逐向導航輔助對大尺度環境下空間記憶的影響及改進方法

摘 "要 "科技的迅速發展使得人的行為越來越“自動化”， 借助逐向導航人們可以按照正確路線快速到達目的地， 然而如此高效率的尋路方式帶來的可能是空間記憶的削弱。眾多研究結果顯示逐向導航輔助不利于空間知識的獲取， 研究者們開始改進逐向導航或設計新的導航系統。在此基礎上本文提出了逐向導航輔助對空間記憶的影響模型， 針對如何改進逐向導航提出相關建議。未來研究應改進大尺度環境下空間知識的測量方法， 探究逐向導航輔助削弱空間記憶的神經機制， 關注個體因素的影響以構建一個更全面的解釋機制， 開發兼具尋路效率和空間知識獲取的新導航系統。

關鍵詞 "逐向導航， 導航輔助， 空間記憶

分類號 "B842

1 "引言

導航（navigation）是指個體規劃路線并通過空間上的移動到達目的地（Ishikawa et al.， 2008）。古時候人們根據太陽、北極星的位置或植物的生長特征等方法尋路（wayfinding）， 耗費大量的時間精力才能到達目的地。科學技術日新月異， 導航輔助（navigation aids）在生活中無處不在， 如帶有全球定位系統（Global Positioning System， GPS）的各種設備（Gardony et al.， 2015）。基于GPS的移動導航輔助系統（GPS-based mobile navigation assistance systems）能提高尋路效率（Hergan amp; Umek， 2017）， 極大地便利了人們的生活。現代社會人們通常不再需要掌握這些技巧， 只需要跟著導航指令走， 就能輕松到達目的地。導航系統幫助個體更快地到達目的地的同時， 也減少了尋路時的腦力勞動（Brügger et al.， 2018）， 但這使得個體難以學習環境的空間結構（Münzer et al.， 2012）。使用導航系統帶來的長期負面影響大于好的方向感和心理旋轉能力所帶來的益處（Ishikawa， 2019）， 隨之產生的代價可能是人們對環境的空間記憶受到了損害。大尺度環境（large-scale environment）在心理學中一般指個體所生活的自然環境， 在此類環境中， 個體常常需要執行諸如尋路等空間任務， 這些任務要求他們學習和掌握環境的整體布局和結構; 相比之下， 小尺度環境中空間任務則更加關注對局部圖形或物體的心理表征（Hegarty et al.， 2006）。大尺度環境的空間記憶表征包括三部分：地標知識（landmark knowledge）， 路徑知識（routes knowledge）和全局知識（survey knowledge）。其中， 地標知識主要指環境中突出的地點; 路徑則將這些作為外部參照點的地標連接起來， 因此路徑知識由一系列的點組成; 全局知識指在類似于地圖的環境中有關地標和路線的結構的概念， 它將所有內容聯系起來， 形成一個空間關系表征（Siegel amp; White， 1975）。在導航過程中， 路徑知識比全局知識需要的認知努力更少（Van Asselen et al.， 2006）。路徑知識使人們能夠沿著已知的路徑從一個地點到達另一個地點， 而全局知識包括結構信息， 使人們能夠發現地點間的捷徑， 探索新路線（Chrastil amp; Warren， 2012）。導航輔助主要用于在未知環境中引導人們到達特定目的地（Münzer et al.， 2012）， 可以分為逐向導航（turn-by- turn navigation）、非逐向導航（non-turn-by-turn navigation） （Kuo et al.， 2023）和紙質地圖（paper map）。目前的導航軟件大多采用逐向導航， 如高德地圖和百度地圖。本文系統梳理了有關逐向導航輔助對空間記憶的影響研究。目前研究可以分為兩方面：將逐向導航輔助與紙質地圖進行比較， 旨在探討逐向導航輔助在空間知識獲取方面的影響; 設計新的不同于逐向導航的導航輔助系統， 對傳統的逐向導航進行改進和創新。

2 "逐向導航輔助的負面效應

逐向導航基于轉彎點給出指令， 路線是完全預定義的（Mazurkiewicz et al.， 2023）。指令一般包含轉彎方向和距離信息， 有時只提供轉向信息， 一個典型的逐向導航指令如“300米后左轉”。逐向導航輔助的特點在于使用GPS技術在移動設備上實現， 因此能夠實時更新個體當前的位置。這與作為傳統導航輔助工具的紙質地圖不同， 紙質地圖主要基于紙張和印刷技術， 是靜態的， 不具備交互性（丁旭華， 2015）。逐向導航可以利用不同的界面技術來傳達指令， 如增強現實技術（Augmented Reality， AR）。據此， 逐向導航可分為基于GPS的2D移動地圖和基于GPS的AR移動地圖（Huang et al.， 2012; Mazurkiewicz et al.， 2023） （圖1）。

