认知卸载的后果：提升表现却削弱记忆

认知卸载的后果：提升表现却削弱记忆

Consequences of cognitive offloading: Boosting performance but diminishing memory

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8358584/pdf/10.1177_17470218211008060.pdf

摘要

现代技术工具（如平板电脑）使得工作记忆过程能够被暂时外部化（即认知卸载）。尽管这种外部化能够支持在不同任务上的即时表现，但关于卸载行为可能带来的长期后果，人们所知甚少。在本系列实验中，我们研究了认知卸载与随后对已卸载信息的记忆之间的关系，以及这种关系与获取新记忆表征这一目标之间的相互作用。我们的参与者完成了“图案复制任务”，在该任务中，我们操纵了认知卸载的成本以及对后续记忆测试的知晓情况。在实验1（N = 172）中，我们表明，增加卸载成本会导致卸载行为减少。这种卸载行为的减少伴随着即时任务表现的降低，但在意外测试中记忆却更为准确。在实验2（N = 172）中，我们证实了这些发现，并观察到，即使参与者知晓即将进行的记忆测试，卸载行为仍然对后续记忆表现有害。有趣的是，实验3（N = 172）表明，认知卸载并非在所有情况下都对长期记忆形成有害。那些被强制进行最大程度卸载但知晓记忆测试的参与者，几乎能够完全抵消卸载对记忆的负面影响。我们的实验突显了在使用技术工具时，明确获取新记忆表征这一目标的重要性，因为在缺乏该目标的情况下，卸载确实会对记忆产生有害影响。

关键词：认知卸载；工作记忆；外部记忆；技术

早在250万年前，智人的祖先就已经开始使用工具来提高特定任务的表现（例如，使用石头进行屠宰；Ambrose，2001）。自那时起，工具得到了进一步发展，现代技术不仅支持身体活动，还允许认知过程的外化（见Osiurak等，2018）。平板电脑和智能手机就是这类现代技术工具的例子，它们已在日常生活中无处不在（Greenhow等，2009）。尽管大多数工具都能支持即时表现，例如更快和/或更少错误地执行任务，但人们也讨论了广泛使用认知工具可能带来的负面影响（例如，使用导航系统后场景识别能力受损；Fenech等，2010）。在本系列实验中，我们研究了记忆这一最基本的认知过程之一。具体来说，我们探究了由于认知卸载而导致的即时表现与后续心理表征之间的权衡。

认知卸载

使用工具将认知过程外化通常被称为认知卸载，其可定义为“使用身体行动来改变任务的信息加工需求，从而减少认知负荷”（Risko & Gilbert，2016）。就工作记忆而言，认知卸载行为释放了那些原本为在短时表征中主动维持信息所必需的资源。相反，相应的信息被外化到诸如移动触控设备等技术工具中（Wilson，2002）。

人类是否倾向于卸载记忆等认知过程，通常取决于对内部加工与外化之间成本-收益的评估。提高外化的成本（例如，通过增加额外的身体或时间需求）会增加内部策略（如基于记忆的加工）的使用，而降低外化的成本则会增加技术工具的使用（例如，Cary & Carlson，2001；Gray & Fu，2004；Gray等，2006；Morgan & Patrick，2013；O'Hara & Payne，1998；Schönpflug，1986）。然而，并非所有卸载认知过程的决策都遵循不同策略的成本-收益考量，还可能受到观察者当前目标（Weis & Wiese，2019）以及他们避免高认知需求行动的倾向的影响（Ballard等，1997；Kool等，2010；Sachdeva & Gilbert，2020）。

