不同年龄段学生运动员图形推理能力的发展及认知过程的眼动研究

付全等

摘 要：以标准瑞文推理测验为工具，测量不同年龄段学生运动员的图形推理能力，探索推理能力各维度的发展规律，分析青少年图形推理过程的眼动机制和视觉扫描策略。选取北京市某小学（n=31）和初中（n=26）体育俱乐部，及某体育院校大学生（n=15）为被试，平均年龄14.6岁。推理测验在计算机上进行，采用德国SMI公司生产的I View X HED眼动追踪系统记录被试的眼动数据，采用方差分析。结果发现：学生运动员图形推理能力的发展表现出递进式规律。在知觉辨别、图形比较与组合，以及简单图形系统变化的认识在小学阶段（11岁前）已有较好发展。随着年龄的增长，年级差异主要表现在系列关系、图形比拟及互换、交错等抽象推理能力上。与低分组相比，高推理能力的青少年在推理过程中的眼跳次数更多，题干内视觉扫描策略更清晰。图形记忆能力对推理过程没有影响，但表象构建能力与图形推理能力高度相关；短时间的策略引导和表象构建训练可以提高学生运动员的图形推理能力。

关键词： 图形推理；学生运动员；认知过程；眼动

中图分类号： G 804 文章编号：1009783X（2013）05046505 文献标志码： A

图形推理是根据一幅大图形中的图案或符号的变化规律，推出并填入大图形中空缺部分的图案或符号的认知活动。它通过不同图形特征的组合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。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[12]。目前，关于图形推理的研究主要是以瑞文推理测验为工具，多集中在图形推理策略[36]及图形推理水平的年龄发展特征[710]的研究上。这些研究大多是以完成时间、正确率为指标，或是通过被试的自我报告，推断不同年龄段个体推理水平及推理策略的差异，有些研究重点考察人格特质、认知风格和认知方式对推理的影响。已有结果表明，从小学到大学阶段，推理能力随着年龄的增长而提高，不同人格特质和认知风格对推理成绩也有不同的影响[712]；然而，对于不同年龄段的学生运动员在图形推理能力上的具体差异、发展规律及影响因素还有待探索，不同推理能力的个体在图形记忆、表象构建能力，以及推理策略上是否存在差异尚不明确。为回答以上问题，本研究采用标准瑞文推理测验为工具，测量并分析不同年龄阶段学生运动员图形推理能力和各维度的发展规律；通过图形记忆和表象构建能力测试，分析影响青少年图形推理能力的因素；通过眼动仪记录并分析青少年图形推理过程中注视和扫描策略。比较成绩优良组与不良组学生在注视顺序、注视时间、眼跳次数、瞳孔直径等，分析造成推理能力差异的原因，从而在理论上可以进一步提高对青少年图形推理能力的发展及认知过程的认识。实践上可以为针对性地解决学生认知发展不良，提高推理和问题解决能力提供科学的依据和方法。为此，本项目以学生运动员为对象开展了系列研究。

1 不同年龄阶段学生运动员图形推理能力的差异及相关因素

1.1 研究方法

1.1.1 被试的选取

研究选取北京市某小学和初中体育俱乐部学生，以及体育学院大学生运动员共72名被试，基本情况见表1。

表 1 被试基本情况

1.1.2 实验材料

实验采用标准瑞文推理测验，共由60张图案组成，由易到难分成A、B、C、D、E 5组。A组主要测知觉辨别力、图形比较、图形想象力等；B组主要测类同、比较、图形组合等能力；C组主要测比较、推理和图形组合能力；D组主要测系列关系、图形组合、比拟等能力；E组主要测互换、交错等抽象推理能力。通过软件开发，使测验可以在计算机上进行，从而便于测验过程的控制和数据处理，又便于结合眼动仪进行实验。将标准测验拆分成等难度的A、B 2部分，A部分为全部测验的奇数题目，B部分为偶数题目，各30道题目，满分为30分。A部分作为考察不同年龄段青少年图形推理能力差异的材料，B部分作为后续研究中施加实验因素后进行再次测试的等值工具。

在A、B 2个测验的图形矩阵中，按照位置关系选取30个图形作为记忆材料。在B组测验中选12个图形矩阵作为表象构建任务的材料。

1.1.3 实验程序

被试用鼠标双击实验程序图标，进入测试程序主界面，如图1所示。填写完成个人基本信息后选择测试模式A。播放完标准指导语和完成例题后，进入正式测试。被试只需用鼠标点击认为正确的答案即可，点击后进入下一题。系统自动记录被试的基本信息、每个题目的答题时间和正误。测试完成后可输出被试的总得分、总用时、各组得分和各组用时。

