不同推理水平儿童在图形推理任务中的眼动研究，本文主要内容关键词为：图形论文,水平论文,儿童论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：B844.1 文献标识码：A 文章编号：1001-4918(2006)03-0006-10
1 问题提出
关于儿童推理问题的研究一直是认知研究中的重要领域。图形推理是一种重要的推理形式，它通过不同图形特征的组合以及不同图形组成的逻辑关系的复杂程度来控制难度。与语词材料相比，图形材料可以避开知识经验和语言能力的影响，并且直观可行，所以它能更客观地反映个体的思维过程。因此，近年来，对图形推理的研究日渐成为推理研究中的热门领域[1～8]。
目前，关于图形推理的研究主要是以瑞文推理为材料，集中在图形推理策略[1～3]以及图形推理水平的年龄发展特征[4～8]的研究上。这些研究中，大多是以反应时、正确率为指标，或是通过被试的自我报告，推断不同年龄段儿童推理水平及推理策略的差异。但是不同推理能力的儿童在推理过程上有什么差异？即推理过程中的哪些差异造成了其水平上的差异？关于这个问题现在的研究还很少，但是这却是一个很值得研究的问题。因为，我们在了解了不同推理水平儿童在推理过程上有什么差异后，找出推理水平低的儿童存在哪些问题，才能有对针对性地对其进行指导，提高其推理水平。而眼动分析法为这一问题的研究提供了一个很好的方法，使用眼动记录仪，我们可以对被试推理的全过程中的眼睛运动情况进行记录，完成对推理过程的实时测量，之后，通过分析眼动行为数据，可以对被试的推理过程进行探讨。因此，在实验中，我们就使用这一方法来对不同推理水平儿童的推理过程进行研究。
因果推理的研究中表明，规则维度对因果推理有影响，维度多时推理会比较困难[9]。那么在图形类比推理中规则维度是怎样影响推理过程的？以及当处理多个维度时，儿童推理策略是怎样的？矩阵填充任务为这些问题的研究提供了很好的思路，因为从皮亚杰理论的观点出发，这个任务以一种特殊的方式考察了儿童关注多个维度的能力，而不仅仅是一个单一的维度。能够一直作出正确的选择需要儿童识别所有的维度，不能识别全部维度或者辨别出多余维度都不能获得正确答案[10]。通过这一任务，我们可以考察不同维度对儿童推理过程的影响。
关于矩阵填充任务的研究发现，5和6岁儿童不能完全正确解决，而8岁儿童解决更为准确[10,11]。那么8岁以上的儿童中，推理水平不同者的推理过程是否存在差异，规则维度对他们的影响是否存在差异。这也是本研究将要研究的重点问题。
2 研究方法
2.1 被试
从北京市某小学抽取小学3～6年级学生各90名，共360名。采用北师大修订的《标准瑞文推理测验》，对这些学生进行施测，根据测验的成绩，从每个年级选取前10名为高图形推理能力组被试（四个年级共40名），选取后10名为低图形推理能力组被试（四个年级共40名）。高图形推理组被试推理平均得分为48.97，低图形推理组被试推理平均得分为28.74，对二者进行独立样本t检验，发现存在显著差异，t=15.89，p＜0.05，说明高图形推理组被试得分显著高于低图形推理组被试。在实验过程中，由于有些被试眼睫毛太长或者眼睛疲劳等原因，无法获取正常眼动数据，所以将其数据剔除，最后有76名被试的数据参与统计分析，其中高推理水平组儿童36名，低推理水平组儿童39名。
2.2 实验材料
本研究使用的矩阵填充任务是模仿Inhelder和Piaget使用过的矩阵填充任务设计的[3]，共有21道题。如图1所示，每个题目在题干和题支中都包括四个不同的维度，形状，大小，颜色和方向（面向左还是面向右）。每道题目都有六个备选答案，其中只有一个答案是正确的（该选项在所有4个维度上都匹配，如图1中的答案2）。还有四个答案包括四个维度中三个正确的维度，但是还缺少一个维度上的正确值（如图1中的答案1,3,4,5），根据选项缺少的维度，我们将这四个选项依次定义为“形状缺失”（选项1）、“方向缺失”（选项3）、“大小缺失”（选项4）、“颜色缺失”（选项5）。还有一个答案是在所有维度上都不正确的（图1中的答案6），我们定义为“全部缺失”。