2.1 "逐向導航輔助是否會削弱人的空間記憶？

大部分研究結果顯示逐向導航輔助的使用不利于空間記憶的形成。Hejtmánek等人（2018）的研究表明逐向導航會阻礙個體獲取空間知識。該實驗要求被試在虛擬城市中執行來回導航任務（there-and-back navigation task）， 并伴有眼動追蹤， 結果發現個體在學習過程中花在GPS地圖上的時間越多， 回憶過程中的導航表現、指向正確率以及延遲空間知識越差。Fenech等人（2010）安排一組被試駕駛時使用語音逐向導航， 另一組被試駕駛時不提供導航輔助， 模擬駕駛結束后完成場景再認任務（scene recognition paradigm）， 結果顯示無導航輔助組對場景的識別能力高于語音逐向導航組， 這表明在駕駛時使用導航系統會造成注意盲視， 無法“看到”周圍環境的特征。在Gardony等人（2013）的實驗中， 被試在虛擬尋路任務中使用口頭語音指令（如“稍向左， 400英尺”）、音調指令（當轉向為“向右”時， 從90度方位角播放合成的音調， 距離越近音量越大）， 或無任何輔助手段（控制組）進行導航， 隨后完成地標回憶、地圖繪制和指向任務。結果表明， 盡管口頭語音指令和音調指令均提高了導航效率， 但與控制組相比， 仍然在一定程度上削弱了被試的空間記憶。與紙質地圖相比也是如此， 例如， 在Xu等人（2022）的研究中， 被試使用不提供任何指令的移動地圖、紙質地圖和有語音指令的移動地圖在某大學完成導航任務， 結果發現移動地圖的尋路效率均高于紙質地圖， 然而使用不提供指令的移動地圖獲取的路徑記憶卻不如紙質地圖， 不過， 三者在地標知識和全局知識方面均無顯著差異。Sugimoto等人（2022）要求人們使用手機移動地圖和紙質地圖學習城市環境， 結果顯示使用手機移動地圖的個體地標再認數更低、路線回溯表現更差， 但場景再認結果無顯著差異。這與Fenech等人（2010）的研究結果不同， 可能是因為需要被試再認的場景數量不同導致任務難度存在差異， 前者只有11個（Fenech et al.， 2010）， 后者多達22個。Ishikawa等人（2008）安排被試在某居民區使用紙質地圖、逐向導航或利用直接經驗進行尋路任務， 最后估計起點方向并繪制地圖， 結果顯示逐向導航組的方向估計誤差高于直接經驗組， 地圖繪制精度也低于直接經驗組， 與紙質地圖則無差異。Ben-Elia （2021）要求司機使用紙質地圖或谷歌地圖提供的視聽逐向導航在城市住宅區的一條路線尋路， 結果發現在尋路之前記憶紙質地圖的司機在地標再認方面比遵循視聽逐向導航的司機更好， 路徑知識和全局知識則無顯著差異。然而， Kelly等（2022）的研究結果卻表明在虛擬環境中逐向導航并不會影響路徑記憶。學習組在4次駕駛模擬中都接受了逐向導航， 測試組在前兩次模擬中使用逐向導航， 在隨后的兩次模擬中完成路線回溯任務。48h后， 所有被試接受最終測試。結果顯示與最初接受逐向導航的幫助但后來從記憶中提取路線的個體（測試組）相比， 反復遵循逐向導航（學習組）獲取的路徑知識并不差。

綜上所述， 就地標知識而言， 部分研究表明使用2D移動地圖獲得的地標知識不如紙質地圖（Ben-Elia， 2021; Fenech et al.， 2010; Sugimoto et al.， 2022）， 也有研究結果表明無明顯差異（Xu et al.， 2022; Yount et al.， 2022）。這可能是因為地標再認任務所選取的地標數量不同， 數量較少可能產生天花板效應， 從而導致任務的區分度較低。例如， Xu等（2022）的研究中地標再認數量僅為3個， 而Sugimoto等（2022）則要求被試盡可能記住路過的各種地標， 如便利店、交通信號燈等， 有的甚至多達22個（Fenech et al.， 2010）。就路徑知識而言， 部分研究表明從紙質地圖獲取的路徑知識與2D移動地圖無差異（Ben-Elia， 2021; Kelly et al.， 2022; Yount et al.， 2022）， 也有研究顯示優于2D移動地圖（Sugimoto et al.， 2022; Xu et al.， 2022）。研究結果間的差異可能是由于實驗環境一般為被試不熟悉的新環境， 相比于步行導航， 被試駕駛時需要避免碰撞事故的發生， 投入更多的注意資源， 此時移動導航設備的分心作用減弱。因此， 這可能導致被試駕駛時使用2D移動地圖獲取的路徑記憶與使用紙質地圖時類似。就全局知識而言， 移動地圖不利于空間記憶的形成（Hejtmánek et al.， 2018）， 不如紙質地圖（Ishikawa et al.， 2008; Yount et al.， 2022）， 但也有研究顯示并無明顯差異（Ben-Elia， 2021; Xu et al.， 2022）。究其原因， 可能是使用距離估計、時間估計和指向估計等方法難以全面評估個體獲得的有關環境結構的記憶（Ben-Elia， 2021; Xu et al.， 2022）。因此， 盡管研究結果之間存在差異， 但在空間知識的獲取上逐向導航輔助要么不如紙質地圖或直接經驗， 要么與其無明顯差異。

當研究者們發現相比使用紙質地圖或利用直接經驗， 使用基于GPS的2D移動地圖獲得的空間知識較差時， 希望借助新技術以彌補逐向導航輔助的不足。AR （Augmented Reality）是指將數字信息與現實世界相結合， 實時呈現虛擬內容和真實內容， 其中真實的物理環境是個體AR體驗的一部分（Rauschnabel et al.， 2022）。AR地圖正是基于現實世界顯示虛擬路線的地圖。

Dong等人（2021）要求被試使用AR地圖或2D移動地圖在某大學完成尋路任務， 結果表明兩種地圖的尋路效率相當， 但地圖的繪制結果顯示使用AR地圖更難對路線形成清晰的記憶。這表明AR地圖形成的全局知識不如2D移動地圖。不過， Qiu等人（2023）進行了一項類似的研究， 被試使用百度地圖（包含AR地圖和2D移動地圖兩種方式）在某大學從起點前往目的地。完成場景再認和方向判斷任務（scene recognition and orientation judgment task）、場景序列任務（scene-sequencing task）和結構表征任務（configurational representation task）。結果發現2D移動地圖的導航效率優于AR地圖， 而AR地圖在地標和路徑知識方面優于2D移動地圖。但在全局知識獲取方面， 2D移動地圖與AR地圖相當。有研究者以虛擬環境為背景， 系統比較了紙質地圖、電子地圖（E-map， 與2D移動地圖類似）和AR地圖（Yount et al.， 2022）。在紙質地圖條件下， 個體開車前學習地圖， 開車時也可以參考地圖; 電子地圖條件下儀表盤會顯示一個小的地圖， 根據駕駛員位置實時更新， 提供轉彎指令（例如， “在下一個十字路口右轉”）; AR地圖條件下道路上有一條綠色的路線， 并且在轉彎位置有懸浮的箭頭指示轉彎方向。完成導航任務后， 被試需要進行地標再認、地標排序和地圖選擇（即在10張地圖中進行選擇， 其中一張地圖完美匹配， 而其他9張則各自包含了從1到9個不同程度的錯誤）。結果發現， 3種導航輔助方式在地標知識和路徑知識上無明顯差異， 不過， 使用紙質地圖時所犯的地圖選擇錯誤顯著少于AR地圖， 而電子地圖與二者則無顯著差異。然而， 有研究表明在空間知識獲取方面， 2D移動地圖、AR地圖和語音導航并無差異（Huang et al.， 2012）。但需要注意的是， 該研究所使用的2D移動地圖并沒有提供逐向導航， 而是提供了一條虛擬的綠色路線， 語音導航提供包含語義信息的聽覺指令（“直走， 經過劇院， 然后走到十字路口”）， 而不是簡單的逐向指令（“左轉”）。

