真實(shí)任務(wù)與表象任務(wù)中的心理旋轉(zhuǎn)加速效應(yīng)

曾雅斌, 陳順森*, 巫金根

（1.閩南師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院,福建漳州363000；2.陽光學(xué)院兒童發(fā)展與教育學(xué)院,福建福州350015）

從日常生活上來說，心理旋轉(zhuǎn)在我們生活中無處不在、無時不有.例如：當(dāng)我們玩魔方時，我們都會事先想如何旋轉(zhuǎn)方可每面對齊等行為.這些行為都涉及到在想象自我中對客體的旋轉(zhuǎn)，即發(fā)生了心理旋轉(zhuǎn).

心理旋轉(zhuǎn)是空間能力的一種，一種想象自我或者客體旋轉(zhuǎn)的空間表征轉(zhuǎn)換形式,也是當(dāng)代認(rèn)知心理學(xué)家頗受關(guān)注的熱點(diǎn)問題，表象可以通過心理旋轉(zhuǎn)來“模擬”認(rèn)知過程[1-2].在心理學(xué)上，表象是對在頭腦中保持過去感知過的事物形象復(fù)現(xiàn)的過程[1,3].客體的物理旋轉(zhuǎn)的表象旋轉(zhuǎn)過程等同于心理旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部過程[4].一些心理轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)是表象旋轉(zhuǎn)假說的證據(jù)，如想象紙盒折疊實(shí)驗(yàn)[5].1978 年由Kosslyn、Ball和Reiser 進(jìn)行的表象掃描實(shí)驗(yàn)研究表明加工時間隨著表象“通過”的運(yùn)動量的增加而增加[6-7].基于動手操作這個任務(wù)類型而提出真實(shí)旋轉(zhuǎn)這一概念，即通過動手去真正操作旋轉(zhuǎn).減數(shù)反應(yīng)時也叫唐德斯減數(shù)法反應(yīng)時，減數(shù)法反應(yīng)時主要是將反應(yīng)時間分解成各部分，然后分析加工的過程[1].1973 年Cooper 和Shepard 用減數(shù)法反應(yīng)時實(shí)驗(yàn)證明了心理旋轉(zhuǎn)的存在，且每秒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)53°[1,8].20 世紀(jì)70 年代初，美國心理學(xué)家Shepard 等最早做了一個著名的心理旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn).研究結(jié)果表明隨著方位角度差越來越大，對其判斷時間就會越長[1].Cooper 和Shepard 于1973 年用字母R作為呈現(xiàn)刺激材料進(jìn)一步對心理旋轉(zhuǎn)進(jìn)行研究.結(jié)果說明，當(dāng)刺激呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角大于180°時，是按順時針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；若刺激呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角小于180°時，則是逆時針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)[1,9].有學(xué)者認(rèn)為心理旋轉(zhuǎn)能力是要通過后天的努力學(xué)習(xí)發(fā)展而來的，如蔡華儉等人在1998年也進(jìn)行了相關(guān)的心理旋研究[10].鑒于近幾十年來心理旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)在認(rèn)知領(lǐng)域頗受學(xué)者關(guān)注，較多的學(xué)者主要研究心理旋轉(zhuǎn)的存在、空間表征等進(jìn)行大量研究，而較少的學(xué)者去研究任務(wù)條件對心理旋轉(zhuǎn)的影響.由于心理旋轉(zhuǎn)與實(shí)際物理旋轉(zhuǎn)相類似，所以本研究從動手操作、想象操作、無關(guān)任務(wù)這三種不同任務(wù)類型來研究.想探究心理想象是否能夠加速心理旋轉(zhuǎn).在教學(xué)上，心理想象有助于空間感能力和思辨能力的提升.通過動手操作來真正旋轉(zhuǎn)將抽象進(jìn)行生動化，更有利于空間想象能力的提升，進(jìn)一步提升創(chuàng)新力和創(chuàng)造力.

