注意力机制,如何养出有自制力的宝宝

婴儿有自制力吗?

原本,涂色绘画被认为是“小孩子的游戏”,而现在,有越来越多的成年人也开始迷上了它。专为大人们设计的填色书籍冲上热销榜单,而这些填色书大多以“舒缓压力、放松身心”作为卖点。

关键词:注意力机制;Attention机制;自然语言处理;NLP;
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近年来,深度学习的研究越来越深入,在各个领域也都获得了不少突破性的进展。基于注意力(attention)机制的神经网络成为了最近神经网络研究的一个热点,本人最近也学习了一些基于attention机制的神经网络在自然语言处理(NLP)领域的论文,现在来对attention在NLP中的应用进行一个总结,和大家一起分享。

讲真,在连大小便都无法控制的人生阶段,你还能要求多少?嗯?

填色画究竟能不能帮人减压呢?从心理学的角度来看,只要你能乐在其中,这种说法就确实有些道理。要想放松心情、减少焦虑,“专注”与“释放”是其中的要点。

Attention研究进展

Attention机制最早是在视觉图像领域提出来的,应该是在九几年思想就提出来了,但是真正火起来应该算是google
mind团队的这篇论文《Recurrent Models of Visual
Attention》[14],他们在RNN模型上使用了attention机制来进行图像分类。随后,Bahdanau等人在论文《Neural
Machine Translation by Jointly Learning to Align and Translate》
[1]中,使用类似attention的机制在机器翻译任务上将翻译和对齐同时进行,他们的工作算是是第一个提出attention机制应用到NLP领域中。接着类似的基于attention机制的RNN模型扩展开始应用到各种NLP任务中。最近,如何在CNN中使用attention机制也成为了大家的研究热点。下图表示了attention研究进展的大概趋势。

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  • #### Recurrent Models of Visual Attention

    在介绍NLP中的Attention之前,我想大致说一下图像中使用attention的思想。就具代表性的这篇论文《Recurrent
    Models of Visual Attention》
    [14],他们研究的动机其实也是受到人类注意力机制的启发。人们在进行观察图像的时候,其实并不是一次就把整幅图像的每个位置像素都看过,大多是根据需求将注意力集中到图像的特定部分。而且人类会根据之前观察的图像学习到未来要观察图像注意力应该集中的位置。下图是这篇论文的核心模型示意图。

    可靠的线上网赌网站 2

该模型是在传统的RNN上加入了attention机制(即红圈圈出来的部分),通过attention去学习一幅图像要处理的部分,每次当前状态,都会根据前一个状态学习得到的要关注的位置*l*和当前输入的图像,去处理注意力部分像素,而不是图像的全部像素。这样的好处就是更少的像素需要处理,减少了任务的复杂度。可以看到图像中应用attention和人类的注意力机制是很类似的,接下来我们看看在NLP中使用的attention。

不过呢,要说自制力(的萌芽),还真是有一点的。

不只是填色,也是冥想

提到冥想(meditation),人们可能会首先想到参禅、打坐,认为这是宗教气息很浓厚的一种活动。而事实上,心理学上所说的“冥想”是一种更宽泛的概念,它的核心宗旨是将身心带回到“此时此刻”。西方心理学界从20世纪70年代起开始发展冥想。到今天,它已经成为了一个成熟的现代心理学概念,并在心理治疗中广泛应用\[1\]

冥想的重点是对精神上的注意力的控制,而根据注意力的指向不同,冥想又被分为集中性冥想(concentrative
meditation)和正念性冥想(mindfulness
meditation)。集中性冥想是指将注意力集中在此刻的某个事物上,例如声音(如鸟鸣)、画面(如大海)、动作(如呼吸)等。而正念性冥想是指将注意力集中在此刻进入意识的所有情绪、事件、状态。对任何心理状态不阻拦,不评判,关注并接受\[2\]

很多人都有过这样的经验:头脑中不断计划着未来的事情,不停的为今天、明天、后天、下个月的工作而烦躁。或是不断思考过去犯下的错误,为无法改变的经历而烦躁。而冥想则是与这完全相反的状态。它强调人将分散的注意力集中到当下这一刻,集中到自己身上,不带任何思绪、情感、偏见,静静的接收和感知身体的运作。

很多活动都可以帮助人回到当下。此类活动均可以认为是带有冥想性质的(meditative),填色游戏也是其中的一种。面向成年人的填色画有着纤细复杂的线条,促使人们更加集中注意力,专注涂绘。此外,对不擅长绘画的普通人而言,填色又是相对容易坚持完成的任务,在进行过程中不至于因为失败而产生太多焦躁。