用于研究记忆外化的典型工作记忆任务是“图案复制任务”（在先前研究中称为“积木世界任务”；Ballard等，1992，1995）。在该任务中，参与者需要复制显示在屏幕一侧模型窗口中的颜色图案，将其复制到屏幕另一侧的空工作区窗口中。在该任务的大多数版本中，模型窗口和工作区窗口并不同时可见，而是当一个窗口被揭开时，另一个窗口被灰色遮罩覆盖（例如，Fu & Gray，2000；Gray等，2006）。这种设计允许参与者自行决定是倾向于依赖内部记忆（表现为两个窗口之间的切换次数较少），还是依赖记忆过程的外化（表现为为增加两个窗口之间的切换次数而付出额外的身体努力）。参与者在此任务中在内部记忆与外化之间的决策取决于主观的成本-收益考量。关于这些考量，Fu和Gray（2000；另见Gray等，2006；Grinschgl，Meyerhoff，& Papenmeier，2020；Patrick等，2015；Waldron等，2011）的研究表明，通过对每次查看模型窗口增加时间延迟来提高访问成本，会导致策略从卸载策略转向更多基于记忆的策略。因此，更高的时间成本会减少卸载行为。在本研究中，我们利用这一稳健且一致的发现，来实验性地研究卸载行为及其对即时表现以及后续记忆的即时影响。

认知卸载的后果

从概念上讲，将认知过程外化到技术工具中可被视为一种延展心智，因为外化将认知过程扩展到了个体心智的边界之外（Clark & Chalmers，1998）。实证研究表明，这种外化已被证明能提高问题解决的准确性和速度（Kirsh & Maglio，1994）。这种在即时任务表现上（就速度和/或准确性而言）的有益效果已在大量任务中观察到（例如，算术任务，见Carlson等，2007；Goldin-Meadow等，2001；或阅读，见Risko等，2014）。除了上述描述的技术带来的效果（即超越内部认知限制的表现；Salomon，1990）之外，人们对技术的影响（即与技术互动所产生的认知后果；Moritz等，2020；Salomon，1990；Salomon & Perkins，2005）知之甚少。

一方面，将不相关信息卸载到技术工具中可以提高后续不相关任务的认知表现（Runge等，2019）以及对不相关信息的记忆（Storm & Stone，2015）。然而，另一方面，一个普遍的担忧是，频繁地将内部认知过程外化会导致相应内部能力的贫化。这一担忧已得到来自空间记忆（例如，Fenech等，2010；Gardony等，2015）、问题解决（Moritz等，2018，2020；O'Hara & Payne，1998；Van Nimwegen & Van Oostendorp，2009）以及信息回忆（Eskritt & Ma，2014；Kelly & Risko，2019；Pyke & LeFevre，2011；Sparrow等，2011）等方面研究结果的支持。例如，O'Hara和Payne（1998）观察到，与技术工具的互动次数增加后，在迁移阶段的问题解决成功率要低于使用内部心理过程的情况。此外，Kelly和Risko（2019）最近研究了依赖外部表征如何影响对已卸载信息的记忆准确性。尽管刺激编码完全相同，但该研究的参与者在认为自己可以获取外部表征时，对词表的记忆准确性低于认为自己必须依赖内部记忆时。

关键的是，在这些研究线索中，参与者在编码任务相关信息时通常无法选择如何完成任务（例如，Eskritt & Ma，2014；Kelly & Risko，2019；Sparrow等，2011）。这在“图案复制任务”中则有所不同，在该任务中，参与者可以自由调整他们的卸载行为（其中至少需要一定程度的卸载才能完成任务），从而选择他们偏好的策略。尽管如此，探索图案复制任务的研究也指向了类似的认知卸载积极与消极效果之间的权衡（Morgan等，2009，2013；Waldron等，2007）。虽然认知卸载量的增加（例如，在低时间成本条件下相对于高时间成本条件下）会加快任务处理速度（Morgan等，2009；Waldron等，2007），但随后会降低对视觉空间信息的回忆表现（Morgan等，2009，2013；Waldron等，2007）。此外，卸载量的增加对任务中断后的恢复（即根据记忆继续重建颜色图案）也是有害的（Morgan等，2009，2013）。然而，这些研究报告的测试都是在卸载后立即进行的记忆测试（Morgan等，2009，2013；Waldron等，2007）。因此，这些研究中的记忆测试可能并未超出工作记忆维持的范围。卸载的有害影响是否也会在更长的时间间隔后持续存在，从而影响长时记忆，这一点仍不清楚。这一点尤其重要，因为在现实生活中，个体常常卸载信息以便在后续阶段访问这些信息（例如，写购物清单或使用日历）。这些考虑引出了研究问题：认知卸载是否也会对长时记忆的获取产生有害影响。

