中国象棋经验棋手与新手的知觉差异：来自眼动的证据*

2016-01-09王福兴侯秀娟段朝辉刘华山

心理学报 2016年5期

王福兴侯秀娟段朝辉刘华山李卉

(1华中师范大学心理学院,武汉 430079) (2天津师范大学心理与行为研究院,天津 300074)

1 前言

专长(expertise)是指专家拥有不同于常人(或新手)且专属于某领域的特殊能力,专长需要经过大量的、有目的训练而获得(Ericsson,2006;Ericsson &Charness,1994;Ericsson,Krampe,&Tesch-Römer,1993)。专长的一个表现就是具备专长的专家可以对熟悉领域的刺激材料轻轻一瞥(约 1～5 s)就可以记住或再认看过的内容(Chase &Simon,1973b;Connors,Burns,&Campitelli,2011;Ferrari,Didierjean,&Marmèche,2008;Gobet &Simon,1996b),大量的研究发现,专家的这种专长优势往往局限于其熟悉的领域,超出其特定领域知识也就表现得与新手无异(Bilalić,McLeod,&Gobet,2009;Chase &Simon,1973b;Gobet &Simon,1996a;Simon &Chase,1973)。虽然“专长具有领域特异性”的观点得到了许多研究者的证实和认可,但围绕着“专长是否具有迁移性”的问题,另一些研究者也同样得出了肯定的答案(Gegenfurtner,Lehtinen,&Säljö,2011;Gegenfurtner&Seppänen,2013)。持后一种观点的研究者认为,专家所拥有的专长优势并不是绝对具有领域特异性(domain-specific)或背景约定性(context-bound)的,相反,他们在某一领域的优势也能够迁移到其他领域,即出现跨领域(cross-domain)的优势,这种现象被称为专长的迁移效应(transfer effects) (Besson,Chobert,&Marie,2011;Bidelman,Gandour,&Krishnan,2011;Hutka,Bidelman,&Moreno,2015;Lima &Castro,2011;Rosalie &Müller,2014)

专家-新手的专长研究范式对于揭示专长发展的机制,以及经验对人的认知加工影响提供了很好的途径(Bilalić,Langner,Erb,&Grodd,2010;Bukach,Gauthier,&Tarr,2006;Ericsson &Williams,2007)。纵观现有研究,在国际象棋(Chase &Simon,1973b;Gobet &Simon,1996a)、体育运动(Travassos et al.,2013)、汽车驾驶(Crundall,Chapman,France,Underwood,&Phelps,2005;Scialfa et al.,2011)、医学(Koh,Park,Wickens,Ong,&Chia,2011;Reingold &Sheridan,2011)和教学(Sabers,Cushing,&Berliner,1991;连榕,2004)等领域都发现了专家的优势效应。

专长的研究最早起源于国际象棋的研究。de Groot 1946年的研究(间接引自：Bilalić,McLeod,&Gobet,2008;Connors et al.,2011;原文：de Groot,1946)发现国际象棋大师的搜索效率和对棋盘的回忆都要优于专家水平的棋手。随后,Chase和 Simon(1973b)从心理学视角系统研究了国际象棋专家的优势表现及其机制。例如：Chase和Simon (1973a,1973b)发现国际象棋大师对真实棋局的回忆远高于新手;而当棋子是随机摆放在棋盘上,专家与新手则没有差异。随后的几十年,研究者使用不同的任务和范式,采用不同的实验技术得出了相似的结论,即专家在棋盘复盘率、对棋子回忆正确率和视觉搜索效率上都比新手有优势(Bilalić et al.,2008;Reingold &Sheridan,2011)。甚至,Connors等(2011)在70年后又重复了de Groot的研究,发现虽然象棋大师的经验优势效应随着时间有所提高,但是仍要优于新手和中段棋手。国际象棋的专长研究为了解人类专长技能的发展以及人工智能做出了重要贡献(Ericsson &Charness,1994;Reingold &Charness,2005)。

研究者对于国际象棋大师或专家的经验优势效应也从理论的视角给出了解释。其中有代表性理论为组块理论(chunking theory)、模板理论(template theory)和长时工作记忆理论(long-term working memory,LTWM) (Gobet,1998;Guida,Gobet,Tardieu,&Nicolas,2012)。首先,组块理论主张,专家经过刻意练习和大量实践在大脑中存储了大量的组块(棋子间典型、独特的组合或棋盘结构),这些组块以节点的形式联结且存贮在长时记忆中,不受短时工作记忆容量的限制(Chase &Simon,1973b;Gobet &Clarkson,2004)。当专家需要再认或加工熟悉棋盘时,这些存储在长时记忆中的组块就会发挥作用,可以为专家提供策略支持,让专家在棋盘再认、复盘和知觉搜索上表现出优势(Chase &Simon,1973b;Gobet,2005;Gobet et al.,2001;Gobet &Simon,1998)。其次,模板理论是在组块理论基础上发展而来,且包含了组块理论的一些概念和内容,能够解释更高水平的大师或专家对象棋的记忆和加工优势(Gobet&Simon,1996b,1998)。模板是大师或专家具有的特定知识结构,是包含了一些语义信息(比如：计划、策略)的组块或一些组块的集合。模板不仅仅是低水平组块信息的集合,同时包含了一些棋子移动、走法等图式性内容(Gobet,1998;Gobet &Simon,1996b)。第三,长时工作记忆理论认为专家的记忆能力存在一种基于长时记忆的编码系统和检索机制,他们不受短时记忆容量影响,而是与专家广泛的知识结构和丰富的经验相联系,所以专家的记忆能力是卓越的(Ericsson &Kintsch,1995)。LTWM可以很好地解释专家为什么在熟练领域的认知活动中能很好地应对干扰信息而做出正确判断。