基于Cooper 和Shepard 的經(jīng)典心理旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了改進(jìn)，目的是想通過真旋轉(zhuǎn)任務(wù)和表象旋轉(zhuǎn)任務(wù)二者比較來驗(yàn)證心理旋轉(zhuǎn)是否加速.從而選擇客體的旋轉(zhuǎn)為研究主題，使用字母R為材料，在如何旋轉(zhuǎn)中主要研究不同任務(wù)操作是否對心理旋轉(zhuǎn)有影響？采用減法反應(yīng)時范式，為了重復(fù)驗(yàn)證Cooper 和Shepard的研究結(jié)果；其次，想探究不同任務(wù)類型進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn)是否還存在Cooper和Shepard的研究結(jié)果；最后想探討想象操作是否能夠加速心理旋轉(zhuǎn).基于前人實(shí)驗(yàn)研究假設(shè)與本研究目的相結(jié)合，將提出較為具體的實(shí)驗(yàn)假設(shè)：三種任務(wù)類型實(shí)驗(yàn)結(jié)果均支持Cooper 和Shepard 研究結(jié)果.真實(shí)旋轉(zhuǎn)任務(wù)和表象旋轉(zhuǎn)任務(wù)能加速心理旋轉(zhuǎn).動手操作平均反應(yīng)時均小于想象操作平均反應(yīng)時均小于無關(guān)任務(wù)平均反應(yīng)時.

1 研究方法

1.1 被試的選取

采用方便取樣的方法，選取福建省某高校95名大學(xué)生，其中男生30名，女生65名，并且所有被試均排除已學(xué)過心理旋轉(zhuǎn)和參與過該實(shí)驗(yàn)心理學(xué)專業(yè)的大學(xué)生，最終有效被試為90 名，包括30 名男生，60 名女生.這95 名大學(xué)生皆無身心疾病且參加本實(shí)驗(yàn)的所有被試均自愿參與.被試對象的基本信息分布，如表1.

表1 實(shí)驗(yàn)被試對象基本信息分布表（n=90）Tab.1 Distribution table of basic information of experimental subjects(n=90)

1.2 刺激材料及儀器設(shè)備

采用正R 與反R（鏡像）圖片，以60°為最小旋轉(zhuǎn)角，共有12 種R 字符（如圖1：鏡像60°R）.R 圖片由PhotoshopCS6繪制.同時還借助一個大圓盤，事先在硬紙板上用圓規(guī)畫一個大圓和制作兩個指針，把圓分成6 等份，在相應(yīng)位置用2B 鉛筆標(biāo)注上相應(yīng)的R，在圓心處用圖釘固定指針，使指針靈活旋轉(zhuǎn)，在這圓盤背面以同樣的方法制作反R.

圖1 鏡像60°RFig.1 Mirror 60°R

整個實(shí)驗(yàn)過程用一臺Dell i5計(jì)算機(jī)控制.實(shí)驗(yàn)程序由E-prime編制.該軟件能系統(tǒng)呈現(xiàn)刺激和記錄反應(yīng)時精度為毫秒.

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用3（任務(wù)類型：動手操作、想象操作、無關(guān)操作）*6（旋轉(zhuǎn)角度：0°、60°、120°、180°、240°、300°）*2 旋轉(zhuǎn)方向（正像vs鏡像）混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).任務(wù)類型為被試間因素，旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向被試內(nèi)因素，反應(yīng)時和正確率為因變量.

1.4 實(shí)驗(yàn)程序

將被試隨機(jī)分成三組，每組分配一種任務(wù)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作.在實(shí)驗(yàn)開始之前，主試需要通過事先制作好的PPT 與被試講解實(shí)驗(yàn)流程、操作示范以及注意事項(xiàng).完成整個實(shí)驗(yàn)流程需要連續(xù)20 到30 分鐘，實(shí)驗(yàn)分四模塊：操作階段、練習(xí)階段、再學(xué)習(xí)階段、正式實(shí)驗(yàn).指導(dǎo)語、測驗(yàn)的內(nèi)容由計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)，反應(yīng)時由計(jì)算機(jī)記錄.

