真实任务与表象任务中的心理旋转加速效应

曾雅斌, 陈顺森*, 巫金根

（1.闽南师范大学教育科学学院,福建漳州363000；2.阳光学院儿童发展与教育学院,福建福州350015）

从日常生活上来说，心理旋转在我们生活中无处不在、无时不有.例如：当我们玩魔方时，我们都会事先想如何旋转方可每面对齐等行为.这些行为都涉及到在想象自我中对客体的旋转，即发生了心理旋转.

心理旋转是空间能力的一种，一种想象自我或者客体旋转的空间表征转换形式,也是当代认知心理学家颇受关注的热点问题，表象可以通过心理旋转来“模拟”认知过程[1-2].在心理学上，表象是对在头脑中保持过去感知过的事物形象复现的过程[1,3].客体的物理旋转的表象旋转过程等同于心理旋转的内部过程[4].一些心理转换实验是表象旋转假说的证据，如想象纸盒折叠实验[5].1978 年由Kosslyn、Ball和Reiser 进行的表象扫描实验研究表明加工时间随着表象“通过”的运动量的增加而增加[6-7].基于动手操作这个任务类型而提出真实旋转这一概念，即通过动手去真正操作旋转.减数反应时也叫唐德斯减数法反应时，减数法反应时主要是将反应时间分解成各部分，然后分析加工的过程[1].1973 年Cooper 和Shepard 用减数法反应时实验证明了心理旋转的存在，且每秒进行旋转53°[1,8].20 世纪70 年代初，美国心理学家Shepard 等最早做了一个著名的心理旋转实验.研究结果表明随着方位角度差越来越大，对其判断时间就会越长[1].Cooper 和Shepard 于1973 年用字母R作为呈现刺激材料进一步对心理旋转进行研究.结果说明，当刺激呈现旋转角大于180°时，是按顺时针进行旋转；若刺激呈现旋转角小于180°时，则是逆时针进行旋转[1,9].有学者认为心理旋转能力是要通过后天的努力学习发展而来的，如蔡华俭等人在1998年也进行了相关的心理旋研究[10].鉴于近几十年来心理旋转实验在认知领域颇受学者关注，较多的学者主要研究心理旋转的存在、空间表征等进行大量研究，而较少的学者去研究任务条件对心理旋转的影响.由于心理旋转与实际物理旋转相类似，所以本研究从动手操作、想象操作、无关任务这三种不同任务类型来研究.想探究心理想象是否能够加速心理旋转.在教学上，心理想象有助于空间感能力和思辨能力的提升.通过动手操作来真正旋转将抽象进行生动化，更有利于空间想象能力的提升，进一步提升创新力和创造力.

基于Cooper 和Shepard 的经典心理旋转实验研究进行了改进，目的是想通过真旋转任务和表象旋转任务二者比较来验证心理旋转是否加速.从而选择客体的旋转为研究主题，使用字母R为材料，在如何旋转中主要研究不同任务操作是否对心理旋转有影响？采用减法反应时范式，为了重复验证Cooper 和Shepard的研究结果；其次，想探究不同任务类型进行心理旋转是否还存在Cooper和Shepard的研究结果；最后想探讨想象操作是否能够加速心理旋转.基于前人实验研究假设与本研究目的相结合，将提出较为具体的实验假设：三种任务类型实验结果均支持Cooper 和Shepard 研究结果.真实旋转任务和表象旋转任务能加速心理旋转.动手操作平均反应时均小于想象操作平均反应时均小于无关任务平均反应时.

1 研究方法

1.1 被试的选取

采用方便取样的方法，选取福建省某高校95名大学生，其中男生30名，女生65名，并且所有被试均排除已学过心理旋转和参与过该实验心理学专业的大学生，最终有效被试为90 名，包括30 名男生，60 名女生.这95 名大学生皆无身心疾病且参加本实验的所有被试均自愿参与.被试对象的基本信息分布，如表1.

表1 实验被试对象基本信息分布表（n=90）Tab.1 Distribution table of basic information of experimental subjects(n=90)

1.2 刺激材料及仪器设备

采用正R 与反R（镜像）图片，以60°为最小旋转角，共有12 种R 字符（如图1：镜像60°R）.R 图片由PhotoshopCS6绘制.同时还借助一个大圆盘，事先在硬纸板上用圆规画一个大圆和制作两个指针，把圆分成6 等份，在相应位置用2B 铅笔标注上相应的R，在圆心处用图钉固定指针，使指针灵活旋转，在这圆盘背面以同样的方法制作反R.

