现代认知心理学关于空间能力和心理旋转的研究，本文主要内容关键词为：认知论文,心理学论文,能力论文,心理论文,空间论文，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。
1 有关空间能力的研究
空间能力和言语能力都是智能的基本成分。在人类早期智能研究中，人们已发现：言语能力并非唯一的与智力有关的能力，空间能力也是较为独立的智力结构，好的非言语测验或操作测验比言语测验更能反映智能的本质，因为它受学校教育的影响较小。在较高级的认知阶段空间能力的发展与言语能力的发展是相辅相承的。
随着现代认知心理学和现代生理学的发展使人们更倾向于从信息加工和大脑两半球高度合作的角度，而不仅仅从生理结构和大脑两半球分散的角度去研究人类智能。 Gordon 提出了“认知功能分布特征”（cognitive profile），指出个体间存在着两种认知功能的差异，这两个认知功能是言语功能和空间功能，研究表明认知功能分布特征理论比优势脑半球理论更能有效地解释个体的特殊技能及作业成绩。〔1〕许多个体差异都来自于认知功能差异。
一般认为广义的空间能力指非言语信息加工中的个体差异，狭义的则指在完成空间测验中的个体差异。空间能力研究大致有三个阶段。
第一阶段（1904 —1938）人们提出了空间能力存在的证据。如McFarlane（1925）的包括本料建构的操作测验，美国筛选军用人才的β测验（1918）（用于未受过教育或言语困难的人）等。 Thurston （1938）将空间因素定义为“在空间或视觉表象方面的才能”，其相关测验的特征是“保持心理表象并在心理上使表象扭曲、转动或旋转到不同位置，以及能将移动了的表象和结果相匹配”。
第二阶段（1938—1961）人们试图确定空间因素相互不同的程度，区分空间因素的亚类，并产生一些新的纸笔空间测验。 Thurston （1941）通过大规模测验总结出一点：空间因素涉及二维中的表象运动，空间因素可分为S[,1],S[,2]两个。S[,1]指“想象一个刚体结构被移动到不同位置时的能力”，多见于图片、卡片测验。S[,2]是“想象结构间存在运动，一结构取代另一结构的能力”，多见于表面推导，迷津测验。French（1951）回顾了有关文献后，总结道：至少有三个独立的空间因素；第一是空间（“精确地觉察空间模式并作相互比较的能力”）；第二是定向（“保持不被空间模式以不同方向呈现而弄糊涂的能力”）；第三是想象（“理解表象在三维中运动，或操作想象中物体的能力”）。
第三阶段（1961—现在）标志是大规模测验研究减少，较多关心空间测验中各种变异的来源，并开始用信息加工的方法探索包括模块旋转或表面推导作业的心理过程。Werdelim发现了与Thurston的S[,1],S[,2]因素等价的因素，S[,1]代表“以整体考察和操纵某物的能力”，S[,2]代表“先分解整体后操纵各个部分的能力”，同时发现一些性别差异（主要表现在解释、组织和重组结构上，而不是对可见物体的操作上）。Piaget等认为儿童空间表征有一个从静态空间感觉到动态空间概念的发展过程，后者在儿童发现了自己的观察点时达到，此时具有心理运演的认知系统，知道图案各部分的相对位置，图案之间的相对位置，及整个结构相对于不同观察点的位置。这对我们了解成人空间概念的形成有一定启发。Ionman进行了系统的再分析指出一般有三个突出的空间因素和一些亚因素。三个空间因素是空间关系，空间定向，想象。亚因素是由视觉记忆、视觉刺激的匹配速度，辨别左右的速度等作业确定的。杨孟萍等有关空间能力的测验研究中，发现空间能力有一个G因素和一个S因素。G 因素是共同因素指图形识别和表象运动能力，S因素是图形映象在二维和三维空间中的旋转和方位定向能力。近20年来研究转向对空间作业变异来源的研究，发现了作业难度，任务要求，维度、性别、策略等方面的差异。实验心理学家越来越倾向于用信息加工模型来描述空间问题的解决，如Just 等提出了认知坐标系的加工模型等等。
从以上空间能力研究的发展过程来看，已从测量学方法，因素分析方法逐步向实验的认知心理学的方法过渡，从大规模测验转向实验室中对内部机制的探索。空间能力涉及到对物体内部关系，物体与物体关系，物体与观察者的关系把握。空间能力至于少包含三个因素：空间关系、想象、定向。可以说空间认知技能是由准确知觉世界的能力、对知觉到的事物进行改造或修改的能力及重建视觉经验（即使在有关物体刺激不在的情况下）的能力构成的，而这几种能力又是视空间表象能力的具体表现，许多心理学家很自然地将视空间表象能力视为空间智能的核心。图形旋转的心理操作实验涉及各种空间因素，较多涉及表象运动，往往能揭示人的空间表象能力和人们的视空间表象体系。同时心理旋转的内部加工类似于其它许多空间任务的内部加工。如按比例扩缩大小，保持知觉恒常性等，所以心理旋转中的理论也可为其它空间加工过程提供总框架。在研究中，人们特别选择心理旋转的认知实验来探察不同空间能力者的特点与水平，必有其深远意义。
2 有关心理旋转的研究
