（应用心理学专业论文）不同形式电子地图的空间定位效率的比较研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 空间物体定位和物体搜索对人类的生存和日常生活非常重要，地图在帮助人 们进行空间定位方面起着极其重要的参照作用。近年来，由于电子技术的快速发 展，出现了越来越多的电子导航系统。究竟什么样的地图更适合于引导人们进行 空间定位和物体搜索，这是当前地图空间认知领域研究的热点本研究在仔细分 析前人研究成果的基础上，通过模拟实验，对不同形式电子地图的空间定位效率 进行比较，目的在于为优化电子地图的设计提供工程心理学依据。共做了三个实 验：实验( 一) 电子地图空间定位中的心理旋转效应；实验( 二) 电子地图导航 方式对空间定位的影响；实验( 三) 电子地图显示格式和地图上显示的信息量对 空间定位的影响。 实验一采用2 因素被试内设计，自变量为地图维度和运动物体转向的角度。 地图维度分3 种：空白、二维地图、三维地图；运动物体转向的角度分7 种： 0 。、6 0 。、1 2 0 。、1 8 0 。、2 4 0 。、3 0 0 0 、3 6 0 。因变量为被试在运动物体发生转向后， 判断目标物与运动物体之间方位关系的反应时。 实验二采用2 因素被试内设计，自变量为地图的导航方式和运动物体转向。 地图的导航方式分3 种：二维北向上( 地图固定) 、二维车头向上( 地图旋转) 、 三维车头向上( 地图旋转) ；运动物体的转向分2 种：左转、右转。因变量为被 试在运动物体发生转向后，判断目标物与运动物体之方位关系的反应时。 实验三采用多因素被试内设计，自变量为电子地图显示格式、地图上显示的 信息量和运动物体到达地图中心交叉路1 ：2 时发生的转向。电子地图显示格式分三 种：2 d ，3 d 高视角( 3 d 7 5 0 ) 和3 d 低视角( 3 d 1 5 。) 。地图上显示的信息量以 呈现的建筑物数量来表示，分低信息量和高信息量两种。运动物体的转向分左转 和右转两种。因变量为被试在运动物体发生转向后，判断目标物与运动物体之方 位关系的反应时。 实验结果表明： 1 、在利用电子地图进行的空间定位中存在着心理旋转效应。运动物体作1 8 0 。 转向时，判断目标方位的反应时间最大，在运动物体的转角为0 - 1 8 0 。范围内， 反应时间随转角加大而增大，而在运动物体的转角为1 8 0 - 3 6 0 。范围内，反应时 浙江大学硕士学位论文 摘要 间随转角加大而减小，提示心理旋转可选择顺时针或逆时针方向进行，且以1 8 0 。 为界，心理旋转所需时间的变化曲线呈对称。 2 、电子地图导航方式对空间方位判断有显著影响。相比之下，在采用二维 旋转地图的导航方式时，判断目标方位的反应时间最小，其次为三维旋转地图， 而在采用二维固定地图的导航方式时，判断目标方位的反应时间最大 3 、电子地图的显示格式对空间方位判断存在十分显著的影响。相比之下， 采用2 d 显示格式的地图时，判断目标方位的反应时间最小，其次为2 5 d 地图， 而在采用3 d 地图时，判断目标方位的反应时间最大 4 、电子地图上呈现的信息量高低对空间方位判断无显著影响。 关键词电子地图导航方式调整效应心理旋转空间定位显示格式 m 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s p a t i a lp o s i t i o n i n ga n do b j e c t s s e a r c h i n gi sv e r yi m p o r t a n tt oh u m a n s u r v i v a l a n d d a i l yl i f e i tp l a y sa v i t a lr e f e r e n c er o l eo fm a pt oh e l pp e o p l ei ns p a t i a l p o s i t i o n i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r e r e m o r ea n dm o r ee l e c t r o n i cn a v i g a t i o ns y s t e m s w h a tk i n do fm a pi sm o r es u i t e dt o g u i d ep e o p l es p a t i a lp o s i t i o n i n ga n do b j e c t s s e a r c h i n gi sah o tr e s e a r c ha r e ao fs p a c e c o g n i t i v es t u d y b a s e do nt h ec a r e f u la n a l y s i so ft h er e s e a r c hf r u i t sb yf o r m e re x p e r t s ； t h i ss t u d yc o m p a r e dt h es p a t i a lp o s i t i o n i n ge f f i c i e n c yo ne l e c t r o n i c m a p