總的來說， 對于地標知識和路徑知識， AR地圖可能優于2D移動地圖（Qiu et al.， 2023）， 也有研究表明兩者之間并無顯著差異（Yount et al.， 2022）。這種差異可能源于實驗環境的不同：前者基于真實的生活環境， 而后者使用的是虛擬環境， AR地圖在復雜的真實環境中可能具有一定優勢。此外， 在Yount等人（2022）的研究中， 地標再認測驗的新地標圖片數量較少， 只有兩個， 而舊地標圖片數量為8個， 這可能導致所有被試的正確率較高。對于全局知識， AR地圖可能不如2D移動地圖（Dong et al.， 2021）， 也可能無顯著差異（Qiu et al.， 2023; Yount et al.， 2022）。這一結果可能與不同的任務類型有關：前者采用的是草圖繪制任務， 而其他研究則使用地標放置任務或地圖選擇任務。草圖繪制任務要求被試回憶并畫出認知地圖， 能更有效地反映個體獲得的全局知識。因此， 關于AR地圖與2D移動地圖在空間知識獲取方面孰優孰劣仍存在爭議。

2.2 "逐向導航輔助為何會削弱空間記憶？

逐向導航自動化了部分認知過程， 導致個體未能深度加工信息， 難以形成穩固的空間記憶。一次成功的導航首先需要在空間中確定自身所處位置， 明確方向， 接著需要根據目的地位置規劃路線、執行路線， 最后到達目的地（Ishikawa et al.， 2008）。因此， 編碼、存儲和識別環境視覺細節的過程是尋路的關鍵部分（Afrooz et al.， 2018）。使用紙質地圖尋路需要主動對空間信息進行處理、轉換、記憶（Münzer et al.， 2012）， 有意地進行空間定位（Ishikawa， 2019）， 付出額外的積極努力（Münzer et al.， 2006）， 為確定路線而決策。然而， 逐向導航將這些信息處理過程主動包攬， 只提供答案。例如， 移動導航系統提供了定位信息， 個體無需自己定位（Xu et al.， 2022）， 也不會努力獲取空間知識， 因為這些知識對于到達目的地不再是必需的（Krüger et al.， 2004）。使用紙質地圖時， 人們需要進行心理旋轉以確定正確的轉彎方向， 但這被移動地圖消除了（Yount et al.， 2022）。逐向導航還包攬了個體的決策過程， 使個體從路線規劃的決策者轉為指令的執行者。使用紙質地圖時， 個體作為決策者需要了解當前位置與環境地點的空間關系， 使得身體和環境之間建立關系， 并做出具體的轉彎決定， 在更深層次上處理信息; 然而， 使用逐向導航輔助時， 執行指令是反應性的， 個體以自我中心為視角， 無需對環境進行表征（Bakdash et al.， 2008; Burnett amp; Lee， 2005）。研究發現路線決策的增加對全局知識的獲取有促進作用（Lu et al.， 2021）， 因此， 導航系統應當歸還個體的路線決定權。

逐向導航呈現空間信息的方式不利于個體學習環境結構， 獲取全局知識。紙質地圖以非中心化的全局表征呈現空間信息， 直接展示了環境結構及地點間的空間關系， 有助于個體理解環境結構（Münzer et al.， 2006， 2012）。然而， 逐向指令與個體本身處理空間信息的方式不相容， 個體并不是一個接一個地單獨執行指令， 而是整合信息， 在尋路過程中自發地學習空間結構并建立認知地圖（Schwering et al.， 2017）。此外， 逐向導航的交互界面呈現的信息與個體自身視角相符， 有利于尋路， 但環境結構信息根本沒有呈現或不完整（Münzer et al.， 2006， 2012）， 個體失去了整合空間信息的必要性。這可能導致個體使用逐向導航時傾向于采用視覺主導的策略， 使用紙質地圖時傾向于采用空間主導的策略。在視覺主導的策略中， 被試的尋路決策基于路途中視覺識別的決策點（如， 地標）， 但決策點沒有整合到全局表征中; 在空間主導的策略中， 被試從一開始就把環境表征為一張全局地圖（Aginsky et al.， 1997）。這或許能解釋為什么使用紙質地圖可能獲得更好的全局知識。

逐向導航通過分心作用減少個體與環境的交流， 阻礙空間知識的獲取。尋路是從建筑環境中收集信息的過程， 以了解自身相對于目的地的位置及如何到達（Woyciechowicz amp; Shliselberg， 2005）。使用紙質地圖的駕駛員更加關注駕駛環境（Burnett amp; Lee， 2005）， 然而遵循簡單的逐向導航指令使得關注與導航任務相關的環境不再是必須的（Gramann et al.， 2017）， 使用GPS導航可能導致與環境的接觸減少， 逐漸脫離環境（Leshed et al.， 2008）。具體而言， 個體將注意集中在GPS導航上（Hejtmánek et al.， 2018）， 空間探索行為減少， 導致空間知識的獲取減少（Schade et al.， 2023）。由于逐向導航下達的轉彎指令與距離有關， 而該距離由個體當前位置和下一個轉彎路口的位置決定， 交互界面會實時更新個體當前的位置， 故指令會多次提醒個體當前余下的距離。因此， 個體需要關注屏幕上不斷更新的信息（Ishikawa et al.， 2008）， 注意不斷地在移動設備和環境之間分散（Willis et al.， 2009）， 并且， 注意的分散與空間信息的整合相沖突（Huston amp; Hamburger， 2023）， 不利于空間記憶的形成。逐向導航一般基于移動設備使用， 有研究表明， 沒有次任務時， 導航輔助設備的存在會損害空間記憶， 但當存在次任務（即個體注意被分散時）， 這種影響不會更大， 這說明導航設備本身足以分散注意（Gardony et al.， 2015）。綜上所述， 研究者們對逐向導航為何會削弱空間記憶進行了多方面的深入探討， 但大多數討論仍然停留在理論層面， 未來應該對其進行實證研究， 提供數據支持。

