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空间参照体系和角色选择对心理旋转的影响 王鹏 摘要：视觉空间能力是人类智能结构中的重要组成部分，对视觉空间认知加 工能力及其性质的研究不仅对理解人类空间认知行为方面有重要的理论意义，而 且有着十分重要的应用价值。本研究主要探讨空间参照体系和角色选择对心理旋 转的影响。通过对旋转轴和角色的控制，比较客体旋转和视者旋转以及第一人称 角色和第三人称角色下心理旋转，试图揭示心理旋转的视者优势效应( 即想象视 者旋转易于想象客体旋转) 和角色效应( 即第三人称角色下的心理旋转易于第一 人称角色下的心理旋转) 。 本研究由两部分组成，共分为五个实验： l 、实验一通过对水平面、冠状面和矢状面内的视者旋转和客体旋转的比较， 验证视者优势效应； 2 、实验二研究以z 轴为旋转轴、且z 轴与重力方向一致时的冠状面内的视者 旋转和客体旋转： 3 、实验三研究以x 轴为旋转轴、且x 轴与重力方向一致时的矢状面内的视者 旋转和客体旋转。 4 、实验四研究以y 轴为旋转轴、且y 轴与重力方向不一致时的水平面内的视 者旋转和客体旋转。 5 、实验五对水平面内的第一人称角色心理旋转和第三人称角色心理旋转进行 对比性研究。 综合实验结果及有关讨论，本研究支持以下结论： i 、水平面内的心理旋转存在视者优势效应，但冠状面和矢状面内的心理旋转 不存在视者优势效应。重力与旋转轴方向一致不是产生视者优势效应的必要条件。 视者优势效应仅存在于水平面内。之所以在水平面内存在视者优势效应，研究者 认为是我们日常实际旋转经验积累的结果。想象自我旋转是以旋转后的自我参照 体系对周围客体进行重新定位的；想象客体旋转是以旋转后的客体参照体系来重 新定位视者自己与客体间的位置关系的。 2 、第三人称角色条件下的心理旋转易于第一人称角色条件下的心理旋转。在 第一人称角色下的心理旋转中，被试要对系列客体和当前自己的位置关系表象进 行重新建构：在第三人称角色下的心理旋转中，被试在心理旋转过程中并没有重 新建构自己与系列客体的实际位置关系，而只是对所面对的系列客体和客体中的 “自己”的位置关系表象进行重新建构。 关键词：心理旋转空间参照体系角色 i i t h ei n f l u e n c e so f s p a t i a lr e f e r e n c e f l a m e sa n dt h ec h o i c e o fc h a r a c t e r so nm e n t a lr o t a t i o n w a n gp e n g a b s t r a c t ：v i s u o s p a f i a la b i l i t yi st h ep a r ta n dp a r c e lo f i n t e l l i g e n ts t r u c t u r e p r o b i n g i n t o s p a t i a la b i l i t ya n dc h a r a c t e ro fv i s u o s p a t i a li n f o r m a t i o np r o c e s s e si sn o to n l yt o p l a ya ni m p o r t a n tp a r ti nu n d e r s t a n d i n gh u m a n b e h a v i o r s 谢t hs p a t i a lc o g n i t i o n b u tt o b eo fg r e a tv a l u eo fa p p l i c a t i o n t h i s s t u d yf o c u s e d o nt h ei n f l u e n c e so fs p a t i a l r e f e r e n c ef r a l n e sa n dt h ec h o i c eo fc h a r a c t e r so nm e n t a lr o t a t i o n o u re x p e r i m e n t s c o n t r o l l e dt h ea x i sr o t a t e da n dc h a r a c t e r , c o m p a r e di m a g i n e do b j e c t sr o t a t i o nw i t h i m a g i n e dv i e w e rr o t a t i o n ，a n dc o m p a r e df i r s t - p e m o nm e n t a lr o t a t i o na n dt h i r d - p e r s o n m e n t a l r o t a t i o n ，a i m i n g a t f i n d i n g t h e a d v a n t a g e o fi m a g i n e ds e l f - r o t a t i o na n d t h i r d p e r s o na d v a n t a g eo f m e n t a l r