sw i t h d i f f e r e n tf o r m a t su s i n gs i m u l a t e de x p e r i m e n t s t h i ss t u d ya i m e dt op r o v i d et h e s u p p o r to fh o wt oo p t i m i z et h ed e s i g no fe l e c t r o n i c - m a pf r o mt h ee n g i n e e r i n g p s y c h o l o g y so p i n i o n s t u d yh a dt h r e ee x p e r i m e n t s ： e x p e r i m e n t l ：a m e n t a lr o t a t i o ne f f e c ti ns p e c i a lp o s i t i o n i n go ft h e e l e c t r o n i c - m a p s ； e x p e r i m e n t 2 ：a ni m p a c to fn a v i g a t i o ns t y l e so ns p e c i a lp o s i t i o n i n go ft h e e l e c t r o n i c m a p s ； e x p e r i m e n t 3 ：a ni m p a c to fm a pd i s p l a yf o r m a t sa n di n f o r m a t i o na m o u n to n s p e c i a lp o s i t i o n i n go ft h ee l e c t r o n i c m a p s t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i ss t u d yw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h em e n t a lr o t a t i o ne f f e c tw a sf o u n di nt h es p e c i a lp o s i t i o n i n go nt h e e l e c t r o n i c m a p s w h e nt h em o b i l eo b j e c tr o t a t e da ta na n g l eo f1 8 0 。，t h er e a c t i o nt i m e o fs p e c i a lp o s i t i o n i n gw a st h el o n g e s t w h e nt h er o t a t i o na n g l ew a sk e p ti nr a n g eo f o 。一1 8 0 。，t h er e a c t i o nt i m eg o tl o n g e ra st h er o t a t i o na n g l ei n c r e a s e d ；w h i l ew h e nt h e r o t a t i o na n g l ew a sk e p ti nr a n g eo f1 8 0 。- 3 6 0 。，t h er e a c t i o nt i m eg o ts h o r t e ra st h e r o t a t i o na n g l ei n c r e a s e d i ti m p l i e dt h a tm e n t a lr o t a t i o nc o u l db ec l o c k w i s eo r a n t i c l o c k w i s e ，a n dw i t h1 8 0 0a st h eb o u n d ，t h ec h a n g ec u r v e so fm e n t a lr o t a t i o nt i m e w a ss y m m e t r i c 2 t h e r ew a sas i g n i f i c a n ti m p a c to fn a v i g a t i o ns t y l e so ns p e c i a lp o s i t i o n i n go f t h ee l e c t r o n i c m a p s c o m p a r e dw i t ho t h e rn a v i g a t i o ns t y l e s ，t h er e a c t i o nt i m eo f i v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p e c i a lp o s i t i o n i n gw a st h es h o r t e s tw h e nt h et w o - d i m e n s i o n a lr o t a t i o n a lm a p sw a s u s e d ，a n dt h en e x