3 "逐向導航的改進思路

內置在汽車中的GPS導航系統， 以及預裝在大多數智能手機上的應用程序（如谷歌地圖） 是目前常見的導航輔助設備（Huston amp; Hamburger， 2023）。研究表明逐向導航會損害個體的空間記憶（Hejtmánek et al.， 2018; Lanini-Maggi et al.， 2023; Qiu et al.， 2023; Xu er al.， 2022; Yount et al.， 2022）， 隨著GPS導航使用的增加， 個體的空間認知能力可能會減弱， 進而可能影響其獨立性、自主性和生活質量（Gramann et al.， 2017）。因此， 許多研究者開始提出新的導航系統， 旨在通過非逐向導航的方式促進空間知識的獲取。

3.1 "對指令信息的改進——基于地標的導航

環境易讀性（environmental legibility）是指城市景觀的明晰程度（Kumar et al.， 2023）， 包括地標（landmark）、路徑（paths）、節點（nodes） 、邊界（edges）和區域（districts）五個組成部分（Lynch， 1960）。研究表明地標能增加環境的易讀性， 有助于個體對建筑環境的再認， 相比于沒有內部或外部地標的路徑， 有內部或外部地標的路徑更容易被記住; 此外， 個體對有地標的節點的記憶比對無地標的節點更準確（Ahmadpoor et al.， 2021）。一個易讀的城市具有清晰的空間結構和物理形態， 使個體能夠較為容易地定位和導航， 從而形成清晰的認知地圖（Taylor， 2009）。地標是認知地圖中最主要的城市表象（urban image） （Er?evik S?nmez amp; Erinsel ?nder， 2019）， 設置顯著的地標能使環境結構更明晰， 個體更易獲取空間知識。地標應當具有3個特點：視覺獨特性（visual distinctiveness）， 指與周圍環境的物理屬性有所區別的客觀特質; 推斷獨特性（inferred distinctiveness）， 與其結構或形式有關， 使其從一般事物中脫穎而出; 功能獨特性（functional distinctiveness）， 指與個體的目標或子目標相關的顯著性（May amp; Ross， 2006）。地標導航（landmark-based navigation）的特點在于其指令含有顯著的地標信息。相比于簡單的逐向導航指令（如“100米后右轉”）， 含有地標信息的指令（如“請在音樂廳右轉， 在這里你可以聽音樂會”）能夠有效改善個體所獲得的空間知識（Gramann et al.， 2017; Wunderlich "et al.， 2023）。

研究者對地標在導航中的作用展開了一系列研究。有研究使用自發眨眼作為連續記錄的腦電圖（EEG）數據中的事件標記， 評估移動地圖導航任務中的認知負荷， 發現有中等數量地標（即5個地標）的移動地圖可能是支持空間學習的最佳選擇， 且不會過度消耗注意資源（Cheng et al.， 2023）。在十字路口顯示真實的3D地標符號可能比抽象的3D地標符號更能幫助個體記住城市環境中的路線（Kapaj et al.， 2022）。與沒有地標的十字路口相比， 有地標的十字路口更有可能被個體準確地表征出來（Ahmadpoor amp; Smith， 2020）。在室內環境使用全息影像來顯示虛擬語義地標有助于獲取地標知識。在導航環境中提供虛擬全局地標能夠促進個體心理地圖的形成（Liu et al.， 2021）。好的地標可以顯著提高個體轉彎前的信心， 使用距離信息定位轉彎位置則會導致更多的人看顯示屏（May amp; Ross， 2006）。來自腦電的證據顯示， 在導航指令中突出地標信息能促使個體獲得顯著的長期空間學習效果（Wunderlich amp; Gramann， 2018）。因此， 環境中地標的存在能夠幫助個體獲得更準確的空間知識。

在Lakehal等人（2023）的研究中， 基于地標的導航是指利用GPS跟蹤個體當前的位置， 當個體接近決策點時， 會顯示包含地標信息的導航指令。例如： “當你看到公交站點的時候請右轉; 20米”。被試使用智能手機或AR眼鏡在居民區完成步行導航任務， 結果發現AR眼鏡可以更好地記憶地標和路線。需要注意的是， 該實驗研究了不同交互設備（智能手機和AR眼鏡）用于基于地標的行人導航時如何影響空間知識的獲取， 并沒有與逐向導航進行比較。有研究者將逐向導航指令與地標導航指令進行了比較（Wunderlich amp; Gramann， 2021b）， 實驗要求個體按照聽覺導航指令沿預定路線導航。逐向導航指令如：“下一個路口右轉”; 短的地標指令只是簡單地命名地標， 如：“在書店右轉”; 長的地標指令提供了關于地標的額外語義信息， 如：“在書店右轉， 那里每周都會舉行公開讀書會”。兩周后， 完成線索回憶任務（cued-recall task）， 即個體對地標進行再認的同時根據該地標位置判斷路線方向。結果表明， 與逐向導航指令相比， 無論是短的地標指令還是長的地標指令， 所獲得的地標知識和路徑知識都更好。與此類似， 有研究將參照（或地標）導航（Reference-Based navigation）、方向導航（Orientation-Based navigation）和基于2D地圖、AR地圖的逐向導航進行了比較（Kuo et al.， 2023）。被試需使用其中一種完成兩個導航任務， 一是輔助導航任務， 導航輔助全程提供， 到達目的地后， 重置回到起點并完成指向任務（pointing task）; 二是獨立導航任務， 被試只有感到困惑時才可以通過虛擬手機詢問導航系統， 最后在虛擬城市地圖上標記目的地。結果顯示， 與使用兩種逐向導航相比， 使用地標導航的個體能夠高度準確地定位目的地， 這表明地標導航有助于獲得全局知識。此外， 獨立導航任務中地標導航的尋路效率與逐向導航相當， 也是唯一使得被試在獨立導航任務中花費的時間少于輔助導航任務的導航系統， 這一結果表明地標導航能使個體能夠獲得足夠的空間知識， 增強其獨立導航能力。Schwering等（2017）提出的定向尋路（oriented path following）與地標導航本質上相似， 其方向指令（如， “向市中心方向走”; “在超市左轉， 繞市中心一圈”）突出了地標信息， 研究結果表明人們可以通過適當的定向尋路導航獲取全局知識。

