基于機器人技術的自閉癥兒童執行功能干預模式研究

摘 "要 "執行功能從宏觀上來說是一種綜合指令系統，是一系列認知過程的合集，這個過程幫助人們有目的地完成任務。許多研究表明，自閉癥兒童存在執行功能障礙，自閉癥兒童的行為刻板、興趣狹窄、注意力轉移障礙等表現常與其執行功能低下相關聯。通過標準化的評估工具明確自閉癥兒童執行功能特征與核心干預項目，提出基于機器人圖形化編程技術的自閉癥兒童執行功能干預模式，并結合干預實驗進行循證研究。

關鍵詞 "自閉癥兒童；執行功能；機器人；圖形化編程

中圖分類號：G642.0 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）14-0001-05

Research on Executive Function Intervention Model of Autism Spectrum Disorders Children Based on Robot Technology//CHEN Dongfan， ZHOU Qi

Abstract "Executive function is an comprehensive instruction

system and an ensemble of cognitive processes at a macro level that help us accomplish tasks on purpose. Many studies have shown that autism spectrum disorders children have exe-

cutive function deficits， and manifestations such as stereo-typed behavior with narrow interests and impaired attention shifting are often associated with low executive function in

autism spectrum disorders children. This study identifies exe-cutive function characteristics and core intervention items for autism spectrum disorders children through a standardized assessment tool， proposes a model of executive function in-tervention for autism spectrum disorders children based on robot graphical programming technology， and conducts an evidence-based study in conjunction with an intervention ex-periment.

Key words "autism spectrum disorders children; executive function; robot; graphical programming

1 "執行功能障礙的自閉癥與機器人

自閉癥譜系障礙（Autism Spectrum Disorders，

ASD）是廣泛性發育障礙（pervasive developmental

disorder，PDD）的代表性疾病，以在多種環境中持

續性地顯示出社會溝通和社會交往的缺陷以及局限的、重復的行為、興趣或活動為主要特征[1]。本文所提到的自閉癥兒童即自閉癥譜系障礙兒童，也稱孤獨癥譜系障礙兒童。根據美國疾病控制預防中心（Centers for Disease Control And Preven-tion，CDC）2020年發布的在美國11個州中八歲自閉癥兒童患病率的調查，美國自閉癥兒童患病率已經從2012年的1/69提高到1/54[2]。自閉癥兒童的刻板行為與拒絕變化的行為模式體現出他們認知靈活性與自我監控等能力的非典型性，這是執行功能受損的重要行為表現。

基于自閉癥兒童認知能力水平以及實驗操作需求，本研究選擇標準化的執行功能量表進行評估。在評估工具中，學齡兒童執行功能行為評定量表2（Behavior Rating Inventory of Executive Func-

tion，Second Edition，BRIEF2）（父母版）、巴克利兒童與青少年執行功能量表（Barkley Deficits

in Executive Functioning Scales-Children and

Adolescents，BDEFS-CA）、綜合執行機能清單（Com-

prehensive Executive Function Inventory，CEFI）

都有標準化的評分系統，對評估者不要求經過專業培訓。綜合來看，BRIEF2（父母版）與CEFI的維度劃分包含清晰的執行功能結構，符合現有研究對執行功能模型的理解，能提供系統完整的、具有生態效度的執行功能評估。此外，BRIEF2（父母版）提供中文版本，條目數量更適應研究需要。因此，本研究選擇BRIEF2（父母版）作為評估工具。

機器人技術應用于執行功能的研究集中在正常兒童的STEAM教育形式，通過開發以圖標為主要形式的編程軟件進行教育活動。Carbonaro等[12]提出完成一個簡單的任務就可能對學生的個人創造力和解決問題的能力提出廣泛的要求，強調把機器人作為一種思維工具，構建問題驅動型學習環境。他應用樂高機器人為兒童解釋機械裝置，講解力和齒輪的基本原理，并讓兒童展示出對設計的理解。但迄今為止尚未有將機器人技術應用于自閉癥兒童執行功能干預的研究，究其原因，主要是模式與內容無法直接應用于自閉癥兒童執行功能干預，而且內容難度過大，呈現方式缺乏吸引力。