在完成模式A测试后即刻进行图形记忆的测试，被试只需用笔确认30个图形矩阵是否出现在刚刚进行完的测试中即可，满分为30分。表象构建是指被试对没有备选项的图形矩阵进行分析后，运用表象在头脑中构建出答案，然后在空白处画出答案，共12道题目，满分为12分，如图2所示。

1.1.4 实验设计

以年级为自变量，以瑞文测验模式A的总分、总用时和A、B、C、D、E各组得分为因变量。考察随着年龄的增长是否存在年级间的显著差异，同时考察不同年级之间图形记忆与表象构建的成绩是否相关。

1.2 结果与分析

不同年级瑞文测验（模式A）结果如图3所示。

从图3可以看出随着题目难度的增加，各年龄段被试的正确率均呈现明显的下降趋势。小学组下降速度最快、初中组次之、大学组最慢。方差分析结果表明：各年级在总分上差异显著

2 推理测验高分组与低分组的眼动特征

2.1 研究方法

2.1.1 被试选取

小学和初中的全部39名被试均参与了眼动实验，被试裸视正常，无瑞文测试经验。

2.1.2 实验仪器

实验采用德国SMI公司研制的I View X HED头盔式眼动追踪系统，可以测量被试的注视时间、注视位置及眼跳次数和瞳孔直径等。用Lenovo ThinkPad T400笔记本电脑运行标准瑞文测验，并通过SONY VPLPX41投影仪将测试题目投屏幕上。

2.1.3 实验程序

投影屏宽2.4 m，高1.6 m，被试距屏幕3 m，端坐在舒适的椅子上，佩戴好眼动仪的头盔后，进行5点定标。用笔记本电脑运行瑞文测试程序，被试注视投影屏幕，用鼠标点选答案。

2.1.4 数据处理

由于不同年龄组之间仅有D组和E组的推理成绩有显著差异，因此，将眼动分析的重点集中在这2组的测试过程上。将每一个题目的注视区域划分为9个：题干及8个备选图形。通过眼动仪数据分析系统，导出全部眼动数据，眼动统计数据为D组E组12道题目的平均值。

2.1.5 实验设计

将组别作为自变量（高分组和低分组），平均眼跳次数、题干注视时间和瞳孔直径作为因变量，考察高分与低分被试在眼动过程上是否存在差异。

2.2 结果与分析

在高分组和低分组被试中各有16名同学的眼动数据符合要求，结果见表4。

3 计划策略和表象构建引导对低分组学生图形推理成绩的影响

3.1 研究方法

3.1.1 被试选取

3.1.3 实验程序

对照组直接双击实验程序图标，进入测试程序主界面，如图1所示。在姓名下拉菜单中选择自己的名字，然后选择测试模式B。

实验组在测试开始前首先进行5 min的策略引导和表象构建练习，具体指导语如下。

测试模式B与模式A在形式上是一样的，在完成测试模式B的过程中，希望你认真分析题干中图形矩阵的横向及纵向关系或变化规律，尽量在找到某种规律后再比照答案选项作出选择，或者在找到规律后想象出可能的答案的图形，再去选项中点击符合的图形。你明白我表达的意思吗？之后进行5个题目的练习，并小结。练习完成后开始模式B的测试。

3.2 研究结果与分析

在进行实验干预后，实验组与对照组的模式B的测验结果见表6。

结果表明，在进行短暂的策略引导和表象构建练习后，实验组的模式B成绩总分高于对照组，并且在总用时上也短于对照组，但未达到显著水平，

由此可以看出，计划策略和表象构建的引导对提高青少年图形推理能力起到了良好的促进作用。为什么短暂的策略和表象构建引导后就会产生如此明显的效果呢？本研究的被试均来自于小学和初中的模式A测试中的低分组被试，在完成图形推理任务过程中，他们可能没有通过对前面较容易的题目形成明确的推理策略，在面对较难的题目时对题干的分析缺乏目的性和计划性。结合眼动的视频可以发现，低分被试更多地表现为在题干上的盲目扫视和试误性地在题干和备选项之间反复注视。在经过策略和表象构建引导后，被试在题干规律的分析上有了较多的计划性，从而提高了推理的正确性和效率。实验组被试在解题时间缩短的情况下提高了推理成绩说明了这一点。相比之下，对照组在解题时间延长的情况下推理成绩不升反降，也说明他们没有形成稳定、有效的推理策略。