国际象棋专长的早期研究者对于专家的优势表现推测可能来自其长期刻意练习而导致的知觉加工优势(perceptual advantage),直到眼动技术介入才为这种推测提供了直接的证据(Charness &Tuffiash,2008;Connors et al.,2011;Reingold &Charness,2005)。早期的研究更多基于口头报告或出声思维(verbal reports/protocol analysis)的研究方式,眼动技术的发展为了解专家优势背后的视觉搜索和认知加工机制提供了便利(Rayner,1998;Reingold&Charness,2005)。Charness和Reingold等人采用眼动技术对国际象棋专家和新手的视觉搜索进行了对比,结果发现专家在观看棋盘时眼跳幅度更大,说明其知觉广度更大;专家不需要精确地注视棋子,仅注视棋子周边或棋子间的区域即可以获取信息,说明专家可以利用副中央凹加工;专家的注视点更多落入与任务有关(task relevant)的区域或注视任务有关的棋子,而新手更多注视任务无关的(task-irrelevant)区域,说明专家可以根据经验进行选择性注意(Charness,Reingold,Pomplun,&Stampe,2001;Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,&Stampe,2001)。近期,Bilalić等人(2010)采用更加严谨的实验设计仍然发现了相同的结论,即专家具有更大的知觉广度和利用经验引导注意任务相关的区域。

基于Chase和Simon假设,专家只需要一瞥就能提取、再认或回忆棋盘信息(Chase &Simon,1973b,p.64)。对于专家的视觉搜索优势效应,Reingold和Sheridan (2011)认为专家对领域特定的信息加工具有“更强的知觉编码能力”(superior perceptual encoding)和内隐的领域特定知识(tacit or implicit domain related knowledge)。首先,对于更强知觉编码推测的直接证据来自象棋专家具有更大的知觉广度,即能够利用副中央凹提取和加工信息。比如：研究确实发现国际象棋专家更多关注棋子间而不是在棋子上,根据组块理论和模板理论,专家更多把棋子看作一组而不是单个棋子(Bilalić et al.,2010;Charness et al.,2001;Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001)。其次,内隐的领域特定知识推测认为,国际象棋专家优势更多来自于能够自动化、平行提取棋子或棋子间关系表征,从而形成一个有意义的组块,而新手则更多采用序列加工(Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Schultetus,&Stampe,2001)。此外,也有研究者提出了信息缩减假说 (information-reduction hypothesis)和图像知觉的整体性模型(holistic model of image perception)。信息缩减假说认为专家的视觉搜索优势是习得的选择性信息加工能力,即专长会让专家在视觉信息加工时忽视任务无关的信息,而有意识地加工任务相关的信息;体现在眼动上即专家会对任务相关的信息注视次数更多、时间更长(Haider &Frensch,1999)。整体性模型关注经验导致的视觉广度,即专家采取从整体到局部加工方式,会在信息加工的初期把呈现的视觉刺激当作一个整体来看待,所以专家的提取信息视觉广度更大且可以利用副中央凹加工。体现在眼动上表现出更大的眼跳幅度和对任务相关区域的首次注视时间更短(Kundel,Nodine,Conant,&Weinstein,2007)。对专长眼动研究的元分析结果支持了这两个理论观点(Gegenfurtner et al.,2011)。

如果国际象棋存在专长效应,专长优势表现出的更强的知觉编码能力和搜索优势是否也会在中国象棋中被发现呢？这是本研究关注的重点问题之一。中国象棋具有比较鲜明的中国文化特色,与国际象棋在布局和规则上存在很多类似之处,比如：都有32枚棋子,棋盘采用博弈双方对称的布局等。但也存在一些不同之处,比如：中国象棋棋盘由9道直线和10道横线交叉组成,中间以“楚河汉界”相隔,棋子在两条线的交叉点上活动;而国际象棋由8×8的黑白相间的格子组成,棋子在格子内活动;此外,在和棋、自然限招的规则上存在一些差异(刘适兰,2003)。检索现有研究发现,从心理学视角探讨中国象棋专长效应以及专家的知觉编码优势的研究仍然较少。所以,了解中国象棋棋手的专长发展过程以及不同经验棋手对棋盘的记忆与棋盘信息知觉编码机制,对于中国象棋专家棋手的培养、训练都具有潜在的意义。同时,也能扩展现有国际象棋研究的结论,为专长的视觉加工提供更加直接的数据和实证支持。

