整合性学习观的动物行为模型探索

doi:10.3724/SP.J.1041.2020.01278

摘要/Abstract

摘要：

我国当下的学习观以渐进性学习为主。研究尝试提出“整合性学习”的学习观, 以40只SD大鼠为被试,采用2(学习方式：整合/渐进)×2(性别：雄/雌)组间设计,运用14单元组合T迷宫进行五阶段的动物行为建模。结果显示,1)学习错误次数上,整合少于渐进、雄性少于雌性;2)整合较渐进学习效果的迁移性更好;3)各组皆出现对第一段原正确路径的固着。由此得出：整合性学习更长效,习得的知识具有整体性、组块化、范畴化的可迁移的特征。

关键词: 整合性学习观, 动物行为模型, 迷宫测试

Abstract:

The dominant paradigm for learning in China today is “gradual learning”, that is, learners acquire knowledge gradually from a lower to a higher level with the help of teachers. Based on theories of adaptive learning and “meta-learning self”, we advanced the alternative of “integrative learning”, that is, “under the role of ‘meta-learning self', learners actively integrate learning materials to achieve rapid and in-depth understanding of knowledge.” Furthermore, we designed an animal behavioral model to explore the effects of integrative learning versus progressive learning.
Forty SD rats were selected as subjects, a two (Learning mode: Integrative Learning-IL, Progressive Learning - PL) by two (Sex: Male, Female) factorial design was employed, and a fourteen-unit integrative T-maze was constructed for the study. Five task stages were conceived to test the phenomenon and mechanisms of integrative learning: a learning stage, a retest stage after one week, a Gestalt transfer learning stage, a generalization/analysis test stage, and a segment fixation test stage.
The results showed that: 1. During the learning stage, the number of errors in each trial in the IL group decreased exponentially over time, while that curve in the PL group was wavy; males exhibited significantly fewer errors in total than females; and the number of days to learning success in the IL-male group was significantly less than in the PL-male group, though the difference between female groups was not significant. 2. During both Gestalt transfer learning and generalization/analysis test stages, the IL group performed better than the PL group overall; during the segment fixation test stage, all groups appeared fixed more on the first segment of the original correct path. 3. To identify mechanisms for the IL groups' better performance, a dynamic heat-map path analysis was employed, showing that the IL group (especially males) appeared to consolidate the first key segment of the correct path repeatedly before quickly apprehending the rest of it, which had elements similar to the first one. Males in the PL group, however, were more likely to return to explore the earlier segment than females when allowed to enter a new segment of the maze. 4. The IL group as a whole either ate less of the chocolate reward at the finish of the correct path or moved the pellet elsewhere to eat, a pattern that was much more obvious in females.
We arrived at the following conclusions: 1) Integrative learning is more efficient than progressive learning, and is characterized by the acquisition of more layered knowledge which can better assist long-term migration learning. 2) During the process of forming a “cognitive map”, information stored in memory has the characteristics of entirety, chunking, and categorization. 3) In a maze learning task, performance among males is more consistent than among females. 4) Some individuals may appear anxious or maladjusted during integrative learning.

Key words: integrative learning, animal behavioral model, maze test

中图分类号:

B845

尹彬, 武晓睿, 连榕. (2020). 整合性学习观的动物行为模型探索. 心理学报, 52(11), 1278-1287.

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图/表 34

图1 测验任务设计图注：a)基本实验装置, 改造自Tolman (1948)。b)将基础实验装置的正确路径划分为具有形状相似性的三段, ①、②、③路径依次为第一路径、第二路径和第三路径, 以方便结果报告时描述大鼠行为特征。c)学习和复测任务设计图。IL组不设置分段隔板全程开放, PL组依据迷宫的长度和规律用隔板分为3段(隔板放置处有凹槽, 可抽插)。① (第一路径)、② (第一、二路径)、③ (全路径)路线分别是PL组1~3天、4~7天、8~12天的正确行径路线, ③ (全路径)路线也是IL组1~12天的正确行径路线。复测时, 保持全路径开放。d)格式塔(逆向)迁移任务设计图。食盒入口被隔板密封, 变更为起点, 原起点的窗帘移至终点岔路口处。e)概括分析任务设计图。图中①、②、③分别为最短路线、隐蔽路线和原路线。f)阶段固着任务设计图。①、②、③分别为第一路径、第二路径和第三路径的最短替代路径, 原路径仍保持通畅。