目前，关于心理旋转的研究主要集中在旋转什么，如何旋转两个问题上。关于旋转什么的研究表明，既可以旋转整个物体，也可是物体的子集（或为物体的一部分，或为从物体中抽出的构架）。另外Shepard提出表象（类似物analog）旋转假说，认为旋转的是表象，而Roberston则指出存在框架旋转（类似前人所说的命题表征），后提出概率混合模型，认为人们是用不同概率使用表象和框架（命题）的。王才康在实验中也证实了此模型的合理性，发现了主观参考框架在心理旋转中的作用。
关于怎样旋转研究集中考虑三方面的问题，一是主体：涉及主体性别、策略、加工成分、加工过程；二是刺激：涉及刺激结构、维度、复杂度、熟悉度等；三是任务：涉及刺激呈现形式、反应形式等。
Shepard 等在他们的经典研究中向被试呈现一对对由一些立方体（7—10个）所组成的表示三维空间物体的图画。被试任务是比较这些图形，决定它们在形式上是否相同。这些形状的区别在于以20°的差别向不同方面（平面地或垂直地）旋转，或在于正像与镜像的区别。他们发现，识别时间随转动角度的增加而成线性地增加，这味着被试对两图的比较方法是想象一图以一种稳定的速度旋转到与另图形相同的位置，然后再比较。而且想象中的旋转是三维立体的，不是在平面上进行的。Cooper等运用字母（主要是R）和数字进行了心理旋转的实验，发现旋转达到180°时反应时达到最大值。但如事先给被试关于字母的特征及将会出现的方位的信息，并给予足够时间让被试动用这个信息，结果反应时与角度无关。如果事先只给以方向信息而不给予特征信息，就不如此。这表明不是旋转抽象的框架，而是运用具体表象。 Yuille 等用了Shepard等的立方体及其变式进行了心理旋转实验。发现物体复杂度增加时（增加立方体结构特征）如果复杂度与识别无关则不影响旋转中的反应时；而复杂度对识别很关键则影响反应时。并非物体所有特征都被编制在旋转的表象中。Bethell—Fox用24 点多边形作心理旋转实验发现：编码、心理旋转，比较不熟悉刺激（指3×3矩阵中所填充的正方形的类型）所需的时间随刺激复杂度而增加（复杂度指填充的正方形的数量）。Shepard等用7个立方体组成的刚性臂状结构进行了有关刺激维度与任务类型的心理旋转实验，提出最初的关于心理旋转的实验认为：比较两个三维刺激物的旋转时间比比较一个两维刺激和一个事先习得的两维刺的进间略长[2]。Just等[3]动用标有字母和数字的立方体进行了心理旋转实验（CCT立方体比较测验），比较高、低空间能力被试的操作情况，并建立计算机模型进行模拟、提出了认知坐标系的理论模型。认为个体差异的主要来源与坐标及策略的选择有关。Carpenter 基于CCT测验的刺激特征，提出心理旋转的三个加工过程：搜索——找到两立方体中相匹配的一对字母，旋转比较——在心理上经一定轨道旋转字母，使它们的方向和位置相同；确认——对剩余字母进行操作，使它们全部都匹配。他还认为对于采用标准轴策略的被试，旋转和确认时间都会随角度增加而增加，高空间能力被试相对于低空间能力被试所选择的策略有效而灵活。
3 研究方法与途径
3.1 心理测量学方法
有关空间能力的心理测验多偏重于因素分析法的使用，Thurston（1928）的《旗帜》《追踪》、《立方》、《表面推导》等测验，Koussy等的（1933）包括纸笔测验的空间能力团体测验， Guilford （1952）陆军一空军性能测验， Gordon （1986）的认知一侧化测验（cognitive laterality battery，CLB），Alderton 在对空间认知全面分析基础之上建立了复杂空间问题解决测验（complex spatial
problemsolving test ，CSPST）等。
3.2 实验的方法
Pellegrind
等将智能成分研究分为认知关联研究（cognitivecorrelates
approach）和认知成分研究（cognitivecomponentsapproach）。认知关联研究主要通过一定技术（建立一些标准的实验程度即范式，多元回归分析等）将代表能力差异的认知加工特点参数分离出来。要求对基本原理和特定参数非常明确。认知成分往往对与它的理论相关的任务变异的解释力较强。如心理旋转速度能解释空间能力上的更多变异而不是言语能力中的变异。认知成分研究主要以Sternberg 为代表，与认知关联研究相反，不是采用自下而上的方式，而是自上而下的分析方式，常从复杂认知操作开始，解析与认知操作有关的各种认知成分，认为成分是指对物体或符号的内部表征进行操作的基本信息过程。任何一个复杂问题的解决都由一系列基本认知操作成分（如编码、比较、判断）构成。Sternberg将成分分为三类：元成分、操作成分、知识获得成分。这些成分的差异是个体差异的来源。
反应时技术是现代认知心理学实验室研究中最广泛使用的手段之一，用反应时技术分析人类信息加工过程的两个基本方法是减法法和加因素法。用反应时研究人类认知过程有一个常见问题，即人可以主动地调整自己的反应速度，产生一种速度与准确性之间的权衡效应（trade—off effect）使反应时分析复杂化，最糟的情况是错误率降低而反应时却增加，此时绝对不可以单纯分析反应时。
（1995—01—23收稿）