早期认知学习理论与实验

第二节　早期认知学习理论与实验

一、魏特海墨提出格式塔心理学

魏特海墨(M.Wertheimer)建立了格式塔心理学，他坚持认为，只研究一小部分心理学概念如知觉或学习是错误的，是对心理学的一种误解，孤立地研究这些部分也是不恰当的，因为，任何部分的变化都会引起整体的变化，同样，即使所有部分都发生了改变，但整体依然保持不变。如用两种不同的乐器演奏一首乐曲，虽然用来演奏的乐器不同，但整个曲调依然保持不变。他坚持认为，我们实际所觉察到的情景，是一个有意义的整体，分解是人为的过程。只是通过人为的分解，才把整体分解成各种不同的部分(如不同的颜色、不同的形状等)，这同样也适用于思维，他认为思维是一种整体的、有意义的知觉，而不是各种映像的组合。他的这些观点来自于他对“似动现象”的研究。

(一)似动现象

格式塔心理理论是通过其著名的“似动现象”研究建立的。1910年，魏特海墨为了解释运动知觉现象，一直在寻求证据。他认为运动是一种可以认识的现象，但不能把它分解为各种感觉元素来解释。据说他在一次从维也纳到莱茵的度假旅行中，在火车上他发现火车快速向前开动，可窗外的一棵棵原本静止的小树却似乎变成一排向后移动，在莱茵河畔的法兰克福下车后又买回一个动景器玩具，受动景器玩具的启发，他忽然发现了一种研究运动知觉的新方法，于是，他忘掉休假，并立即在他的旅馆的房间里进行了初步的实验，验证了他的想法。后来，他在法兰克福大学用速示器进行了正规的实验，这就是他著名的“似动现象”实验。

似动现象实验是由魏特海墨、考夫卡和苛勒进行的。实验以考夫卡和苛勒作为被试，以证实在没有实际的物理运动时，运动知觉也会发生。魏特海墨使用速示器，通过两条细缝投射出两条光线，一条垂直，另一条和这条垂直线成20°或30°角。起初先显示一条光线，过一会(超过200毫秒)，再显示另一条光线，那么这时被试看到的是两条先后相继出现的光线。可是，随后让两条光线之间有一最适宜的间隔(大约100毫秒)时，被试看到的实际上是一条光线从一处向另一处往复的移动。这个实验被称为似动实验，它证明了一种似动现象，即在没有实际的物理运动时运动知觉也会发生。而这种现象是冯特等构造主义心理学所不能解释的，它也成为格式塔心理学反对构造心理学感觉是其各种元素的组合的有力依据。他认为似动现象的产生既不是由于眼动，也不是由于后像的混合，更不是感觉的联想，而是运动知觉的整体性特征，即运动知觉是一个“格式塔”，不能解释为感觉元素之联合。

似动现象的心理学意义在于它证明了整体不是部分之和而是超过它的各个部分的一种东西，整体先于部分而又决定各个部分的性质和意义。运动是一种现象，它是一个整体或完形而不是感觉的一种元素。魏特海墨1912年把他的研究结果以一篇名为《似动现象的实验研究(experimental studies of apparent movement)》论文发表，这被公认为格式塔心理学形成的代表性论文。

(二)思维是一种整体的有意义的知觉

似动现象是形成格式塔心理学的基础。开始时，魏特海墨主要关注的是知觉，认为知觉具有整体性特征，后来认为思维也一样，思维是一种整体的、有意义的知觉。他开始关注学生学习的方法，尤其是在学校的学习问题。他反对机械记忆，尤其是仅仅以记忆为目的的学习。他认为学生学习最重要的是理解，要让学生实现理解，真正把握问题的实质，以解决问题。因此，他把自己的研究指向发现使学生能有更多顿悟发生的学习方式。