图2 研究流程图

图3 学习记忆效果对比图注：a)学习曲线：学习阶段中的错误次数结果汇总图。其中, “错误次数” = “错误进入次数”+“错误探测次数”, 从起点开始计算, 到达终点食盒为止。错误进入次数指大鼠身体的头部和重心进入错误区域(一般需穿过窗帘), 而错误探测次数指大鼠头部进入错误区域(一般没有穿过窗帘)。b)学习阶段中的学习成功天数图。学习成功天数定义为从第一次学习开始到进入“开放路段”出现零错误次数之前的天数总和。其中, IL组的“开放路段”是迷宫全路径, 因此出现零错误次数之前的天数总和记为学习成功天数; PL组学习过程中的“开放路段”是分三个阶段逐步开放的, 因此每个阶段出现零错误次数之前的天数总和记为学习阶段成功的天数。c)一周后复测任务的错误次数结果图。d)格式塔迁移任务的错误次数结果图。各统计图中的圆圈、三角符号的位置或柱的高度显示的是每个试次中各组的平均值, 误差线显示的是标准误。**p < 0.01。

附表1 学习阶段的错误次数三因素重复测量方差分析表

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
学习次数	3090.72	11	280.00	F (11, 396) = 29.42^***	0.000	0.45
学习方式	141.92	1	141.92	F (1, 36) = 15.54^***	0.000	0.30
性别	105.47	1	105.47	F (1, 36) = 11.55^**	0.002	0.24
学习次数 × 学习方式	2940.81	11	267.35	F (11, 396) = 27.99^***	0.000	0.44
学习次数 × 性别	257.46	11	23.41	F (11, 396) = 2.45^**	0.006	0.06
学习方式 × 性别	79.22	1	79.22	F(1, 36) = 8.67^**	0.006	0.19
学习次数 × 学习方式 × 性别	191	11	17.36	F (11, 396) = 1.82^*	0.048	0.05

附表2 学习成功天数的两因素完全随机方差分析结果

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
性别	13.23	1	13.23	F(1, 36) = 0.73	0.551	0.42
学习方式	60.03	1	60.03	F (1, 36) = 3.29	0.321	0.77
性别 × 学习方式	18.23	1	18.23	F (1, 36) = 3.45	0.072	0.09

附表3 学习成功天数的事后多重比较结果

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
性别	13.23	1	13.23	F(1, 36) = 2.50	0.122	0.07
学习方式	60.03	1	60.03	F (1, 36) = 11.36^**	0.002	0.24

附表4 性别水平上学习方式的简单效应比较

	t	p	Cohen’s d
雄性	4.12^***	0.000	-1.84
雌性	0.98	0.341	-0.44

附表5 一周后复测任务错误次数的三因素重复测量方差分析表

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
学习次数	3.82	2	1.91	F (2, 72) = 2.19	0.120	0.06
学习方式	10.21	1	10.21	F(1, 36) = 4.03	0.052	0.10
性别	3.01	1	3.01	F(1, 36) = 1.19	0.283	0.03
学习次数 × 学习方式	3.02	2	1.51	F(2, 72) = 1.73	0.185	0.05
学习次数 × 性别	0.52	2	0.26	F(2, 72) = 0.30	0.745	0.01
学习方式 × 性别	0.01	1	0.01	F (1, 36) = 0.00	0.955	0.00
学习次数 × 学习方式 × 性别	0.52	2	0.26	F (2, 72) = 0.30	0.745	0.01