图1 镜像60°RFig.1 Mirror 60°R

整个实验过程用一台Dell i5计算机控制.实验程序由E-prime编制.该软件能系统呈现刺激和记录反应时精度为毫秒.

1.3 实验设计

采用3（任务类型：动手操作、想象操作、无关操作）*6（旋转角度：0°、60°、120°、180°、240°、300°）*2 旋转方向（正像vs镜像）混合实验设计.任务类型为被试间因素，旋转角度和旋转方向被试内因素，反应时和正确率为因变量.

1.4 实验程序

将被试随机分成三组，每组分配一种任务条件进行实验操作.在实验开始之前，主试需要通过事先制作好的PPT 与被试讲解实验流程、操作示范以及注意事项.完成整个实验流程需要连续20 到30 分钟，实验分四模块：操作阶段、练习阶段、再学习阶段、正式实验.指导语、测验的内容由计算机呈现，反应时由计算机记录.

1) 操作阶段

动手操作组：借助事先做好的圆盘，圆盘上已标注各个角度R 字母，被试需要对着表中随机出现R 进行旋转，需要动手拨动指针旋转到指定角度，当旋转至指定位置后，被试需把指针再旋至0°角的位置，方可旋转下一个，依次类推.正R和反R的每个角度均会出现三次，需操作36次，时间控制在2 min.

想象操作组：给被试一个时钟表盘，让被试对照表中随机出现R，报告R 顶端对应时钟表盘上的数字几，在被试报告后，再进行对下一个R 想象旋转，依次类推.正R 和反R 每个角度皆出现三次，需想象36次，时间控制在2 min.

无关任务组：让被试做R相关运算（做大约10题，如3+10+R=20，R=），时间控制在2 min.

2) 练习阶段

在完成相应操作后，被试将进行按键练习.在实验开始前，屏幕中央会呈现指导语，被试需按陈述的指导语进行相应操作.此阶段每个角度被随机呈现10次，共按键操作120次，实验流程如图2.

图2 实验流程图Fig.2 Experimental flow chart

3) 第三阶段为再学习阶段

再按键练习结束，会呈现出练习完毕的指导语.主试需要告诉被试先暂停一下，要求被试再操作学习一下，操作的内容、流程同学习阶段操作相同.

4) 第四阶段为正式实验阶段

在完成上一阶段后，被试需要根据上一阶段呈现练习完毕指导语中的提示作出按键反应进入正式实验.正式实验的流程、操作同按键练习阶段操作一样.此阶段每个角度被随机呈现10 次，共按键操作120次.加上按键练习每名被试需判断240次的正R还是反R，且完成整个实验共需按键操作240次.

1.5 数据处理

根据心理旋转实验数据处理方式对实验数据进行筛选和计算.删除错误反应（ACC=0）的被试实验数据；分别将反应时小于300 ms和反应时大于3 000 ms的实验被试数据删除.根据以上指标，动手操作组和想象操作组各1 名被试不符合要求，无关任务组有3 名被试不符合要求，该实验数据均予以剔除，视为无效被试，有效被试各为30 名，最终有效被试为90 名.被试的反应时数据采用SPSS21.0 软件进行数据录入，进行计算分析.

2 研究结果

2.1 三种任务下心理旋转的正确率

无论正像、镜像刺激，三种条件随着旋转角的增大，正确率都是先降低后提升，以180°为临界点，呈对称分布.在相同旋转角下，无关任务的正确率最低，见表2.

表2 三种任务下各个旋转角与正确率之间的关系Tab.2 Relationship between individual rotation angles and correctness rates for different task types

2.2 不同任务下各个旋转角与反应时之间的关系

对于动手操作组来说，无论正像刺激还是镜像刺激，都表现出旋转角越大，所需的时间也逐渐增加，到180°时，反应时最多，符合Cooper和Shepard的研究结果.在相同的角度下，与镜像刺激相比，正像刺激的反应时都更短.正像刺激和镜像刺激都是以180°为临界点，呈对称性分布.

对于想象操作组，当正像刺激的角度越大时，对其判断的时间也逐渐增加，角度为180°时，反应时最多.镜像刺激的旋转结果与正像刺激的规律是相同的，也表现出经典心理旋转效应.与镜像刺激相比，除180°以外，正像刺激在其他角度下的反应时都更少.在旋转角度为180°时，镜像刺激和正像刺激两者的反应时相接近.

