,新手在学习驾驭复杂的三维战场时有时会会出现晕动。由于在最初的射击游戏中,显然需要空间技巧和快速反应,因此有充分理由相信,所提供的练习可能会提高空间认知技能,这就是为什么早期实验者主要采用FPS游戏的原因。


Spatial Cognition  空间认知

人的认知取决于许多不同的心理成分,空间、语言和分析能力是最重要的。在这三个领域中,空间认知无疑是最古老的语言和分析行为,如计数,在很长时间后才发展起来。尽管我们与非人类动物分享了许多空间技能和能力,但只有人类将语言和分析技能发展到了高水平。然而,有很多理由相信空间认知是发展这些更新的认知能力的重要基础。空间认知是一个不变的行动前驱,因为它能够实现编码对象之间位置和关系的必要心智表征。没有对空间信息的获取、存储和操纵,运动行为将是不可能的。跟踪和操作物体需要不断更新位置知识,包括考虑行动的个体的身体部位。在许多其他功能和任务中,空间能力对于表示、组织、理解和导航环境,注意特定对象、操纵对象以及将对象和环境的信息传达给其他人,以及许多其他功能和任务至关重要。

尽管我们都认为我们知道什么是空间认知– 以非正式的方式– 但制定一个忠实地反应空间认知所有方面的,令人满意的定义绝非易事。Thurstone 是最早提出空间认知是认识的独立组成部分的学者之一,区别于语言和分析能力;他提出空间认知应该被认为是能够将一个物体的形象牢记在心,并且扭曲,转动或旋转它来匹配另一个物体的能力。Thurstone 的阐述一直被保持得很好,但他的定义范围仅限于对象的可视化和操纵,并且很大程度上忽略了更大规模的空间行为,如导航和寻路。在本文的综述中,主要关注认知技能,这些技能主要集中在需要对空间物体进行心理可视化和操纵,而不太关注诸如寻路等大规模空间任务。本文选择这样做,是因为大多数关于空间技能和视频游戏之间关系的研究都集中在小规模空间能力上。几个实验者用来评估这些能力的标准包括心理旋转(mental rotation)、嵌入图形(embedded figures)、透视(perspective taking)、纸张折叠(paper folding)、模板(form boards)和区组设计(block design)。下文中描述这些实验。

认知心理学描述的信息处理流程(早期版本,20世纪70年代提出)

Spatial Skills and Early Video Games  空间技能与早期的视频游戏

对玩视频游戏对空间过程的影响,始于30年前,那是个人电脑和游戏机开始变流行,视频游戏不再局限于街机游戏。70年代末,80年代初,Pong, Pac-Man, Donkey Kong, Battlezone, Space Invaders等游戏,尤其最引人瞩目的是俄罗斯方块,非常流行。

鉴于其中一些游戏需要高超的空间技能,人们自然会问,空间技能(通常是通过纸笔测试来衡量)是否会在反复玩游戏后有所改善。也有人试图根据对视频游戏的假定认知需求的分析,来设计改进游戏的策略。例如,在断定认为Battle Zone这款游戏需要复杂的空间技能,如在三维空间中视觉化旋转的能力时,根据心理学家对心理旋转和空间视觉化思维(spatial visualization 可视化形成思维图像)的了解,提出了改善游戏的策略。

MaccobyJacklin(1974))发表论文后,视频游戏能否提供有效的空间能力训练,引起了许多心理学家的浓厚兴趣,这是第一次对人的发展过程中的性别差异,进行了广泛的考察和评估。MaccobyJacklin 对空间认知性别差异的综合考察证实:女性在某些空间任务上的表现不及男性,而这种差异是否可以通过训练来消除的问题,就很快被提出来。

几位研究人员接受了挑战,他们认为游戏可以提高空间技能。例如,

Gagnon (1985)的受试者玩了TargBattlezone这两个早期的射击游戏,女性在视觉追踪和心理旋转测试方面,女性的技能提高程度高于男性。

SubrahmanyamGreenfield(1994)采用了Marble Madness 这款游戏,玩家引导大理石通具有阻碍玩家的物体和敌人的三维路线;研究人员观察到了男性和女性在空间任务表现上的积极变化。

DorvalPepin (1986)发现,用早期射击游戏 Zaxxon 一起训练之后,男性和女性,非游戏玩家,在嵌入图像任务重,表现出了同等的进步。

不幸的是,只有少数早期研究,能够在玩视频游戏和改善空间任务表现之间建立因果关系。方法和统计问题很常见,一些声称的改进相当小。因此,通过视频游戏训练,能否降低空间认知方面的性别差距,仍然没有解决。