魏特海墨认为，解决问题有两种方式：方式A和方式B，方式A是一种创造性的和顿悟的解决方式，而方式B则是那种牵强的、不合适的利用过去的联结的解决方式。顿悟学习的核心是要把握事物的本质，而不是无关的细节。遗憾的是，一些教育工作者看不到这一点。魏特海墨在《创造性思维》中举了一个例子。1910年，一位学校视导员走访一个班级，想对这些学生聪明的程度作一番评估。他问道：“一匹马有多少根毛？”一位男孩回答道：“132468218根毛。”视导员问：“你是怎么知道的？”男孩说：“如果你不信，可以自己去数。”全班同学哄堂大笑。该视导员在离开教室时对教师说：“我回去把这个故事讲给同事们听，他们一定会喜欢听的。”过了一年后，这位视导员又来到该教室，教师问他，他的同事对这个故事有什么看法。这位视导员说：“我是很想讲给他们听的，但我没法讲，因为我忘记了这个男孩所讲的数字了。”魏特海墨认为，这个事例中令人惊讶的是这个视导员愚蠢的程度，因为他不理解实质性的东西，不知道这个男孩所讲的具体数字是无关紧要的，只要任何大到令人难以置信的数字都可以起到同样的作用(Wertheimer，1959)。

魏特海墨认为，学校学习的目的，是要把习得的内容迁移到校外情境中去。通过机械记忆习得的内容，只能被用于非常具体的情境中去，即应用于类似于最初学习时的情境中去，只有通过顿悟理解的内容才能成为学生知识技能的一部分，随时可用于任何情境中的类似的问题上去。

为了说明这个问题，魏特海墨经常用学生学习如何求平行四边形面积为例。他去听一堂课，教师在知道全班学生已学会如何求长方形面积后，开始讲解如何求平行四边形的面积。他先画了一个平行四边形(图4-3A)，为了说明平行四边形的面积也是等于底乘高，教师在左上角往下画一条垂直线，从右上角往下画另一条垂直线，把底线向右边延长(如图4-3B)。左边的三角形正好等于右边的三角形，以证明平行四边形的面积等于底乘高。然后教师求了一些大小、形状略有不同的平行四边形的面积。下课前，教师又指定了十多个这类问题作为家庭作业。

图4-3　平行四边形面积求法示意图

第二天上课，魏特海墨又去了。课开始时，教师叫一个学生来证明平行四边形的面积是如何求得的，学生正确地解答了。许多人可能认为，这是一堂很出色的课，教学目标已经达到。但魏特海墨想的是另外一些问题：学生们学到了些什么呢？他们进行了一点思考吗？他们已经掌握了论点吗？他们所做的是否只不过比盲目重复多一点罢了。他问教师能否向班上学生提一个问题。教师欣然同意，魏特海墨走到黑板前，画了图4-3C，显然有些人吓了一跳。一个学生举手：“老师，我们还没有学过这个。”另外一些学生忙碌起来，他们把图抄在纸上，像老师教他们时那样画了辅助线，如图4-3D所示，然后，他们看上去不知如何是好。另外有些学生的情况则完全不同，他们笑着把纸转了45°(转引自克雷奇等，1980年)。图4-3D转过来当然也就是图4-3A。显然，对许多学生来说，只是机械地记住了所学的内容，这是因为他们只有一种狭隘的练习而没有真正理解，因而也就无法迁移。在魏特海墨看来，如果教师在刚开始时，把图4-3A剪下来，让学生看着处于不同角度的平行四边形，从而对它有个整体了解，然后再加以分析，就不会出现上述情况了。

二、苛勒的顿悟学习理论与实验

苛勒作为魏特海墨的学生和助手，继承和发展了导师的思想，创立了“顿悟说”。第一次世界大战期间，他曾在特纳利夫岛(Tenerife)对猿猴进行了长期的实验研究，这些研究主要是给猿猴设置各种各样的问题，并观察猿猴解决这些问题的过程表现。他以猿猴的解决问题实验为基础，用格式塔心理学的基本观点解释学习过程，对桑代克的“试误说”提出了尖锐的批评，对当代认知心理学产生了深远的影响。