o t a t i o n o u r e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sc o m p o s e d o f t w o p a r t si n c l u d i n gf i v ee x p e r i m e n t s ： 1 e x p e r i m e n t1 w a sc o n d u c t e d ，c o m p a r i n gv i e w e ra n da r r a yp e r f o r m a n c ei nt h e t r a n s v e r s e ，c o r o n a l ，a n dm e d i a ns a g i t t a lp l a n e s ，i n t e n d i n gt or e v e a lt h ea d v a n t a g eo f i m a g e d s e l f - r o t a t i o n 2 e x p e r i m e n t2w a sc o n d u c t e d ，c o m p a r i n gv i e w e ra n da r r a yp e r f o r m a n c ei nt h e c o r o n a lp l a n ew h i l et h ed i r e c t i o no f z a x i sw a si d e n t i c a lw i t l lt h a to f g r a v i t y 3 e x p e r i m e n t3w a sc o n d u c t e d ，c o m p a r i n gv i e w e ra n da r r a yp e r f o r m a n c ei nt h e m e d i a n s a g i t t a lp l a n ew h i l e t h ed i r e c t i o no f x a x i sw a si d e n t i c a l 、i mt h a to f g r a v i t y 4 e x p e r i m e n t4w a sc o n d u c t e d ，c o m p a r i n gv i e w e ra n da r r a yp e r f o r m a n c ei nt h e t r a n s v e r s ep l a n ew h i l et h ed i r e c t i o no f y - a x i sw a sd i f f e r e n tf r o mt h a to f g r a v i t y 5 e x p e r i m e n t 5w a s c o n d u c t e d ，c o m p a r i n gf i r s t p e r s o n a n d t h i r d p e r s o n p e r f o r m a n c e i nt h et r a n s v e r s ep l a n e t h er e s u l t so f d a t aa n a l y s i ss u p p o r t e dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 1 t h e p r e s e n te x p e r i m e n t s r e v e a l e dt h a tt h e mi st h ea d v a n t a g eo fi m a g i n e d s e l f - r o t a t i o n st h a tt h ev i e w e rt a s ki se a s i e rt h a nt h ea r r a yt a s ki nt h et r a n s v e r s ep l a n e ，b u t w h i c hd o e s n tr e m a i ni nt h ec o r o n a la n dm e d i a ns a g i t t a lp l a n e i ti s n tt h en e c e s s a r yf o r t h ev i e w e ra d v a n t a g et h a tt h ed i r e c t i o no f a x i sr o t a t e ds h o u l db ei d e n t i c a lw i t ht h a to f g r a v i t y t h ea d v a n t a g e s o fi m a g i n e ds e l f - r o t a t i o n sa r es p e c i f i ct om e n t a lr o t a t i o n s p e r f o r m e di nt h et r a n s v e r s ep l a n e t h ee x p e r i e n c ew i t hp e r f o r m i n ga c t u