关于长时记忆获取，对已卸载信息在后续测试中相关性的知晓可能会改变卸载行为本身及其潜在后果。这是因为知晓后续测试应会引发促进学习以为后续测试做准备的目标。一方面，认知卸载可能并不普遍对已卸载信息的记忆产生有害影响，甚至可能在参与者被明确指示记忆所学材料时产生有益的长时后果。例如，普遍认为认知卸载释放了内部认知资源（Kirsh，2010）。当卸载本需存储在工作记忆中的信息时，所释放的内部认知资源可被视为个体未使用的工作记忆容量。这些释放的认知资源反过来可能有助于对剩余任务相关信息进行更深层次的加工，从而改善记忆（Craik & Lockhart，1972）和学习（Salomon，1990；Sweller等，1998）。因此，旨在获取长时记忆的人可能会策略性地利用认知卸载来形成更强的记忆表征。

然而，另一方面，如果释放的认知资源（由于卸载）即使有明确的记忆刺激指令也无法被引导到剩余任务相关信息上，那么技术工具的可用性可能会给后续记忆表现带来风险，因为卸载减少了内部信息加工和精细加工的总量。在这种情况下，策略性考量应尽量减少认知卸载，以制造理想难度（即那些使学习更困难但能增加学习效果的条件；Bjork & Bjork，2011）。通过使用更多基于记忆的策略和更少的卸载来引入理想难度，虽然可能要求更高，但也可能增强学习和记忆（Bjork & Bjork，2011）。因此，在我们的研究中，我们还直接检验了对后续记忆测试的知晓是否会改变卸载行为及其后果。

当前研究

在本研究中，我们系统性地探究了认知卸载如何影响随后对已卸载信息的记忆。在实验1中，我们旨在证明所提出的卸载对任务加工的即时有益效果与对记忆的后续有害效果之间的权衡。该实验与Morgan等人（2009；另见Morgan等，2013；Waldron等，2007）报告的实验类似，区别在于我们的记忆测试是在图案复制任务完成之后显著延迟后才进行的，而Morgan等人（2009）的记忆测试是在图案复制任务的各试次之间呈现的。此外，我们所记忆的信息包含更自然的刺激（即真实世界物体的图像），而非彩色方块。尽管如此，由于各项研究之间高度相似，我们的第一个实验可被视为对Morgan等人（2009）发现的概念性复制。

在实验2和实验3中，我们研究了对即将到来的记忆测试的知晓（即促进学习的目标）如何影响卸载行为及其对记忆的后果。图案复制任务中的刺激数量超过了工作记忆容量。因此，如果不进行至少一定程度的认知卸载，该任务就无法完成。这使我们能够检验在参与者知道他们稍后需要回忆已卸载信息的情况下，卸载的有害影响是否仍然会出现。更具体地说，我们检验了两个竞争性假设。一方面，因卸载而释放的认知资源可能被用于构建长时记忆表征。如果是这样，卸载行为就不会对长时记忆获取产生有害影响。另一方面，如果将释放的资源投入到长时记忆形成中是不可能的，那么卸载行为将对长时记忆获取产生有害影响。在这种情况下，应尽量减少卸载行为，以制造能够改善学习的理想难度。为了区分这些假设，我们操纵了对后续记忆测试的知晓，并调查了测试知晓是否改变了认知卸载的使用及其影响。在实验2中，参与者在自由选择条件下执行图案复制任务（即参与者可以自由选择是否卸载）。在最后的实验3中，我们将这种自由选择条件与强制最大程度卸载的条件进行了比较。