附表6 格式塔迁移任务错误次数的三因素重复测量方差分析表

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
学习次数	1071.55	2	535.28	F (2, 72) = 25.64^***	0.000	0.42
学习方式	130.21	1	130.21	F (1, 36) = 5.50^*	0.025	0.13
性别	118.01	1	118.01	F (1, 36) = 4.99^*	0.032	0.12
学习次数 × 学习方式	1.72	2	0.86	F (2, 72) = 0.04	0.960	0.00
学习次数 × 性别	21.72	2	10.86	F (2, 72) = 0.52	0.597	0.01
学习方式 × 性别	2.41	1	2.41	F (1, 36) = 0.10	0.752	0.00
学习次数 × 学习方式 ×性别	5.02	2	2.51	F (2, 72) = 0.12	0.887	0.00

图4 概括分析任务和阶段固着任务分段路径对比图注：a)概括分析任务首次测试分组热图对比。b)概括分析任务5天错误次数对比图。c)阶段固着任务末次测试分组热图对比。d)阶段固着任务分段路径固着比例对比图。热图中亮度越高的地方表示探索密度较高。统计图中的圆圈符号的位置或柱的高度显示的是每个试次中各组的平均值或占比的多少, 误差线显示的是标准误。*p < 0.05。

附表7 五天概括分析任务的三因素重复测量方差分析

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
测试次数	24.54	4	6.13	F(4, 140) = 3.00^*	0.020	0.08
学习方式	12.60	1	12.60	F(1, 35) = 4.66^*	0.038	0.12
性别	3.58	1	3.58	F(1, 35) = 1.32	0.258	0.04
测试次数 × 学习方式	9.10	4	2.28	F(4, 140) = 1.11	0.352	0.03
测试次数 × 性别	2.23	4	0.56	F(4, 140) = 0.27	0.895	0.01
学习方式 × 性别	4.12	1	4.12	F(1, 35) = 1.53	0.225	0.04
测试次数 × 组别 × 性别	6.88	4	1.72	F(4, 140) = 0.84	0.500	0.02

附表8 阶段固着末次测验依然选择原路线大鼠比例的三因素重复测量方差分析

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
分段路径	9.70	2	4.85	F (2, 70) = 40.83^***	0.000	0.54
学习方式	0.20	1	0.20	F (1, 35) = 1.18	0.286	0.03
性别	0.07	1	0.07	F (1, 35) = 0.42	0.520	0.01
学习方式 × 性别	0.01	1	0.01	F (1, 35) = 0.05	0.830	0.00
分段路径 × 学习方式	0.55	2	0.28	F (2, 70) = 2.32	0.106	0.06
分段路径 × 性别	0.29	2	0.15	F (2, 70) = 1.22	0.300	0.03
分段路径 × 学习方式 × 性别	0.36	2	0.18	F (2, 70) = 1.50	0.231	0.04

图5 IL组学习过程分段路径分析结果图注：a)IL组典型轨迹图个案, 从左到右分别为IL-Female-2-1, IL-Female-6-1, IL-Female-9-1。b)和c)IL组的行进路程和时间分段对比图。分段时间的计算方式为“分段路径的行进时间 = 持续行进时间 - 起点静止时间”。其中, ①减除“起点静止时间”是为了排除大鼠在第一段路径产生起点固着而造成第一段时间显著较长的系统误差; ②在路程或时间指标上, 每只IL组大鼠的“第一路径”、“第二路径”、“第三路径”三个数据单元皆为大鼠“学习成功”前的n天的总路程或总时间; ③“学习成功”是指大鼠从开始学习至无错误次数的走完全程为止, 是因个体而异的; 只在“学习成功”的天数范围内分析分段路程和分段时间是为了使数据分析聚焦大鼠对迷宫正确路径“从不会到会”的学习过程, 而不受会了以后的行为表现的影响。统计图中的圆圈符号的位置显示的是每个试次中各组的平均值, 误差线显示的是标准误。