可靠的线上网赌网站 3面向成年人的填色画中有着复杂的细节。图片来自:Passion
for Pencils

心理学家们也将高度专注的状态称为“心流”(Flow),这是一种“浑然忘我”的境界,在这种状态下人们往往会感觉不到时间和环境的变化,能以极高的效率完成手中的任务,并且产生充实的感觉。在信息时代,很多娱乐方式是碎片化、容易让人分散精力的,例如当你玩手机时,你的注意力会在微博、微信、游戏等各种应用之间不断跳转。而与之相比,专注的状态在放松身心方面确实有自己独特的优势。

由于人的压力和焦虑往往来源于未来的不确定性或是对过去的懊悔,将身心带回到此时此刻的冥想使人们得以重新集中精力,放松思绪,降低焦虑水平,回到初始状态。实证研究及元分析研究显示,冥想可以帮助人们减轻压力、提升幸福感\[3-5\]。此外,冥想也被用于抑郁症、焦虑症\[6\]、创伤后急性应激障碍(PTSD)\[7\]等疾病的辅助治疗。在日常生活中,长期进行冥想训练的个体生活质量也得到了提高\[4\]

除填色、绘画以外,带有冥想性质的活动还有很多,如烹饪、运动、书法练习等。无论是专业的冥想训练(如瑜伽、关注自身呼吸,身体扫描),还是带有冥想性质的活动,只要能让你迅速将注意力收回到当下,它们也都可以带来“减压”效果。

Attention-based RNN in NLP

  • Neural Machine Translation by Jointly Learning to Align and
    Translate
    这篇论文算是在NLP中第一个使用attention机制的工作。他们把attention机制用到了神经网络机器翻译(NMT)上,NMT其实就是一个典型的sequence
    to sequence模型,也就是一个encoder to
    decoder模型,传统的NMT使用两个RNN,一个RNN对源语言进行编码,将源语言编码到一个固定维度的中间向量,然后在使用一个RNN进行解码翻译到目标语言,传统的模型如下图:
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/8573609-9ae349ad743e659e.png)



这篇论文提出了基于attention机制的NMT,模型大致如下图:



![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/8573609-e6da154697eaff7e.png)


图中我并没有把解码器中的所有连线画玩,只画了前两个词,后面的词其实都一样。可以看到基于attention的NMT在传统的基础上,它把源语言端的每个词学到的表达(传统的只有最后一个词后学到的表达)和当前要预测翻译的词联系了起来,这样的联系就是通过他们设计的attention进行的,在模型训练好后,根据attention矩阵,我们就可以得到源语言和目标语言的对齐矩阵了。具体论文的attention设计部分如下:  

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/8573609-ae1413d98b4de17c.png)


可以看到他们是使用一个感知机公式来将目标语言和源语言的每个词联系了起来,然后通过soft函数将其归一化得到一个概率分布,就是attention矩阵。  

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/8573609-07e22f3750d6983c.png)



从结果来看相比传统的NMT(RNNsearch是attention
NMT,RNNenc是传统NMT)效果提升了不少,最大的特点还在于它可以可视化对齐,并且在长句的处理上更有优势。
  • Effective Approaches to Attention-based Neural Machine Translation
    [2]
    这篇论文是继上一篇论文后,一篇很具代表性的论文,他们的工作告诉了大家attention在RNN中可以如何进行扩展,这篇论文对后续各种基于attention的模型在NLP应用起到了很大的促进作用。在论文中他们提出了两种attention机制,一种是全局(global)机制,一种是局部(local)机制。
    首先我们来看看global机制的attention,其实这和上一篇论文提出的attention的思路是一样的,它都是对源语言对所有词进行处理,不同的是在计算attention矩阵值的时候,他提出了几种简单的扩展版本。
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/8573609-ff54e09cbf33c9a8.png)

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/8573609-e3ada7a551858428.png)


在他们最后的实验中general的计算方法效果是最好的。  
我们再来看一下他们提出的local版本。主要思路是为了减少attention计算时的耗费,作者在计算attention时并不是去考虑源语言端的所有词,而是根据一个预测函数,先预测当前解码时要对齐的源语言端的位置Pt,然后通过上下文窗口,仅考虑窗口内的词。  

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/8573609-e466a527b28bf320.png)