实验1

本实验侧重于证明所提出的即时任务表现与记忆表征形成之间的权衡。我们的参与者完成了一个版本的图案复制任务，该任务明显超出了工作记忆容量。因此，所有参与者都必须依赖卸载行为，尽管他们之间的卸载量可能有所不同。在该任务中，增加卸载行为减少了需要同时在工作记忆中处理的信息量。然而，重要的是，每位参与者都必须处理每一个信息单元才能完成任务。除了测量个体卸载行为外，我们还操纵了卸载的时间成本，以改变认知卸载的量（即较高的外化成本会诱导对内部资源的更强依赖）。在实验结束时的保持间隔之后，参与者完成了一个意外的记忆测试。我们预测，更多的卸载会提高即时任务表现（就效率和准确性而言），但会损害记忆表征的形成。

除了保持间隔超过工作记忆持续时间以及记忆对象更具自然性之外，我们的任务和程序与Morgan等人（2009）报告的实验相似。由于这些相似性，我们的第一个实验可被视为对先前已建立的结果模式的概念性复制。尽管如此，我们认为通过新任务变体来复制先前发现，以证明所研究概念的普遍性以及当前材料和程序的适用性是很重要的。

方法

本实验已在开放科学框架（OSF；https://osf.io/n64cd）进行了预注册。此外，所有材料、数据和分析脚本均可从 https://osf.io/vmgd4/获取。在结果部分中标记为“探索性”的分析并未正式预注册。

任务与刺激

图案复制任务。该任务旨在测量卸载行为（Ballard等，1995）。参与者将12张不同物体的图片（每张3.5°×3.5°；选自《标准化刺激库》；Brodeur等，2010，2014）从屏幕右下方的资源窗口拖放到右上方面板的工作区窗口中。目标是复制屏幕左上方面板中一个形状相同的模型窗口内相同物体的布局（见图1a）。在任何时候，模型窗口或工作区窗口中只有一个可见，另一个被覆盖。参与者可以通过模型窗口右侧的滑块打开模型窗口，通过工作区窗口左侧的触控条打开工作区窗口。对于一半的参与者，打开模型窗口会导致2秒的延迟（此时滑块变为红色）。因此，这些参与者必须等待才能打开模型窗口（锁定条件），而另一半参与者则可以立即打开模型窗口（无锁定条件；参见例如Gray等，2006；Grinschgl，Meyerhoff，& Papenmeier，2020；类似操纵）。参与者可以根据需要随意在两个窗口之间切换。在每个试次开始时，灰色遮罩覆盖所有窗口，参与者可以决定先打开哪个窗口。重建完12张图片后，他们按下屏幕左下方区域的按钮继续。共有20个试次，每个试次有不同空间排列的图案需复制，之前有一个练习试次。图片显示的是日常生活中常见的（彩色）物品，如厨具、衣物或食品（进一步描述见Brodeur等，2010，2014；我们使用的所有图片均可在 https://osf.io/vmgd4/获取）。每个试次从480个物体的集合中（240个用于图案复制任务；240个额外干扰项用于记忆测试）随机无放回地选择一组新图片。图片集在各条件间进行了平衡（即每个条件的一名参与者以相同顺序看到相同的物体集）。

作为认知卸载的指标，我们分析了模型窗口的打开次数（即模型窗口的打开次数）、首次打开的持续时间（即初始编码时长）以及首次打开后正确复制的项目数（即初始正确复制项目；只有试次内的第一次打开不受先前打开的影响）。更显著的卸载行为表现为窗口打开次数更多、初始编码时长更短以及初始正确复制项目更少。此外，作为即时任务表现，我们测量了试次持续时间（修正了2秒的锁定时间）以及错误数量。错误数量是指试次结束时重建错误的图片数量。试次持续时间越长、错误越多，表示即时任务表现越低。