2 "五項執行功能指標對應五步例程

2.1 "核心項目

本研究采用標準化的BRIEF2（父母版）中文量表。BRIEF2（父母版）可評估5～18歲兒童的執行功能，包含63個條目，分四個維度：

1）行為監管指數，包括抑制、自我監控；

2）情緒調節指數，包括轉換、情緒控制；

3）認知調節指數，包括啟動、工作記憶、計劃/組織、任務監控以及管理材料；

4）匯總分數形成綜合執行指數。

各條目按1～3級評分（1=從不；2=有時；3=經常），評分越高，所反映的執行功能受損越嚴重。BRIEF2（父母版）結構模型如表1所示。

對5～18歲整體上年齡匹配的自閉癥兒童和正常對照兒童的執行功能進行評定，與對照組相比，實驗組在BRIEF2（父母版）綜合執行指數及子項目平均原始分得分更高。總體比較時，兩組在BRIEF2

（父母版）總分及各因子項目T分數具有極顯著差異（P＜0.001）。自閉癥兒童綜合執行指數達到68.3，表示自閉癥兒童執行功能存在潛在臨床障礙，達到二級障礙，遠高于普通兒童（53.2）。自閉癥兒童在轉換上有顯著障礙，指數（72.7）達到臨床障礙水平；自我監控（66.9）、啟動（66.5）、計劃/組織（65.2）指數水平達到潛在臨床障礙的二級水平；工作記憶（64.7）處于二級障礙與一級障礙水平之間；抑制（61）、情緒控制（63.1）、任務監控（61）與管理材料（57）處于輕度升高的一級水平。自閉癥兒童與正常兒童執行功能評估結果分布如圖1所示。

研究結果表明，5～18歲自閉癥兒童存在功能性的執行功能障礙，且轉換、自我監控、啟動、計劃/組織與工作記憶障礙突出。

2.2 "核心項目與五步例程

五步例程分別是“確定目標”“制定計劃”“執行計劃”“自我監控”“靈活調整”，對應自閉癥兒童“啟動”“計劃”“工作記憶”“自我監控”“轉換”五個核心執行功能障礙。五步例程是針對自閉癥兒童核心干預需求開發程式，希望通過幫助自閉癥兒童建立有規則的行為和認知程序以最大限度地解決問題，提高自閉癥兒童的執行功能。五步例程結構如圖2所示。

3 "六類圖形化編程結構

3.1 "人形機器人

將機器人技術應用于自閉癥兒童干預中，功能設計尤為重要。自閉癥兒童常被報告可能對某些特征表現出更大的接受能力，對某些特征易感到不適。優必選公司旗下的悟空機器人（圖3）在多方面性能上有優秀表現，其配置如圖4所示。

3.2 "圖形化編程技術

基于機器人平臺的圖形化編程界面，結合圖形化編程積木之間的邏輯關系與先后順序以及自閉癥兒童的認知水平，選擇六類結構作為自閉癥兒童圖形化編程的主要結構。根據難度，選擇“順序結構”“并行結構”作為入門學習內容，選擇“條件結構”“循環結構”作為進階學習內容，選擇“運算結構”“函數結構”作為提升與拓展學習內容。不要求所有自閉癥兒童掌握全部結構。

以“順序結構”為例，說明圖形化編程的結構內容。機器人按照從上至下順序執行編程內容，積木需要按照順序組合，不單獨存在于該結構。當自閉癥兒童能夠在無提示的情況下符合需求地按照順序結構靈活組合積木，即可進行下一階段“并行結構”的學習。“順序結構”示意圖與編程案例如圖5所示，執行該程序，機器人將會揮左手、眨眼睛，介紹節目并表演，進行一次節目表演的程序。