a lr o t a t i o n si n t h eh o r i z o n t a lp l a n em a yc a u s ep e o p l et ob e c o m em o r ee f f i c i e n ta ti m a g i n i n gr o t a t i o n s i i i i nt h i sp l a n e i m a g i n e ds e l f - r o t a t i o nl o c a t e st h ei t e m si nt h ea r r a ya c c o r d i n gt ov i e w e r s s p a t i a lr e f e r e n c ef r a m er o t a t e dw h i l ei m a g i n e da r r a yr o t a t i o nl o c a t e sv i e w e ra n dt h e i t e m si nt h ea r r a ya c c o r d i n gt ot h ea r r a y sr e f e r e n c ef r a m er o t a t e d 2 i ti se a s i e rf o ro b s e r v e r st o s p a t i a l l yu p d a t ed i s p l a y sd u r i n gi m a g i n e d s e l f - r o t a t i o nf r o mt h i r d - p e r s o np e r s p e c t i v ev e r s u sf r o mf r s t p e r s o np e r s p e c t i v e f o rt h e m e n t a lr o t a t i o nf r o mf i r s t p e r s o np e r s p e c t i v e ，s u b j e c t sh a st or e s t r u c t u r et h ep o s “i o n so f t h e i ro w na n dt h ea r r a y ；f o rt h em e n t a lr o t a t i o nf r o mm i r d - p e r s o np e r s p e c t i v e s u b j e c t s o n l yr e s t r u c t u r et h ep o s i t i o n so f “t h e i ra v a t a r a n dt h ea r r a yw h i c ht h e y a r ef a c i n gf r o m f i r s t - p e r s o np e r s p e c t i v e k e y w o r d s ：m e n t a lr o t a t i o n s p a t i a lr e f e r e n c e f r a n l ec h a r a c t e r 引言 同言语认知一样，空间认知也是人类智能结构的重要组成部分。而在现代科 技领域中，物理学上相对论的创立和遗传学上d n a 双螺旋结构的发现均是同人类 空间认知的表征转换紧密联系在一起的。因此，对于视觉空间认知加工能力及其 性质的研究不仅在理解人类空间认知行为方面具有重要的理论意义，而且还具有 着十分重要的应用价值。人们对空间认知领域的研究主要涉及：心理旋转、心理 扫描、心理模拟( 或称心理练习) 、心理折纸、问题解决、年龄效应、个体差异， 可塑性以及空间认知的神经机制等几个领域。当前研究者主要是对空间参照体系 和角色选择对心理旋转的影响进行研究。研究者对旋转轴和角色加以控制，比较 客体旋转和视者旋转以及第一人称角色和第三人称角色下心理旋转，试图揭示心 理旋转的视者优势效应( 即想象视者旋转易于想象客体旋转) 和角色效应( 即第 三人称角色下的心理旋转易于第一人称角色下的心理旋转) 及其相关特性。 本研究可以帮助我们了解心理旋转过程中信息加工的某些特性为进一步的 揭示心理旋转的信息加工机制奠定基础。 第一部分：课题综述 一、心理旋转研究概况 ( 一) 心理旋转研究的历史背景 当我们布置房间时，一般在动手之前总要想象一下家具从原有位置移至新的 位置的效果；当我们查阅地图时，总会想象自己在地图上如何从当前位置尽快达 到目的地：当玩魔方时，会想象如何旋转才能把每一个面对齐。以上的行为都涉 及到在想象中对客体或身体的旋转，即发生了心理旋转( m e n t a lr o t a t i o n ) 。 心理旋转是一种想象自己或客体旋转的能力，认知心理学家把它看作是一种通 过实验研究可获得的空间认知形式。因为心理旋转与实际物理旋转相类似，所以 心理旋转被认为是表象转换的典例，是“模拟”认知过程的最好例子。心理旋转 是以内部表征的产生为前提的，涉及比表象产生更为复杂的认知过程 ( r i c h a r d s o n ，1 9 6 9 ) 。具体讲，心理旋转能力涉及到表象的产生、保持和对表象 的心理转换等能力。