開源PsychoPy用于腦與認(rèn)知課程的實(shí)驗(yàn)案例

譚平 周開軍 李桂梅 覃業(yè)梅 何靜

摘要：該文針對腦與認(rèn)知課程較難開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)的問題，提出將 PsychoPy 引到腦與認(rèn)知的課程實(shí)驗(yàn)中，介紹了 PsychoPy 的特點(diǎn)以及優(yōu)勢，并設(shè)計(jì)內(nèi)隱注意力的實(shí)驗(yàn)案例，然后從案例設(shè)計(jì)思路、原理和方法到實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)對該案例進(jìn)行了詳細(xì)闡述，旨在幫助同學(xué)們通過實(shí)驗(yàn)掌握認(rèn)知科學(xué)相關(guān)知識和科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(rèn)知；PsychoPy；內(nèi)隱注意力；腦機(jī)接口；實(shí)驗(yàn)案例

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)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(rèn)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(rèn)知科學(xué)、人工智能及計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域交叉的特點(diǎn)[1-2]。該課程要求學(xué)生掌握腦與認(rèn)知科學(xué)的基本概念、知識結(jié)構(gòu)及其在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，熟悉認(rèn)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(jìn)一步的學(xué)科探索打好基礎(chǔ)。

1 腦與認(rèn)知課程教學(xué)現(xiàn)狀

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

腦與認(rèn)知課程由于涉到多個(gè)學(xué)科與領(lǐng)域，因此講授腦與認(rèn)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(shí)是課程教師大多來自工科背景，缺乏腦科學(xué)、認(rèn)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(rèn)知內(nèi)容還是明顯不足。另外，腦與認(rèn)知知識結(jié)構(gòu)、教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也沒有統(tǒng)一明確的認(rèn)識，因此教師講授腦與認(rèn)知內(nèi)容時(shí)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(shí)制定統(tǒng)一的教學(xué)大綱與實(shí)驗(yàn)體系，確保實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容一致[3-4]。

1.2 部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與認(rèn)知科學(xué)教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系不夠緊密

腦與認(rèn)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(rèn)知相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。已開設(shè)該課程的學(xué)校，他們的實(shí)驗(yàn)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(rèn)知科學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)[5]。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)配套設(shè)備不足

腦與認(rèn)知實(shí)驗(yàn)平臺尚未完全建立，不少實(shí)驗(yàn)課程采用臨時(shí)開設(shè)的方式，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡單，與實(shí)際需求嚴(yán)重脫節(jié)。腦與認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)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(rèn)知實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟硬件環(huán)境時(shí)，應(yīng)從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件出發(fā)，有計(jì)劃地建設(shè)腦與認(rèn)知應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境和資源開發(fā)具體的實(shí)驗(yàn)案例，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編寫配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊。

2 腦與認(rèn)知實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)與探索

腦與認(rèn)知課程中包含腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)，因此相關(guān)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)是非常重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過實(shí)驗(yàn)可以幫助同學(xué)們快速了解認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的流程，提高對腦與認(rèn)知課程的進(jìn)一步理解。本案例設(shè)計(jì)是利用開源軟件PsychoPy設(shè)計(jì)內(nèi)隱注意力實(shí)驗(yàn)[7-9]，其他理解、記憶、腦機(jī)接口等相關(guān)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)程序而設(shè)計(jì)的一款免費(fèi)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(shí)驗(yàn)軟件E-prime等心理學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件[10]。

2.2 PsychoPy的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

PsychoPy 給用戶提供兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)。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(jì)流程。圖形模式中包含三個(gè)界面：一個(gè)流程（Flow）；一個(gè)或多個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)中。

其中組件是實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中能表達(dá)某個(gè)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(gè)或多個(gè)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(yàn)可以包含多個(gè)環(huán)節(jié)。

流程 Flow 在 Builder 界面的下方。Flow 實(shí)際就是一個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)按順序執(zhí)行，其中一個(gè)環(huán)節(jié)執(zhí)行完后，按順序執(zhí)行下一個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)，直到退出。