检索现有的研究发现,采用专长范式和眼动技术探讨专家—新手的视觉搜索差异的研究涉及国际象棋(Bilalić et al.,2010;Charness et al.,2001;Reingold &Charness,2005)、医学训练(Bertram,Helle,Kaakinen,&Svedström,2013;Reingold &Sheridan,2011)、体育运动(Raab &Johnson,2007;张学民,廖彦罡,&葛春林,2008)、多媒体学习(Hegarty,Canham,&Fabrikant,2010;Jarodzka,Scheiter,Gerjets,&van Gog,2010)和课堂教学(王福兴,芦咏莉,段朝辉,周宗奎,2013;王福兴,申继亮,田宏杰,周宗奎,2010)等领域。这足以看出,眼动技术在专长研究中已经属于一项成熟且常用的心理学研究技术。这就为本研究采用眼动技术探讨中国象棋经验棋手和新手的知觉编码优势提供了研究范式和技术保障。

基于以上论述,本研究采用3个实验探讨了中国象棋的经验棋手和新手在棋局复盘和视觉搜索上的差异,揭示中国象棋专长的经验优势效应。实验 1采用了国际象棋研究的经典任务(棋局复盘),呈现真实棋局和随机棋局,检验中国象棋的经验棋手是否存在与国际象棋类似的经验优势效应和更强的知觉编码能力;同时,进一步检验信息缩减假说和图像知觉的整体性模型。实验2和实验3在实验1基础上,进一步采用移动窗口范式和闪烁范式探讨象棋专长是否会影响棋手利用副中央凹提取信息和基于视觉编码的快速觉察能力。研究预期假设认为,经验棋手在真实棋局中复盘率更高,观看棋盘的注视广度更大;经验棋手可以更好地利用副中央凹提取和加工信息;当觉察快速呈现的棋盘时,经验棋手的觉察能力更好。

2 总方法

2.1 被试

在被试选择上,由于中国象棋积分和排名没有完全量化和公开化,且本研究被试都为大学生,所以没有使用专家一词。根据Simon和Chase的观点(1973),国际象棋棋手如果有超过10000小时的经验或10年实践经验就可以达到专家层次。为了严谨表述,参照已有研究称谓,本研究使用了经验棋手(experienced players)来指代实验中的专业棋手(Ferrari et al.,2008)。经验棋手通过湖北省大学生象棋协会招募,所有经验棋手均曾为省大学生象棋锦标赛前 7名,经验棋手共10人(男10人,经验棋手共招募12人,其中2人完成材料评定,由于材料熟悉性问题未参与正式实验),平均年龄21.1岁(

=2.2);中国象棋从业经验平均年限为13.5年(

=1.7)。经验棋手的从业经验符合以往研究中特定领域的专家应具有不低于10年从业经验的标准(Ericsson,2006;Ericsson et al.,1993;Simon &Chase,1973)。新手15人(女6人)来自在校大学生,均为中国象棋爱好者,懂得中国象棋基本规则,但实战经验较少,且在参与实验前一周下象棋时间小于2小时。所有被试视力或矫正视力正常,实验前采用色盲检查图谱检查(俞自萍,曹愈,曹凯.色盲检查图(第五版).北京：人民卫生出版社,1996年版),均无色盲、色弱。所有被试给予一定费用作为其参加实验报酬。每个实验都有10名经验棋手,15名新手,共25人。经验棋手参加了所有3个实验,每个实验间隙休息20min;15名新手被试参加了实验1和实验3,平均年龄24.5岁(

=1.7),两个实验间隙同样休息20min。实验2的15名新手被试(女6人)为重新招募,平均年龄23.2岁(

=1.3)。

2.2 实验仪器及眼动指标

3个实验眼动数据均采用 EyeLink 1000 (SR Research,Canada) Desktop眼动仪,采样率1000 Hz,19英寸显示器(1024 × 768分辨率),单眼瞳孔-角膜反射记录,9点校准,采用下巴-前额托架(chin and forehead rest)固定被试眼睛到刺激屏幕距离(60cm)。刺激材料的可视区域的水平视角33.9度,垂直视角37.3度。

实验 1整体棋盘的注视,选取了眼跳幅度(Average Saccade Amplitude,指棋盘观看过程中被试眼跳的平均幅度,幅度越大说明被试注视范围越广)、眼跳次数(Saccade Count,指棋盘观看过程眼跳发生的次数)和瞳孔直径(Average Pupil Size,指在某个单元内被试的平均瞳孔直径大小,瞳孔直径越大说明越感兴趣且进入视网膜信息量越大)3个指标对比棋手对棋盘的注视。

实验 1对棋子和棋子间注视,则选取了在兴趣区上的停留时间(Dwell Time of AOI,指被试的眼睛停留在兴趣区内的时间,时间越长说明加工越多)、停留时间比率(Dwell Time Percent of AOI,指被试在兴趣区内的停留时间与注视整个棋盘时间的比值)、注视次数(Fixation Count of AOI,指被试在兴趣区内超过 100 ms的注视次数)和注视次数比率(Fixation Count Percent of AOI,指被试在兴趣区内的注视次数占整个棋盘注视次数的比值)4个指标进行分析。