心理旋转与心理折纸( p a p e r f o l d i n g ) 和心理变位( m e n t a l t r a n s p o s i t i o n ) 一起同属空间转换范畴。 早在二十世纪三十年代，心理测量学家就已视心理旋转为空间能力的重要组 成部分，并把心理旋转作为衡量空间能力的重要指标之一。例如，t h u r s t o n e 的 空问测验和g u i l f o r d 等人的智力测验。事实上许多关于心理旋转的研究除用以检 验空间能力外，还通过因素分析用以说明空间能力独立于或至少部分独立于言语 能力。p i a g e t 和l h e l d e r 在他们对儿童智力发展的研究中，就使用了心理旋转任 务( 1 9 5 6 ，1 9 7 1 ) 。他们让被试从不同的视角( d i f f e r e n tp e r s p e c t i v e s ) 想象某 一景象或者想象一个倾斜棒。他们认为儿童只有到了7 - 8 岁时才有能力进行心理 旋转。当然7 - 8 岁阶段正是所谓的具体运算阶段。因为在这个阶段儿童已具备了 很好的言语能力，所以他们认为心理旋转能力独立于言语能力。 1 9 7 1 年，s h e p a r d 和其同事首先开始运用认知心理学的方法( 反应时和正确 率) 对心理旋转的本质进行研究。这项研究所应用的方法和取得的结果对后来的 表象研究产生了巨大的影响。s h e p a r d 等人用速示器向被试呈现成对的3 d 图形( 见 图1 ) 。被试的任务是判定这两个图形是否相同。所有的图形是由计算机制作的， 每个图形都是由1 0 个小方块连接起来组成的手柄形，有3 个直角弯头，看起来是 立体的。这些图形的成对应用有2 种情况：第一种情况是两个图形相同而方位不 同，其中一个相对于另一个转动了一定角度，如果将其中一个图形转回相应的角 度，那么这两个图形就可以重合，被试对这一对图形判定相同才是正确反应；第 二种情况是两个不相同的图形，它们是镜像对称的，其区别如同左右手一样。这 两个图形看起来相似，但无论怎样转动也是不能重合的，对它们的正确判定是“不 同”。镜像的目的是为了阻止被试利用刺激的特殊性而不是运用心理旋转来完成判 断任务。这个实验的结果显示，当两个图形问存在方位差时，平均反应时和方位 差有着线性关系，反映时是随着方位差度数的增加以固定速率增加。s h e p a r d 及 其同事认为被试在完成任务过程中，是把其中的一个图形旋转至另一图形的位置 对二者加以匹配的，即发生了心理旋转。反应时与方位差之问的线性关系表明一心 理旋转过程是一个持续的过程，这个过程与身体实际旋转过程相类似。他们还发 现深度旋转和平面旋转的反应时和正确率与旋转角度之间均都呈现出了上述线性 关系。 1 9 7 3 年，c o o p e r 和s h e p a r d 用不同倾斜角度的正的和反的字母、数字，对心 理旋转作了进一步的研究。实验中所用的每个字符及其镜像又各有6 个不同的方 位，即从垂直的正位起，在2 d 平面上作了不同角度的旋转，两个相邻的方位相差 6 0 。这样，每个字符就有6 个正的和6 个反的样本。每个字符的实验是分别进 行的。图2 是所用的其中的一种字母，左侧是6 个正的字母r ，右侧是相应的反的 字母r ( 即镜像) 。他们用速示器将某个字符的菜一样本呈现给被试，被试的任务 每次都是判定该字符是正的还是反的，而不管其具体的方位如何，按键做出反应， 记录反应时。每个字符的1 2 个样本各呈现一次，其顺序是随机的。要求被试尽快 2 做出反应，而不犯错误。如果被试做出错误反应，则该次实验以后予以重复，直至 取得正确反应。在正式实验前，给被试以训练。当样本为垂直的正位时，即旋转的 角度为0 。或3 6 0 。时不管是正常的还是镜像的，判定所需时间较少：而当样本作 了不同角度的旋转时，反应时随之增加，当样本旋转了1 8 0 。时，反应时最长，随 着样本的旋转度数的进一步增大，反应时反而逐渐减少。当样本旋转的角度小于 1 8 0 。时，表象旋转是沿逆时针方向的：而当样本旋转的角度大于1 8 0 。时，表象 旋转则是沿顺时钊方向的。根据以上结果，s h e p a r d 等人将心理旋转看成是一种 类比过程。所谓的类比是说心理旋转也要经过一些中问阶段，与客体的物理旋转 足类似的。它与数值计算或符号操纵是不同的。如果让计算机来计算旋转的角度， 捌f 么计算所有的各种旋转角度所需的时间将是一样的。依据心理旋转研究和其他 有关研究的结果，他们认为表象的实质就在于它是一种表征，表象与外部客体有 着同构关系，但是表象并不是直接地从结构上来表征外部客体，它与外部客体在 结构上并没有一对一的联系。s h e p a r d 所说的表象与外部客体的同构是指内部表征 的机能联系与外部客体的结构是相似的，即如心理旋转与客体的物理旋转。1 9 9 8 年w o h l s c h i a e g e r 等人对心理旋转与动力旋转之问关系的研究为心理旋转与动力 旋转问的相似性提供了进一步的证据。他们用了一种干涉的方法：主试让被试心 理旋转的同时对客体进行实际旋转。当两类旋转的轨迹小同时，心理旋转能力受 损。 s h e p a r d 等人关于心理旋转的研究着眼于表象的表征加工，开辟了表象研究的 新方向。但他们的研究仅涉及视觉表象。