Fundamental Processes That Support Spatial Cognition  支持空间认知的基本过程

大多数情况下,早期研究视频游戏对认知的影响,主要集中在玩游戏与空间能力纸笔测试表现之间的关系上。简而言之,研究人员从心理测量的角度来看待学习问题。例如,在研究视频游戏训练如何影响空间认知的早期研究之一中,DorvalPepin(1986)使用加拿大版的差异能力测试的空间关系测试作为空间技能测量。该测试依赖于识别隐藏在令人分心的背景中的物体的能力。因此,DorvalPepin 使用的测试项目可能对空间选择性注意力(spatial selective attention)空间工作记忆(spatial working memory)提出了实质性要求。但作者没有从潜在知觉和感知过程的角度讨论他们对空间能力的测量。没有试图调查或描述空间学习的机制(mechanisms of spatial learning)。他们的方法本质上是心理测试– 作者只是对完电子游戏是否会提高空间能力感兴趣,通过标准化的纸笔测试测量。虽然这类实验仍然相关且经常有用,但自从GreenBavelier2003)的开创性实验以来,重点已经转移。他们的研究是首次调查了玩动作视频游戏如何改变基本的注意过程。自那篇开创性论文发表以来,实验研究集中在如何改变支持空间认知的基本知觉和感知过程。

视频游戏具有广泛的知觉,感知和认知功能。一些游戏需要高度的技巧来完成相对基本的感知和认知任务,而另一些需要更高水平的认知技能,例如解决困难的逻辑问题的能力。某些类型比其他类型产生更大的训练效能。例如,玩过10小时动作视频游戏的受试者在注意力和空间任务上的表现都有显著改善,而玩了同等时间的迷宫游戏的受试者则没有表现改善。与其他类型的游戏对空间技能的积极影响相比(例如俄罗斯方块之类的动态拼图游戏),动作视频游戏除了诸如心理旋转(mental rotation)之类的更复杂的空间技能外,在改善低级功能方面具有独特优势,如空间选择性注意(spatial selective attention)空间分辨力(spatial perceptual resolution对比敏感度(contrast sensitivity)。由于基本的知觉,感知和认知技能是高级认知的基石,动作游戏改进基本过程的能力使其成为进一步实验的,有吸引力的候选物。

(1) Sensory Processes   知觉过程

 当光线投射到视网膜上时,它会与大约1亿个特定的神经元(视杆,视锥细胞和其他细胞)相互作用,导致其中一些发射。许多计算是在视觉处理层次,这一低层次上完成,计算结果通过视神经中的大约一百万根纤维传输到大脑中的其他区域。进一步的处理发生在达到视觉皮层的途中和皮层各区域之间的后续路径。这些路径不是被动的单行道较低级别的计算通常被修改,以响应来自大脑中较高级别的中心的输入。早期的视觉系统计算基本功能,如亮度检测、边缘检测、方向检测、分割、形状知觉、三维知觉、运动检测和颜色处理。这些基本操作通常在没有意识的情况下发生,并不一定需要注意来确保完成。然而,最近的研究表明,这些基本功能中至少一些是由自上而下的注意过程所改变。

由于计算机图形学的进步,许多游戏现在拥有逼真的3D视觉环境,比早期游戏中典型的粗糙二维设置要逼真得多。这有助于我们更好地适应感知系统,这是在三维环境中演变而来的。因此,当代视频游戏中,视觉环境的初始感官处理,发生在我们在真实世界中看到的合理的摹真中。在FPS游戏中,几个视觉事件可能几乎同时发生,通常在视觉环境中广泛分离的位置。写实描绘士兵、枪支、导弹、坦克、飞机、船只或任何其他战争必需品可随时出现和消失。玩家的首要任务是快速检测潜在的威胁,这需要有效地扫描视觉场景。因为FPS 游戏中的玩家一般具有不受限制的探索自由(通过360度),所以存在非常大的,寻找威胁的场景。因此,认为密集地玩FPS 游戏所得到的实践,可能对知觉处理有一些积极的益处是合理的。然而,直到最近才获得支持这一猜想的证据。动作游戏训练后视觉空间分辨力的提高,表明动作游戏训练可提高对比敏感度,这是目标识别和空间注意力必需的基本能力。作为玩FPS游戏的结果,进一步的研究可能会发现,玩FPS游戏而导致的基本感官功能的进一步改进。

(2) Attentional Processes   注意过程

人的视觉系统无法处理到达视网膜的光线中的所有信息。

对这种连续的数据流进行详细处理将会产生巨大且难以管理的计算负担,并且在任何情况下都不需要这种不加选择的处理。

 

大多数原始视觉信息对生存或其他相关目的而言并不重要,可能会被忽略。因此,视觉系统进化为主要对物体的位置、亮度或可能对生存有重要意义的其他基本属性的变化敏感。涉及突然发生或改变的视觉事件尤其重要,这被称为引起注意”(capture attention)。例如,当出现新物体时,注意力立即转移到发生突然变化的位置。大脑使用需要区分/辨别、确认、识别和决策的过程对突发事件进行快速分析,并且通常伴随眼球动作和运动动作(motor action)

虽然注意力捕获机制是在与当今截然不同的环境和情况进化和演变的,但它仍然很重要。例如,它可以帮助我们意识到行走时可能绊倒我们的物体,或者注意到正在接近的车辆可能会在我们过马路时造成危险。

 

