不同年齡段學生運動員圖形推理能力的發展及認知過程的眼動研究

付全等

摘 要：以標準瑞文推理測驗為工具，測量不同年齡段學生運動員的圖形推理能力，探索推理能力各維度的發展規律，分析青少年圖形推理過程的眼動機制和視覺掃描策略。選取北京市某小學（n=31）和初中（n=26）體育俱樂部，及某體育院校大學生（n=15）為被試，平均年齡14.6歲。推理測驗在計算機上進行，采用德國SMI公司生產的I View X HED眼動追蹤系統記錄被試的眼動數據，采用方差分析。結果發現：學生運動員圖形推理能力的發展表現出遞進式規律。在知覺辨別、圖形比較與組合，以及簡單圖形系統變化的認識在小學階段（11歲前）已有較好發展。隨著年齡的增長，年級差異主要表現在系列關系、圖形比擬及互換、交錯等抽象推理能力上。與低分組相比，高推理能力的青少年在推理過程中的眼跳次數更多，題干內視覺掃描策略更清晰。圖形記憶能力對推理過程沒有影響，但表象構建能力與圖形推理能力高度相關；短時間的策略引導和表象構建訓練可以提高學生運動員的圖形推理能力。

關鍵詞： 圖形推理；學生運動員；認知過程；眼動

中圖分類號： G 804 文章編號：1009783X（2013）05046505 文獻標志碼： A

圖形推理是根據一幅大圖形中的圖案或符號的變化規律，推出并填入大圖形中空缺部分的圖案或符號的認知活動。它通過不同圖形特征的組合及不同圖形組成的邏輯關系的復雜程度來控制難度。與語詞材料相比，圖形材料可以避開知識經驗和語言能力的影響，并且直觀可行，所以它能更客觀地反映個體的思維過程。近年來，對圖形推理的研究日漸成為推理研究中的熱門領域[12]。目前，關于圖形推理的研究主要是以瑞文推理測驗為工具，多集中在圖形推理策略[36]及圖形推理水平的年齡發展特征[710]的研究上。這些研究大多是以完成時間、正確率為指標，或是通過被試的自我報告，推斷不同年齡段個體推理水平及推理策略的差異，有些研究重點考察人格特質、認知風格和認知方式對推理的影響。已有結果表明，從小學到大學階段，推理能力隨著年齡的增長而提高，不同人格特質和認知風格對推理成績也有不同的影響[712]；然而，對于不同年齡段的學生運動員在圖形推理能力上的具體差異、發展規律及影響因素還有待探索，不同推理能力的個體在圖形記憶、表象構建能力，以及推理策略上是否存在差異尚不明確。為回答以上問題，本研究采用標準瑞文推理測驗為工具，測量并分析不同年齡階段學生運動員圖形推理能力和各維度的發展規律；通過圖形記憶和表象構建能力測試，分析影響青少年圖形推理能力的因素；通過眼動儀記錄并分析青少年圖形推理過程中注視和掃描策略。比較成績優良組與不良組學生在注視順序、注視時間、眼跳次數、瞳孔直徑等，分析造成推理能力差異的原因，從而在理論上可以進一步提高對青少年圖形推理能力的發展及認知過程的認識。實踐上可以為針對性地解決學生認知發展不良，提高推理和問題解決能力提供科學的依據和方法。為此，本項目以學生運動員為對象開展了系列研究。

1 不同年齡階段學生運動員圖形推理能力的差異及相關因素

1.1 研究方法

1.1.1 被試的選取

研究選取北京市某小學和初中體育俱樂部學生，以及體育學院大學生運動員共72名被試，基本情況見表1。

表 1 被試基本情況

1.1.2 實驗材料

實驗采用標準瑞文推理測驗，共由60張圖案組成，由易到難分成A、B、C、D、E 5組。A組主要測知覺辨別力、圖形比較、圖形想象力等；B組主要測類同、比較、圖形組合等能力；C組主要測比較、推理和圖形組合能力；D組主要測系列關系、圖形組合、比擬等能力；E組主要測互換、交錯等抽象推理能力。通過軟件開發，使測驗可以在計算機上進行，從而便于測驗過程的控制和數據處理，又便于結合眼動儀進行實驗。將標準測驗拆分成等難度的A、B 2部分，A部分為全部測驗的奇數題目，B部分為偶數題目，各30道題目，滿分為30分。A部分作為考察不同年齡段青少年圖形推理能力差異的材料，B部分作為后續研究中施加實驗因素后進行再次測試的等值工具。

在A、B 2個測驗的圖形矩陣中，按照位置關系選取30個圖形作為記憶材料。在B組測驗中選12個圖形矩陣作為表象構建任務的材料。

1.1.3 實驗程序

被試用鼠標雙擊實驗程序圖標，進入測試程序主界面，如圖1所示。填寫完成個人基本信息后選擇測試模式A。播放完標準指導語和完成例題后，進入正式測試。被試只需用鼠標點擊認為正確的答案即可，點擊后進入下一題。系統自動記錄被試的基本信息、每個題目的答題時間和正誤。測試完成后可輸出被試的總得分、總用時、各組得分和各組用時。