1) 操作階段

動手操作組：借助事先做好的圓盤，圓盤上已標(biāo)注各個角度R 字母，被試需要對著表中隨機(jī)出現(xiàn)R 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，需要動手撥動指針旋轉(zhuǎn)到指定角度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至指定位置后，被試需把指針再旋至0°角的位置，方可旋轉(zhuǎn)下一個，依次類推.正R和反R的每個角度均會出現(xiàn)三次，需操作36次，時間控制在2 min.

想象操作組：給被試一個時鐘表盤，讓被試對照表中隨機(jī)出現(xiàn)R，報(bào)告R 頂端對應(yīng)時鐘表盤上的數(shù)字幾，在被試報(bào)告后，再進(jìn)行對下一個R 想象旋轉(zhuǎn)，依次類推.正R 和反R 每個角度皆出現(xiàn)三次，需想象36次，時間控制在2 min.

無關(guān)任務(wù)組：讓被試做R相關(guān)運(yùn)算（做大約10題，如3+10+R=20，R=），時間控制在2 min.

2) 練習(xí)階段

在完成相應(yīng)操作后，被試將進(jìn)行按鍵練習(xí).在實(shí)驗(yàn)開始前，屏幕中央會呈現(xiàn)指導(dǎo)語，被試需按陳述的指導(dǎo)語進(jìn)行相應(yīng)操作.此階段每個角度被隨機(jī)呈現(xiàn)10次，共按鍵操作120次，實(shí)驗(yàn)流程如圖2.

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Experimental flow chart

3) 第三階段為再學(xué)習(xí)階段

再按鍵練習(xí)結(jié)束，會呈現(xiàn)出練習(xí)完畢的指導(dǎo)語.主試需要告訴被試先暫停一下，要求被試再操作學(xué)習(xí)一下，操作的內(nèi)容、流程同學(xué)習(xí)階段操作相同.

4) 第四階段為正式實(shí)驗(yàn)階段

在完成上一階段后，被試需要根據(jù)上一階段呈現(xiàn)練習(xí)完畢指導(dǎo)語中的提示作出按鍵反應(yīng)進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn).正式實(shí)驗(yàn)的流程、操作同按鍵練習(xí)階段操作一樣.此階段每個角度被隨機(jī)呈現(xiàn)10 次，共按鍵操作120次.加上按鍵練習(xí)每名被試需判斷240次的正R還是反R，且完成整個實(shí)驗(yàn)共需按鍵操作240次.

1.5 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)心理旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方式對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和計(jì)算.刪除錯誤反應(yīng)（ACC=0）的被試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；分別將反應(yīng)時小于300 ms和反應(yīng)時大于3 000 ms的實(shí)驗(yàn)被試數(shù)據(jù)刪除.根據(jù)以上指標(biāo)，動手操作組和想象操作組各1 名被試不符合要求，無關(guān)任務(wù)組有3 名被試不符合要求，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均予以剔除，視為無效被試，有效被試各為30 名，最終有效被試為90 名.被試的反應(yīng)時數(shù)據(jù)采用SPSS21.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，進(jìn)行計(jì)算分析.

2 研究結(jié)果

2.1 三種任務(wù)下心理旋轉(zhuǎn)的正確率

無論正像、鏡像刺激，三種條件隨著旋轉(zhuǎn)角的增大，正確率都是先降低后提升，以180°為臨界點(diǎn)，呈對稱分布.在相同旋轉(zhuǎn)角下，無關(guān)任務(wù)的正確率最低，見表2.