綜上所述， 地標導航在導航效率方面或許能與逐向導航匹敵， 但這仍需要更多的研究支持。在空間知識的獲取上地標導航可能優于逐向導航。有研究采用移動腦電圖記錄被試的腦電數據， 在城市環境導航過程中， 被試接受語音逐向導航或語音地標導航， 結果顯示， 與接受逐向導航指令的被試相比， 接受地標導航指令的被試在眨眼后300毫秒的時間窗口中， 額?中央導聯的腦電振幅顯示出更高的值， 后續空間任務也得到了改善， 這表明按照地標指令尋路涉及更高的認知過程， 且對已有信息的加工更深（Wunderlich amp; Gramann， 2021a）。未來應繼續深入對比地標導航與逐向導航， 思考如何改善地標導航的尋路效率并將其應用在移動設備上。

3.2 "在其他方面的改進

3.2.1 "增強除視覺外的其他感知覺

除地標導航外， 研究者們還設計了其他類型的導航以期改進或替代逐向導航。部分研究希望通過增強除視覺之外的其他感知覺來調整個體接收信息的方式， 以促進空間記憶的形成。例如， Clemenson等人（2021）提出了基于感官增強的GPS導航系統利用類似聽覺指南針的3D空間音頻系統（3D spatial audio system）， 使個體無需明確的指令即可到達目的地， 這種方法鼓勵個體積極參與空間導航。研究結果顯示， 與逐向導航輔助相比， 聽覺指南針導航能夠激發更多的探索行為， 形成更準確的認知地圖。類似的還有觸覺反饋步行導航系統（tactile feedback for pedestrian navigation systems）， 通過振動模式提供路線指示， 使個體無需借助視覺就能獲取指令， 從而更多地注意環境（Pielot et al.， 2012）; 以及為盲人和視障人群提供的觸覺足反饋導航系統（Velázquez et al.， 2018）。

3.2.2 "提升導航過程的自主性

通過讓導航系統歸還個體探索環境和規劃路線的自由促進空間知識的獲取。有研究設計了一種潛在路線區域導航（Potential Route Area Navigation， PRA）， 其界面基于動態的潛在路線區域， 該區域包含了個體愿意接受的所有可能的路線， 個體可以自由選擇、改變路線。結果表明， 與以谷歌地圖為代表的傳統逐向導航輔助相比， 使用PRA導航時， 空間知識的獲取和用戶體驗都得到了明顯改善（Huang et al.， 2022）。與之相似的有Mazurkiewicz等（2023）設計的自由選擇導航（Free Choice Navigation）， 其核心思想是給予個體更多的自由， 而非提供預先定義的路線， 個體必須在路口做出決策， 從而更多地投入到環境中， 不過研究結果顯示自由選擇導航和逐向導航在空間知識獲取上差別不大。

3.2.3 "應用增強現實技術

利用增強現實技術改進逐向導航。四軸飛行器投影導航（Quadcopter-Projected In-Situ Navigation）通過使用投影儀四軸飛行器的增強現實技術， 直接在環境中呈現導航指令， 進而提高個體觀察現實世界興趣點的能力（Knierim et al.， 2018）。綜上所述， 除了改進指令信息外， 還可以通過借助除視覺外的其他感官通道、增加個體對環境的探索行為或其他方式來改進逐向導航， 不過新導航系統的導航效率可能不如逐向導航（Knierim et al.， 2018）， 未來研究應關注如何在促進空間知識獲取的同時提高尋路效率。

4 "小結與展望

關于逐向導航輔助對空間記憶的影響及原因， 由于不同研究選擇的實驗環境（城市居住區、大學校園或虛擬環境）、測量空間知識的方法和被試人群（大學生、駕駛員或其他人群）不盡相同， 各研究結果間往往存在差異。然而可以確定的是， 逐向導航的使用會削弱空間知識的某一方面（地標知識、路徑知識或全局知識）。本文還討論了對逐向導航系統的改進， 包括地標導航和潛在路線區域導航等新導航系統。這些新導航系統相較于逐向導航能有效促進空間知識的獲取， 但在尋路效率方面可能有所欠缺， 因此有望進一步提高其導航效率， 成為除逐向導航外的另一選擇。

4.1 "逐向導航輔助對空間記憶的影響模型

結合目前研究結果（Ahmadpoor et al.， 2021; Dong et al.， 2021; He amp; Hegarty， 2020; Ishikawa et al.， 2008; Leshed et al.， 2008; Parush et al.， 2007; Schwering et al.， 2017）， 本文提出了逐向導航輔助對空間記憶的影響模型， 重點解釋了逐向導航輔助對空間記憶的影響， 并探討了其他導航輔助， 如紙質地圖和地標導航的影響（圖2）。

4.1.1 "個體差異在GPS逐向導航輔助中的作用

個體差異可以分為三類因素。穩定的、不可變的因素， 如性別和年齡等個體自身固有的特征。相對穩定、可變的因素， 它們具有一定可塑性， 可以通過后天訓練獲得改善， 如方向感、空間視角采擇能力、心理旋轉能力和空間焦慮等因素。與個體經驗有關的因素， 這與個體的生活經歷和習慣有關， 如電子游戲經驗、GPS導航依賴和GPS使用等。

隨著年齡增長， 使用GPS導航的可能性降低。研究調查了456名25歲至84歲的健康成人， 發現年齡增長負向預測GPS導航使用， 而視空間工作記憶則正向預測GPS導航使用（Muffato et al.， 2022）。這可能是因為研究采用的被試年齡跨度較大， 因此具有更好的視空間工作記憶的個體更可

能積極地使用技術輔助工具。在性別差異方面， 總體而言， 男性在空間導航能力方面表現出顯著優勢（Nazareth et al.， 2019; 張鳳翔 等， 2023）。男性的方向感、心理旋轉能力和空間視角采擇能力優于女性， 而且空間焦慮水平更低（He amp; Hegarty， 2020; Ishikawa， 2019; Ruginski et al.， 2019）。Miola等人（2023）發現， 在男性中， 空間自我效能感（尋路自我效能感和方向感）在成長心態和定向行為之間起著中介作用。相信自己的尋路能力可以提高個體的自我效能感， 從而使其更多地探索環境、更少地使用GPS。而在女性中， 雖然這種間接效應仍然顯著， 但與男性不同的是， 成長心態與GPS使用和探索傾向之間的直接關系不再顯著。這表明女性對GPS的使用和環境探索傾向更多地受到空間自我效能感的影響， 而不是直接受到成長心態的影響。