实验 3“经验棋手与新手对变化棋子的注视”对比中,为了分析经验棋手与新手在觉察棋局有变化时是否真正注视到了棋子才做出报告,研究分析了被试在中央凹区域(注视到变化棋子)以及在副中央凹区域(注视点落在变化棋子周围一个棋子大小的区域)的注视情况。同实验1类似,把超出1个棋子空间,但 9个棋子(约 3×3)内空间界定为副中央凹区域(9个棋子的可视半径约40 mm,约3.8度视角)。剔除了报告不正确的反应,选用了第几次呈现时首次注视到中央凹(比如：被试A在第3次呈现时注视点第一次落到变化的棋子上,所以被试 A的此项值为3。值越小,说明越早真正注视到了变化的棋子)、首次注视中央凹持续时间(即第一次注视到变化棋子的注视持续时间)、第几次呈现时首次注视到副中央凹(即在第几次呈现时出现了第一个落到副中央凹区域内的注视点)、首次注视副中央凹持续时间(即首次落到副中央凹内注视点的持续时间)和第几次正确报告有变化(即第几次出声报告注意到了棋子有变化)。

所有数据正式进入统计分析前,剔除了3个标准差之外的数据。

2.3 实验材料

实验材料(见图1～图3)为中国象棋棋盘图片,棋盘为棕色实木颜色,每个棋盘上共 14枚棋子,红蓝各 7枚(3个实验的材料都使用了这种棋子数量设置)。刺激材料采用PhotoShop制作,原始显示尺寸为 925(宽)×1024(高)像素(正式实验中左右两侧空白区域采用灰色填充)。所有的实验材料均由 2名经验棋手对其真实性或难度进行了5点评定。

实验1的材料在5点量表上(1代表存在,5代表不存在)评定所有棋局在真实对战场景中是否存在,两个评分者一致性系数为

=0.99 (Pearson相关,

＜0.01)。最后的真实度值为两个评分者的平均数。独立样本 t检验显示,评分者对真实棋局真实度评定(

=5)高于随机棋局(

=1.1),

(12)=55,

＜0.001,Cohen’s

=29.3(下同)。对棋局的难度进行5点(1代表非常难,5代表非常容易)评定,两个评分者一致性系数为0.83 (

＜0.01),评分者对随机棋局的难度评定(

=3)高于真实棋局(

=2.5),

(12)=2.65,

＜0.05,

=1.5。实验 2所有棋局真实性也经过了 5点评定(计分同实验 1),两个评分者一致性系数为 0.96 (

＜0.01)。两个评分者对实验2的21幅棋局图片真实性评定均值为4.6 (

=1.2)。实验2对棋局的难度(计分同实验1)的评分者一致性为0.80 (

＜0.01)。两个评分者对实验2棋局难度评定均值为2.3 (

=0.6)。对实验3需要觉察变化的棋盘进行了发现难度的5点评定(1代表非常难,5代表非常容易),两个评分者一致性为0.85 (

＜0.01)。两个评分者对14幅棋局评定均值为3.2 (

=0.6)。

3 实验1

已有的研究表明在国际象棋领域存在专长效应,专家棋手对棋盘的记忆、知觉编码都存在明显的优势(Bilalić et al.,2010;Reingold &Sheridan,2011)。实验1在复制中国象棋领域是否也可以发现类似于国际象棋的专长效应基础上,进一步改进实验设计探讨基于象棋专长的信息缩减假说、图像知觉的整体性模型和更强的知觉编码能力假设。为了保证结论生态效度,材料呈现没有采用3×3矩阵呈现(Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001),而是使用了完整真实的棋盘,同时把记忆任务与眼动结合,呈现真实棋局(领域特定任务)和随机棋局(非领域特定任务) (Chase &Simon,1973b;Gobet &Simon,1996a;Simon &Chase,1973),记录棋盘记忆过程中的视觉搜索过程以及在不同任务上的复盘率。

3.1 方法

3.1.1 实验材料与设计

材料为14幅象棋图谱,其中7张真实的中国象棋棋局,均为实战残局;7张随机棋局,完全打乱棋子间关系,随机摆放形成(见图1)。实验为 2(经验：经验棋手、新手)×2(棋局类型：真实、随机)的混合实验设计,其中棋局类型为被试内变量。

图1 实验1材料示意图

3.1.2 程序

实验开始前首先向被试呈现指导语,被试明白后进行眼睛校准,然后进行一个练习实验,练习实验结束后进入正式实验。正式实验中每幅棋盘的呈现时间为5 s (参照：Chase &Simon,1973b;Ferrari et al.,2008),之后刺激图片消失。然后,被试在与刺激图片相似的真实棋盘上复盘。要求尽可能快的复盘,且尽量保持棋子的种类和颜色与原有棋局图片一致。复盘结束后,由主试操作进行下一个棋局观看。实验中真实棋盘和随机棋盘随机呈现。