在玩动作视频游戏时,注意力捕获高度相关(见表1)。

但注意力捕获只是第一阶段 我们必须区分和识别已经获得注意的对象,同时忽略不相关的信息。即视觉选择性关注(visual selective attention)。涉及低级过程(自下而上)和涉及关于注意对象及其相互关系(自上而下)的先验知识的过程高层次认知过程的影响至关重要。工作记忆,长期记忆和执行控制功能发挥着作用。

 

一个多世纪的心理学实验表明,许多高层次的认知过程可以通过训练来改变因此,假设玩电子游戏所提供的实践也可能会导致基本的感知和注意过程(perceptual and attentional processes)的发生变化,这是合理的,因为它们受到更高级别的认知处理的影响。

正如先前所指出的,视觉信息的处理是双向的。

尽管较低级别的感知过程为较高级别的认知过程提供了基础数据,但这些较高级别的过程又反过来影响较低级别感知和注意系统的操作。

 

FPS 游戏的玩家必须能够检测、识别确认和追踪,在复杂且经常混乱的视觉环境中出现在各种位置的威胁,以避免在游戏中死亡。因此,FPS 游戏中的练习可以提高空间选择性注意能力,而这种基本技能的提高,可以通过支持依赖于这种能力的辅助功能来提高在其他任务上的表现。

例如,区分小的差异的实践可能有益于整个感知系统。在FPS 游戏中,敌人、战友和远处的静态物体之间的区别可能非常微妙,特别是当玩家控制的角色正在移动并且视图不断变化时。为了避免不分青红皂白地瞄准朋友和敌人,玩家必须在危急环境中生存的压力下快速准确地检测和识别这些细微差异。

玩大多数其他类型(甚至是需要空间技能的动态迷宫或益智游戏),不太可能需要如此高的空间选择性注意力的技能(见表1)。我们可以将注意力分散在不同的对象或几个不连续的位置,或者同时执行多个任务。同时跟踪多个对象,参与到多个位置或者同时执行两个或更多个任务需要分散注意力,但伴随着分散注意力,产生成本 速度和准确性可能受到影响。

 

此外,同时处理多少个对象、位置或任务存在限制。这种有限的能力影响许多日常任务例如,驾驶时使用车辆导航系统通常会损害在两项任务(驾驶认路上的表现。

除了分散关注外,我们还可以将关注从当前部署的位置、对象或任务转移到另一个位置、对象或任务。这种转换还需要成本,通常是处理速度,因为需要时间来进行关注脱离和重新接合(disengage and reengage)。通常需要快速切换的,例如,当驾驶员必须将注意力切换到进入交叉路口的车辆,以避免碰撞的时候。

 

除了需要分散注意力之外,某些游戏类型的动态和高度复杂的视觉特征要求玩家快速地将注意力从一个任务转移到到另一个任务(参见表1)。FPS游戏要求玩家能够应对各种各样的挑战,这些挑战可能会快速地相继发生。许多情况下需要突如其来地转移注意力,例如在突然攻击的情况下,玩家必须暂停对导航任务的注意力,以应对当前的威胁。对于新手来说,快速地将注意力从当前任务重分离出来,并迅速参与新任务往往是困难的。在需要分散注意力或任务切换的视频游戏中,进行了一定的训练之后,玩家分散注意力和转移注意力的能力通常会改进,并且这种改进的能力可能会转移,以支持现实世界中的其他非游戏任务。

 

将注意力分散在广泛的视野中,使我们能够通过定位潜在目标来观察周边世界,而无需将视线固定在外围的许多物体上。

这一功能对我们的祖先是至关重要的,因为他们必须意识到外围事件才能狩猎成功,并避免被猎杀。

这一功能,在今天仍然很重要。例如,因为我们可以在驾驶车辆的同时只能固定一个小区域,所以,我们对潜在危险的大部分监控,需要能够将注意力分散在更宽阔的视野上,而不是凝视相对较小的高分辨率区域。即,注意力视野(attentional visual field)

注意力范围的缩小与交通事故有关,特别是在注意力视野随着年龄而恶化的老年驾驶员中。动作游戏的玩家还必须意识到,发生在远离中心焦点的外围事件。即使玩家在完成任务时通常会集中在中心,威胁可能会出现在任何一个象限中,如果玩家无法将注意力分散到在广阔的视野中,那么外围的无人看管的威胁可能会是灾难性的。FPS 游戏在扩大注意力视野方面提供了丰富的实践。

(3) Visuomotor Coordination and Speed   视觉运动协调与速度

空间认知的许多过程是动作的前奏,例如指向或抓握,这种动作需要视觉运动协调(visuomotor coordination)。这是使用视觉信息来控制和指导运动系统完成任务的能力。

视觉运动协调是涉及运动的日常活动所需的基本技能,例如写字、穿衣、散步、驾驶或做运动)。玩视频游戏也需要视觉运动协调。为了在动作视频游戏中表现良好,玩家必须迅速作出反应(见表1)。

 