图1 矩阵填充任务例图①
2.3 实验设计
采用2（推理水平：高、低）×6（维度：正确选项、形状缺失、方向缺失、大小缺失、颜色缺失、完全缺失）的混合设计，其中推理水平为组间因素，维度为组内因素。
2.4 实验仪器
本实验使用的仪器为美国应用科学实验室（Applied Science Laboratory,ASL)生产的504型眼动仪。该仪器的刷新频率是50 HZ（即每20毫秒记录一次），可以对被试看图过程中的眼睛运动情况进行记录。
2.5 实验程序
本实验进行个别施测。实验中有两名主试，一名主试操作眼动仪并呈现实验材料，另一名主试在答题纸上记录被试报告的答案，并且同时记下被试实验过程中其他的自发的口语报告。每名被试进入实验室后，先进行眼校准。校准完毕后，在屏幕上呈现指导语，主试要在呈现的同时向被试宣读：
小朋友，你好！今天我们一起来做一些游戏。游戏的规则是这样的：你会在电脑屏幕上的左边方框中看到一些图形，请你仔细观察这些图形，发现其中的规律，然后在右边的图形中选择一个你认为最正确的答案，以最快的速度告诉老师。明白了吗？我们现在练习一下。
之后让被试进行练习，当确认被试明白题意后，开始正式实验，呈现刺激的同时，眼动仪开始记录，当被试报告答案以后，眼动仪停止记录。
2.6 数据处理
每张图片划分为七个区域：题干、正确选项、形状缺失维度、方向缺失维度、大小缺失维度、颜色缺失维度、完全缺失维度。先通过ASL公司提供的EYENAL和FIXPLOT眼动分析软件导出针对各个区域的眼动数据，然后使用SPSS11.0进行数据处理。我们选用的眼动指标为：总注视时间（对整张图片的所有注视点的持续时间的总和）、总注视点个数（对整张图片注视的次数）、平均瞳孔直径（对整张图片的所有注视点的瞳孔直径的平均值）、注视概率（注视点落在某个维度上的可能性，详解请见3.3部分）。已有研究发现，眼睛的注视情况与任务的难度有关，当任务较难时，被试的总注视时间较长，注视点个数较多，瞳孔直径扩大的范围较大[12]。我们将通过这些眼动指标，对被试的图形推理过程进行分析。
3 结果与分析
3.1 儿童解决矩阵填充任务的反应时、正确率分析
对儿童完成矩阵填充任务的反应时进行方差分析发现，高低组儿童在反应时上差异边缘显著，F[,(1,73)]=3.32，p=0.07，高水平组儿童的反应时（平均数为5.80秒）短于低水平组儿童（平均数为6.48秒）。
对儿童完成矩阵填充任务的正确率进行方差分析发现，高低组儿童在正确率上差异显著，F[,(1,73)]=5.22，p＜0.05，高水平组儿童判断的正确率(94.2%)显著高于低水平组儿童(88.4%)。
3.2 儿童解决矩阵填充任务的眼动指标分析
对儿童完成矩阵填充任务的各眼动指标进行统计，结果如表：
表1 被试完成矩阵填充任务时的各种眼动指标的平均数和标准差
总注视时间（秒）总注视点个数 平均瞳孔直径（像素）
平均值 标准差 平均值 标准差 平均值 标准差
高推理水平组 0.540.032.850.12 25.530.62
低推理水平组 0.610.033.040.11 25.990.60
对结果进行重复测量的多因素方差分析，发现：
高低组儿童在所有维度上的总注视时间上差异显著，F[,(1,73)]=5.44，p＜0.05，但是不存在组别与维度的交互作用。
高低组儿童在所有维度上的总注视点个数上差异不显著，F[,(1,73)]=3.58，p＞0.05，也不存在组别与维度的交互作用。
高低组儿童在注视所有维度时的平均瞳孔直径上差异不显著，F[,(1,73)]=0.90，p＞0.05，也不存在组别与维度的交互作用。
9.3 儿童解决矩阵填充任务的分时段注视概率分析