3.2 结果

3.2.1 正确复盘数

表1 经验棋手和新手的正确复盘数及眼动数据

3.2.2 整个棋盘的注视

在眼跳次数上,棋盘类型的主效应不显著,

(1,23)=2.54,

＞0.05,经验的主效应不显著,

＜1,

＞0.05,二者的交互作用也不显著,

＜1,

＞0.05。

3.2.3 棋子和棋子间的注视

为对比经验棋手和新手是否会在加工棋子和棋子间区域上有差别,即经验棋手是否会利用副中央凹提取更多信息和拥有更大的知觉广度(Bilalić et al.,2010;Charness et al.,2001;Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001;Reingold&Sheridan,2011),研究对棋盘划分了兴趣区(见图1)。由于棋盘是由棋子以及棋子以外的区域组成,所以兴趣区数据是根据注视位置在棋子上和棋子间作为划分标准划定了两个兴趣区：棋子和棋子间。所有棋子兴趣区以外的数据统计为棋子间注视(见表2)。

表2 经验棋手与新手在兴趣区内的眼动数据

3.3 讨论

棋局的复盘结果显示,中国象棋经验棋手表现确实好于新手,这个结果与预期结果一致,也与国际象棋研究结论一致,即经验选手或专家对棋盘记忆效果好于新手(Chase &Simon,1973b;Connors et al.,2011;Ferrari et al.,2008;Gobet &Simon,1996b)。此外,研究还发现不仅在真实棋局上经验棋手好于新手,在随机棋局上经验棋手的正确复盘数也要高于新手。Gobet和Simon (1996a)的研究也曾发现专家在随机棋局回忆上要好于新手。他们认为即便是在随机棋局中,专家也可以利用其存储的大量组块、更多地使用策略来记忆随机棋局。关于专长迁移效应的研究也发现,专家的优势也会存在超出其特定领域的优势,即可以迁移到相关的领域中(Gegenfurtner &Seppänen,2013;Marie,Delogu,Lampis,Belardinelli,&Besson,2011;Rosalie &Müller,2014)。从这个角度而言,经验棋手的对真实棋局的记忆优势也迁移到了随机棋局的记忆。

对棋盘的注视发现,经验棋手对整个棋盘的眼跳幅度要大于新手,而且在真实棋局下的眼跳幅度大于随机棋局,而新手则没有这种差异。这个结果说明中国象棋专长使经验棋手具有更大的知觉广度,这个结果也与国际象棋研究一致(Charness et al.,2001;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001)。此外,研究还发现经验棋手在记忆棋盘时的瞳孔直径大于新手,这在以往国际象棋研究中没有被提及。瞳孔直径放大反应了视觉任务认知要求增加和心理加工活动增大,说明被试需要通过放大瞳孔获取更多视觉信息(Goldinger &Papesh,2012;Laeng,Sirois,&Gredebäck,2012;闫国利,白学军,2012,pp.54-62)。此外,信息的重要性程度会影响瞳孔大小,当被试加工认为重要的信息时会出现瞳孔放大的现象(Ariel&Castel,2014)。基于此,研究推测经验棋手会自动调节瞳孔大小以获取更多有用且重要的信息。

棋子和棋子间注视对比发现趋势一致的结果,即经验棋手更多注视棋子间,而新手更多注视棋子,这与国际象棋的研究结论也一致。比如：Reingold等人研究发现,国际象棋专家要比新手对棋子注视更少,而对棋子间注视更多(Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001;Reingold &Sheridan,2011)。类似地,Charness等人(2001)的研究也发现专家要比中段棋手更多注视棋子间区域而不是棋子本身。研究者也认为,对棋子间注视说明专家在编码信息时使用了组块,而不是编码单个棋子信息,因为组块涉及的是棋子间逻辑关系,而不是单个棋子相加(Reingold &Charness,2005)。此结论说明具备象棋专长的专家是在对棋盘的结构进行编码和加工,而不是独立的棋子,也支持了国际象棋专长的模板理论(Gobet &Simon,1996b)。

4 实验2

实验1发现,经验棋手的复盘正确更高、眼跳幅度更广、对棋子间注视更多,说明具有更广的知觉范围,也为验证象棋专长的知觉编码优势提供了有力的证据。实验2利用移动窗口范式直接验证经验棋手是否能利用副中央凹加工,进一步验证象棋专长的更强知觉编码假设和图像知觉的整体性模型。移动窗口范式被广泛应用于阅读、场景知觉和视觉搜索研究中(McConkie &Rayner,1975;Rayner,1998,2009;闫国利,王丽红,巫金根,白学军,2011),纵观已有研究,虽然Reingold等人在其国际象棋研究中使用过移动窗口范式,但仅仅是作为一种呈现技术,既没有报告使用的窗口有多大,也没有控制不同大小的窗口(Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001)。所以,以往国际象棋的研究结果对专家使用副中央凹加工主要是来自间接推测,而没有直接操纵副中央凹视野(Charness et al.,2001;Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001)。实验2假设认为：经验棋手利用副中央凹(16个和4个棋子区域大小窗口)对棋盘进行加工时要优于新手。