表2 三種任務(wù)下各個旋轉(zhuǎn)角與正確率之間的關(guān)系Tab.2 Relationship between individual rotation angles and correctness rates for different task types

2.2 不同任務(wù)下各個旋轉(zhuǎn)角與反應(yīng)時之間的關(guān)系

對于動手操作組來說，無論正像刺激還是鏡像刺激，都表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)角越大，所需的時間也逐漸增加，到180°時，反應(yīng)時最多，符合Cooper和Shepard的研究結(jié)果.在相同的角度下，與鏡像刺激相比，正像刺激的反應(yīng)時都更短.正像刺激和鏡像刺激都是以180°為臨界點(diǎn)，呈對稱性分布.

對于想象操作組，當(dāng)正像刺激的角度越大時，對其判斷的時間也逐漸增加，角度為180°時，反應(yīng)時最多.鏡像刺激的旋轉(zhuǎn)結(jié)果與正像刺激的規(guī)律是相同的，也表現(xiàn)出經(jīng)典心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng).與鏡像刺激相比，除180°以外，正像刺激在其他角度下的反應(yīng)時都更少.在旋轉(zhuǎn)角度為180°時，鏡像刺激和正像刺激兩者的反應(yīng)時相接近.

圖3 不同任務(wù)的旋轉(zhuǎn)角對反應(yīng)時的影響Fig.3 Effect of rotation angle on reaction time for different task types

無論旋轉(zhuǎn)方向是正像還是鏡像，隨旋轉(zhuǎn)角的增大，無關(guān)操作組的被試耗時也逐漸增加，旋轉(zhuǎn)至180°時，反應(yīng)時最多，且支持Cooper和Shepard的研究結(jié)果.與鏡像刺激相比，除了在旋轉(zhuǎn)角度為180°以外，正像刺激在其他各個角度下的反應(yīng)時都更少.在180°時，鏡像刺激略小于正像刺激兩者的反應(yīng)時.

從總體上來說，無論是正像刺激還是鏡像刺激，幾乎動手操作時間較短.

使用SPSS中的重復(fù)測量的方差分析對鏡像（正像）刺激的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從分析結(jié)果中可知：旋轉(zhuǎn)角度的主效應(yīng)顯著,F(5,435)= 81.03，p= 0.000 1< 0.01,η2= 0.48（F(5,435)= 136.77，p= 0.000 1< 0.01,η2= 0.61）.實(shí)驗(yàn)組別的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(2,87)= 0.80，p= 0.45> 0.05,η2= 0.02（F(2,87)= 1.14，p= 0.33> 0.05,η2= 0.03）.旋轉(zhuǎn)角度×實(shí)驗(yàn)組別的交互作用不顯著,F(10,435)= 1.21，p= 0.28> 0.05,η2= 0.03（F(10,435)= 1.04，p=0.41> 0.05,η2= 0.02）.在正像時旋轉(zhuǎn)角度為180°時，動手操作的所花費(fèi)的時間明顯短于無關(guān)任務(wù)所需要的時間，而想象操作所需的時間卻與其余兩者任務(wù)所需判別時間無明顯差異，無關(guān)任務(wù)的反應(yīng)時最長，其次想象操作的反應(yīng)時，最短的是動手操作的反應(yīng)時.

基于上述分析，可知：1)在三種類型下，不同的角度對心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)辨別時間有影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在著經(jīng)典的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，即隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，反應(yīng)時隨之增加，當(dāng)樣本旋轉(zhuǎn)了180°時，反應(yīng)時為最長.之后隨著旋轉(zhuǎn)度數(shù)的進(jìn)一步增大，反應(yīng)時反而逐漸減少.2)對于正像刺激時，在動手操作情況下的心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)辨別時間最短，而在無關(guān)任務(wù)下的心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)所需時間最長，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了真實(shí)旋轉(zhuǎn)能夠促進(jìn)心理旋轉(zhuǎn).3)在旋轉(zhuǎn)角相同情況下，任務(wù)類型對心理旋轉(zhuǎn)的影響有所不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)真實(shí)旋轉(zhuǎn)操作相對更有利于心理旋轉(zhuǎn)的加速.4)從整體上來說，在相同的角度下，不管是正（鏡）像刺激，與無關(guān)任務(wù)耗時相比，動手操作的耗時更短；與無關(guān)任務(wù)所需時間比較，想象操作所需時間略短，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了動手操作和想象操作有助于心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)，即真實(shí)旋轉(zhuǎn)和表象旋轉(zhuǎn)能加快心理旋轉(zhuǎn)進(jìn)程.