附表9 IL组分段路径的行进路程的两因素重复测量方差分析

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
分段路径	2987.87	2	1493.94	F (2, 36) = 38.01^***	0.000	0.68
性别	3208.63	1	3208.63	F (1, 18) = 22.51^***	0.000	0.56
分段路径 × 性别	492.36	2	246.18	F(2, 36) = 6.26^**	0.005	0.26

附表10 IL组分段路径的行进时间的两因素重复测量方差分析

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
分段路径	111308.10	2	55654.05	F (2, 36) = 39.10^***	0.000	0.69
性别	67002.42	1	67002.42	F(1, 18) = 22.10^***	0.000	0.55
分段路径×性别	25910.57	2	12955.29	F (2, 36) = 9.10^**	0.001	0.34

图6 PL组学习过程中开放新路径后的探索密度图注：学习阶段PL组第4天和第8天的分组热图, 颜色亮度越高表示探索该区域的密度越高。

附图7 PL组第4~7天第一路径和第二路径行进时间的性别对比图

附图8 PL组第4~7天第一路径和第二路径行进路程的性别对比图

附表11 PL组第二阶段路程的三因素重复测量方差分析

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
分段路径	2.99	1	2.09	F(1, 18) = 0.70	0.412	0.04
学习次数	191.85	3	63.95	F(3, 54) = 7.07^***	0.000	0.28
性别	0.00	1	0.00	F(1, 18) = 0.00	0.995	0.00
分段路径 × 性别	22.68	1	22.68	F(1, 18) = 5.35^*	0.033	0.23
学习次数 × 性别	59.15	3	19.72	F(3, 54) = 2.18	0.101	0.11
分段路径 × 学习次数	23.39	3	7.80	F(3, 54) = 2.00	0.124	0.10
分段路径 × 学习次数 × 性别	36.50	3	12.17	F(3, 54) = 3.13^*	0.033	0.15

附表12 PL组第二阶段时间的三因素重复测量方差分析

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
分段路径	137.60	1	137.60	F(1, 18) = 0.13	0.722	0.01
学习次数	34073.62	3	11357.87	F(3, 54) = 8.00^***	0.000	0.31
性别	549.60	1	549.60	F(1, 18) = 0.30	0.589	0.02
分段路径 × 性别	4361.62	1	4361.62	F(1, 18) = 4.14	0.057	0.19
学习次数 × 性别	3598.01	3	1199.34	F(3, 54) = 0.85	0.475	0.05
分段路径 × 学习次数	2163.39	3	721.13	F(3, 54) = 0.81	0.496	0.04
分段路径 × 学习次数 × 性别	2471.07	3	823.69	F(3, 54) = 0.92	0.437	0.05

附表13 PL组第三阶段路程的三因素重复测量方差分析

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
分段路径	29.19	2	14.60	F(2, 36) = 15.86^***	0.000	0.47
学习次数	48.08	4	12.02	F(4, 72) = 5.53^**	0.001	0.24
性别	0.69	1	0.69	F(1, 18) = 0.43	0.523	0.02
分段路径 × 性别	4.74	2	2.37	F(2, 36) = 2.57	0.090	0.13
学习次数 × 性别	5.53	4	1.38	F(4, 72) = 0.64	0.638	0.03
分段路径 × 学习次数	15.85	8	1.98	F(8, 144) = 2.33^*	0.022	0.11
分段路径 × 学习次数 × 性别	2.10	8	0.26	F(8, 144) = 0.31	0.962	0.02