方向感（sense of direction）是指對當前方向的感知和確定（許琴 等， 2010）， 研究中通常使用圣巴巴拉方向感量表（Santa Barbara Sense of Direction Scale）測量個體的方向感（Hegarty amp; Richardson， 2002）。方向感好的個體更可能將地標知識和路徑知識整合成全局知識（Wen et al.， 2011）， 繪制草圖的準確性更高（Dong et al.， 2021）。研究發現， 在獨立導航任務中， 方向感越好的被試任務完成時間

較短。然而， 當被試在輔助導航任務中使用地標導航而非逐向導航時， 即使方向感較差， 其任務完成時間也能與方向感較好的被試相似（Kuo et al.， 2023）。這表明地標導航在一定程度上能夠幫助方向感較弱的人提高尋路效率， 而逐向導航則無法提供這種幫助。

He和Hegarty （2020）還研究了空間焦慮的作用。模型擬合結果顯示， 空間焦慮較高的個體不太可能主動探索環境， 對GPS導航的依賴也更強， 從而導致導航能力（方向感）較差。相反， 對于方向感較佳的個體， 其空間焦慮水平較低， 對GPS的依賴程度較低， 并且更傾向于探索環境。Ruginski等人（2019） 探討了心理旋轉和視角采擇的影響。研究在控制了導航能力（方向感）后發現， 心理旋轉和視角采擇能力共同中介了GPS使用對被試環境學習（虛擬SILCton任務）的影響。這表明， 長期使用GPS會通過降低心理旋轉和視角采擇能力， 間接且負面地影響個體的環境學習能力。然而， 當心理旋轉和視角采擇共同預測GPS使用， 再進一步預測環境學習能力時， 模型擬合結果與前者一致。因此， GPS使用和個體導航能力之間的因果關系似乎難以確定。一種可能是， 導航是一種“用進廢退”的技能（McKinlay， 2016）， 放棄自主導航轉而尋求GPS導航的幫助可能會導致導航能力的退化。Ishikawa （2019）的模型顯示， 盡管心理旋轉能力正向預測尋路效率， 方向感負向預測指向錯誤， 但長期使用車載導航系統會在更大程度上影響個體的空間記憶， 其負面影響可能超過更好的方向感和更高的心理旋轉能力所帶來的益處。一項縱向研究顯示（Dahmani amp; Bohbot， 2020）， 低方向感與GPS使用時間增加之間的相關性并不顯著， 這表明經常使用GPS的個體可能并不是因為方向感較差而使用; 習慣于使用GPS導航的個體在完成獨立導航任務時， 會表現出較差的空間記憶。這可以作為進一步支持GPS使用與空間記憶較差之間因果關系的證據。然而， 由于樣本量僅為13， 這一結論需謹慎看待。盡管相比使用其他導航輔助， 使用GPS導航可能導致更差的空間記憶， 使個體在真實場景下完成獨立導航任務中時的導航表現更差（Sugimoto et al.， 2022）， 但大部分研究為橫向研究， 難以反映GPS長期使用對個體導航能力帶來的影響。

過度依賴導航系統可能會導致個體對環境“漠不關心”， 無法發展尋路和定位技能， 也無法在導航系統失效時獲得可能需要的空間知識（Parush et al.， 2007）。而游戲經驗可能有助于緩解GPS導航依賴帶來的負面影響。研究表明， GPS依賴性得分較高的被試在完成目標尋找任務（target finding task）時， 需要花費更多的時間和精力來觀察和記憶目標及其周圍環境。然而， 游戲時間對這一影響具有調節作用， 高頻游戲個體相比非高頻游戲個體受到的負面影響更小（Yan et al.， 2022）。Yavuz等人（2024）使用多元線性回歸模型分析了性別、GPS導航依賴和每周視頻游戲時間對被試完成海上英雄探險任務（sea hero quest task）的尋路距離的影響。結果顯示， GPS依賴與尋路距離無顯著相關， 這表明GPS依賴并不會導致更差的尋路表現。每周視頻游戲時間越長， 尋路距離越短， 而性別效應不顯著。然而， 當不考慮游戲時間時， 性別效應顯著， 即男性的導航表現更好。這表明視頻游戲經驗對導航表現的促進作用可能強于性別效應。這也表明GPS導航依賴并不總是與空間導航能力負相關。可能的原因是目標尋找任務反映了個體的心理旋轉能力， 而海上英雄探險任務則更側重于評估個體的空間導航技能。然而， 值得注意的是， 盡管Yavuz等人（2024）使用的任務更能有效反映個體的空間導航能力， 但其本質為電子游戲形式， 與真實的導航環境差異較大， 且會受到個體游戲經驗的影響。因此， 未來研究應使用環境更為真實的任務對GPS導航依賴的影響進行研究。

此外， 對環境的熟悉程度可能在方向感和GPS逐向導航使用之間起到調節作用。熟悉環境的人在草圖繪制任務中通常能繪制更多的地標（Zhu et al.， 2022）， 對環境結構的表征更加清晰。有研究結果顯示， 與高方向感的個體相比， 低方向感的個體更傾向于使用GPS進行逐向導航。然而， 隨著對環境的熟悉程度增加， GPS逐向導航的使用也在減少（Topete et al.， 2024）。