为了进一步了解儿童完成推理的策略，我们采用了分时间段考察儿童注视概率的数据分析方法。因为在研究过程中，我们发现儿童在形状、大小、颜色和方向（面向左还是面向右）四个维度的注视上表现出了注视概率的差异。所谓注视概率，就是儿童的注视点落在某个维度上的可能性[13]。它的算法是，根据儿童完成任务的具体时间分布，取每200毫秒为一个时间取样，在一个被试看的所有图片中，某个维度在某个时间取样中被注视到的次数除以总的图片数。通过分析发现，儿童注视各维度的模式差异主要产生在5秒～11秒这个时间段。为了能够更精确的考察儿童推理策略上的差异，我们将5～11秒这个时间段又细分成5个时段，即5～6秒段、6.2～7.2秒段、7.4～8.4秒段、8.6～9.6秒段、9.8～10.8秒段，儿童落在这5个时段上的注视概率分别为V1、V2、V3、V4、V5，具体考察在不同的时间段上儿童注视点落在不同维度上的概率的差异。
3.3.1 分维度的时间进程分析
从整体来看，儿童在对不同维度的识别上表现出显著的差异。具体见图2。在接受刺激的前2秒钟，儿童集中注视问题区，在5秒左右的时候开始了对正确答案的注视。而且，图上我们可以看出，除了问题区外，儿童注视最多的是正确答案，说明8岁的儿童已经具备解决矩阵填充任务的推理能力。还可以看出，在5～11秒之间，全部缺失的维度上注视概率非常低，形状、颜色缺失维度的注视概率也比较低，大小、方向缺失的维度注视概率有所上升，说明儿童对大小、方向这样特征的识别要慢于形状、颜色等特征。
图2 儿童在矩阵填充任务中各维度上的注视概率
3.3.2 不同推理水平儿童推理过程的时间进程分析
分时段作重复测量的方差分析，我们发现高低组儿童在完成矩阵填充任务的注视概率差异产生在方向缺失维度区域和正确答案选项上。
3.3.2.1 不同推理能力儿童在方向缺失维度上的注视概率分析
对不同推理能力儿童在方向缺失维度上的注视概率进行重复测量的方差分析，发现高低组儿童注视概率差异显著，F[,(1.73)]=6.60，p＜0.05。低组儿童的注视概率显著高于高组儿童，低组儿童对方向维度进行了更多的识别。
在方向缺失维度上，组别和分时段注视概率的交互作用显著，F[,(1.73)]=2.70，p＜0.05，进一步简单效应分析发现：在V1、V4、V5时段，高低推理水平组儿童的注视概率差异不显著，而在V2、V3阶段，高低推理水平组儿童的注视概率差异显著(F[,v1](1,73)=6.78,p＜0.05,F[,v2](1,73)=8.18,p＜0.05)，高推理水平组儿童对方向维度的注视概率较低。
表2 高低组儿童在方向缺失维度上的注视概率
v1 v2 v3
v4 v5
高组 低组 高组 低组 高组 低组 高组 低组 高组 低组
M
0.06 0.07 0.03 0.06 0.02 0.04 0.01 0.02 0.01
0.02
SD 0.04 0.04 0.02 0.05 0.03 0.03 0.02 0.03 0.01
0.03
低组儿童在5～11秒之间在方向缺失维度上的注视概率显著大于高组儿童。在11秒之后，低组儿童对该维度的注视概率还是比高组儿童大。方向特征对于低组儿童来说需要进行更多的注视才能识别出来。
3.3.2.2 不同推理能力儿童在正确答案上的注视概率分析
对不同推理能力儿童在正确答案上的注视概率进行重复测量的方差分析，发现存在显著差异，F[,(1.73)]=6.698，p＜0.05。低组儿童的注视概率显著高于高组儿童，低组儿童需要进行更多的注视，才能完成推理的过程。
表3 高低组儿童在正确答案上的注视概率
v1
v2 v3 v4 v5
高组
低组 高组 低组 高组 低组 高组 低组 高组 低组
M
0.11
0.13 0.07 0.10 0.03 0.07 0.02 0.05 0.02 0.03
SD 0.08
0.07 0.06 0.07 0.03 0.06 0.02 0.05 0.02 0.04