3 討論與分析

3.1 旋轉(zhuǎn)角度對心理旋轉(zhuǎn)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，任務(wù)類型和旋轉(zhuǎn)角度對完成心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)辨別時間有影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在著經(jīng)典的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，即隨著旋轉(zhuǎn)的角度越大，所需時間也越長；旋轉(zhuǎn)角度越小，時間就越短.旋轉(zhuǎn)角為180°時進(jìn)行判斷的時間最長，曲線兩側(cè)的反應(yīng)時以180°為中心呈現(xiàn)出對稱性分布.將本實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)與趙曉妮的研究相比較，均支持Shepard 等人的經(jīng)典心理旋轉(zhuǎn)研究的結(jié)果[11]，說明了不同任務(wù)類型下，被試的反應(yīng)時同樣支持經(jīng)典心理旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果.

通過兩因素混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)角度主效顯著，對于正像刺激的數(shù)據(jù)而言，三種任務(wù)類型旋轉(zhuǎn)角度為60°或300°與其余的旋轉(zhuǎn)角度均顯著，但三者任務(wù)類型旋轉(zhuǎn)角度為60°與旋轉(zhuǎn)角度為300°均不顯著.將本實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)與Parsons的研究，還有陶維東等人的研究的研究相比較均得出了在進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)時，若旋轉(zhuǎn)角度是人在現(xiàn)實(shí)生活中較易做出的姿勢，其所需的時間較短，反之，則所需要的時間愈長[12-13].雖然被試的反應(yīng)時與旋轉(zhuǎn)角度有相關(guān)，但其研究結(jié)果又與經(jīng)典心理旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差異.由此說明了心理旋轉(zhuǎn)加工是會受到現(xiàn)實(shí)生活中人體生理機(jī)制的約束.

3.2 任務(wù)類型對心理旋轉(zhuǎn)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，三種操作類型均都支持Shepard 等人的經(jīng)典心理旋轉(zhuǎn)研究的結(jié)果，換句話說，三種操作在進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)中都存在著經(jīng)典的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng).結(jié)合上述三種任務(wù)操作類型的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，在相同的旋轉(zhuǎn)角度下進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn)操作，總體上，動手操作組的被試在進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)時，所需要消耗的時間最短，由此說明了動手操作組的心理旋轉(zhuǎn)效應(yīng)最佳，即為真實(shí)旋轉(zhuǎn)最能加快心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)的進(jìn)程.

不同的被試完成任務(wù)時采用了不同的策略.對于正像刺激時，在動手操作情況下的心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)辨別時間最短，而在無關(guān)任務(wù)下的心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)所需時間最長.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了真實(shí)旋轉(zhuǎn)和表象旋轉(zhuǎn)能夠促進(jìn)心理旋轉(zhuǎn).動手操作組與想象操作組的被試可能采用與Cooper和Shepard實(shí)驗(yàn)所說的策略[9].無關(guān)操作對任務(wù)進(jìn)行判斷是最有可能是對這個刺激進(jìn)行完全的旋轉(zhuǎn).將本實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)與陶維東等人的研究進(jìn)行比較，得出了被試具體采取哪種策略進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn)，與實(shí)驗(yàn)的任務(wù)類型有關(guān)[13].被試在進(jìn)行心理旋轉(zhuǎn)的時候，可能以自己為參考系，也可以能以物體為參考系，取決于實(shí)驗(yàn)任務(wù)類型.

4 結(jié)論

真實(shí)旋轉(zhuǎn)和表象旋轉(zhuǎn)有利于心理旋轉(zhuǎn)的加速.真實(shí)旋轉(zhuǎn)對完成心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)的效果最佳.