记忆测试。该任务旨在评估对图案复制任务中处理过的物体的记忆表现。参与者的任务是根据记忆恢复图案复制任务中20个独特空间排列中的每一个（见图1b）。在每个试次中，其中一个网格呈现在屏幕中央。在网格旁边，该特定网格的原始12张图片与来自同一数据库的12张新干扰项图片（此前未出现过）混合呈现（每张3.5°×3.5°）。参与者被要求通过拖放将正确的图片拖到排列中的正确位置来重建原始排列。作为记忆表现的指标，我们计算了正确恢复的身份-位置绑定（即正确图片在正确位置）的比例。我们相对于图案复制任务中复制的图案（即校正后的身份-位置绑定）以及图案复制任务中的原始图案（即身份-位置绑定）分别计算了这一比例。我们进行这种双重分析是为了排除结果源于初始复制错误遗留影响的可能性。此外，我们还计算了正确恢复的身份（即正确图片在任何位置；身份）的比例。

附加测试。我们在图案复制任务和记忆测试之间设置了一个保持间隔。在此间隔期间，我们的参与者完成了两项额外的工作记忆测试，作为他们在无卸载情况下工作记忆容量的指标。我们选择实施这些任务是因为工作记忆容量对卸载的影响在先前研究中存在争议（例如，Morrison & Richmond，2020；Risko & Dunn，2015）。因此，我们希望确保在卸载行为和记忆表现中观察到的效果不能简单地用实验组之间的先验差异来解释。在第一个测试中，参与者必须重建彩色方块的视觉图案（视觉图案测试；改编自Della Sala等，1999）。在第二个任务中，参与者必须重建空间位置的时间序列（Corsi积木敲击任务；改编自Milner，1971）。两个测试均采用自适应阶梯难度（从2个物体开始，正确则+1个物体，错误则-1个物体，最少2个物体），我们分析了最后10个正确解决的试次（共30个试次）的组块大小。

结果

与我们的预注册假设一致，无锁定条件下的参与者表现出更多的认知卸载行为，在即时任务表现上具有更高的效率，但随后表现出较低的记忆准确性。此外，卸载行为的个体差异也显示出相同的结果模式。

实验2

实验1中观察到的认知卸载越多则损害记忆表征形成的现象，是在附带性实验设置下产生的（即参与者在执行图案复制任务时并不知道后续会有记忆测试）。尽管这一发现表明，在隐式形成新记忆表征的情境下记忆会受到损害，但它未必能推广到参与者明确以形成记忆表征以备后续测试为目标的情境中。在第二个实验中，我们研究了对后续记忆测试的知晓如何改变卸载行为以及记忆表征的形成。为此，一半的参与者对后续记忆测试不知情，而我们明确告知另一半参与者，他们在图案复制任务之后需要完成一项记忆测试。此外，我们还操纵了卸载的时间成本。通过这一设置，我们检验了两个竞争性假设。第一个假设是，认知卸载释放了内部认知资源，而测试知晓是将这些释放的资源投入记忆表征形成所必需的。第二个假设是，释放的资源不会对记忆表征的形成有所贡献。在这种情况下，参与者可能更多依赖自己的内部编码策略，从而避免认知卸载以促进长时学习（即一种理想难度）。

方法

本实验已在OSF（https://osf.io/pb89m）进行了预注册。所有材料、数据和分析脚本均可从 https://osf.io/ke9dj/获取。本实验的所有方法与实验1相同，但本节所述的例外情况除外。

任务与刺激

图案复制任务。对于一半的参与者，指导语中包含了关于实验结束时有即将进行的记忆测试的信息（德文翻译：“请注意：任务结束后，您将需要参加一项记忆测试，该测试将检验您对呈现的图像图案的记忆。”）。此外，在图案复制任务的第一个试次之前，参与者会再次被提醒有关记忆测试（德文翻译：“请尽可能记住图片和图案，因为在本测试之后将进行一项再认测试。”）。对于另一半参与者，指导语中不包含任何关于即将进行的记忆测试的信息。每种条件下的原始指导语以及测试本身均可从 https://osf.io/ke9dj/获取。