FPS游戏中,敌人突然出现,玩家必须检测威胁,确定其危险程度,并迅速、适当地进行防御。只有在必要的感知、认知和运动动作迅速完成的时,这才有可能。速度很重要。

类似的,在驾驶游戏中,对突然出现的车辆或障碍物的快速反应是避免碰撞的必不可少的。因此,动作游戏提供了提高个人快速反应能力的可能性。

在动作游戏中,视觉运动协调主要涉及手与眼的交互。在大脑皮层控制下,眼睛控制凝视的方向和注意力的焦点,双手完成所需的任务。

例如,在FPS游戏中射击时,玩家必须通过视觉确定目标位置,将瞄准点移动到该位置,然后单击鼠标进行射击。

即使在诸如俄罗斯方块之类的动态拼图游戏中,玩家也必须决定移动的项目需要多少旋转,然后按键才能进行旋转;必须快速、准确地做到这一点。

 

几乎任何,包含动态视觉呈现和精细运动控制要素的视频游戏都可能有效地改进视觉运动的协调性,尽管改进的程度可能随游而变化,但这取决于改进所需活动的种类。

FPS游戏中,玩家不仅要准确而迅速地射击,还常常必须在不理想的情况下射击。目标有时很遥远,使得检测、识别、瞄准和射击变得困难,因此要求高水平的视觉运动协调才能成功。

同样,在驾驶游戏中,汽车必须精确地转向以避免碰撞。随着动作游戏的玩家变得更有经验,准确性和速度往往会提高。

(4) Memory  记忆

记忆是存储、维护和随后检索信息的能力。

与玩视频游戏相关的两种类型的记忆是:工作记忆和长期记忆。顾名思义,长期记忆是指相对于在长时间存储信息的能力,这不是玩数视频游戏的关键因素。

当然,玩家需要学习游戏规则,并吸收与游戏相关的情境信息,但这些需求似乎不太可能为训练提供任何独特或有用的机会。

 

相比之下,工作记忆能力对于在游戏中是否能好好地发挥至关重要,并且在游戏中被密集训练的机会非常丰富。工作记忆暂时存储当前操作的信息,并与人的注意力系统紧密相关。

一般来说,在工作记忆中,人不能同时持有超过四个项目,无法同时参与/处理超过四个项目。在工作记忆中不能有效地存储和操作信息,将导致执行许多任务的表现较差。

 

工作记忆和长期记忆相互作用,并相互补充。

信息通过工作记忆过程进入长期记忆,工作记忆根据当前任务的需求,并在大脑执行过程的控制下,接收长期存储的信息。

因此,改善一种记忆也可能有益于另一种记忆。

 

玩某些类型的视频游戏,需要具备高于平均水平的,操作工作记忆中的项目的能力(见表1)。例如,FPS游戏中的玩家通常必须评估多个同时发生的威胁,迅速决定先与哪个敌人交火,以及使用哪个武器。快速准确地做出选择对在游戏中生存至关重要。

视觉工作记忆和空间注意力密切相关,鉴于一些研究已经表明,玩动作游戏导致了空间注意力的改善,空间工作记忆也有可能得到改善。在视频游戏训练研究中,尚未观察到空间工作记忆的改善然而,动作视频游戏的经验与视觉记忆回忆的卓越能力有关。这种优势,不仅体现在日常用品(例如自行车,眼镜)上,而且在抽象物品(例如复杂的几何图纸)上也确定了这个优势。

Mechanisms of Learning  学习机制

使用商业视频游戏作为工具来研究认知机制的困难之一是,游戏环境非常复杂。玩家通常同时参与多种活动,并且参与许多感知、认知和运动技能。

游戏的需求因时而异,因情况而异,因此在游戏中对行为进行分类和编码,以及评估哪些认知功能可能活跃,并持续了多长时间,成为问题。

即使这很容易做到,描述执行玩游戏中的各种任务和任务过程中,同时参与的感知、认知和运动系统之间的相互作用的特征,仍存在问题。

这种复杂性使得很难确定因果关系,甚至很难评估游戏活动与大脑功能之间的关联,进而确定训练的哪些可能导致改善。

总之,典型的视频游戏训练实验,控制得很差,至少如果目标是试图找出学习机制话。但视频游戏训练有一个突出的优势。

尽管更常规的训练实验,可以隔离并训练个人认知功能,从而可能会导致更快的学习,但它们也可能导致参与训练的人员,更少的有效留存,以及更少的有效转移到与培训任务不相似的任务上。视频游戏训练的吸引力和巨大前景是,它似乎能够产生广泛的训练效果,而且效果持久。

 

一般而言,积极变化(学习)可以通过对各种感知任务的重复来产生,并且行为效应可以持续很长时间。然而,通常情况下,改进仅限于训练任务(近迁移near transfer),并且超出初始学习的具体情况(远迁移far transfer)的泛化很少见到。

尽管与训练任务相似的空间任务的表现,通常得到了显著改善,但许多研究发现,远迁移通常是不可实现的。近年来,这种过度悲观的观点受到了挑战,越来越多的证据表明,某些类型的训练可以以非特异性的方式(远迁移far transfer)提高某些空间任务的表现。