to n ew a st h et h r e e d i m e n s i o n a lr o t a t i o n a lm a p s ，w h i l et h er e a c t i o n t i m eo f s p e c i a lp o s i t i o n i n gw a s t h el o n g e s tw h e nt h et w o d i m e n s i o n a lf i x e dm a p sw a s u s e d 3 t h e r e sas i g n i f i c a n ti m p a c to ft h em a pd i s p l a yf o r m a t so ns p e c i a lp o s i t i o n i n g o nt h ee l e c t r o n i c m a p s c o m p a r e dw i t ho t h e rd i s p l a yf o r m a t s ，t h er e a c t i o nt i m eo f s p e c i a lp o s i t i o n i n gw a s t h es h o r t e s tw h e nt h et w o d i m e n s i o n a lm a p sw a su s e da n dt h e n e x to n ew a st h et h r e e d i m e n s i o n a lm a p sw i t hh i g hv i s u a la n g l e ，w h i l et h er e a c t i o n t i m eo fs p e c i a lp o s i t i o n i n gw a st h el o n g e s tw h e nt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm a p sw i t hl o w v i s u a la n g l ew a su s e d 4 n os i g n i f i c a n ti m p a c tw a sf o u n do fi n f o r m a t i o na m o u n td i s p l a y e do na m a po n s p e c i a lp o s i t i o n i n go ft h ee l e c t r o n i c m a p s k e yw o r d se l e c t r o n i c m a p ，n a v i g a t i o n ，a d j u s te f f e c t ，m e n t a lr o t a t i o n ，s p a t i a l p o s i t i o n i n g ，d i s p l a yf o r m a t s v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲啤鲜亮签字帆溯年7 月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝垄盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 许缉霭 签字日期：妨年月易日 导师签名： 签字吼护藩7 月么日 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 在论文即将完成之际，敲下“致谢”两个字，心中无限感慨，十八年的学生 时代将随着这最后一页纸而告一段落。毕业在即，需要感谢的人太多，实在是这 些简单的文字所不能表达和承载的。 首先诚挚地感谢恩师许百华教授在学业上的悉心指导与在生活上无微不至 的关心，您渊博的学识、严谨的治学态度、朴实无华和平易近人的人格魅力，始 终感染着我、激励着我，这些都将成为宝贵的财富让我享用终身。本论文从选题 到完成，每一步都是在您的指导下完成的，倾注了您大量的心血。在此，谨向您 表示崇高的敬意和衷心的感谢! 其次感谢我的系友兼同事夏方昱，感谢你一直以来的鼓励和帮助；同时感谢 我的同窗张玮、郑洁玮、陈华娇等同学，两年的校园生活有你们才能如此精彩， 一起走过的日子将成为我美好的回忆；感谢潘毅、崔翔宇、刘洋、付生廷、胡楠 荼等同实验室的兄弟姐妹们，感谢你们对我论文的启发和平时专业上的交流、指 导、帮助- 9 探讨；感谢t a n g 的同事们，从工作的繁忙中抽出时间帮我做实验。 正是有了所有你们的大力支持j 我才得以顺利完成论文，祝你们事业有成! 最后，谨以此文献给我最亲爱的父母和男朋友严刚，感谢你们所给予的无尽 支持与最大帮助，我把最美好的祝愿送给你们，愿你们一生平安，健康幸福。 感谢关心、支持、帮助过我的所有人! 浙江大学硕士学位论文 引言 1 引言 在陌生的环境里，人们需要借助地图确定方位和寻找目标，地图在帮助人们 进行空间定位和导航方面发挥了极其重要的参照作用。但是也有很多人发现，要 很快的看懂地图并不是件容易的事情。尽管人们设计出各种类型的地图，但是为 什么现在人们使用地图时还是会遇到这样那样的问题呢? 