空間認知能力與工作記憶關系研究

冉丑龍，張富昌

1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西西安 710300

2.西北大學公共管理學院應用心理學研究所，陜西西安 710127

1 問題的提出

空間認知能力是人類智能結構的重要組成部分。對空間能力的研究不僅對理解人類空間認知行為具有重要的理論意義。Thurston(1938)將空間認知能力定義為“在空間或視覺表象方面的才能”。Kosslyn(1983)認為用于操作表象的空間介質（Spatial Medium）與工作記憶模型的時空畫板之間可能存在重要聯系，與時空畫板共享某些特征。但研究空間認知能力與工作記憶這種聯系的研究相對較少，而且多集中在城鎮(zhèn)居民和在校學生，而對于成人群體研究較少，而對環(huán)境相對封閉，經濟文化水平相對落后的山區(qū)成人研究就更為少見。所以本研究以秦巴山區(qū)健康成人為研究對象，探討空間認知能力與工作記憶關系。

2 研究方法與實驗過程

2.1 研究對象

隨機選取秦巴山區(qū)柞水試驗區(qū)18～40 歲的成人，受教育水平均在小學三年級以上，身體健康，智力正常（通過瑞文測驗獲得），視力或矯正視力正常。

2.2 研究工具

實驗材料由計算機呈現，通過DMDX 編制實驗程序，并控制實驗的進程。

2.3 研究設計

2.3.1 工作記憶廣度實驗

采用雙任務加工范式，參考劉昌的相關研究設計數字工作記憶廣度（Digit Working Memory Span，DWMS）。呈現給出答案的一位正整數簡單加減法算式題（答案也為一位正整數），要求被試記住“＋”或“－”號后的數字，同時報告算式正確與否。

實驗程序和材料：在電腦屏幕中央依次呈現一位數的加減法等式（如6+2=8，7-3=4），要求被試出聲報告等式是否正確（對/錯），同時按回車鍵，并盡可能記住等式中的第二個數（被加或被減的數）。被試按回車鍵后立刻呈現下一道算術題，被試按回車鍵并報告答案的最長間隔時間為4 秒，超過此時間則自動呈現下一道。每組呈現完畢，出現？時，被試要按順序將剛才所記住的每道算術題中的第二個數回憶出來。這樣的測試共分7 個等級（廣度2-廣度8）每個廣度分別有3 組測試。在3 組測試都完成后，馬上進行下一個難度水平的測試。如果被試在某個廣度（難度水平）的3 組中連續(xù)錯了2 組，則終止實驗。在本研究中，數字工作記憶廣度成績的計分標準為：被試所能達到的最高水平，即以被試正確回憶的最大數字量定為其數字工作記憶廣度。

如：看到7-3=5，報告：錯，立刻按Enter 鍵，并記住3；

看到2+6=8，報告：對，主試立刻按Enter 鍵，并記住6；

當看到？時，請被試按順序報告：3、6

2.3.2 空間認知能力測驗——雙手旋轉實驗

參照Zacks 等人的實驗范式[55]相同-不同手（SD）任務以及以及陶維東等人[18]的研究設計。每次呈現兩只在平面上旋轉不同角度的左手或右手正面圖片，讓被試判斷所呈現的圖片是是否為同一只手，都是左手或都是右手，還是分別為左右手。

實驗材料：是在電腦屏幕上呈現的左右手圖片，見圖1。左右手分別只呈現正面圖像，作平面旋轉，旋轉的中心是在3Dmax 軟件中構建手的模型時中確定的重心，以手的中心Z 軸分別向左或向右平面旋轉45°、90°、135°。豎立方向的手大小為14cm×8cm，視角約為10.3°。共有圖片12 張，左手圖片和右手圖片各6 張。

圖1 雙手旋轉實驗圖片示例

實驗設計：實驗采用2（匹配情況）×2(比較刺激圖形)×2(旋轉方向)×3(旋轉角度)完全被試內設計。自變量分別是:匹配情況（標準刺激和比較刺激圖形：正像關系—相同手；鏡像關系—不同手）、比較刺激圖形（左手，右手）、旋轉方向（比較刺激的圖形：向內旋轉和向外旋轉。對于左手來說，順時針旋轉0°～180°為向內旋轉，180°～360°為向外旋轉，對于右手來說，順時針方向0°～180°為向外旋轉，180°～360°為向內旋轉）、旋轉角度（比較刺激的圖片旋轉：45°、90°、135°）。因變量為反應時和正確率。

實驗程序：在電腦屏幕正中央呈現一個視角約為0.5°的白色“十”字注視點0.2 秒，接著是一個隨機時間為0.5-1 秒的空屏，然后在屏幕正中央注視點處出現兩只手的圖片，等待被試反應，被試的任務是判斷呈現的兩只手是相同手還是不相同的手。如果是相同手，按“Z”鍵，如果是不相同的手，按“/”鍵。在被試做完反應后，呈現0.8 秒的等待時間，然后進入下一輪試驗。計算機自動記錄被試按鍵反應正確率和反應時。