里面给出了两种预测方法,local-m和local-p,再计算最后的attention矩阵时,在原来的基础上去乘了一个pt位置相关的高斯分布。作者的实验结果是局部的比全局的attention效果好。  
这篇论文最大的贡献我觉得是首先告诉了我们可以如何扩展attention的计算方式,还有就是局部的attention方法。
  • #### Attention-based CNN in NLP

    可靠的线上网赌网站,随后基于Attention的RNN模型开始在NLP中广泛应用,不仅仅是序列到序列模型,各种分类问题都可以使用这样的模型。那么在深度学习中与RNN同样流行的卷积神经网络CNN是否也可以使用attention机制呢?《ABCNN:
    Attention-Based Convolutional Neural Network for Modeling Sentence
    Pairs》
    [13]这篇论文就提出了3中在CNN中使用attention的方法,是attention在CNN中较早的探索性工作。

![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/8573609-a69d9fb7bbc3b306.png)



传统的CNN在构建句对模型时如上图,通过每个单通道处理一个句子,然后学习句子表达,最后一起输入到分类器中。这样的模型在输入分类器前句对间是没有相互联系的,作者们就想通过设计attention机制将不同cnn通道的句对联系起来。  
第一种方法ABCNN0-1是在卷积前进行attention,通过attention矩阵计算出相应句对的attention
feature map,然后连同原来的feature
map一起输入到卷积层。具体的计算方法如下。

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第二种方法ABCNN-2是在池化时进行attention,通过attention对卷积后的表达重新加权,然后再进行池化,原理如下图。

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第三种就是把前两种方法一起用到CNN中,如下图

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这篇论文提供了我们在CNN中使用attention的思路。现在也有不少使用基于attention的CNN工作,并取得了不错的效果。

不到1岁的宝宝就会控制注意力了

当婴儿能控制脖子自如转动时,在跟大人玩的过程里,他们就会出现“突然转头”的行为。转头,避开跟大人的目光对视,其实是因为对婴儿来说“现在太激动了,需要缓一缓”。这就是最早的“自我调节”能力,也是自制力的一部分。

在这种情况下,大人就静静等着“缓过来”的婴儿把头转回来,再和她玩就可以啦。

可靠的线上网赌网站 7刚能控制脖子转动时,婴儿就能自我调节了。图片来源:123rf.com.cn正版图片库

自制力里面还有很重要的一块,就是控制自己注意力的能力。如果一个人能一直专注于手头的任务,边上有干扰也不会分心,就可以算自制力很强了。

婴儿在9个月之前,这种能力可以说是≈0。只要有个新奇的东西出现,小婴儿的注意力就会完全不受控制地被吸引过去。听起来好像很糟,不过其实还挺妙的。因为这意味着如果婴儿看上什么不适合她年龄玩的危险物品,你只要把她抱到看不见那个物品的地方,再拿出几个玩具在她眼前晃一晃,基本上她就会忘掉刚才想要啥了。

但是从9个月到1岁间,婴儿开始慢慢拥有一种可怕的“内源性注意力”。也就是说,他们的注意力不再完全被外界刺激控制,而是更取决于自身意愿。也正是由于具备了这种内源性的、可选择的注意力,小孩才能慢慢学会转移自己的注意力,改变自己的行为,在无法改变环境时,转变自己的念头来哄哄自己,也哄哄大人。

释放情绪,“画走”冲突

绘画帮助人放松心情的另一个因素在于“创作”的过程。当人们选择用音乐、电影来消遣时,他们更多是在被动地接受信息,而绘画、写作等活动则涉及创作和自我展现的过程。

在生活中,人们可以通过向朋友倾诉烦恼来减轻压力。但有时候倾诉并不容易进行,单凭语言也可能并不足以表达内心全部的想法,个体可能也有自身无法察觉到的情感和冲突。这时,艺术创作就可以成为一种释放情绪的补充方式。人们在绘画中无意识地展现着自己的审美观、价值观,也会释放内心的感情与冲突\[8\]。所以,绘画的过程也就成了舒解的过程。

在心理治疗中,绘画的方式也有不少应用。在现代心理学的领域中,艺术治疗(art
therapy)被认为是一种行之有效的测评和治疗方法。在专业的心理咨询中,来访者与咨询师共同分析,解释画作也能让来访者对自己有新的认识和见解。一些研究发现,艺术治疗可以帮助慢性病患者等人群缓解压力与焦虑\[9\]。在美国国防部下属的NICoE机构中(National
Intrepid Center of
Excellence),战后老兵也可以通过接受绘画治疗来减轻由战争带来的创伤后应激障碍(PTSD)\[10\]