在完成模式A測試后即刻進行圖形記憶的測試，被試只需用筆確認30個圖形矩陣是否出現在剛剛進行完的測試中即可，滿分為30分。表象構建是指被試對沒有備選項的圖形矩陣進行分析后，運用表象在頭腦中構建出答案，然后在空白處畫出答案，共12道題目，滿分為12分，如圖2所示。

1.1.4 實驗設計

以年級為自變量，以瑞文測驗模式A的總分、總用時和A、B、C、D、E各組得分為因變量。考察隨著年齡的增長是否存在年級間的顯著差異，同時考察不同年級之間圖形記憶與表象構建的成績是否相關。

1.2 結果與分析

不同年級瑞文測驗（模式A）結果如圖3所示。

從圖3可以看出隨著題目難度的增加，各年齡段被試的正確率均呈現明顯的下降趨勢。小學組下降速度最快、初中組次之、大學組最慢。方差分析結果表明：各年級在總分上差異顯著

2 推理測驗高分組與低分組的眼動特征

2.1 研究方法

2.1.1 被試選取

小學和初中的全部39名被試均參與了眼動實驗，被試裸視正常，無瑞文測試經驗。

2.1.2 實驗儀器

實驗采用德國SMI公司研制的I View X HED頭盔式眼動追蹤系統，可以測量被試的注視時間、注視位置及眼跳次數和瞳孔直徑等。用Lenovo ThinkPad T400筆記本電腦運行標準瑞文測驗，并通過SONY VPLPX41投影儀將測試題目投屏幕上。

2.1.3 實驗程序

投影屏寬2.4 m，高1.6 m，被試距屏幕3 m，端坐在舒適的椅子上，佩戴好眼動儀的頭盔后，進行5點定標。用筆記本電腦運行瑞文測試程序，被試注視投影屏幕，用鼠標點選答案。

2.1.4 數據處理

由于不同年齡組之間僅有D組和E組的推理成績有顯著差異，因此，將眼動分析的重點集中在這2組的測試過程上。將每一個題目的注視區域劃分為9個：題干及8個備選圖形。通過眼動儀數據分析系統，導出全部眼動數據，眼動統計數據為D組E組12道題目的平均值。

2.1.5 實驗設計

將組別作為自變量（高分組和低分組），平均眼跳次數、題干注視時間和瞳孔直徑作為因變量，考察高分與低分被試在眼動過程上是否存在差異。

2.2 結果與分析

在高分組和低分組被試中各有16名同學的眼動數據符合要求，結果見表4。

3 計劃策略和表象構建引導對低分組學生圖形推理成績的影響

3.1 研究方法

3.1.1 被試選取

3.1.3 實驗程序

對照組直接雙擊實驗程序圖標，進入測試程序主界面，如圖1所示。在姓名下拉菜單中選擇自己的名字，然后選擇測試模式B。

實驗組在測試開始前首先進行5 min的策略引導和表象構建練習，具體指導語如下。

測試模式B與模式A在形式上是一樣的，在完成測試模式B的過程中，希望你認真分析題干中圖形矩陣的橫向及縱向關系或變化規律，盡量在找到某種規律后再比照答案選項作出選擇，或者在找到規律后想象出可能的答案的圖形，再去選項中點擊符合的圖形。你明白我表達的意思嗎？之后進行5個題目的練習，并小結。練習完成后開始模式B的測試。

3.2 研究結果與分析

在進行實驗干預后，實驗組與對照組的模式B的測驗結果見表6。

結果表明，在進行短暫的策略引導和表象構建練習后，實驗組的模式B成績總分高于對照組，并且在總用時上也短于對照組，但未達到顯著水平，

由此可以看出，計劃策略和表象構建的引導對提高青少年圖形推理能力起到了良好的促進作用。為什么短暫的策略和表象構建引導后就會產生如此明顯的效果呢？本研究的被試均來自于小學和初中的模式A測試中的低分組被試，在完成圖形推理任務過程中，他們可能沒有通過對前面較容易的題目形成明確的推理策略，在面對較難的題目時對題干的分析缺乏目的性和計劃性。結合眼動的視頻可以發現，低分被試更多地表現為在題干上的盲目掃視和試誤性地在題干和備選項之間反復注視。在經過策略和表象構建引導后，被試在題干規律的分析上有了較多的計劃性，從而提高了推理的正確性和效率。實驗組被試在解題時間縮短的情況下提高了推理成績說明了這一點。相比之下，對照組在解題時間延長的情況下推理成績不升反降，也說明他們沒有形成穩定、有效的推理策略。