4.1 方法

4.1.1 实验材料与设计

材料为21幅中国象棋真实图谱(每个窗口条件下各7幅),均为真实棋局。实验为2(经验：经验棋手、新手) × 3(窗口：1个棋子大小、4个棋子大小、16个棋子大小)的混合设计,其中窗口大小为被试内变量(见图2)。根据视网膜构造,中央凹(foveal region)是视敏度最高的区域,约 1～2度视角;副中央凹(parafoveal region)在一定程度上加工信息但效率不高,约2～5度视角;边缘视觉区(peripheral region)几乎看不到信息(大于5度视角),不能进行信息加工(中央凹和副中央凹视野参见：Rayner,1998,p.374;2009,p.1459)。实验中眼睛距屏幕的距离为60cm,1个棋子的可视区域半径为14 mm,视角约1.3度,在中央凹视野区内;4个棋子(约2×2大小)可视半径为30 mm,视角约2.9度,在副中央凹视野区内;16个棋子(约4×4大小)可视半径为53 mm,视角约5.1度,接近边缘视野区。实验 2没有使用前人研究中斑点屏蔽(具体见：Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001),而是使用了经典的窗口掩蔽范式的灰屏来掩蔽窗口外信息。因为预实验发现,仅使用黑点掩蔽棋子信息而呈现棋盘信息会存在干扰和预视,影响被试观看。所以实验2完全屏蔽了窗口外信息。

图2 实验2中1个棋子窗口大小、4个大小和16个棋子大小材料示意图

4.1.2 程序

实验之前先告知被试,接下来会呈现一些中国象棋图谱,只有当眼睛注视棋谱时窗口区域才是可见的,需要移动眼睛才能看到棋谱的全貌。每幅图片呈现时间为12 s,图片消失后需要把该幅图片中的棋子位置在现实棋盘上复制出来,复盘完成后按任意键进入下一张图片。正式实验前有一个练习实验帮助被试熟悉实验程序。

4.2 结果

4.2.1 正确复盘数

表3 不同视野范围条件下经验棋手和新手的复盘数及眼动

4.2.2 中央凹和副中央凹条件下的棋盘注视

4.3 讨论

正确复盘数显示,经验棋手在副中央凹视野下(16和4个棋子窗口,5度和3度视角的副中央凹视野)复盘率要高于中央凹视野(1个棋子窗口),而新手在两种视野条件下没有表现出差异。这个结果与预期假设相符合,说明经验棋手可以利用副中央凹提取和加工棋盘信息。在 Charness等人(2001)和 Reingold,Charness和Pomplun等人(2001)两项国际象棋知觉广度的研究中,虽然发现专家棋手更多关注棋子间,以及更大的眼跳幅度。但是,却没有利用移动窗口大小控制副中央凹呈现直接验证专家是否在副中央凹视野下具有更好记忆和视觉加工优势。不同于以往研究的更大眼跳幅度和棋子间注视的推测(Charness et al.,2001;Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001),实验2直接控制了视野可视区域的大小来控制副中央凹呈现,从而给国际象棋和其他研究中关于专家可以利用副中央凹视野加工信息提供了最直接的证据(Bilalić et al.,2010;Gegenfurtner et al.,2011)。此外,在阅读中也有研究发现,高技能或有经验读者能够更好地利用副中央凹进行预视(Chace,Rayner,&Well,2005;闫国利等,2011)。

移动窗口技术控制了被试可见的视野范围,结果发现在副中央凹加工的情况下(16窗口大小),经验棋手的眼跳幅度更大;且经验棋手的眼跳幅度随着窗口由中央凹视野增加到副中央凹以至边缘视野也依次增加。这说明当窗口增大到接近边缘视野的5度视角时,经验棋手可以利用副中央凹的优势提取信息。类似地,专长的视觉加工研究发现专家可以有效利用副中央凹加工而具有更大的眼跳幅度(Gegenfurtner et al.,2011),但在平均注视时间和注视次数上却没有发现相同趋势的差异。以往研究中,也有发现注视时间不敏感,经验棋手与新手差异不显著现象(Charness et al.,2001)。实验2对移动窗口的直接操作,也为专长研究如何操纵和使用移动窗口技术探讨自然场景下知觉广度提供了很好的借鉴。

5 实验3

实验1和2发现经验棋手确实比新手具有更好的棋盘记忆和副中央凹加工优势,证实了象棋专长的知觉编码优势。实验 3进一步使用变化盲视(change blindness)的闪烁范式了解经验棋手的视觉搜索优势,即经验棋手是否能够更快的变化觉察,以及在报告变化前利用副中央凹和中央凹提取信息。闪烁范式要求被试判断前后两个快速变化的棋盘是否有棋子变化,如果有变化,需要指出是哪个棋子有变化(Rensink,O'Regan,&Clark,1997;Simons &Rensink,2005)。虽然闪烁范式在先前研究中也被使用过,但是更多报告行为判断结果差异,而没有报告棋手是否真正注视到了变化的棋子(Ferrari et al.,2008)。对于闪烁范式而言,对变化棋子的注视分析更能体现象棋专家的知觉编码优势,但是以往研究中并未对此进行分析(Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001)。实验 3计划在被试报告有变化情况下,分析在发现变化前是否利用中央凹和副中央凹注视到了变化的棋子。这个改进的实验范式将会为专长视觉加工的知觉编码优势提供更加直接的证据。研究假设认为,经验棋手会更早地知觉到变化有无;当有变化时,经验棋手在做出判断前就已经通过中央凹和副中央凹注意到了变化的棋子。