后来m a r m o r 、z a b a c k c a r p e n t e r 和 e i s e n b e r g 都曾在盲人身上进行了触觉道的心理旋转研究( 1 9 7 6 ，1 9 7 8 ) 。他们发现， 盲人在类似上述s h e p a r d 的实验中，完成触觉道作业所需的时问也同样随刺激样 本方位偏离正位的度数增加而增加。这说明触觉道的表象也是可以旋转的。心理 旋转不局限于视觉表象，也不依赖视觉表象的特殊功能，它可作用于没有任何视 觉成分的空间表征。心理旋转的研究是当前表象研究的重要组成部分。它有力地 促进了表象作为独立心理过程地位的确立。 ( 二) 心理旋转的神经生理机制研究 认知神经科学家一般是以正常人、脑损伤患者、灵长类动物或小白鼠等为对 象来探讨心理旋转的神经生理机制，并在研究过程中运用了多种神经一表象技术， 如功能磁共振成像术( f m r i ：f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 、脑电 技术( e e g ：e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h ) 和正电子发射层析照相术( p e t ：p o s i t r o n e m i s s i o nt o m o g r a p h y ) 等。心当前的研究结果表明顶叶、枕叶和额叶涉及到心理 旋转活动。c o h e n 等人于1 9 9 6 年报告了心理旋转的f m r i 研究，他们使用的刺激是 s h e p a r d 和m e t z l e r 所用的3 d 图形，让刺激相继呈现，要被试判断先后呈现刺激 是一致的还是镜像的。他们发现超顶叶( s u p e r i o rp a r i e t a ll o b e s ) ，第v 5 区( t h e v 5c o m p l e s ) ，背侧( d o r s o l a t e r a l ) 前额叶皮层和运动前区与心理旋转活动具 有相关性，其中顶叶和v 5 区对心理旋转起最重要作用。1 9 9 7 年a 1i v i s a t o s 和 p e t r i d e s 的p e t 结果表明对字母的心理旋转涉及大脑左半球的顶叶活动，同时也 伴有右前额叶和右尾状核的活动。对灵长类动物的研究也显示顶叶尤其是右后顶 叶，在完成视觉空间转换上起到了重要的作用。 此外，有关左右手判断的心理旋转研究还发现心理旋转涉及到了大脑皮层动力 区域的活动，包括主运动区、前运动区、附运动区，基底神经节和小脑的活动。 当前人们对心理旋转的优势半球问题持有不同的看法，总结起来有如下两种 对立观点： 1 、右脑半球是心理旋转的优势半球。 持这种观点的人认为既然表象转换的认知属性完全区别于言语机制，而且空 间能力常被认为是言语能力的补充物，那么心理旋转的右脑优势半球观点就应该 是合理的( c o r b a l l i s ，1 9 9 7 ) 。 1 9 7 9 年r a t c l i f f 检测了脑后部皮层损伤( p o s t e r i o rc e r e b r a ll e s i o n s ) 患 者的心理旋转能力。他们向被试呈现正立和倒立的图形，让他们判断是左手还是 4 右手。当给这些患者呈现的是正立的手刺激时，两类被试的心理旋转成绩无差异。 但是当呈现的刺激是倒立的手时，左脑损伤患者的测验成绩优于右脑损伤患者的 测验成绩。p a p a n i c o l a n o u 等人曾记录了正常被试在完成类似于s h e p a r d 的3 d 心 理旋转任务时的脑电位变化和局部皮层血流量( r e g i o n a lc e r e b r a lb l o o df l o w ) ， 他们发现左右脑半球活动的不对称性，大脑两半球的主要区别位于额叶和顶叶处 ( 右顶叶的脑电位强于左顶叶的脑电位) ( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) 。2 0 0 0 年i r i n a m h a r r i s 等人对2 d 字母心理旋转的p e t 研究也显示出了右后顶叶在心理旋转过程中的重要 作用。 1 9 7 5 年c o h e n 研究了正常右利手者( r i g h t h a n d e ds u b j e c t s ) 的心理旋转能 力。他分别向右利手者的左侧视野( 1 e f t h e m i f i e l d ) 和右侧视野 ( r i g h t h e m i f i e l d ) 呈现2 d 字符刺激，结果显示被试对呈现左侧视野刺激的反应 时快于呈现右侧视野刺激的反应时。由此c o h e n 认为心理旋转是由右脑半球( r i g h t h e m i s p h e r e ) 完成的。当刺激呈现于被试的右侧视野时，刺激映象于左脑半球( 1 e f t h e m i s p h e r e ) ，信息不得不通过胼胝体转换至右脑半球来进行心理旋转，所以对这 类刺激的心理旋转的反应时就长。 除以人为对象的研究支持了心理旋转的右脑半球优势外，一些对灵长类等动 物空间能力的研究结果也显示出右脑是空间信息加工半球，而右后顶叶在完成视 觉空间转换上起到了重要的作用。