附表14 PL组第三阶段路程的三因素重复测量方差分析

	SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
分段路径	2253.81	2	1126.90	F(2, 36) = 30.87^***	0.000	0.63
学习次数	3101.67	4	775.42	F(4, 72) = 12.86^***	0.000	0.42
性别	28.92	1	28.92	F(1, 18) = 0.46	0.506	0.03
分段路径 × 性别	176.73	2	88.37	F(2, 36) = 2.42	0.103	0.12
学习次数 × 性别	98.90	4	24.72	F(4, 72) = 0.41	0.801	0.02
分段路径 × 学习次数	2023.60	8	252.95	F(8, 144) = 10.84^***	0.000	0.38
分段路径 × 学习次数 × 性别	214.13	8	26.77	F(8, 144) = 1.15	0.335	0.06

附图9 PL组第8~12天第一、二、三路径行进时间的性别对比图

附图10 PL组第8~12天第一、二、三路径行进路程的性别对比图

图7 特定行为观察指标注：比例是指被试在学习阶段到达终点在原地吃或吃掉巧克力的次数占总统计次数的比例。图中的柱高的位置显示的是的平均值, 误差线显示的是标准误。*p < 0.05, ***p < 0.001。

附图11 各组在终点原地进食比例随学习次数增加的变化

附表15 关于学习阶段中学习方式适应性的三因素重复测量方差分析中的被试间结果

		SS	df	MS	F (df_n, df_d)	p	η²
体重	学习方式	2793.68	1	2793.68	F (1, 36) = 2.80	0.103	0.07
	性别	44.41	1	44.41	F (1, 36) = 0.04	0.834	0.00
	学习方式×性别	1387.20	1	1387.20	F (1, 36) = 1.39	0.246	0.37
起点静止时间	学习方式	7.31	1	7.31	F (1, 36) = 0.64	0.429	0.02
	性别	25.60	1	25.60	F (1, 36) = 2.24	0.143	0.06
	学习方式 × 性别	28.10	1	28.10	F(1, 36) = 2.46	0.126	0.06
原地进食	学习方式	8.01	1	8.01	F (1, 34) = 15.93^***	0.000	0.32
	性别	0.78	1	0.78	F (1, 34) = 1.55	0.222	0.04
	学习方式 × 性别	1.47	1	1.47	F (1, 34) = 2.92	0.097	0.08
进食巧克力	学习方式	0.83	1	0.83	F (1, 36) = 5.07^*	0.031	0.12
	性别	0.41	1	0.41	F (1, 36) = 2.49	0.124	0.07
	学习方式 × 性别	0.68	1	0.68	F (1, 36) = 4.11	0.050	0.10

附图12 各组在终点吃掉巧克力比例随学习次数增加的变化

附图1 整合性迷宫实验装置设计图注：包括窗帘, 隔板, 食盒(食盒内左侧末端配套有一个长方形的黑色系瓷碗)3种5个实验环节皆会用到的基本实验装置。

附图2 整合性学习实验学习阶段和复测阶段的动物行为迷宫设计图注：红色隔板只供渐进组学习阶段使用(隔板放置处有凹槽, 可抽插)。黄、红、绿路线分别是渐进组1~3天、4~7天、8~12天的正确行径路线, 绿路线也是整合组的正确行径路线。复测时, 整合组和渐进组饥皆开放迷宫的隔板施测

附图3 整合性学习实验格式塔迁移任务的动物行为迷宫设计图注：“食盒”入口被隔板密封, 变更为“起点”, 起点的窗帘移至“终点”岔路口处。

附图4 整合性学习实验概括分析测验的动物行为迷宫设计图注：左图黄、红、绿分别为最短路线, 原路线和隐蔽路线(隔板拆卸在错误区域的窗帘后)是1~5天的概括与分析测试路线。

附图5 整合性学习实验阶段固化的动物行为迷宫设计图注：黄、绿、蓝分别为第一段、第二段、第三段路径的最短路径, 是1~4天的阶段固化测试路线

附图5 Supermaze动物行为视频分析系统中的实验设计——区域设置注：黄、绿、蓝分别为第一段、第二段、第三段路径的最短路径, 是1~4天的阶段固化测试路线

参考文献 29

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