此外,对于以往国际象棋研究设计的一些不足(Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001),实验3进行了改进：①使用了真实、全景的棋盘以及真实棋子,而不是3×3矩阵材料(仅棋盘一部分),以提高研究生态效度;②使用具有一定象棋经验的被试作为新手(见 2.1),而不是完全没有经验的新手,这样更具有代表性(Ericsson &Charness,1994;Ericsson et al.,1993)。预实验发现,对于完全不懂象棋的新手被试而言,基于闪烁范式的棋盘觉察难度过大,对揭示专长视觉编码优势意义不大。

5.1 方法

5.1.1 实验材料与设计

材料为7对有变化真实棋局图片,为真实对弈时走 20步以后形成的棋局,两幅棋盘只有一个位置上的棋子发生了变化,其它部分完全一致;7对无变化棋局图片(见图3)。实验为 2(经验：经验棋手、新手) × 2(变化：有、无)的混合实验设计,其中变化有无为被试内变量。

5.1.2 程序

首先,告知被试接下来将会看到一组连续间隔呈现的两幅棋盘图片,这两幅间隔呈现的棋盘可能是完全一样,也可能不一样;需要尽可能快地辨别两幅间隔棋谱是否一样,如果没有发生变化,则口头报告“无”;如果有变化,在报告“有”的基础上需要准确报告是哪个棋子发生了什么变化。正式实验中第一张棋谱呈现1000 ms,然后出现100 ms的灰屏掩蔽,接着呈现第二张棋谱1000 ms,然后是100 ms的灰屏掩蔽,然后再呈现第一张棋谱 1000 ms,100 ms灰屏后再呈现第二张棋谱1000 ms,依次类推(见图3或Ferrari et al.,2008,p.1269;Rensink et al.,1997)。每对图片重复呈现次数设定为 15次。总共有14对棋局需要觉察。

图3 实验3流程

5.2 结果

5.2.1 觉察有无变化的反应时

表4 经验棋手和新手的反应时及注视到变化的差异

5.2.2 觉察变化的次数差异

图4 经验棋手与新手在第2至15次时报告有无变化的次数

5.2.3 经验棋手与新手对变化棋子的注视

在第几次呈现时首次注视到中央凹(棋子)上差异显著,

(23)=3.12,

＜0.05,

=1.33,经验棋手以更少的呈现次数就可以首次注视到棋子;首次注视中央凹持续时间差异不显著,

(23)=-0.10,

＞0.05;第几次呈现时首次注视到副中央凹的差异显著,

(23)=2.45,

＜0.05,

=1.04,经验棋手以更少的呈现次数就可以首次注视到副中央凹;首次注视副中央凹持续时间差异不显著,

(23)=-0.29,

＞0.05。在第几次正确报告有变化上边缘显著,

(23)=1.97,

=0.06,

=0.84,相对于新手(

=6.8),经验棋手(

=4.9)更早地报告且发现了差异有无。

5.3 讨论

与预期假设一致,在棋盘场景的变化觉察上,经验棋手的觉察时间快于新手,在觉察正确率上也高于新手。这个结果也与已有研究结论一致(Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001),国际象棋专家在觉察变化反应时上优于新手。此外,经验棋手在刺激循环呈现早期(第3、4次呈现)即发现了变化有无;而新手在后期才发现变化有无(第14次)。这说明经验棋手能够更早地觉察到变化有无,与预期假设一致。

对变化棋子的觉察注视分析发现,无论是对变化棋子注视还是变化棋子周边的区域(副中央凹)注视,经验棋手都是更早地注视到了变化棋子,这说明具备象棋专长的经验棋手对任务相关棋子的知觉编码要优于新手。Charness等人(2001)对国际象棋研究发现,当要求对棋盘进行判断和走棋时,专家要比中段棋手更多注视与任务有关的棋子。Bilalić等人(2010)研究也发现国际象棋专家能快速注意任务相关的区域,而新手更多注视任务无关的区域。这种专家对任务相关区域注视多于任务无关区域的知觉加工差异在动态刺激加工与归类(Jarodzka et al.,2010)、基于图片学习的推理(Hegarty et al.,2010)、手术助理护士(Koh et al.,2011)和机场安检的X光片判断(Liu &Gale,2011)中均有被证实。

棋子注视和主观报告的对比发现,经验棋手确实是先看到了变化的棋子,然后才做出口头报告,而且经验棋手无论是更早看到棋子变化还是更早口头报告都要早于新手。对棋子周边区域分析也发现相同趋势结果,说明经验棋手可以利用副中央凹来提取和加工棋盘信息。