有趣的是,一些实现远迁移的研究使用视频游戏进行训练,训练技能的提高往往是长久的。

 一些需要空间能力的任务,会给注意力和工作记忆带来沉重的负担,而另一些则要求较低。一些空间任务需要复杂的解决问题的能力,而其他空间任务需要快速执行,而且通常没有有意识的干预(conscious intervention)

任务的复杂性随着连续性而变化。如果一项任务被认为是基本的:如果它主要依赖于基本能力,例如空间选择性注意力、空间工作记忆或其他类似的知觉和感知能力。如果除了基本操作之外,还需要额外的认知过程,例如搜索、匹配和符号问题解决,或者使用图像、数字、语言、手势等,那么这项任务就很复杂。

 

空间认知的所有任务,无论是基本的还是复杂的,都受到注意力和工作记忆的支持,这些基本能力紧密相关。

旋转之类的复杂空间任务如心理旋转,需要快速地将注意力分配、脱离以及重新分配给刺激的多个特征(例如心理旋转中的顶点、边缘、面部或立方体)。在心理旋转所需的多个处理阶段,注意力必须在工作记忆中的刺激特征之间,有选择地切换,以保持其活跃。空间选择性关注起到把关的作用,选择哪些功能,在容量受限的视觉工作记忆的工作空间中交换。

此外,执行空间注意过程中记录空间工作记忆的内容,并协调维护和选择对象表征所必须的其他大脑系统。空间选择性注意和空间工作记忆,这两个双重过程的有效操作,对于复杂的空间任务和心理旋转,至关重要。

FPS视频游戏可以提高空间选择性注意力,同时提高心理旋转任务的表现,尽管心理旋转的增益不如空间选择性注意那么大

这几乎可以肯定的,因为心理旋转依赖于超越空间选择性注意的感知和认知过程。其中一些附加功能也可以通过玩FPS游戏来改善,但其他功能可能不会受到影响。例如,在FPS游戏中,玩家的化身可以自由移动,就像在真实世界的导航中一样,玩家的大脑将主动构建最初不熟悉的环境的空间表征(spatial representation)

在典型的FPS游戏中,有很多机会开发新的空间表征,因为玩家角色的设置和位置经常变化。在Medal of Honor: Pacific Assault (荣誉勋章:太平洋突击)中的一个场景:玩家必须在下沉的船内航行以营救受伤的人,并最终找到通往甲板的路在另一个场景中,玩家必须在没有许多明确地标的岛屿周围导航,才能找到任务所需的特定位置。

在构建这些空间表征过程中获得的一些技能,很可能转移到诸如心理旋转等任务上。而另一方面,心理旋转需要的能力,可能不会从玩FPS游戏中获得。因此,通过动作视频游戏进行训练之后,在复杂空间任务中可能实现的目标是有限的

 

许多对视频游训练的研究,使用诸如心理旋转、嵌入图形或心理纸折叠等标准任务,来检查相对复杂的空间技能。尽管不像现实世界的活动,如学习几何或设计建筑那样复杂,但这些任务需要多种多样的认知能力。

并不是所有的游戏,在促成改变方面都同样有效。总的来说,游戏和标准任务的选择,将为培训研究中可能实现的目标设定界限。如果用于训练的游戏不能提高基本的空间技能,学习转移可能会受到限制,任何进步都可能是特定任务技能提高的结果,但并非所有视频游戏都能提高基本能力

 已发现FPS游戏之外的游戏可提高空间技能,例如心理旋转物体的能力。在一些研究中,玩俄罗斯方块或类似的动态拼图游戏的玩家,表现出了在心理旋转任务的上的改进。由于俄罗斯方块中的任务与心理旋转测试中的任务类似,因此观察到改进并不奇怪。然而,与FPS游戏训练相反,没有任何使用动态拼图游戏的研究,报告了在其他不同的任务方面,这种改进的泛化。因为玩俄罗斯方块,不会改进空间选择性注意或多目标跟踪等基本感知过程,所以它训练空间技能的能力,仅限于与游戏本身类似的任务。另一方面,玩动作游戏确实导致泛化,并且学习持续很长时间。虽然刚刚开始了解FPS游戏的哪些特性是导致学习远迁移(far transfer)的原因,但考虑了如下可能性。


(1) Egocentric Versus Allocentric Perspective   自我中心视角VS 异质中心视角

玩家的视角可能会对空间和视觉运动技能的获得产生重大影响。

FPS和驾驶游戏在视觉输入和运动输出(控制游戏中玩家化身的动作)之间提供了自然的自我中心兼容性。运动方向的控制和变化的视觉景观,都与玩家的视点相匹配。这种兼容性可能使需要空间定向(spatial orientation)技能的任务更容易学习,因为游戏环境与现实世界中的类似任务之间存在自然匹配。在其他一些空间(但非动作)的游戏中,如俄罗斯方块,决定游戏中物体移动的控件,通常与以自我为中心(以玩家为中心)的视角不兼容。

