本文描述了一种方法，通过该方法，3至4个月大的婴儿通过自主探索学习一项任务，同时记录其腿部运动以量化学习过程。
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本文内容
摘要
摘要
特定任务的动作从婴儿期的自发运动中产生。有研究提出，特定任务的动作是通过发现式学习过程而形成的。本文描述了一种方法，通过该方法，3至4个月大的婴儿通过自主发现学习一项任务，同时记录其腿部运动以量化学习过程。这种发现式学习任务采用了一种由婴儿自主激活的移动装置，该装置会根据婴儿特定的腿部动作进行旋转并播放音乐。仰卧位的婴儿通过将双脚垂直移动越过一个虚拟阈值来激活该装置。该范式的独特之处在于，当婴儿独立发现其腿部动作能够激活装置时，可利用动作捕捉系统追踪其腿部运动，从而实现对学习过程的量化。具体而言，学习过程的量化指标包括装置激活的持续时间、激活装置的末端效应器（脚部）的位置方差、髋关节-膝关节协调模式的变化，以及髋关节和膝关节肌肉力矩的变化。这些信息描述了在个体与环境约束相互作用下，婴儿对任务特定动作的探索与利用过程。后续研究可利用该方法进一步探究具有运动障碍风险的不同婴儿群体中特定功能损伤如何影响任务特定动作的发现式学习过程。
引言
特定任务的动作从婴儿期的自发运动中产生。已有研究提出，特定任务的动作是通过一种发现式学习过程而形成的1,2。婴儿在自发运动和探索能够对环境产生新效应的动作时，逐渐发现这些任务。随着婴儿利用其动作与外界环境效应之间的联系，特定任务的动作便逐步形成。然而，目前对于婴儿为学会调整其自发运动以完成特定任务所探索和利用的具体过程，仍知之甚少。本文描述了一种方法，使3至4个月大的婴儿通过自主发现学习一项任务，并记录其腿部运动以量化学习过程。
图1：婴儿踢腿激活移动装置任务。 每只脚刚性结构上附着的中心发光二极管（LED）（黄色圆圈）在越过虚拟阈值（红色虚线）时激活移动装置。经 Sargent et al.3 许可重印
该发现式学习任务采用了一种由婴儿自主激活的移动装置，该装置会根....
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方案
南加州大学机构审查委员会批准了此项研究。
1. 系统准备
- 设置运动捕捉系统。请注意：不同运动捕捉系统的操作步骤有所不同。
- 通过在运动捕捉程序中点击“Perform New Registration”，设置采集时间为30秒，点击“Register”，并在捕捉范围内移动校准物体30秒，将两个运动捕捉传感器的坐标系对齐至其中一个传感器的坐标系。当校准成功完成后，观察计算机屏幕上显示的均方根（RMS）校准误差。
- 在运动捕捉程序中点击“Perform New Alignment”，使用校准物体将全局坐标系与测试台对齐。
- 将校准物体置于测试台的右上角，点击运动捕捉程序中的“Digitize”，以定义原点；将校准物体置于一个盒子的顶部并点击“Digitize”，以定义Z轴；Z轴垂直于测试台表面。
- 将校准物体沿测试台长度方向在盒子上移动，并点击“Digitize”，以定义Z/Y+平面；Y轴与测试台长度方向平行，X轴与测试台宽度方向平行。
- 将LED插入两个频闪端口，并在运动捕捉系统程序中输入每个频闪端口连接的LED数量（频闪端口1为24个，频闪端口2为20个）。参见图3了解各LED....