圖形模式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的步驟主要有4步：

第1步： 刺激呈現(xiàn)設(shè)計(jì)；

第2步： 收集實(shí)驗(yàn)者的反饋信息；

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

第4步： 提取所收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

第5步： 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，得到相關(guān)結(jié)論。

2.3 PsychoPy 認(rèn)知實(shí)驗(yàn)舉例

這里以 Posner Cueing實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)是為了研究內(nèi)隱注意力的影響[8]。該實(shí)驗(yàn)中，參與者注視屏幕，然后屏幕上會呈現(xiàn)一個(gè)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(shí)間內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)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(gè)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(gè)位置出現(xiàn)。而在某些時(shí)候，這暗示的三角形會指示錯(cuò)誤的位置，目標(biāo)方塊會出現(xiàn)在錯(cuò)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(shí)，大部分人的響應(yīng)會快一些。下面介紹設(shè)計(jì)流程。

1） 設(shè)置刺激呈現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)中，需要呈現(xiàn)一個(gè)暗示信號，該信號可以用類似箭頭的三角形實(shí)現(xiàn)，點(diǎn)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(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)圖，其中主要環(huán)節(jié)是 trails，而 ITI 環(huán)節(jié)設(shè)置為每次實(shí)驗(yàn)的短暫停頓。在 trial 環(huán)節(jié)中，有暗示和目標(biāo)兩個(gè)組件實(shí)現(xiàn)刺激呈現(xiàn)。它們的參數(shù)包括形狀、大小和停頓時(shí)間等，圖2中是這兩個(gè)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(shí)驗(yàn)者的反饋信息

環(huán)節(jié)中的按鍵組件完成對實(shí)驗(yàn)者反饋信息的收集任務(wù)。實(shí)驗(yàn)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(shí)，按左鍵；目標(biāo)出現(xiàn)在右邊時(shí)，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(jì)實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)

在流程界面上點(diǎn)擊插入循環(huán)塊。由于試驗(yàn)中有一些參數(shù)，需要建立一個(gè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析獲得結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在 data 目錄文件夾下保存了以實(shí)驗(yàn)名稱為開頭的csv文件，該文件包含了trial的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，例如統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率、暗示與目標(biāo)一致時(shí)的響應(yīng)速度，不一致時(shí)的響應(yīng)速度。表 4列出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)者的具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從統(tǒng)計(jì)信息中可以看出，當(dāng)暗示和目標(biāo)不一致時(shí)，實(shí)驗(yàn)者平均響應(yīng)時(shí)間為1.21秒；而暗示和目標(biāo)信息一致時(shí)的，實(shí)驗(yàn)者平均響應(yīng)時(shí)間為0.63 秒。由實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，反應(yīng)時(shí)縮短約60 ms）。這個(gè)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(shí)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(xiǎn)情況時(shí)反應(yīng)判斷的速度。

3 結(jié)論

本文介紹了PsychoPy的特點(diǎn)以及在認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，并以Posner內(nèi)隱注意力實(shí)驗(yàn)作為案例進(jìn)行詳細(xì)介紹。可以看出PsychoPy能非常方便快速地搭建腦與認(rèn)知的一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，幫助同學(xué)們通過實(shí)驗(yàn)掌握認(rèn)知科學(xué)相關(guān)知識和科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)：

[1] 王志良， 腦與認(rèn)知科學(xué)概論[M]， 北京郵電大學(xué)出版社， 2011.

[2] 劉柯，鄧欣等.智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的“認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)”課程建設(shè)探析[J].教育教學(xué)論壇，2020， 461（15）：84-85.

[3] 趙秀潔，冷珊等.腦與認(rèn)知科學(xué)課程的混合式教學(xué)探索與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2019， 298（10）： 31-33+55.

[4] 孫美艷，劉微等.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探究[J].吉林醫(yī)藥學(xué)院學(xué)報(bào)， 2021， 42（06）： 467-468.

[5] 劉思耘、江帆，認(rèn)知心理學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)范式[M]，華中師范大學(xué)出版社，2014.

[6] 代煜，許林.腦與認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)課程中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2017， 274（10）：54-56.

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

[8] Peirce Jonathan， MacAskill Michael. Building experiments in PsychoPy [M]. Sage Publish， 2018.

[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】