众所周知,从不同于自我中心的视点识别一组对象所花费的时间,随着两个视点之间的角度差异,呈线性增加。当玩家被要求从想象的视点指向一个对象时,当想象的视点与自我中心视点一致时,玩家会更快更准确。因此,俄罗斯方块所需的视觉运动协调类型,并不像大多数FPS游戏那样自然。因为把游戏玩好,需要对以自我为中心(以身体为中心)和以异质为中心(面向对象)的参考框架进行协调,所以玩俄罗斯方块是否抑制或促进空间学习尚不清楚。

 

 (2) Top-Down Control of Lower Level Processing   低级别处理的自上而下控制

到目前为止,关于为什么视频游戏 特别是动作游戏 在产生超越训练任务范围的学习方面,如此成功的理论解释还很少。逆向层次理论(reverse hierarchy theory)旨在解释视觉信息的处理过程是如何进行的,以及这与专业知识之间的关系。

首先,前馈系统将信息从皮层的较低级别转换到较高级别(例如,从初级视觉皮层,到其他视觉区域,再到顶叶和额叶皮层)。使用此前馈信息,全局特征的判别始于高皮层级别。但是,如果没有更多细节,辨别就无法完成,可能有必要回到较低的层次。因此,初始处理仅涉及全局,而训练后知觉能力的提高被认为是自上而下的指导过程,其中必要时再次涉及较低的皮层级别。

受过训练的个人(高手),比没有受过训练的新手,做出更快的判断,这表明高手的高层次交涉足以完成辨别,而新手需要来自较低级别区域的进一步信息,才能作出反应。当自上而下的注意控制定势(TDM top-down modulation)的过程与前馈处理集成在一起时,新手就成为高手。

因此,视觉信息是由自下而上和自上而下的过程主动选择的,后者受到观察者以往经历的强烈影响自上而下的影响赋予永久的注意力优势。这一框架预测了学习迁移(transfer of learning)的质量:主要在较高层次上处理的任务,将显示学习迁移移;而在较低表示层次上完成的任务仅导致特定的学习。

 

3Suppression of Task-Irrelevant Information    抑制与任务无关的信息

其他研究人员也强调了自上而下的注意控制定势(TDM top-down modulation)在感知学习中的重要性,许多研究者已经注意到抑制与任务无关的信息的重要性。注意力的一个关键特性是相关刺激的增强,从而提供了一种在杂乱的视觉场景中分离重要信息的机制。

在学习过程中,对于完成手头任务重要的视觉刺激,通常被无关的刺激所包围,并且可能通过吸引注意力而妨碍学习。然而,对于任务相关刺激,早期知觉皮层中的神经元活动可以显著增强。

选择性注意,选择相关信息,并将其传递给大脑中的决策区域,并抑制不相关的混乱。这种选择在始于更高的皮层,不同于注意力的单纯刺激驱动的效应。如果干扰是可变的,而不是在外观上固定的,则在训练期间,这导致信息过滤方面的改进。FPS游戏中,战场上分散注意力的信息当然并非始终如一,而这种混乱的复杂性,可能是提高FPS游戏训练空间选择性注意力系统的一个重要特征。

 

4Motivation and Emotion   动力与情绪

对于在视频游戏训练的背景下,动力、奖励和情绪的作用的研究比较少。很容易观察到,玩家玩他们最喜欢的游戏的积极性很高,并且他们在玩游戏时经常变得高度兴奋(highly aroused)。这会影响玩游戏的频率和强度,这自然会对学习产生深远的影响。 

大多数视频游戏,都具有许多鼓励玩家继续玩的特征。具备不同的难度级别,使具有不同技能的人参与游戏,在经过充分练习后达到更高级别,并最终成为高手。

提供不同难度级别的准入门槛,因为在学习曲线上,并非每个人都处于同一位置。 

一个很难的游戏,新手会很快会产生疲倦,并退出。同理,觉得游戏过于简单的玩家,也会很快失去兴趣。

在适当的难度级别上竞技,不仅有助于保持玩家的兴趣和参与,而且随着玩家获得经验,玩家是在为在为下一个更难的级别做准备。

 

现代FPS游戏总是有一个旨在吸引玩家的故事情节。例如,我们在实验中采用的FPS游戏,Medal of Honor: Pacific Assault (荣誉勋章:太平洋攻击),基于第二次世界大战期间美国在南太平洋的海上战役。

在战役的各个阶段,甚至在新兵训练营进行训练期间,玩家都会因在游戏中收到积极的奖励而获得奖励(例如杀敌、摧毁坦克或飞机的数量,以及在任务中遇到的其他目标)。

FPS 游戏中玩家通常也有机会与其他玩家比较分数,特别是在多人模式为特点的游戏中,提供额外的竞争激励。

其他与游戏有关的奖励经常可用(例如额外的弹药或新式武器),这些奖励反过来又会导致更多的成功并鼓励更多的参与。

声音是FPS 游戏的另一个激励功能,它现在通常包含电影元素,如武器和爆炸声会加剧紧张感的戏剧性配乐,以及来自队友的喋喋不休和赞扬,以奖励出色的表现。

 