例如，当老鼠的右脑处于抑制状态时，其视觉 辨别能力受损：但当其左脑处于抑制状态时，视觉辨别能力却无太大变化。1 9 9 2 年，r o g e r s 等人给雄鼠注射了一种阻止蛋白质综合的药物后，右脑被注射药物的 雄鼠走迷宫的能力低于左脑被注射药物雄鼠的能力。 2 、否认右脑是心理旋转的优势半球。 另外一些研究否认了心理旋转的右脑优势半球观点。例如m e h t a 和他的同事 对脑损伤患者的研究结论是：和正常人的心理旋转能力相比，左脑半球损伤患者 的心理旋转能力受损，但是右脑半球损伤患者的心理旋转能力却没有受到脑损伤 的影响。此外，一些研究并没有发现心理旋转的左侧视野优势( c o h e n p o t i c h ，1 9 8 9 ：j o n e s a n u s e ，1 9 8 2 ：u e c k e r o b r z u t ，1 9 9 3 ：v a ns t r i e n 8 0 u m a 1 9 9 0 ) ，而且还有一些研究得出了相反的结论，即心理旋转的右侧视野优势 ( f i s c h e r p e l l e g r i n o ，1 9 8 8 ) 。这说明左脑是心理旋转的优势半球，而不是右 脑半球。1 9 8 9 年c o r b a l l i s 等人对前脑完全割裂的被试的研究也证明t , b 理旋转 的这种半球视野差异性，他们发现被试不能完成对呈现于他们左侧视野内的2 d 正 像一镜像图形的心理旋转任务，但是当刺激呈现于右侧视野时，被试很容易的就完 成了心理旋转任务。1 9 9 0 年v o y e r 和b r y d e n 的研究还得出了低空问能力被试心 理旋转的优势半球视野是左侧半球视野，而高空间能力被试心理旋转的优势半球 视野是其右侧半球视野的结论。另外一些研究表明尽管在预测时心理旋转体现出 了右脑半球优势，但是被试经过练习后右脑半球的这种优势消失甚至发生了反转 ( b e v e r c h i a r e l l o ，1 9 7 4 ：h a n n a y ，d e e ，b u r n s ，m a s e k ，1 9 8 1 ：k a l l m a n c o r b a l l i s 1 9 7 5 ) 。 一些对动物的研究也驳斥了右脑半球是心理旋转的优势半球的观点。1 9 9 3 年 v a u c l a i r 等人研究证明左脑半球是狒狒的心理旋转的优势半球。他们把刺激分别 呈现于狒狒两侧视野内，结果显示两种呈现方式下的心理旋转的正确率都很高； 但是对呈现于右侧半球视野内刺激物的反应时与旋转度显示出了典型的线性关 系，最长的反应时在旋转度为1 8 0 。时，据此他们认为左脑半球是心理旋转的优势 半球。 实际上，有些因素影响到了人们对心理旋转优势半球问题的判断。第一个因 素是判定的标准。以c o r b a l l i s 等人的研究为例，1 9 8 5 年c o r b a l l i s 等人在对1 卜1 3 岁的正常青少年的心理旋转能力研究中发现了右侧视野半球的优势效应，同时也 发现有阅读障碍的同年龄青少年心理旋转的左右视野半球的无差异性。而在1 9 8 4 年，c o r b a l l i s 等人用同样的方法研究成年人对字符的心理旋转能力得出的却是左 侧视野优势。同时还发现刺激物是具有与字符相似的外形和复杂性的非言语图形 时，没有显示出任何优势效应。在1 9 8 9 年，c o r b a l l i s 等人的研究又发现顺时针 旋转时显示的是左侧半球视野优势；逆时针旋转时显示的是右侧半球视野优势。 之所以他们得出了这么多不同的结果，原因在于他们所使用的用以判定左右半球 视野在心理旋转中地位的标准是心理旋转的总反应时，并不是心理旋转的速度。 我们假定心理旋转是右脑半球优势的观点是正确的，也就是说心理旋转中存在的 是左侧视野半球优势，但是如果在心理旋转任务中还包含了诸如识别等任务时， 研究结果就有可能显出相反的结论，即左脑半球优势。心理旋转的总反应时是不 能用来评定心理旋转的半球优势问题的。当前在用心理旋转速度来判定心理旋转 优势半球这一问题上还没有得出一致性的结论。 另一个影响心理旋转优势半球判断的因素是心理旋转研究中所使用的刺激材 料。在心理旋转过程中，不同的心理旋转对象涉及不同的左右脑半球的活动。 k o s s l y n ( 1 9 9 8 ) 等人发现在心理旋转3 d 客体时，顶叶活动具有对称性：但是在 对手的心理旋转过程中，存在的是不对称性的左脑半球活动优势现象。他们认为 对手的心理旋转过程涉及到了运动皮层区域，但是对其它客体的旋转并不涉及这 一区域。顶叶在心理旋转中起到了重要的作用。a l v i s a t o s p e t r i d e s 于1 9 9 7 年 指出在心理旋转字符时左顶叶区域活动显著。2 0 0 0 年，h a r r i s 等人让被试完成与 6 h l v i s a t o s & p e t r i d e s 一样的任务时却发现被试的右后顶叶皮层区域的活动( r i g h t p a r i e t al o b ea c t i v a t i o n ) 显著。