(一)顿悟实验

苛勒所做的实验主要有两个系列，即叠箱问题和棍子问题。具体的实验很多，我们仅举两个有代表性的实验进行介绍。

叠箱问题：苛勒设计了一个猿猴笼，笼顶挂着香蕉，地上放着两个箱子。要想取到香蕉，猿猴必须将两个箱子叠放在一起，然后爬上箱子才能取到香蕉。猿猴对这个问题的解决，并没有表现出盲目的尝试与错误，相反，猿猴似乎在打量周围的环境，然后，突然间，它理解了问题并“看”出了解决的办法。苛勒把猿猴的这种表现称之为顿悟(insight)，他认为这是一种更典型的学习，特别是对人类学习而言，与桑代克的盲目的尝试与错误学习相比，顿悟是一种更典型的学习。

棍子问题：苛勒将香蕉放在笼子外面猿猴伸手拿不到的地方，但是在笼子里面放一些短棍，起初，猿猴抛出棍子企图取得香蕉，但失败了。后来，猿猴似乎“认识”到，可以把短棍作为一种工具伸出笼外，将香蕉耙进来。有一只特别聪明的猿猴——苏丹(Sultan)甚至可以将两根短棍接在一起去耙香蕉。

对猿猴的这些行为，苛勒的解释是：它们都是解决问题的智力尝试；遇到问题时，动物审视相应的条件，也许考虑到一定行动的成功可能性，然后将此作为对问题的可能解决方法进行检验。苛勒特别关注猿猴可能会突然把一件工具的工具性价值(如棍子作为手臂的延伸)“看”做达到目的的手段和方式。由于苛勒对“我发现了！”的经验做这种知觉解释，因而人们称这些实验为“顿悟”实验，而顿悟之后成功的行为的重复便称为顿悟学习。

(二)顿悟学习的基本观点

1.学习就是知觉的重组

在苛勒设计的实验中，猿猴可以看到问题的全部情景，在叠箱问题中，猿猴并不是把箱子和香蕉看成两个孤立的元素，而是认识到它们属于一个整体的两个部分。同样，在短棍问题中，短棍和香蕉也是作为一个整体被觉察的，只有在这种知觉的重新组织之后，才能发生解决问题的顿悟。

所以，在格式塔心理学家看来，一个人学到什么，直接取决于他是如何知觉问题情景的。如果一个人看不出呈现在他面前的问题，看不出各种事物之间的联系，看不到手段和目的的关系，那么他对事物的知觉就还处于无组织、未分化的状态，因而也就无所谓学习了。一个人学习的方式，通常是从一种混沌的模糊状态，转变成一种有意义的、有结构的状态，这就是知觉重组的过程。

2.学习的过程是顿悟

苛勒认为动物学习过程不是盲目的试误，而是顿悟。他明确指出：“我们必须排除按照下述的假说来说明动物行为的观点，这种假说认为问题的解决是作为各个偶然性部分的相继结果而并不顾及情境的结构，也就是说并无智力的作用而加以完成的……当人猿被导入一种实验情境的时候，它并未表现出一种从事任何偶然性运动，从而导致一种偶然性解决的特征。我们很少看到它试图从事任何看起来与情境毫无关系的事情(当然，除非它的兴趣从目标转移到其他的事物)。只要它的努力是指向目标时，那么它的行为的一切可辨别的阶段都表现为一些寻求解决的完善企图，其中没有一个阶段表现为某些偶然排列的部分的结果……诚然，常常会出现一个窘困或安静的时期(常常是一个考察的时期)，可是在真实的和令人信服的情况下，解决却从未出现于一种盲目冲动的混乱状态。它是一种连续的平滑的行动，这种行动中有经过旁观者的抽象思维，才可能被分解为各个部分，实际上它们并非独立地出现的。”^[8]

顿悟式地解决问题实际上是指学习者悟到了手段与问题目标之间的关联。在现实的问题解决情景中，学习者构造和领会问题情景的方式非常重要，如果学生能利用过去的经验，正确地看清了情景，他们就会产生顿悟，找到手段与问题目标之间的关联，从而顺利解决问题。

三、托尔曼的目的学习理论与实验

托尔曼(E.C.Tolman)建立了目的行为主义。之所以称“目的”，是因为托尔曼认为，学习不仅仅是一些混乱的、无序的行为，而是有目的、导向的行为。然而托尔曼的理论又是行为主义的，因为他相信只有通过观察客观行为才有效度，才能实现研究的科学性。在现代心理学中，托尔曼被视做认知心理学的鼻祖，所以我们把他的理论放在本节中进行介绍。