对在视频游戏过程中,奖励机制和多巴胺释放已经有了一些研究,但需要做更多的研究来阐明,神经递质在这种类型的学习过程中的作用。

 

享受视频游戏与玩家对自主性、竞争力和相关性的需求之间的关系。

能让玩家体验到自由和成就感的游戏,更可能具有吸引力。设定目标,应对挑战,制定策略,重要的是掌握自己的行动和命运,这些是成功的电子游戏的特点。

 

令人惊讶的是,一旦考虑到对自主权和竞争力的需求,暴力的增加并不意味着更多的享受。对于游戏设计师来说,这可能一个重要的教训。构建游戏与暴力FPS 游戏具有相同的基本特征,但没有杀戮和流血冲突的游戏,可以吸引新的玩家,他们可能从FPS 式的训练中受益。因此,女性和年轻女孩可以通过玩这些游戏来提高自己的空间技能正在经历空间注意能力下降的高龄人群(因此车辆事故和摔倒的风险增加)也可能受益于改善他们的注意力视野和视觉运动处理的速度。


Implications and Applications  影响与应用


(1) Gender Differences  性别差异

空间认知方面的性别差异已被充分证明。正如我们已经注意到的,从近30年前开始,当视频游戏变得越来越流行时,研究人员一直在探索通过用电脑游戏训练来减少或消除性别差异的可能性。

结果好坏参半。虽然许多研究标明,男性和女性在包括心理旋转在内的,各种空间测试方面都取得了进步,但没有研究能够弥合性别差异

在最近的一项大型研究中,Terlecki等人(2008)通过对心理旋转任务的重复测试和使用2-D3-D俄罗斯方块的视频游戏训练,试图在12周内改善耐性和女性的心理旋转表现,但两种方案没有降低先前存在的性别差异。

然而,学习曲线的形状表明,有可能通过进一步的训练缩小差距。曲线大致平行,男性的起点和重点都在较高水平。由于接受视频游戏训练的女性的表现接近于未接受过训练的男性的表现,因此Terlecki 等人推测,如果有足够的额外培训,女性的表现可能与男性的表现相当。

虽然,在实验室实验中可能进行的有限训练,可能不足以实现空间任务绩效的趋同,但可能还有其他原因导致,未能弥合空间认知中的性别差距。Spence 等人(2009) 提出,先前存在的,支持心理旋转等任务的基本功能差异,可能并未通过诸如俄罗斯方块等游戏训练,而得到改善。

 

Feng 等人(2007) 的研究表明:空间选择性注意力方面存在大量的,以前未知的性别差异。他们还表示,经过FPS游戏训练后,性别差异实际上被抹去了。同时,心理旋转得分的初始差异大大减小,女性取得了更大的进步。

虽然心理旋转与FPS游戏,似乎没什么共同之处,但Spence等人(2009)认为,由于心理旋转是由空间萱蕚习惯注意等基本能力支持的,因此Feng 等人观察到的心理旋转改善,至少部分是空间选择性注意力基本技能提高的结果。

Spence等人假设,如果女性在获得基本空间技能的速度方面不逊色于男性,那么应该期望在给予足够培训的情况下,在基本空间任务上看到趋同。只要从同等水平的表现开始,女性应该在相同的培训后取得与男性相同的进步。

Spence等人将男性和女性匹配进行了空间选择性注意力测试,结果显示:FPS游戏训练后,按比例计算发现,女性获得空间选择性注意力的基本技能并不逊色于男性。用俄罗斯方块等动态拼图游戏进行训练,可能会改变特定任务的技能,但它们无法提高空间选择性注意能力,因此可能  无法消除基本的或复杂的空间技能(如心理旋转)的性别差距

培养个体在空间工作记忆中保持、选择和交换项目的能力的训练方法,对于为更加复杂的空间任务,提供性别均衡基础至关重要。

 

从教育角度看,空间认知对于科学、技术、工程和数学(STEM)教育和职业中成功解决问题至关重要。空间能力对于广泛的工作相关的技能是必要的,例如解决数学问题(尤其是涉及几何的问题)手术中对行动后果的可视化可设计桥梁、建筑物、飞机等结构构建计算机程序的流程图和其他表示形式创建和解释各种图表、地图和工程图纸等等。在STEM 领域的优秀与空间能力密切相关,空间技能与数学和科学课程和标准化考试成绩,以及大学数学和科学课程的选择相关。

 一个人的发展早期的认知能力个体差异会影响自信心、自我效能感和态度。因此,如果一个人的空间技能较差,这个人可能会避免需要空间认知的学习情境。反过来,这些失去的教育机会将会对参与STEM职业产生负面影响。如果我们能够通过训练和教育提高空间功能水平,这将在STEM领域产生重要的智力和经济后果。

儿童游戏和早期教育的变化,旨在提高空间认知能力,对学习专业的选择和职业决定的选择产生重大影响。提高空间技能的训练也会对性别平等产生有利影响。在世界范围内,女性在STEM职业中的代表性不足,其中女性劳动力不到四分之一。如果通过适当的早期训练消除空间认知中的性别差异,那么后续的女孩和男孩随后的教育和职业发展道路可能会更加紧密地结合在一起。即使遗传差异限制了训练所能达到的效果,培养空间认知技能的新方法在教育中仍然具有重要价值。