其实很多实验也支持了右脑半球( p o s t e r i o r r i g h th e m i s p h e r e ) 参与心理旋转活动这一观点( b r i c o l o ，s h a l li c e ，p r i f t i s ， m e n e g h e ll o ，2 0 0 0 ：d i t u n n o m a n n ，1 9 9 0 ，f a r a h h a m m o n d ，1 9 8 8 ：r a t c li f f ， 1 9 7 9 ) 。2 0 0 3 年b a r b a r at o m a s i n o 等人研究了脑损伤患者的心理旋转能力，左脑 损伤患者能够完成对外部客体的心理旋转，但是在左右手一致性判断任务中却显 示出了能力上的不足。右脑损伤患者左右手一致性判断的心理旋转成绩和正常人 的成绩相当，但是他们却难于完成对外部客体的心理旋转。他们得出这样的结论： 不同刺激对象的心理旋转涉及不同大脑半球的活动，对外部客体的旋转涉及右脑 半球的活动，对身体部位( 如手或脚) 的心理旋转涉及左脑半球的活动。 还有一些研究认为当要把一种图形心理旋转至另一图形的位置时，更为有效 的方式是大脑两半球共同参与完成任务。右脑半球保持参照图形，左脑半球对另 一图形加以旋转( c o o k ，1 9 9 4 ) 。1 9 9 0 年r y a n 的研究也支持了心理旋转的右脑优 势这一假设，即心理旋转过程中主要是右脑半球发挥作用，但是他还认为左脑半 球也能够完成心理旋转任务。而且对割裂脑被试的研究表明这类被试的左脑半球 已发展了心理旋转的能力。 至此，一些心理学家得出这样一种结论：支持心理旋转的右脑优势半球这一 观点，但是右脑半球的这种优势并不是绝对的。确切地说左右脑两半球均可以完 成心理旋转任务，只是右脑半球在心理旋转中的作用更为有效，但是这种优势程 度达不到我们所认为的左脑半球为言语优势半球的程度。对心理旋转的神经机制 问题有待于进一步的研究。 ( 三) 心理旋转的个体差异问题研究 对儿童心理旋转的研究主要集中在心理旋转能力的发展过程和个体差异性问 题上。p i a g e t i n h e l d e r 曾测量了儿童的心理旋转能力，他们研究的对象是处于 前运算阶段和具体运算阶段的儿童，他们认为儿童到了7 、8 岁时才能完成心理旋 转任务。由于在这个时期已具有了良好的言语能力，所以他们认为动力表象能力 与空间能力相联系，与言语能力不相关( 1 9 5 6 ，1 9 7 1 ) 。2 0 0 0 年，d a v i d 等人的研 究也支持了这一观点。也有研究表明，个体的心理旋转能力大约是在l o 岁以后才 开始发展的。在我国，侯公林等人通过对幼儿2 d 心理旋转能力的研究发现，幼儿 在4 5 岁时已经开始发展了2 d 心理旋转能力。林仲贤等人的研究结果支持了 p i a g e t 的观点，他们认为7 8 岁的儿童已经具备了心理旋转能力，但是其操作水 平却不高，属于初级阶段，在哪个年龄阶段人类心理旋转能力发展得最充分，还 有待于进一步深入研究。此外，林仲贤等人的研究结果还表明，不同年龄段的被 试心理旋转能力是不同的。在准确性方面，儿童组与老年组基本上无显著性差异； 但在完成任务的速度上，儿童组明显优于老年组。这表明在人的一生中，这种心 理旋转能力是随年龄变化的，到老年期这种能力便出现明显下降趋势，尤其是在 反应速度方面，这可能与神经过程的灵活性下降有关。游旭群对心理旋转的年龄 因素的研究结果表明，青年组( 2 1 3 l 岁) 无论在反应速度还是在反应的准确性上 均显著地优于老年组( 5 7 6 2 岁) ，并且随着旋转角度的增大，老年组要比青年组 的反应时有较大幅度的增加，在准确性方面也有较大差异。 遗传因素和家庭教育因素在心理旋转能力的个体差异性上起着很重要的作 用。具有高空间能力基因特征的女性或男性比没有这一基因特征的女性或男性的 心理旋转能力要高。基因倾向性在一定程度上影响到了一个人的兴趣倾向和选择。 具有高空间能力基因特征的父母在把其这一基因特征遗传给其子女的同时，还会 为其子女提供一种体现他们基因倾向性的教育方式。他们会给子女提供更多的训 练空间能力的机会，如买一些涉及空间能力的玩具。这样家庭的孩子在参与空间 活动上得到了更多的鼓励。 在心理旋转的个体差异性上，性别差异问题一直受到众多心理学家的关注。 当前尽管对心理旋转的性别差异问题有很多不同的主张，但是大量证据支持了男 性心理旋转能力优于女性心理旋转能力( 如，l i n n p e t e r s e n ，1 9 8 5 ：v o y e r ， b r y d e n ，1 9 9 5 ) 的观点。一些心理旋转的神经生理机制的研究发现心理旋转过程 中，两性右脑半球皮层活动存在显著性差异。空间能力上的性别差异主要是在于 右脑半球心理旋转能力功能定位化程度上的不同。如，2 0 0 0 年，j o n a t h a n e r o b e r t s 等人研究了8 岁儿童和大学生心理旋转的两性间的半球活动差异性问题。 他们发现大学生在心理旋转的反应时上确实存在着显著的性别差异，但是儿童却 不存在着性别上的显著差异。心理旋转中，男大学生相对于女大学生而言，顶叶 的活动更为显著；但是8 岁男孩子和8 岁女孩子顶叶活动却没有显著性差异。他 们认为心理旋转上的年龄和性别差异在于生物发展上的差异。