4 討論

4.1 學生運動員圖形推理能力的發展和影響因素

圖形推理是形象推理的重要形式，是由一個或若干個已知圖形推出另外一些圖形或信息的思維過程，是以推理為主、其他方式為輔的綜合性思維過程；因此，圖形推理也經常作為非文字智力測驗的主要方法在我國得到廣泛使用。研究1的結果表明，從小學到大學階段，隨著年齡的增加被試的推理成績逐漸增加。這與張厚粲[13]等在上世紀80年代末主持的全國范圍內的瑞文標準測驗的修訂研究中的結果一致，也與大多數智力發展速度與趨勢的研究結果一致。值得探討的是，本研究在測驗總分與前人研究表現出一致趨勢的背后還有更多重要的信息。研究1的結果顯示，年級差異在A、B、C各組得分上不顯著，但在D組和E組得分上具有顯著意義。表明在知覺辨別能力、圖形比較、組合能力和簡單圖形系統變化的認識能力上是基本接近的，沒有顯著的年級差異，各年級均有較高的正確率。說明在小學階段，約11歲以前在這些方面的能力均有較好發展。沃建中[1]等人的研究也表明，8 歲以上兒童已經具備解決矩陣填充任務的邏輯思維能力，但高低水平組兒童在解決任務的能力水平上存在差異，對形狀、顏色維度的識別最容易，對大小維度的識別次之，對方向維度的識別最難。D組和E組的得分年級差異表明，在系列關系、圖形比擬，以及互換、交錯等抽象推理能力上體現出了隨著年齡增長的遞進式規律。由此可見，這種較復雜的推理能力是隨著年齡和學識的增長逐漸提高的。從題目完成時間上看，各年齡組解題時間的差異主要來自難度最大的E組題目，大學生在積極尋找著圖形矩陣中的各種關系，很少存在放棄的題目。相比之下，小學生被試常常在找不到圖形規律時進行盲目選擇，或選一個與缺失部分相鄰圖案一樣的圖案為答案。對于復雜的圖形推理任務，反應時間不適合作為評價推理能力高低的指標[14]。

對圖形推理能力影響因素的探討多集中在人格特質、認知風格和認知方式上[1112]。研究記憶對推理能力的影響很少見。在本研究中未發現記憶對推理能力有顯著影響，與沈莉[14]和汪夏等[15]的研究不一致。也許是因為本研究所采用的無意圖形記憶與其研究中的工作記憶代表了不同的心理能力。表象與知覺的關系一直是空間認知領域關注的熱點問題[16]，已有研究表明表象與知覺認知過程的眼動軌跡具有相似性[1718]。由此，本研究探索表象與圖形推理任務之間的關系。結果表明，表象構建的成績與圖形推理能力高度相關。一方面可能是因為表象構建任務本身也是一種推理任務，2種任務在題干部分的相似性導致結果的相關；另一方面就是良好的表象能力可以很好地對題干的圖形矩陣進行形象運算，如方向、位置的規律變化、加減等，從而更準確地提取出題干圖形間的關系。

4.2 學生運動員圖形推理過程的眼動及認知特征

戴斌榮、俞國良對初中生瑞文推理過程的眼動研究表明，成績優良學生對題干注視次數和注視時間顯著高于成績不良學生，對整張圖片的持續注視時間和注視次數顯著低于成績不良學生。研究2的結果表明高分組與低分組被試在眼跳次數上具有顯著差異，但對題干注視時間上差異不顯著，與上述研究結果部分一致。高分被試較多的眼跳次數和相對較長的題干注視時間可能代表著被試進行更積極的信息加工，嘗試更多的推理策略。Hunt等[1920] 的研究表明，解答圖形推理問題的策略往往不止一種。林崇德等[8]人的研究也發現圖形推理解題策略有分析策略、不完全分析策略、知覺分析策略、知覺匹配策略、自主想象策略、格式塔策略6種。Carpenter等人[4，21]發現圖形推理過程包含抽象思維和工作記憶2個心理加工成分。抽象思維又包含2個相關但獨立的成分：視知覺識別成分和歸納推理成分，前者指對視覺刺激的編碼和對視覺刺激意義的解釋，在圖形推理中表現為發現圖形橫向、縱向或對角線上的變化及賦予這種變化以某種意義。這些具體策略和認知過程上的差異是導致圖形推理能力差異的關鍵因素。研究3的實驗結果驗證了這一觀點。同時也提示我們可以通過策略引導和表象構建練習有效提高青少年的圖形推理能力。

5 結論

不同年齡段學生運動員圖形推理能力的差異不表現在知覺辨別能力、圖形比較、組合能力和簡單圖形系統變化的認識上，而是表現在系列關系、圖形比擬，以及互換、交錯等抽象推理能力上。

不同圖形推理能力的學生運動員在推理過程中的眼跳次數具有顯著差異。圖形記憶能力對推理過程沒有影響，但表象構建能力與圖形推理能力高度相關；短時間的策略引導和表象構建訓練可以提高學生運動員的圖形推理能力。

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