 

(2) Aging and Brain Training  衰老和大脑训练

 在几乎所有的发达国家,高龄人群在人口中所占的比例都在增加,最近人们对大脑训练的兴趣急剧增加,因为它可以应对与年龄有关的认知功能正常下降的问题。受到任天堂Brain Age视频游戏套件的商业成功的鼓舞,几家企业纷纷涌现,抓住机遇。认知的各个方面,包括空间能力,都是有针对性的改进。训练程序使用简单的任务(或小游戏),这些任务与标准心理测试中的项目类似,或者类似于从感知、学习、记忆和认知中的实验方法工具中箱改编的任务。或者,训练任务是类似于日报或桌游戏中的拼图简单游戏这些包括填字游戏,acrosticsScrabble(拼字游戏)Boggle(儿童拼字游戏)Sudoko(数独,数学游戏)Waldo(寻找沃德,寻人益智游戏)。驱动原理是重复的,并且假设如果足够频繁地执行任务,则玩家将提高正在训练的技能。任务的重复可能导致变化,行为效应可能是持久的。

 

然而,一些提供大脑训练的企业的说法有两个问题。

首先,即使有,也很少有独立研究评估这些企业声称的益处,尽管随着这些大脑训练工具的使用变得更普遍,这种情况可能会改变。

其次,如果训练确实能产生改进,通常是针对训练任务,具有高度的特异性,很少观察到泛化。此外,训练任务通常很乏味,而参加训练的人的动力可能会迅速减弱,阻碍重复进行训练,而重复对于改进是必要的。

典型的大脑训练课程与玩商业上成功的视频游戏的体验完全不同。在每年开发的数千种电子游戏中,不吸引玩家的游戏很快就会消失,只剩下几颗星星。市场的自然选择,确保只有最有吸引力的游戏才能存活下来,而幸存下来的游戏如此令人上瘾,以至于玩家将在游戏中度过无尽的时间。这种集中的学习体验所提供的实践是巨大的,因此,我们不应该惊讶于,玩电子游戏可以在认知上产生显着和长期的变化。但重要的是要认识到,在影响变化方面,游戏的影响并非同等有益,并非是所有的知觉,感知和认知能力都可以改变。目前还不明确,提供简单的大脑训练游戏,除了增加游戏本身的专业知识,还能做什么。

 

我们知道,作为正常衰老的一部分,高龄人群在感知和认知过程中会经历某种程度的衰退。

这些包括注意力视野缩窄,抑制不相干的、分散注意力的视觉刺激的能力下降,或者至少无法迅速做到这一点。这种认知过程恶化的后果不仅仅是学术上的兴趣。注意力视野的缩窄与跌倒和车辆碰撞的可能性增加相关。涉及高龄人群的事故(其中一些是由于空间认知处理失败)导致高昂的个人和经济成本。仅在北美,相关支出就达到数十亿美元。

考虑到玩动作游戏已被证明可以提高空间注意力,提高抑制分散注意力信息的能力,并加快处理速度,这可能为高龄人群提供新的补救方法。动作游戏训练,会以常规方式改变视觉处理过程,并且这种学习转移到新的视觉环境。然而,在反复练习之后学习简单的辨别能力,比如在玩俄罗斯方块时,并不会转移到新任务上,而只会在与训练任务类似的活动中提高表现。以FPS体裁为蓝本的游戏比大多数大脑训练企业推出的简单益智游戏更适合补救训练。

 

Conclusions  结论

玩视频游戏可以改变大脑,也许更多的是有益的,而不是有害的方式。

玩动作游戏 尤其FPS游戏 会产生与在游戏中获得的专业知识不同的知觉、感知和空间认知功能的改善。注意力视野扩大,并且在基本的空间任务和复杂的空间任务中均观察到其他功能改进。此外,这种改进持续了很长时间。这些发现具有深远的科学和教育意义。

研究玩视频游戏的效果,代表了一个研究学习中远距离迁移的一种新方法,并可能激励研究负责这些效应的大脑机制的,新方法的发展。

研究视频游戏,在改变空间认知过程的作用而得出的原理,最终将彻底改变了儿童空间技能和概念的教学,甚至减少或消除了空间认知中的性别差异。这种基础教育的改进会产生巨大的社会和经济后果。在教育连续体的另一端,基于动作视频游戏的、新的认知训练方法可以帮助我们随着年龄的增长,保持、甚至改善改空间认知。虽然基础科学还有很多工作要做,尽管对大脑的基本机制还只是部分了解,但但研究视频游戏的训练效果,是研究空间认知过程中学习过程的一种重要和创新的方式。视频游戏,已经不仅仅给孩子们玩的。

补充内容:

2017年美国各类型视频游戏 销售占比 (statistia)

2006 - 2018年美国电脑和视频游戏 玩家男女比例 (statistia)


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