6 总讨论

通过3个实验可以发现中国象棋也存在明显的专长效应和专家知觉编码优势,同时,实验的结果支持了专长视觉加工的信息缩减假说(information-reduction hypothesis)、图像知觉的整体性模型(holistic model of image perception)和更强的知觉编码能力假设(superior perceptual encoding)。相对于新手,经验棋手仅仅对棋盘一瞥也能很好地复盘看过的棋局,经验棋手的这种记忆优势可能来自于其更强的视觉编码能力,即更大的知觉广度和更加高效的视觉信息搜索策略。经验棋手在加工棋盘时更多注视棋子间而不是棋子,说明其更多基于经验来编码棋盘的结构而不是单个棋子。另外,经验棋手也能更快觉察变化的棋子,表现出更好的知觉觉察能力和视觉搜索技能。利用眼动技术解释象棋(国际象棋和中国象棋)知觉加工进程的特点,为专家基于经验加工特定领域知识的知觉编码优势提供了强有力的证据(Reingold &Sheridan,2011)。

3个实验的眼动数据一致表明,相对于新手,经验棋手可以利用副中央凹加工棋盘信息。实验1结果显示,经验棋手提取棋盘信息时主要加工棋盘的结构(棋子间注视)而不是单个棋子的识记。这些结果都证实了Reingold和Sheridan (2011)提出的专家对领域特定的信息加工具有更强的知觉编码能力假设和整体性模型假设(Gegenfurtner et al.,2011;Kundel et al.,2007)。基于中国象棋专长而言,长期的刻意练习和经验积累使得这些经验棋手具有更大的知觉广度,会本能放大瞳孔以获取更多有用的信息,且利用副中央凹来加工信息。经验棋手也会采取整体感知的加工方式,会把需要记忆的棋盘当作一个整体来看待。此外,实验 3还发现,当面对需要视觉搜索的觉察任务时,经验棋手对任务相关棋子注视要早于新手,而且在副中央凹加工上也表现出优势。这些结论支持了专长经验影响视觉加工的信息缩减假设(Gegenfurtner et al.,2011;Haider &Frensch,1999)。即经验棋手面在领域特定的视觉信息加工时会忽视任务无关的信息,而有意识地加工任务相关的信息。

从对棋盘记忆来看,实验1和实验2中经验棋手均表现出了很好的记忆及复盘能力。从理论观点解释,经验棋手的优势来自于其存储的大量中国象棋有关的组块和模板。基于组块理论,经验棋手存储的这些组块在其再认或回忆棋盘布局时发挥作用,可以为其提供加工策略或者记忆线索,使其在棋盘复盘和知觉搜索上表现出优势(Chase &Simon,1973b;Gobet,1998,2005;Gobet &Simon,1998)。比如：国际象棋研究认为,专家的优异表现是其使用了长时记忆中存储的组块,能够在短暂的视觉加工中更好地分配注意和进行视觉搜索(Ferrari et al.,2008;Gegenfurtner et al.,2011;Reingold &Sheridan,2011)。其次,按照模板理论观点,中国象棋的经验棋手存储了大量的棋盘结构和棋子间关系的图式或模板,所以在面对实验 1中棋盘记忆任务时,经验棋手才更多关注棋子间结构关系和棋盘结构,而不是单个棋子的死记硬背。虽然LTWM理论也可以用来解释很多领域专长效应及专家的记忆优势,但是对于专长的视觉搜索优势解释却略显不足(Gobet,1998)。

由于专长研究的特殊性,研究也存在一些不足,希望未来研究注意。第一,专家的识别和鉴别存在困难,造成一部分研究被试量偏少(Reingold &Charness,2005)。本研究中由于受到评估筛选限制,所选的经验棋手并没有达到国际象棋研究中大师级别,仅仅算是一般意义上的专家。第二,棋盘呈现时间长短是否会影响到知觉加工的表现。一般研究都选择 1～5秒左右时长,而 Reingold和 Charness(2005)报告的一批未发表数据显示,当分析呈现时间前5秒和后5秒时(前10秒数据切分),经验棋手的前后 5秒注视次数和注视持续时间存在显著差异,而低经验的中段棋手却没有差异。研究者推测前专家在前5秒更多是视觉编码和提取,后5秒可能已经进入到问题解决阶段。第三,结合其他技术和方法深入探讨专长的发展机制。例如,有研究者采用fMRI技术对比了国际象棋和中国象棋专家-新手的脑激活差异,结果发现专家在额叶、颞叶脑区有更高的激活(Bilalić et al.,2010;梁东梅等,2010)。第四,除了专长的领域特定性,未来研究也要关注专长的迁移效应。

7 结论

综上,本研究通过3个实验得出以下结论：第一,中国象棋经验棋手在棋盘复盘上正确率更高,具有更好的棋盘记忆;第二,经验棋手在棋盘记忆任务中更多注视棋子间而不是棋子本身,说明经验棋手可以提取棋子间结构关系;第三,经验棋手在棋盘视觉搜索中可以利用副中央凹加工信息,具有更大的知觉广度;第四,经验棋手可以更快、更准确的觉察棋盘上变化的棋子,且对变化棋子注视更早,体现了专长的知觉编码优势效应。3个实验结果均说明中国象棋也存在和国际象棋类似的专长优势效应,眼动和行为数据支持了专长视觉加工的信息缩减假说、图像知觉的整体性模型和更强的知觉编码能力假设。研究结果对中国象棋运动员训练,中国象棋专家的认知机制具有一定理论意义。

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