除此之外,填色绘画可能也会让人想到童年的游戏,进而使人产生积极、正性的回忆。这或许也是它受人喜爱的原因之一。

每个人的特点和喜好各不相同,除了绘画和填色,也还有很多其他释放压力、赶走焦虑的方法可供选择。例如,书写烦恼同样是可以帮助减压的方式。此外,减压活动应成为个体生活中的固定的部分。如果总是临时寻找,计划减压活动,个体的不安、焦虑感也会随之上升。所以,找到合适自身的减压活动,并让它其成为自己生活中例行的一部分,才是最重要的事情。(编辑:窗敲雨)

玩填色画虽然开心,但也要注意休息眼睛哦。

总结

最后进行一下总结。Attention在NLP中其实我觉得可以看成是一种自动加权,它可以把两个你想要联系起来的不同模块,通过加权的形式进行联系。目前主流的计算公式有以下几种:

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通过设计一个函数将目标模块mt和源模块ms联系起来,然后通过一个soft函数将其归一化得到概率分布。
目前Attention在NLP中已经有广泛的应用。它有一个很大的优点就是可以可视化attention矩阵来告诉大家神经网络在进行任务时关注了哪些部分。

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不过在NLP中的attention机制和人类的attention机制还是有所区别,它基本还是需要计算所有要处理的对象,并额外用一个矩阵去存储其权重,其实增加了开销。而不是像人类一样可以忽略不想关注的部分,只去处理关注的部分。

参考文献
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[2] Luong, M. & Manning, C. D. Effective Approaches to Attention-based
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[6] Yin, W., Ebert, S. & Schütze, H. Attention-Based Convolutional
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[7] Kadlec, R., Schmid, M., Bajgar, O. & Kleindienst, J. Text
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[cs.CL] (2016).
[8] Dhingra, B., Liu, H., Cohen, W. W. & Salakhutdinov, R.
Gated-Attention Readers for Text Comprehension. (2016).
[9] Vinyals, O. et al. Grammar as a Foreign Language. arXiv 1–10
(2015).
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[11] Zhou, P. et al. Attention-Based Bidirectional Long Short-Term
Memory Networks for Relation Classification. Proc. 54th Annu. Meet.
Assoc. Comput. Linguist. (Volume 2 Short Pap. 207–212 (2016).
[12] Yang, Z. et al. Hierarchical Attention Networks for Document
Classification. Naacl (2016).
[13] Yin W, Schütze H, Xiang B, et al. Abcnn: Attention-based
convolutional neural network for modeling sentence pairs. arXiv preprint
arXiv:1512.05193, 2015.
[14] Mnih V, Heess N, Graves A. Recurrent models of visual
attention[C]//Advances in Neural Information Processing Systems. 2014:
2204-2212.

“有人看着呢,我要控制住我自己”

等到1岁多的时候,婴儿的自制力又会有一个飞跃。

华盛顿大学的科学家做过一个很好玩的研究,让15个月大的婴儿跟实验者A呆在一个房间里,A示范玩一个会发出很大声音的玩具,比如拿起一串珠链丢到塑料杯子里。然后夸张表演者B满脸怒气地冲进来对着A大喊:“真是瞎吵八嚷,嘈杂扰人!教人心烦意乱!”(这种很拗口的对话,是特地用了难词来确保婴儿听不懂句子含义的。)

实验者A平淡脸:“哦?我觉得这还蛮有趣的。”

表演者B继续用表情和声调表现怒火:“那只是你的想法!瞎吵八嚷,嘈杂扰人!”

然后A就把那个会发出声响的玩具往婴儿面前一放:“给。”

婴儿会作何反应呢?

研究发现,婴儿的反应取决于B的状态。如果B那时候已经转身出门,或者虽然在房间里但背对婴儿,那么婴儿只犹豫1秒就会去抓玩具。如果B在房间里而且面无表情地看着婴儿,婴儿就会迟疑不少,基本会等上4秒多才去抓玩具。

不要小看这3秒多的差距,这说明15个月大的婴儿:①能理解看到的社会互动,识别出其他人的情绪,哪怕这种情绪不是冲着婴儿来的;②能推断出因果关系——B生气是因为A玩的玩具;③能举一反三,“如果我玩这个玩具,B也可能对我生气”;④能抑制自己想玩的冲动,稍微忍耐一会儿(虽然只忍了3秒)。