在儿童和成人中间 存在着一种变化，这种变化影响到了心理旋转的大脑活动情况和心理旋转的操作 能力。男性在心理旋转能力上的优势尽管可能存在着基因的、荷尔蒙的或解剖学 上的不同解释，但是具体明确的生物学原因还没有建立起来。 男性和女性有着不同的空间活动经历，这种不同经历和空间能力的差异性紧 密相关( c a s e y b r a b e d k ，1 9 8 9 ：c e r o n e m c k e e v e r ，1 9 8 1 ：n e w c o m b e 1 9 8 3 ) 。 社会角色职能的分工给男性和女性提供了不同的空间活动经历。人们一般不鼓励 女孩子去从事与空间能力有关的职业或活动。从所接触的自然空间环境上讲，女 孩子明显少于男孩子，她们更多的时候是呆在家里。女孩子的礼物常常是如布娃 娃之类的东西，她们喜欢玩过家家等游戏：男孩子得到的是诸如遥控汽车、电动 火车、建筑模型等礼物，他们更喜欢下棋、捉迷藏和打仗等游戏。男孩子得到了 比女孩子更多的训练其空间能力的机会。在职业选择方面，男性被更多地鼓励去 从事涉及数学或自然科学方面的职业，而在这些领域任职的女性相对要少得多。 如果我们改变这种家庭和社会教育倾向，通过一些干涉性的策略也许会使女性的 空间能力提高，甚至会高于男性。实际上一些研究者早已开展了这一方面的研究。 但是也有一些研究指出，心理旋转能力不存在性别上的差异。如2 0 0 0 年d e n n i s 等人提出了这一观点：心理旋转的性别差异主要体现在对镜像刺激( 不可能旋转 问题) 的心理旋转上，而不在对正像刺激( 可能旋转问题) 的旋转上。他们的研 究结果是；正像刺激心理旋转成绩的准确性和反应时无性别上的差异，但是在镜 像刺激的心理旋转中，男性心理旋转的准确性和反应时均高于女性。他们认为以 往心理旋转研究之所以得出性别差异在于使用了镜像问题，而这些问题并不能准 确的检测心理旋转的能力，它们只是一些侦察测验。 ( 四) 心理旋转能力的可塑性( p l a s t i c i t y ) 问题 心理旋转能力与很多领域( 数学、生物学、化学、物理、机械和航空) 的操 作能力有很高的相关性。很早以前心理学家就开始了这一方面的研究。1 9 7 1 年 b u r n e t t 和l a n e 研究发现有关数学等自然科学的活动可以提高心理旋转能力。和 经历社会科学或人类学有关的训练相比，经过数学等自然科学训练的女性的心理 旋转能力显著提高。一些研究还表明心理旋转能力与人的数学能力的自信度有很 高相关性( m b e t hc a s e y ，1 9 9 6 ) 。当然这种相关性是双向的，提高空间能力反过 来又可以提高相关领域的问题解决能力，如提高空间能力有利于提高儿童解决数 学问题的能力( d el i s i m c g i l l i c u d d y d el i s i ，2 0 0 2 ：n e w c o m b ee ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 在我国，游旭群在对飞行员表象旋转加工能力的研究中也发现，飞行员在负责方 位表征转换的加工子系统上表现出了明显的练习效应，据此推测，表象旋转具有 相对易变性和可塑性的认知加工特征。这里我们主要介绍电子游戏对空间能力的 影响。 克里斯克劳福德在电脑游戏设计艺术一文中把电子游戏描述为“一种 代表现实子系统的封闭的形式系统，人类的思维力和想象力在其中起到了不容忽 视的作用”。在美国，计算机游戏随处可见，并已成为儿童青少年生活的一部分， 计算机游戏与心理旋转能力之间的关系成为众多心理学家关注的问题之一。早在 1 9 8 7 年m c c l u r g 和c h a i l l e 就提出了电子游戏可以提高儿童的空间测验成绩的观 9 点。后来s u b r a h m a n y a m 和g r e e n f i e l d 的研究均支持了他们的观点( 1 9 9 4 ) 。1 9 9 4 年，o k a g a k i 和f r e n s c h 使用了2 d 图形快速旋转的游戏，发现玩这种游戏可以提 高大学生的空间能力。1 9 9 6 年，d el i s i 和c a m m a r a n o 的研究使用了3 d 客体旋转 的电子游戏。前测的研究结果表明男大学生的心理旋转成绩高于女大学生。实验 中，让被试玩了一个星期的电子游戏。一组被试玩3 d 客体旋转的游戏，简称a 组， 另一组被试玩与心理旋转无关的电子游戏，简称b 组。在后测中，他们发现a 组 被试的纸一笔心理旋转成绩提高，但是b 组被试的心理旋转成绩没有明显提高，而 且a 组中的男大学生和女大学生的心理旋转成绩均高于b 组男大学生的成绩。 2 0 0 2 年，r i c h a r d 和l i s i 以8 9 岁的儿童为对象也就这一问题进行了研究。 结果证明，有效的训练方法可以提高儿童的心理旋转能力。他们在被试玩了计算 机游戏( 一类游戏与心理旋转任务有关，另一类与心理旋转任务无关) 3 0 分钟前 和后均进行了2 d 客体的心理旋转测验。前测结果显示8 9 岁儿童在心理旋转的准 确性上存在着性别差异；后测结果显示，玩过心理旋转游戏的儿童的心理旋转能 力提高，且这些儿童间的心理旋转的性别差异变小。 由此可见，电子游戏将是提