4 "七大生活單元主題課程設計

自閉癥兒童按照五步例程進行圖形化編程解決問題。由此劃分三部分的內容：

1）以五步例程設計核心目標；

2）以圖形化編程結構設計內容；

3）以生活單元設計串聯主題。

結合自閉癥兒童的認知水平與悟空機器人圖形化編程的主要材料，將機器人編程結構與生活單元主題結合，將編程內容轉換成一個個的生活問題，讓兒童操作機器人，以編程的方式幫助機器人解決這些問題。

以生活單元為問題設計的串聯主題。為開發生活化的干預內容，本研究在與自閉癥兒童干預專家、一線資深康復師、兒童以及家長充分溝通的基礎上，選擇七類生活單元情景主題，如表2所示。

干預模式結構如圖6所示，下面對干預模式開展進程進行說明。

1）以五步例程習得情況確定核心目標，控制干預進度與習得目標。

2）以兒童認知水平與興趣確定圖形化編程內容。自閉癥兒童的認知水平差異大，進行針對性的設計非常重要。在確定五步例程的前提下，按入門、進階與拓展的順序開展干預訓練。在尊重兒童認知水平與興趣的前提下，可以讓兒童按照順序全部學習，也可以在某一階段停留。

3）根據與圖形化編程主題的契合度選擇生活單元主題。圖形化編程主題有其特殊性，因此，在確定編程主題后，可以考慮與生活化單元主題比較契合的主題進行設計。

5 "實驗被試

5.1 "研究對象選擇標準

通過招募，共有八名上海自閉癥兒童符合條件并全程參與。被試年齡區間為7～15歲，基本信息如表3所示。

5.2 "實驗設計

本次研究采用單組前后測的設計，通過比較八名自閉癥兒童干預前后各項指標的差異，檢驗自閉癥兒童執行功能干預模式對自閉癥兒童在執行功能的轉換、自我監控、計劃/組織、啟動與工作記憶上的干預效果。本次研究采用兩種方法分析單組前后測的檢驗結果：一種是統計分析方法，收集干預前和15次干預結束后的BRIEF2（父母版）得分；一種是輔助分析法，分析自閉癥兒童在干預中的實際表現。結合兒童解決機器人圖形化編程問題的情況進行綜合探討，明確干預模式對自閉癥兒童執行功能轉換、自我監控、計劃/組織、啟動與工作記憶的干預效果。

5.3 "實驗過程

實驗組被試在平日的常規課堂教學活動外，每周至少進行一次訓練，每次30分鐘，共訓練15次，時間為12周。干預場所為兒童所在機構的固定教室。干預全部結束后，統一由評估人員進行集中后測，在兩天之內完成實驗組所有被試的后測數據采集。評估人員需分別記錄被試訓練前后的BRIEF2（父母版）評估結果，并對其進行例程評價。

5.4 "干預模式的實證應用

本研究采用單組前后測的實驗設計，對八名自閉癥兒童進行干預模式的實證研究。研究結果表明，八名自閉癥兒童在執行功能中的轉換、自我監控、啟動、計劃/組織與工作記憶的表現上有顯著提高。從整體上看，該模式對自閉癥兒童執行功能具有良好的干預效果。值得注意的是，這種提升并不是均衡提升，干預模式對自閉癥兒童執行功能部分項目具有更高的敏感性，敏感性最高的是啟動與計劃/組織，轉換與自我監控次之，工作記憶敏感性最低。

6 "結論

本文在自閉癥兒童執行功能的非典型特征的基礎上，借鑒現有執行功能干預理論與實踐模式，創造性地提出針對自閉癥兒童執行功能核心干預項目的五步例程，充分利用具有卡通造型和生命感的機器人和操作直觀的六類圖形化編程結構，結合生活單元主題創建生活化編程問題，以自閉癥兒童感興趣的方式提升自閉癥兒童計劃/組織、轉換、工作記憶、自我監控以及啟動的能力，效果良好。

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