图3 不同任务的旋转角对反应时的影响Fig.3 Effect of rotation angle on reaction time for different task types

无论旋转方向是正像还是镜像，随旋转角的增大，无关操作组的被试耗时也逐渐增加，旋转至180°时，反应时最多，且支持Cooper和Shepard的研究结果.与镜像刺激相比，除了在旋转角度为180°以外，正像刺激在其他各个角度下的反应时都更少.在180°时，镜像刺激略小于正像刺激两者的反应时.

从总体上来说，无论是正像刺激还是镜像刺激，几乎动手操作时间较短.

使用SPSS中的重复测量的方差分析对镜像（正像）刺激的数据进行分析，从分析结果中可知：旋转角度的主效应显著,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）.实验组别的主效应不显著，F(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）.旋转角度×实验组别的交互作用不显著,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）.在正像时旋转角度为180°时，动手操作的所花费的时间明显短于无关任务所需要的时间，而想象操作所需的时间却与其余两者任务所需判别时间无明显差异，无关任务的反应时最长，其次想象操作的反应时，最短的是动手操作的反应时.

基于上述分析，可知：1)在三种类型下，不同的角度对心理旋转任务辨别时间有影响，实验结果发现存在着经典的心理旋转效应，即随着旋转角度的增加，反应时随之增加，当样本旋转了180°时，反应时为最长.之后随着旋转度数的进一步增大，反应时反而逐渐减少.2)对于正像刺激时，在动手操作情况下的心理旋转任务辨别时间最短，而在无关任务下的心理旋转任务所需时间最长，实验结果说明了真实旋转能够促进心理旋转.3)在旋转角相同情况下，任务类型对心理旋转的影响有所不同，实验结果发现真实旋转操作相对更有利于心理旋转的加速.4)从整体上来说，在相同的角度下，不管是正（镜）像刺激，与无关任务耗时相比，动手操作的耗时更短；与无关任务所需时间比较，想象操作所需时间略短，实验结果说明了动手操作和想象操作有助于心理旋转任务，即真实旋转和表象旋转能加快心理旋转进程.

3 讨论与分析

3.1 旋转角度对心理旋转的影响

研究发现，任务类型和旋转角度对完成心理旋转任务辨别时间有影响，实验结果发现存在着经典的心理旋转效应，即随着旋转的角度越大，所需时间也越长；旋转角度越小，时间就越短.旋转角为180°时进行判断的时间最长，曲线两侧的反应时以180°为中心呈现出对称性分布.将本实验研究数据与赵晓妮的研究相比较，均支持Shepard 等人的经典心理旋转研究的结果[11]，说明了不同任务类型下，被试的反应时同样支持经典心理旋转实验的研究结果.

通过两因素混合实验设计方差分析，结果表明旋转角度主效显著，对于正像刺激的数据而言，三种任务类型旋转角度为60°或300°与其余的旋转角度均显著，但三者任务类型旋转角度为60°与旋转角度为300°均不显著.将本实验研究数据与Parsons的研究，还有陶维东等人的研究的研究相比较均得出了在进行心理旋转任务时，若旋转角度是人在现实生活中较易做出的姿势，其所需的时间较短，反之，则所需要的时间愈长[12-13].虽然被试的反应时与旋转角度有相关，但其研究结果又与经典心理旋转实验结果有差异.由此说明了心理旋转加工是会受到现实生活中人体生理机制的约束.

3.2 任务类型对心理旋转的影响

研究发现，三种操作类型均都支持Shepard 等人的经典心理旋转研究的结果，换句话说，三种操作在进行心理旋转任务中都存在着经典的心理旋转效应.结合上述三种任务操作类型的心理旋转效应，在相同的旋转角度下进行心理旋转操作，总体上，动手操作组的被试在进行心理旋转任务时，所需要消耗的时间最短，由此说明了动手操作组的心理旋转效应最佳，即为真实旋转最能加快心理旋转任务的进程.

不同的被试完成任务时采用了不同的策略.对于正像刺激时，在动手操作情况下的心理旋转任务辨别时间最短，而在无关任务下的心理旋转任务所需时间最长.实验结果说明了真实旋转和表象旋转能够促进心理旋转.动手操作组与想象操作组的被试可能采用与Cooper和Shepard实验所说的策略[9].无关操作对任务进行判断是最有可能是对这个刺激进行完全的旋转.将本实验研究数据与陶维东等人的研究进行比较，得出了被试具体采取哪种策略进行心理旋转，与实验的任务类型有关[13].被试在进行心理旋转的时候，可能以自己为参考系，也可以能以物体为参考系，取决于实验任务类型.

4 结论

真实旋转和表象旋转有利于心理旋转的加速.真实旋转对完成心理旋转任务的效果最佳.