4.1.2 "逐向導航輔助對空間記憶影響的認知機制

由于需要查看指令信息及當前位置， 使用逐向導航時個體可能頻繁地從關注外界環境轉為關注移動設備， 這種注意的分散可能導致個體未能充分獲取環境信息; 逐向導航輔助幫助個體省去了費時費力的自我定位和路線規劃過程， 這導致個體無需付諸意志努力， 缺乏對周圍環境信息的處理; 逐向導航移動設備的交互界面所呈現的導航視角通常與個體當前的方位保持一致， 且分段逐次下達的指令可能導致個體獲取的環境信息不連續， 這使得個體更可能形成自我中心式的空間記憶， 不利于環境結構學習。以上四方面都使得逐向導航輔助不利于獲取空間知識， 長遠來看， 這可能會阻礙空間導航能力的發展。相比逐向導航輔助， 紙質地圖直接呈現了環境的整體結構， 個體需要主動付出認知努力從周圍環境獲取方位信息， 對周圍環境信息進行加工處理， 進而規劃路線， 這使個體更有可能獲取有關環境結構的知識。地標導航將有意義的地標信息提供給個體， 促進深層次的語義加工， 同時， 其指示語使得個體對環境中地標的有意注意增多， 將環境刺激信息輸入工作記憶進行加工處理， 從而形成穩固的空間記憶。除此之外， 環境易讀性也會影響空間記憶， 清晰的環境結構能促進認知地圖的形成。

4.2 "改進逐向導航的建議

天有不測風云， 人有旦夕禍福。空間知識可以用于重新定位、判斷距離和回憶地點， 當移動導航設備意外丟失或毀壞時， 如何依靠從環境獲得的空間知識脫離困境至關重要（Aslan et al.， 2006）。因此， 如何改進逐向導航以促進空間知識的獲取可以關注以下幾點建議。

對逐向導航指令的內容進行改進， 加入有意義的信息。例如， 可以加入顯著的地標信息。環境的獨特特征（即地標， 如餐館， 教堂等）對認知地圖的形成非常重要（Burnett amp; Lee， 2005）。當人們在一個新的環境中學習路線時， 會求助那些突出的地標（Miller amp; Carlson， 2011）， 研究表明地標可以有效地用于行人導航輔助設備（Goodman et al.， 2005）。Lanini-Maggi等人（2023）要求被試使用敘事指令和標準指令完成虛擬空間導航任務， 敘事指令如：“當你到達這家餐館時， 迎面撲來了美食的香氣， 讓你心情愉悅。突然間， 你發現朋友們已經在那里等候， 準備和你一起慶祝生日！用餐結束后， 其中一位朋友準備回家， 你決定一起。從餐館出發， 左轉直行， 一直走到朋友家為止！”標準指令如：“請到你面前的照相館拍照， 左轉去銀行。”結果表明基于敘事的導航指令能夠提高個體對地標順序的記憶。

根據測試效應和前向測試效應， 在導航過程中可以多次施加空間知識測試以鞏固個體的空間記憶。測試效應（testing effect）指學習某一內容時， 進行測試比額外學習能更好地提高后來對它的記憶保持水平， 即便在測試無反饋時也是如此（張錦坤 等， 2008）。在前向測試效應中， 參加測試可以增強對后續學習材料的記憶（Cho et al.， 2017）。研究表明大尺度環境中也同樣存在測試效應（Kelly et al.， 2015）和前向測試效應（馬小鳳 等， 2022）， 因此， 可以通過多次測試個體所獲得的空間知識促進路線學習。

設計旨在鍛煉空間導航能力的游戲模式。研究表明， 經驗豐富的視頻游戲玩家在虛擬導航任務中表現更佳， 特別是那些玩包含導航元素游戲的玩家（Murias et al.， 2016）。視頻游戲作為一種基于視聽設備的游戲形式， 它對感知、注意和記憶等認知加工過程的關鍵階段具有積極影響（石祝， 尚俊杰， 2024）。例如， 游戲俄羅斯方塊能夠提高個體的心理旋轉能力（Martin-Gutierrez et al.， 2009）。Lin等人（2014）開發了一款空間尋寶游戲， 發現該游戲能夠在短時間內有效增強個體的空間定向能力和空間記憶， 同時也有助于縮小女性與男性在空間定向能力方面的差距。有研究者設計了一個具有游戲化元素（如任務、統計數據和社交競爭）的移動應用程序， 個體需要主動對環境采取探索行為來發現地圖， 感受游戲帶來的快感， 進而強化其空間知識（Schade et al.， 2023）。鑒于此， 未來可以在導航軟件中加入促進空間導航能力的游戲模塊， 以減輕過度依賴GPS導航可能帶來的不利影響。

提供適應性服務， 以滿足個體的多樣化需求。適應性服務（Adaptable services）允許用戶更改服務的功能， 從而讓用戶保持控制權（Richter et al.， 2010）。導航系統應考慮個體的旅行目的——是優先導航效率還是優先探索環境（Kuo et al.， 2023）。高自動化水平的導航系統行為指系統自動執行認知過程， 而低自動化水平的導航系統行為則指系統將決策過程交給個體（Brügger et al.， 2019）。對于需要高導航效率的個體， 應提供高自動化導航系統， 例如提供逐向指令、短路線和跟蹤地圖模式（track-up map）。對于傾向探索環境的個體， 應提供低自動化導航系統， 例如提供突出地標信息的指令、多種路線和北上地圖模式（north-up map）， 從而促使個體與環境有更多交流， 獲取空間知識。此外， 不熟悉環境的個體偏好圖像地標符號， 而熟悉環境的個體偏好文本地標符號。研究者據此設計了顧及不同用戶熟悉度的行人導航地圖， 使用該地圖時， 地圖縮放次數顯著少于使用2D移動地圖（Zhu et al.， 2022）。因此， 對于初次或不熟悉環境的個體， 導航軟件可以提供具有顯著視覺特征的地標地圖， 從而降低環境適應的難度。同時， 為了滿足老年用戶的需求， 導航界面的設計除了應簡潔、大方外， 還應注重色彩的影響。研究指出， 與冷色調或暖色調的虛擬環境相比， 他們在中性色調的虛擬環境中的尋路時間更長， 轉彎錯誤更多， 路徑記憶也更差（Süzer amp; Olguntürk， 2018）。因此， 在設計適用于老年群體的導航模式時， 應優先考慮采用冷色調或暖色調的配色方案。

個體應當有培養自身獨立導航的意識， 避免過度依賴移動輔助設備。GPS系統雖然能讓我們的生活變得更輕松， 但它往往被用來自動執行原本完全由我們的大腦執行的功能（Clemenson et al.， 2021）。一個存在爭議但已被廣泛接受的共識是， 導航輔助設備使用的增加與導航技能（即認知技能）和社會互動的下降有關（Huston amp; Hamburger， 2023）， 長遠來看， 習慣于被動遵循導航會改變個體的空間意識， 使情況變得更糟（Ishikawa， 2021）。不過個體不需要避免使用逐向導航輔助設備， 而是應該謹慎行事， 避免盲目聽從指令（Kuo et al.， 2023）。