托尔曼认为，白鼠和人类的学习实质上就是对他们周围的环境形成认知地图的过程^[9]。托尔曼对白鼠和其他动物在做选择和解决问题行为的解释，比早期传统的心理学家华生和巴甫洛夫的直接的刺激—反应模式解释有更强的适应性。他认为白鼠和其他动物学会的不是动作，而是学会了某种意义，弄清了指向目标的地图。他利用前人的一些实验和自己设计的一系列巧妙的实验，为自己的理论找到了依据。

(一)经典实验

1.对奖励的预期实验

关于预期奖励的最早和最吸引人的观察之一，是由廷克尔波(Tinklepaugh，1928)提出的^[10]。在他的实验中，当猴子注视容器和食物而被阻止立即接近时，实验者将食物放置于两个容器中的一个，几秒以后，让猴子在两个容器中进行选择，结果选择无误，这完全证实了猴子的记忆。这是一个标准的延宕反应情境。当将一只香蕉藏于许多杯子的其中一只之后，实验者不让猴子看见，偷偷地用莴笋叶(一种猴子较不喜爱吃的食物)调换香蕉，结果产生了相应的行为。当翻转那只正确的容器，发现喜爱的香蕉被换时，猴子似有“大吃一惊”和挫折之感，拒食莴笋叶并出现明确的找寻行为，仿佛在寻找预期的香蕉。埃利奥特(Elliott，1928)发现，在白鼠的迷津实验中，当放在目标箱内的食物麦麸换成向日葵籽时，也出现类似的行为。以后，较系统的实验是用黑猩猩为被试进行的。动物对于特殊目标物具有某种预期，这几乎是没有什么疑问了。在这些情形下，其他的目标物会产生行为混乱的符号。这样的行为意味着符号学习理论是合适的。

2.位置学习实验

设计位置学习的目的是要证明，迷津学习者并不是按一系列固定的肌肉或转变的运动，从起点走到终点，而这正是坚持按反应中所包括的精确肌肉组织来规定反应的观点所预期的。托尔曼相信动物能在它与环境的相对关系中，按它自身和迷津变化的方向改变行为，仿佛动物知道目标在哪里。

通道阻塞实验是有名的位置实验，最早是由托尔曼和杭齐克于1930年进行的。这一实验证实了白鼠的推理性预期或顿悟。这一迷津安排的主要特点如下：从最短到最长共有三条通道(1、2、3)，并有相应的优先选择的顺序(见图4-4所示)。在预备训练中，当通道1在A处被堵时，另一较好的通道是较短的一条通道2，仅当通道2也被堵时，白鼠才跑回通道3。在预备训练中，实验者使白鼠熟悉了所有三条通道并使它从1、2和3的顺序确定了优先选择顺序。这一迷津设计的一个重要特点是：通道1和通道2具有共同通向目标的部分，这对测验是关键的。先堵塞这一共同通道前面的延长部分A处，白鼠从堵塞处返回后转向通道2。然后在关键测验中堵塞点进一步向前移到通道1和通道2的共同部分B处。问题是白鼠是再次返回选择第二条通道并受挫呢，或是将“推断”通道2也被堵。结果显示，一般地，白鼠避免走通道2，而选择最长最不愿走的通道3，这是在B点被堵后惟一开放的道路。白鼠按情境的地图而不是按盲目的习惯行动的假设，再一次得到证实。这也就是说，白鼠不是按由选择点的刺激所引起的、自动进行的和有层次的习惯行动的，它是按情境的“地图”去行动的。

3.潜在学习实验

潜在学习是指学习已经发生，但尚未表现出来，而是一直保持静止不动，直到在适当的条件下用到它时，这种学习才能转变为现实，在行为中表现出来。

潜在学习实验表明，在没有食物等奖赏的情况下，动物在迷津中到处探索，这其实也是学习，因为在以后用食物等作为奖赏时，有过探索的动物比没有在迷津中探索过的动物能取得更好的成绩，它们的成绩有时甚至能赶上经过多次带奖赏练习的动物。