最后这个④尤其厉害,这就是“执行控制”功能——为了达到目标(不被B的怒火波及)而抑制自己的本能冲动(好想玩玩具)——自制力的核心所在。

可靠的线上网赌网站 10看到好玩的玩具,15个月的宝宝能抑制一会儿想玩的冲动。图片来源:123rf.com.cn正版图片库

这个实验还有个好玩的地方:在B“呆在房间里,面向婴儿,但垂下眼睛看杂志”的情况下,15个月大的婴儿依然会比较迟疑,而18个月大的婴儿则会果断伸手抓玩具。

科学家认为,这说明小崽子胆子变大了18个月大的婴儿能更好地预估人的视线范围,从而判断自己不在视线范围内。(但人家听得到啊!18个月大的脑子果然还是很单蠢!)

参考资料:

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    demarcation criteria for “meditation”. Psychology of Religion and
    Spirituality, 1(2), 129.
  3. Gotink, R. A., Chu, P.,
    Busschbach, J. J., Benson, H., Fricchione, G. L., & Hunink, M. M.
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    An Overview of Systematic Reviews and Meta-Analyses of RCTs.PloS
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    M., Gould, N. F., Rowland-Seymour, A., Sharma, R., … &
    Haythornthwaite, J. A. (2014). Meditation programs for psychological
    stress and well-being: a systematic review and meta-analysis.JAMA
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    Oliver, A., & Pettman, D. (2014). Mindfulness-based interventions
    for people diagnosed with a current episode of an anxiety or
    depressive disorder: a meta-analysis of randomised controlled
    trials. PloS one, 9(4), e96110.
  7. Lang, A. J., Strauss, J. L.,
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    intervention for PTSD. Behavior
    modification, 0145445512441200.

怎样才能培养婴儿的自制力呢?

比起智商,自制力对“人生成败”的影响更大。有了自制力,我们才能学习、工作,面对自己的失败与痛苦,解决跟他人的矛盾和冲突,忍耐一时的欲望,达到更长远的目标。

想培养婴儿的自制力,可以试试下边这些方法。

1.找个有自制力的伴侣

自制力受遗传影响,DAT1基因、DRD4基因、MAOA基因等都有研究认为跟自制力有关。比如之前有人研究中国和美国小孩的DRD4基因,发现这个基因的多动症高风险版本的携带率是这样的:美国小孩48%,中国小孩2%……中国小孩自制力强可能有一部分是天生的。

当然,并不是说找个克勤克俭识礼知书的伴侣,就一定保证孩子自制力强,但几率总是高那么一丢丢是吧?

2.让孩子的生活有安全感、有规律可循

研究显示,安全依恋、作息规律、环境变动小的孩子比较容易有自制力。另外,如果家长比较信守承诺,小孩会对家长的信任度更高,也更容易有自制力。

3.多关注孩子的所作所为,及时对小孩的情绪、社交、生理需求做出反应

家长的响应度越高,小孩的自制力也往往越高。还有研究显示,家长如果在旁关注小孩在做的事情,小孩集中精力的时间也会更长。

4.放低期望值

跟自制力相关的前额叶皮质要到20来岁才会完全发育成熟,所以别指望小孩能有多好的自制力。还有研究显示,抑制同样的冲动时,小孩需要激活的脑区比成年人更大。

小孩要动用更多的肌肉才能跟大人举起同样重的东西,但因为力量不够,还是更容易失败。同样道理,他们也需要动用更多“脑力”才能达到跟成年人一样的自我控制,同时,也更容易自我控制失败。

5.自制力不是靠“蛮劲”,而是靠“巧干”

很多人都听过棉花糖实验——在幼儿园阶段的小孩面前摆一块巧克力饼干(是的,最早的实验用的不是棉花糖),告诉小孩:如果你现在吃就只能吃一块;但如果等到我回来时这块饼干还在,我就再给你一块,你就能吃两块。

那些忍住不吃的小孩,当然自制力更好,但他们并不是盯着饼干强忍的,基本上都用了各种办法——有人蒙住自己眼睛,有人把饼干遮起来,有人干脆背对饼干看着墙,有人坐住自己的手,有人絮絮叨叨地跟自己说话,有人跑到墙角放声歌唱……

能创造性地想出很多办法来克制冲动达到目标,才是真正的自制力。

大人们,你又有多少种办法,能教给孩子呢?(编辑:odette)

参考文献

  1. Rueda, M. R., Posner, M. I., & Rothbart, M. K. (2005). The
    development of executive attention: Contributions to the emergence
    of self-regulation. Developmental neuropsychology, 28(2), 573-594.
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