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结果
婴儿早期学习过程可以通过以下指标进行量化：%RLA、末端效应器（足部）的位置方差、髋关节-膝关节角度相关系数，以及髋关节和膝关节的关节力矩。每个分析层面均提供了独特信息，用以揭示婴儿在发现式学习过程中如何探索其腿部动作与婴儿活动装置激活之间的关系。
对于 %RLA 和髋-膝关节角度相关系数的统计分析，采用具有自回归协方差结构的混合回归模型，以组别（学习者、非学习者）作为被试间因素，检验各因变量（%RLA、髋-膝相关系数）在基线期、习得期和消退期不同天数之间的差异。针对学习者组内髋关节和膝关节肌肉力矩冲量的统计分析，对每个因变量（髋关节肌肉力矩冲量、膝关节肌肉力矩冲量）在基线期、习得期和消退期不同天数之间，同样采用具有自回归协方差结构的混合回归模型进行分析。所有统计分析均使用 SAS 软件（版本 7.0，SAS Institute Inc.）完成，整体 F 检验的显著性水平设定为 0.05，并对预先计划的事后比较采用 Bonferroni 校正进行调整。
增强腿部动作的百分比
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讨论
为年幼儿童设计发现式学习任务
针对年幼婴儿的发现式学习任务必须经过精心设计，以确保婴儿能够独立发现其中的偶联关系。在若干运动能力习得实验范式的初始阶段，通常会通过非偶联性地激活移动装置7,22，或由研究人员被动地移动婴儿的腿部，使婴儿初步接触并了解这种偶联关系9。此外，照护者和实验人员可能会提供额外的强化支持，以促进婴儿的表现。如文中所述，制定明确的规则至关重要，以确保婴儿在没有外界影响的情况下独立发现偶联关系。
在发现式学习任务中，收集的因变量指标对行为表现的变化具有敏感性也十分重要。该实验范式中最关键的部分是设定婴儿床铃激活的阈值。如果阈值设置得过高，婴儿在习得阶段可能无法足够频繁地激活床铃，从而难以意识到是自己的腿部动作导致了床铃的激活。如果阈值设置得过低，婴儿在基线阶段的腿部活动百分比（%RLA）可能已经很高，导致其在习得阶段难以进一步显著提高%RLA，从而无法体现出行为表现或学习效果；例如，若某婴儿在第1天的基线%RLA为50%，则在第2天的6分钟习得阶段中需激活床铃达75.......
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致谢
本研究得到了物理治疗基金会提供的博士研究促进计划（PODS）I期和II期资助，以及美国物理治疗协会教育分会授予芭芭拉·萨金特的“资助博士生”奖学金支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Optotrak Certus 位置传感器，远焦距，带支架 | Northern Digital Inc | 8800852 | |
| Optotrak 数据采集单元 II（ODAU II） | Northern Digital Inc | 8800767 | |
| Optotrak Vinten 支架，Certus 型，带快速固定适配器 | Northern Digital Inc | 8800855.002 | |
| Certus S 型，标准配置 | Northern Digital Inc | 8800761 | |
| 标记点（7 mm）对，带 RJII 连接器和 8 英尺电缆 | Northern Digital Inc | 8001029.001 | |
| 交流电源线，医疗级，北美标准 | Northern Digital Inc | 7500010 | |
| 立方体参考发射器套件 - Certus | Northern Digital Inc | 8800768 | |
| 3 个 Pylon IEEE 1394 摄像头 | Basler | A6021c | |
| Vixia HG10 摄录机 | Canon | 2183B001 | |
| 粘贴式圆盘 | MVAP 医疗用品 | E401-500 | |
| 可翻转头枕支撑 | Eddie Bauer | 52556 | |
| 软带绑带 | Sammons Preston | A34960 | |
| 数字式儿科体重秤 | Healthometer | 型号 524KL |
参考文献
- Gibson, E. J., Pick, A. D. An Ecological Approach to Perception, Learning and Development. , Oxford University Press. New York, NY. (2000).
- Thelen, E., Smith, L. B. A Dynamic Systems Approach to the Development of Cognition and Action. , MIT Press. Cambridge, MA. (1994).
- Sargent, B., Schweighofer, N., K....
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重印与许可