图4-4　白鼠学习方位的迷宫图

通道按长短分成等级。通道1优于通道2，通道2优于通道3。若通道1在A点被堵而不通，则白鼠走通道2；当通道1在B点被堵时，若白鼠“顿悟”通道2同通道1一样被拦住，它就走通道3。

有关潜在学习的实验最早始于布洛杰特(1929年)，布洛杰特做这类实验是想用来反对当时桑代克、巴甫洛夫、赫尔等行为主义者提出的假设：强化是任何联想学习完全发生的必要条件。托尔曼和杭齐克(1930年)继承了布洛杰特的工作，在一个实验中，他们先让白鼠在迷津内连跑若干天而不给予食物，然后开始用食物作为奖赏，看能产生怎样的效果。具体的实验操作是这样的：将白鼠分为三组，两个控制组，其中一组自始至终都受奖，另一组自始至终都不受奖；另外的是实验组，这一组一直到第11天尝试时才开始受奖，到了第12天，实验组在迷津里只喂过一次食，可是这一组的错误次数和那个在前几天每天在迷津中喂食的一组所做的错误次数同样的少。实验结果如图4-5所示，控制组的白鼠每天在迷津内喂食，它们比不喂食的一组更快地减少错误和缩短时间记录，但当不喂食组开始受到食物奖赏以后，两组的错误和时间记录陡然接近起来。由此可见，不喂食组从先前的尝试中显然获得了和喂食组同样多的学习。因为这种学习起初没有在行动中表现出来，托尔曼把它称为潜在学习。

图4-5　潜在学习曲线图

对于实验中发生的潜在学习现象，早期的反应学习强化学说是难以解释的。如按照桑代克“效果律”学说的早期形式，强化作用被假定为直接作用于反应力量，一切学习结果都应在操作中显露出来，潜在学习现象则与此假设相悖。强化学说通常利用潜在学习实验中无奖赏的尝试也能减少错误这一事实，认为这个实验在实施奖赏以前也存在着一个强化作用。但它们实际上只能说明由于强化作用而获得的起初的那么一点进步，对于先前隐藏着的、当实施奖赏以后才显露出来的进步却还是不能做出合理解释。托尔曼认为不受奖的白鼠在早期尝试中把迷津探索得更透彻，结果是在最后跑向目标时它们能更好地辨明方向。

(二)目的学习理论的基本观点

1.学习就是形成认知地图

托尔曼根据潜在学习实验结果认为，动物学习并不是在强化条件下形成S—R联结，学习在有机体没有受到强化时已经发生了，因此，S—R不是学习的结果，真正的学习结果是形成情景的“认知地图”。

根据位置学习实验，托尔曼认为，作为学习结果的“认知地图”是对局部环境的综合表象，不仅包括事件的简单顺序，而且包括方向、距离甚至时间关系的信息，是情景整体的领悟在头脑中产生的某些类似于一张现场地图的模型。

2.学习是有目的的行为

托尔曼经常用动机、预期、意向和目的来描述动物的行为，根据对奖励的预期学习实验结果，可以认为，白鼠行动前，在头脑中有一种预期(或者假设)，动物的行为受其预期的指导，因此，动物的行为是有目的的而不是盲目的。预期的证实也是一种强化，但这是内在强化。

3.刺激和反应之间存在中间变量

托尔曼主张将行为主义S—R公式修改为S—O—R，O为个体变量。托尔曼认为H—A—T—E(遗传heredity、年龄age、训练training、内分泌endocrine)是影响学习最重要的四个中间变量^[11]。

托尔曼的最大贡献是富有创造性地设计了各种严密的实验，这些实验的意义远不止于它们本身，其重要性在于托尔曼用实验的方式对联结派的学习理论进行了批评并引申出对学习的认知解释，托尔曼从中认识到认知因素在学习过程中的巨大作用。他重视学习的中介过程即认知因素的研究，强调学习的目的性，提出“认知地图”概念。建立在这些实验基础上的、对学习进行的认知解释，改变了过去反应学习的范式，对现代认知学习理论的产生和发展影响是深远的。