在正确答案上，低组儿童在5～11秒这个时间段的注视概率明显大于高组儿童，这种趋势一直持续到14秒左右，这也反映了低组儿童在推断正确答案的过程中与高组儿童在注视模式和反应时间上的差异。
4 讨论
从结果中我们可以看出，8岁以上儿童，无论推理水平如何，都能够以较高的正确率（大于80%）完成矩阵填充任务，这一结果和Inhelder及Piaget(1964)研究[3]所揭示的结果具有一致性。但两组儿童的正确率是存在差异的，高水平组儿童完成任务的正确率显著高于低水平组儿童，这说明高水平组儿童的图形推理能力高于低水平组儿童。而且两组儿童完成矩阵填充任务的反应时存在差异，高水平组儿童的反应时短于低水平组儿童，这说明，高水平组儿童的信息加工速度较快。综合这些结果，我们可以发现，虽然这两组儿童都能正确解决任务，但是他们的图形推理能力和图形推理过程是存在差异的。
通过分时段的注视概率分析，我们发现，儿童在对形状、大小、颜色和方向四个维度的识别表现出了显著的差异。对形状和颜色的识别最快，对大小的识别次之，对方向的识别最慢。我们发现，在儿童内心的推理过程中，形状、颜色这两个维度构成了他们进行正确推理的第一层推理成分，大小维度构成了他们进行正确推理的第二层推理成分，而方向维度就属于更难的层次了。无论是过去的研究还是我们现在进行的研究，都表明方向比其他维度更难识别，从图2当中我们可以看出，儿童落在方向缺失维度的注视概率仅次于在正确答案的注视概率。儿童在推理的过程中经过一层层推理成分的识别和排除，最后形成正确的策略，选出正确答案。
图3 儿童推理过程的层次
研究揭示的最有意义的结果是虽然推理能力高低组儿童大多都能得出正确答案，但是他们在矩阵填充任务过程中，在推理的时间进程上表现出差异来。在认知发展中，加工速度是一个很重要的指标[14]。近十年来，信息加工速度的发展已经越来越受到心理学者的重视，研究者试图以时间为变量来揭示人类大脑内部的信息加工过程，从而揭示认知发展变化的根本特点和规律。信息加工速度的发展能够反映出个体认知操作的变化趋势[15]。采用较新的分时段考察的统计分析方法，先通过儿童完成任务的轨迹图，来选择儿童表现出显著差异的时间段进行进一步细致的研究，使我们获得关于过程的差异结果成为可能。这样获得的研究结果，不仅让我们知道什么样的被试完成任务是快的，还可以让我们知道，是推理过程中的哪些差异使得被试在推理速度上形成差异。从研究结果中，我们可以发现，高低水平组儿童在5～11秒这个阶段在方向缺失维度和正确答案上的注视概率存在差异，低水平组儿童的注视概率显著高于高水平组儿童。而从图2中，我们可以看出，5～11秒这个阶段，正是被试从最初关注问题区，转向开始关注选项的阶段。高推理水平组儿童在方向和正确答案上的注视概率较低，说明他们在刚刚开始关注选项时，就可以通过较少的注视完成对“方向”这一较难维度和正确答案的加工。而这种速度上的差异可能是由于他们使用的推理策略存在差异。在我们以前的研究中，发现不同推理水平儿童的推理策略是有显著差异的，高推理水平儿童在进行图形推理时，会同时使用多种策略，而且随着题目难度的加大，策略使用变得越来越分散；而低推理水平儿童无论题目难易如何变化，他们都主要使用知觉匹配策略[4]。那么，不同推理水平被试在推理的总体速度上以及最初关注答案区时对较难加工维度和正确答案的加工速度上的差异，是由他们的哪些策略的差异引起的，还需要我们进一步的研究。
5 结论
(1)8岁以上儿童已经具备解决矩阵填充任务的逻辑思维能力，但高低水平组儿童在解决任务的能力上存在差异，高水平儿童的反应时较快、正确率较高；
(2)在儿童在推理的过程中，不同维度对推理过程的影响存在一定的层次：对形状、颜色维度的识别最容易，对大小维度的识别次之，对方向维度的识别最难；
(3)在推理开始后的5～11秒这个阶段，高水平组儿童对方向这一较难维度的识别和正确答案的识别都快于低水平组儿童。
注释：
①因为图1为灰度模式，颜色维度不能体现在图中。图中蝴蝶和鸭子均有两种颜色：黄色和绿色。