4.3 "未來研究方向

目前研究仍然存在不足， 未來可以關注以下幾個方面。

改進大尺度環境下空間知識的測量方法。部分研究者僅探討了空間記憶的某一方面（Kelly et al.， 2022）， 然而， 大尺度環境下個體的空間記憶包含多個層次（地標知識， 路徑知識， 全局知識）。即便大部分研究者對這3種空間知識都進行了測量， 但測量方法往往不盡相同， 存在很大的差異。例如， 對于路徑知識的測量， 采用地標排序任務（Lanini-Maggi et al.， 2023）、路線回溯任務（Sugimoto et al.， 2022）或場景再認與方向判斷任務（Qiu et al.， 2023）等; 對于全局知識的測量， 使用指向任務（Ben-Elia， 2021）、距離估計任務（Ruginski et al.， 2019）、空白地圖任務（Hejtmánek et al.， 2018）或地圖繪制任務（Ahmadpoor amp; Smith， 2020; Dong et al.， 2021）等。這些方法雖然都能測量路徑記憶或全局知識， 但無疑難以反映其全貌， 不同的測量方法產生的測量誤差也不同。因此， 如何建立一個有效且能全面測量個體空間知識的范式至關重要。未來研究應當盡量使用統一的測量方法， 或者采用多種不同的方法對同一種空間知識進行測量。

探究逐向導航輔助削弱空間記憶的神經機制。盡管大多行為實驗表明逐向導航不利于空間知識的獲取， 但其神經生理學證據仍然有限。海馬體后部可能與個體對環境的空間表征有關（Maguire et al.， 2000）。研究發現， 隨著出租車司機導航經驗的增加， 海馬右側后部灰質體積增加， 而前部灰質體積減少（Maguire et al.， 2006）。一項由Woollett和Maguire （2011）進行的縱向研究表明， 在成功獲得出租車駕駛資格證的被試中， 其后部海馬區的灰質體積在4年內顯著增加， 而對照組未出現類似的大腦結構變化。這表明日常導航經驗會導致大腦結構發生變化， 但關于日常逐向導航經驗是否同樣會導致海馬體體積變化的問題， 目前仍有待探究。Fajnerová等人（2018）要求實驗組被試連續3個月佩戴裝有OsmAnd應用程序（具有GPS逐向導航功能）的AR眼鏡進行日常導航， 而對照組在導航過程中則不使用任何GPS設備。盡管兩組在虛擬導航任務上的表現相似， 但實驗組在右側海馬區的功能連接出現了顯著減少， 而對照組的右側海馬功能連接則有所增強。綜上所述， 未來研究應進一步探討日常GPS逐向導航使用對海馬的影響， 以更全面地了解逐向導航對大腦功能和行為的潛在影響。

關注個體因素的影響以建立一個更全面的解釋機制， 如性別、方向感、空間焦慮水平和視角采擇能力等。研究表明， 空間記憶存在性別差異（Chen et al.， 2020）， 方向感好的個體更可能將地標知識和路徑知識整合形成全局知識（Wen et al.， 2011）。目前許多研究并未測量個體的方向感（Ben-Elia， 2021; Cheng et al.， 2023; Hejtmánek et al.， 2018; Lanini-Maggi et al.， 2023; Yount et al.， 2022）， 部分研究將個體的方向感作為額外變量進行控制（Lakehal et al.， 2023; Qiu et al.， 2023）， 也有研究將方向感或空間焦慮與導航輔助一同視作實驗因子（Dong et al.， 2021; He amp; Hegarty， 2020; Ishikawa， 2019; Kuo et al.， 2023）， 但僅有少數研究同時考慮了多種個體因素。例如， 研究發現在控制個體現有的導航能力（即方向感）后， 逐向導航的使用對心理旋轉和視角采擇能力仍然存在消極影響（Ruginski et al.， 2019）。因此， 未來研究應將個體因素考慮在內， 以擴大研究結果的適用范圍。

新的導航系統應盡可能在尋路效率和空間知識獲取方面都達到較高水平。在導航效率與環境結構的學習之間似乎存在某種程度的折衷：紙質地圖以鳥瞰圖顯示尋路信息， 與穩定的外部參考框架相關， 有利于結構學習， 但這種優勢以犧牲準確的尋路為代價來促進全局知識的獲取（Münzer et al.， 2012）， 其尋路效率通常不如移動地圖（Hergan amp; Umek， 2017）。使用逐向導航使個體可以通過最佳（例如， 最快、最簡單、最容易、最安全）的方式到達目的地（Schwering et al.， 2017）， 尋路效率較高， 但不利于獲取空間知識。地標導航也是如此， 其尋路效率通常略遜色于逐向導航， 但有助于個體獲取空間知識。因此， 如何設計一個導航效率高， 又能促進空間記憶形成的導航系統是目前有待解決的難題。

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The effect of turn-by-turn navigation on spatial memory in large-scale environments and ways to improve it

ZHANG Yanxia， LI Jing

（School of Psychology， Nanjing Normal University， Nanjing 210097， China）

Abstract： With the rapid development of science and technology， human behavior has become increasingly automated， and turn-by-turn navigation allows people to reach their destinations quickly by following the correct routes. However， such an efficient way of finding one's way can lead to a weakening of spatial memory. Numerous studies have shown that turn-by-turn navigation is detrimental to the acquisition of spatial knowledge， and researchers have begun to improve turn-by-turn navigation or design new navigation systems. Based on this， we propose a model of the effect of turn-by-turn navigation aids on spatial memory and make relevant suggestions for improving turn-by-turn navigation. Future research should improve the measurement of spatial knowledge in large-scale environments， investigate the neural mechanisms by which turn-by-turn navigation aids impair spatial memory， focus on the influence of individual factors to construct a more comprehensive explanatory mechanism， and develop new navigation systems that combine wayfinding efficiency and spatial knowledge acquisition.

Keywords： turn-by-turn navigation， navigation aids， spatial memory