2.4 數據整理

通過Excel 對數據進行預處理，得到的有效數據為379 個。通過SPSS17.0 對數據進行統計與分析。

3 研究結果與分析

3.1 空間認知能力與工作記憶廣度的相關分析

表1 秦巴山區(qū)成人各項認知測驗成績狀況

表2 雙手旋轉任務結果與數字工作記憶廣度之間的相關分析

據表2 可知，數字工作記憶廣度與雙手旋轉的正確率之間存在著顯著負相關，r=0.189，p＜0.01；與每秒正確數之間存在著顯著正相關r=0.154，p＜0.01。

3.2 空間認知能力對工作記憶廣度以回歸分析

采用回歸分析分別考察工作記憶廣度對空間認知能力的預測和解釋效力。

表3 顯示了空間認知能力對工作記憶廣度的一元回歸分析結果。結果顯示：

雙手旋轉的正確率對工作記憶廣度的一元回歸，工作記憶廣度進入到回歸方程，工作記憶廣度對雙手旋轉任務正確率具有正向預測作用。可以單獨解釋雙手旋轉正確率變異的3.3%，回歸效應顯著。

雙手旋轉的每秒正確數對工作記憶廣度的一元回歸，工作記憶廣度進入到雙手旋轉的每秒正確數的回歸方程，工作記憶廣度對雙手旋轉每秒正確數具有正向預測作用，可以單獨解釋雙手旋轉的每秒正確數變異的2.1%，回歸效應顯著。

4 討論

工作記憶是一種在進行認知活動的同時保持相關信息的系統或機制，它在復雜的認知活動中扮演著非常重要的角色，被認為是認知的樞紐。因此，工作記憶能力被當作一種更簡便有效的認知指標而逐漸受到人們的普遍重視。工作記憶理論自產生以來，已經引起了活躍的跨學科研究。其中工作記憶容量個體差異的研究對于心理學各個領域的影響尤其強烈。

表3 雙手旋轉任務成績對工作記憶廣度的一元回歸分析

本文研究結果表明，工作記憶廣度與空間認知能力測驗的雙手旋轉的反應時指標相關程度很低。但是工作記憶廣度與雙手旋轉的正確率指標都顯著相關。隨后的回歸分析也表明，工作記憶廣度對雙手旋轉的正確率指標的回歸效應都處于顯著水平。由此可知，工作記憶廣度與雙手旋轉的判斷的準確性關系較大，與雙手旋轉的判斷速度關系相對較小。也就是說，工作記憶廣度與雙手旋轉這種信息加工操作的辨別判斷能力有關。

Baddeley 認為工作記憶是一個負責暫時儲存和加工操作信息的系統，其的一個重要原理就是容量有限，工作記憶廣度就是用來表示這種容量的。人在執(zhí)行空間認知的心理旋轉任務時的加工是基于類比表征己得到大量研究的驗證，而本研究的結果也與此一致。正如Shepard(1971)認為的那樣，被試要將所呈現的刺激的表象回旋到正位上來，然后再與長時記憶中的正位的表征進行比較，才能判定圖對的匹配關系。研究同時發(fā)現隨著角度差的增大，被試的錯誤率升高，辨別能力相對降低Bryden(1990)[63]。這與工作記憶加工容量有限的原理有關。執(zhí)行雙手旋轉時，被試從長時記憶系統中提取這些刺激材料的表象表征，在工作記憶系統中對表象進行操作(旋轉)，才能判斷刺激圖對的匹配關系。工作記憶從長時記憶提取匹配表征信息，而它自身的存儲容量卻會限制提取信息的數量。也可能由于工作記憶自身容量限制之故，即任何時刻只有一定數量的項目刺激可能被激活并處于活動狀態(tài)，并且當角度差越大，表象旋轉操作加工越多，記憶容量被旋轉加工所占的比例越大，在這過程中造成用于判斷匹配關系必需的信息有所減少，于是辨別能力降低。從而被試的工作記憶廣度影響其雙手旋轉的判斷的正確率，也就是說。工作記憶通過其容量的有限影響了被試的雙手旋轉判斷的準確性。

5 結論

根據實驗的結果分析與討論，本研究得出以下結論：

空間認知能力與與工作記憶廣度相關顯著，工作記憶廣度對空間認知能力具有一定的預測作用。

[1]王鵬，游旭群，劉永芳.心理旋轉研究的新進展[J].心理科學，2005，28(5):1164-1166.

[2]Kosslyn S.M..Ghosts in the mind’s machine:Creating and using images in the brain[M].New York:W.W.Norton&Co.

[3]劉昌.數學學習困難兒童的認知加工機制研究[J].南京師大學報，2004，3.

[4]陶維東，孫弘進，閆京江，周柳.自我和物體為參照系的心理旋轉分離:內旋效應[J].心理學報，2008，40(1):14-24.