4 讨论

4.1 学生运动员图形推理能力的发展和影响因素

图形推理是形象推理的重要形式，是由一个或若干个已知图形推出另外一些图形或信息的思维过程，是以推理为主、其他方式为辅的综合性思维过程；因此，图形推理也经常作为非文字智力测验的主要方法在我国得到广泛使用。研究1的结果表明，从小学到大学阶段，随着年龄的增加被试的推理成绩逐渐增加。这与张厚粲[13]等在上世纪80年代末主持的全国范围内的瑞文标准测验的修订研究中的结果一致，也与大多数智力发展速度与趋势的研究结果一致。值得探讨的是，本研究在测验总分与前人研究表现出一致趋势的背后还有更多重要的信息。研究1的结果显示，年级差异在A、B、C各组得分上不显著，但在D组和E组得分上具有显著意义。表明在知觉辨别能力、图形比较、组合能力和简单图形系统变化的认识能力上是基本接近的，没有显著的年级差异，各年级均有较高的正确率。说明在小学阶段，约11岁以前在这些方面的能力均有较好发展。沃建中[1]等人的研究也表明，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水平上存在差异，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。D组和E组的得分年级差异表明，在系列关系、图形比拟，以及互换、交错等抽象推理能力上体现出了随着年龄增长的递进式规律。由此可见，这种较复杂的推理能力是随着年龄和学识的增长逐渐提高的。从题目完成时间上看，各年龄组解题时间的差异主要来自难度最大的E组题目，大学生在积极寻找着图形矩阵中的各种关系，很少存在放弃的题目。相比之下，小学生被试常常在找不到图形规律时进行盲目选择，或选一个与缺失部分相邻图案一样的图案为答案。对于复杂的图形推理任务，反应时间不适合作为评价推理能力高低的指标[14]。

对图形推理能力影响因素的探讨多集中在人格特质、认知风格和认知方式上[1112]。研究记忆对推理能力的影响很少见。在本研究中未发现记忆对推理能力有显著影响，与沈莉[14]和汪夏等[15]的研究不一致。也许是因为本研究所采用的无意图形记忆与其研究中的工作记忆代表了不同的心理能力。表象与知觉的关系一直是空间认知领域关注的热点问题[16]，已有研究表明表象与知觉认知过程的眼动轨迹具有相似性[1718]。由此，本研究探索表象与图形推理任务之间的关系。结果表明，表象构建的成绩与图形推理能力高度相关。一方面可能是因为表象构建任务本身也是一种推理任务，2种任务在题干部分的相似性导致结果的相关；另一方面就是良好的表象能力可以很好地对题干的图形矩阵进行形象运算，如方向、位置的规律变化、加减等，从而更准确地提取出题干图形间的关系。

4.2 学生运动员图形推理过程的眼动及认知特征

戴斌荣、俞国良对初中生瑞文推理过程的眼动研究表明，成绩优良学生对题干注视次数和注视时间显著高于成绩不良学生，对整张图片的持续注视时间和注视次数显著低于成绩不良学生。研究2的结果表明高分组与低分组被试在眼跳次数上具有显著差异，但对题干注视时间上差异不显著，与上述研究结果部分一致。高分被试较多的眼跳次数和相对较长的题干注视时间可能代表着被试进行更积极的信息加工，尝试更多的推理策略。Hunt等[1920] 的研究表明，解答图形推理问题的策略往往不止一种。林崇德等[8]人的研究也发现图形推理解题策略有分析策略、不完全分析策略、知觉分析策略、知觉匹配策略、自主想象策略、格式塔策略6种。Carpenter等人[4，21]发现图形推理过程包含抽象思维和工作记忆2个心理加工成分。抽象思维又包含2个相关但独立的成分：视知觉识别成分和归纳推理成分，前者指对视觉刺激的编码和对视觉刺激意义的解释，在图形推理中表现为发现图形横向、纵向或对角线上的变化及赋予这种变化以某种意义。这些具体策略和认知过程上的差异是导致图形推理能力差异的关键因素。研究3的实验结果验证了这一观点。同时也提示我们可以通过策略引导和表象构建练习有效提高青少年的图形推理能力。

5 结论

不同年龄段学生运动员图形推理能力的差异不表现在知觉辨别能力、图形比较、组合能力和简单图形系统变化的认识上，而是表现在系列关系、图形比拟，以及互换、交错等抽象推理能力上。

不同图形推理能力的学生运动员在推理过程中的眼跳次数具有显著差异。图形记忆能力对推理过程没有影响，但表象构建能力与图形推理能力高度相关；短时间的策略引导和表象构建训练可以提高学生运动员的图形推理能力。

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