由于本实验的重点是卸载对后续记忆的影响而非即时任务表现，我们旨在确保所有参与者都有相同的机会记住初始物体图案。因此，在本实验中，参与者必须正确完成图案复制任务。因此，参与者只有在正确复制模型窗口中的布局后才能进入下一试次。尽管如此，我们仍将报告试次持续时间作为即时任务表现的指标。本实验的图案仅包含8张图片（这些图片是实验1中所用图片的子集；见 https://osf.io/ke9dj/）。⁶

记忆测试。记忆测试中的布局略有不同。8张原始图片和8张干扰项图片呈现在对应网格的下方而非旁边。由于我们使用的图片较少（与其他实验相比），这种调整后的布局显得更加用户友好。

结果

与实验1的结果一致，更多的卸载导致任务处理更快，但记忆准确性更低。有趣的是，知晓后续记忆测试的参与者减少了卸载行为，并随后表现出更好的记忆表现。

实验3

实验1和实验2均表明，认知卸载与随后记忆表现的降低相关。然而，当参与者知晓即将进行的记忆测试时，他们似乎会减少卸载行为以促进长时记忆（实验2）。这一发现表明，卸载所释放的认知资源更像是“丢失”了，而不是被投入到记忆表征的获取中。在第三个实验中，我们通过探究这一发现的普遍性和/或边界来进一步追踪它。因此，我们操纵了参与者是被允许像先前实验中那样自由选择其卸载行为（选择条件），还是被强制进行最大程度的卸载（强制条件）。与实验2相同，我们进一步操纵了参与者是否知晓即将进行的记忆测试（知情条件）或不知情（不知情条件）。如果认知卸载普遍对记忆表征的形成有害，那么当参与者被强制进行最大程度卸载时，知晓即将进行的记忆测试应无益。此外，自由选择卸载的条件也使我们能够重新检验实验2中有趣的发现，即知晓后续记忆测试的参与者倾向于避免卸载以提高记忆表现。

方法

我们在OSF（https://osf.io/4ye2c）预注册了本实验。此外，所有材料、数据和分析脚本均可从 https://osf.io/k6t7q/获取。本实验的所有方法与实验1和实验2相同，但本节所述的例外情况除外。

参与者。我们的最终样本由172名新学生（136名女性；18-66岁）组成。根据我们预注册的排除标准，我们替换了数据缺失（12人）、事先知晓突发记忆测试（27人）或图案复制任务或记忆测试中任何预注册因变量偏差过大（±3个标准差）（6人）的参与者的数据。预注册的排除标准与实验1和实验2相同。本实验以小组形式进行，最多同时容纳四名参与者。测试室由可移动隔板分隔成独立隔间，因此参与者在研究期间无法看到彼此。

任务与刺激

图案复制任务。与记忆测试知晓的操纵正交（另见实验2），我们操纵了参与者是可以自由选择其卸载行为（选择条件），还是被强制进行最大程度的卸载（强制条件）。选择条件与实验1和实验2中的无锁定条件相同。在新的强制条件下，参与者在图案复制任务的每个复制周期内只能在工作区窗口中重建一个物体。因此，在此条件下，参与者必须至少在模型窗口和工作区窗口之间切换12次才能重建12张图片。在本实验中，参与者只需点击模型窗口旁边的条即可打开它（而非像实验1和实验2那样使用滑块）。在所有条件下，图案复制任务都必须正确完成（另见实验2）。作为认知卸载的指标，我们预注册了模型窗口的打开次数和首次打开后正确复制的项目数。

记忆测试。记忆测试与实验1相同。

结果

与我们之前的发现一致，我们观察到当参与者不知晓即将进行的记忆测试时，认知卸载对后续记忆表现有害。然而，当参与者知晓记忆测试时，认知卸载对记忆表现的有害影响较不显著。特别是，被强制进行最大程度卸载的参与者，相对于不知情的对应组，显著地从记忆表征的缺乏中恢复了过来。

。。。。。。。

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8358584/pdf/10.1177_17470218211008060.pdf