在对地图空间认知能力的研究中，研究者们对个体在借助地图进行空间方位 判断的反应时间、使用策略、空间更新能力以及地图的特征等方面进行了广泛深 入的研究。当前国内外的研究主要集中在对传统平面地图和固定地图空间定位效 率的研究，随着电子信息技术的发展，三维电子旋转地图正在逐渐取代传统的二 维地图，成为新一代的导航工具。那么，比较传统的二维地图和固定地图，三维 电子旋转地图究竟在空间导航能力方面是否具有更大的优势，能否为人们进行空 间定位提供更为有效的帮助，三维电子地图怎样的显示格式更好是本文研究的重 点。本研究设计了三个实验，分别比较了桌面虚拟环境下，地图形式空白、二维、 三维电子地图，导航方式二维固定式电子地图、二维旋转式电子地图和三维旋转 式电子地图，和不同显示格式对人的空间方位判断的影响。 1 1 空间知识 1 1 1 空间知识认知、空间能力与地图空间认知 空间是人类赖以生存的场所，我们的生活无时无刻离不开空间因素的作用， 空间认知对人类的思维具有十分重要的意义。2 0 世纪二三十年代，出于对机械 能力和实际操作能力的研究，人们提出了“空间因素”的概念，并把空间因素作 为获得某些实际操作能力的基础。随着认知科学的发展，空间认知已成为认知心 理学的重要领域之一，也是心理学、地图学、地理学、计算机科学和人工智能等 学科广泛关注和研究的一个重要问题。 空间认知是人类智能结构的重要组成部分。认知心理学家认为空间认知就是 对空间信息的表征，是大小，形状、方位以及空间区分和对空间关系的理解等空 间概念在人脑中的反映。具体地说，空间认知是人们对出现与周围环境中的各事 物和现象的存在、变化的方式以及它们之间相对位置的认知过程和能力，是对事 浙江大学硕士学位论文引言 物现象的发生、影响、因果进行分析研究的基础。 空间认知是通过获取、处理、储存、传递和翻译空间信息，获取空间知识的 过程。因此，空间认知与空间的概念、空间知识的分类、人类的空间认知能力有 关。空间认知的程度是通过一定的认知手段由空间认知能力决定的。 空间能力是人类生活中不可缺少的一种基本能力。人类生活在一定的空间范 围内无时无刻不在与空间信息打交道，空间意识是人类重要的生存先决条件，人 们无论是上班还是购物，无论是去学校还是与人交谈等都要用到空间认知能力。 g o r d o n 指出了认知功能分布特征，指出个体间存在两种认知功能的差异这两个 认知功能是言语功能和空间功能。一般认为广义的空间能力指的是非语言信息加 工中的个体差异，也指在日常生活中的个体差异；狭义的空间能力指的是完成空 间测验中的个体差异。空间能力涉及到对物体内部的关系，物体与物体的关系， 物体与观察者的关系把握。l o n m a n 认为，空间能力一般包含三个因素：空间定 向、空间想象、空间关系。空间定向是保持不被空间模式以不同方向呈现而弄糊 涂的能力；空间想象是理解表象在三维中运动或操作想象中物体的能力；空间关 系是精确的觉察空间模式并相互比较的能力。空间认知技能是由三种能力构成： 准确知觉世界的能力；对知觉到的事物进行改造或修改的能力；重建视觉经验的 能力。因此可以肯定，个体利用地图对周围环境中的事物进行空间定位与个体的 空间能力有着一定的相关性。因为对物体的空间定位需要掌握物体之间的空间关 系，对物体进行定向，而且还要有一定的想象能力，甚至心理旋转能力，而这些 都是和一个人的空间能力分不开的。 空间能力的发展是个体认识事物、探索客观世界的必要基础，空间能力和言 语能力是智力的基本组成部分，在人类的职能研究中人们发现，言语能力并不是 唯一的与智力有关的能力，空间能力也是较为独立的智力结构。空间能力是一种 认知图形，是不同于一般的形象思维和抽象思维的特殊能力，他运用图形在头脑 中的表象图形的操作能力，其主要内容是在解决任务的过程中运用图形表象。他 的操作单位是能表现客体的空间特征各关系的表象，如构成客体的各种因素的形 状、大小、相互位置以及客体的各种构成因素在二维平面上、三维空间上相对于 任何特定位置的排列顺序。视觉空间能力及其认知加工性质的研究不仅对理解人 类空间认知行为具有重要的理论意义，而且还具有重要的应用价值。 2 浙江大学硕士学位论文 引言 地图是空间认知的重要工具，l a n d a u 认为，地图是现实世界的微缩或者模 型，他用一些类似物或者符号来表示真实环境。地图作为现实世界的空间表象， 反映了物体之间、地点之间、或者物体和地点之间内在的几何关系，如方向和方 位【1 】 地图空间认知是以地图为信息来源的渠道，从地图中获取信息，并对这些信 息进行加工、处理，选择有效的信息来选择道路，确定目标物的过程。人们必须 具备一定的空间能力，才能够从地图中获取有效信息。因此，空间认知对信息的 搜索、获得起着十分重要的作用。研究人类如何获取物理环境中的空间知识以及 如何使用所获得的空间信息完成相应的任务( 如方位判断、导航策略和参照物等) 等，将有助于人们深入了解自身的空间认知过程，也将为提高相应空间判断任务 绩效的界面设计【2 】( 包括地图、座舱仪表、空间定位系统和电子导航帮助等) 和 虚拟环境【2 - 5 】( 包括完全沉浸虚拟环境、桌面虚拟环境和i n t e m e t ) 中的信息呈现 以及特殊状态( 如失重和聋哑人【6 1 ) 下的空间知识获取等领域的研究奠定了理论 基础。 1 1 2 物体定位时的空间参考框架和心理旋转 1 1 2 1 空间参考框架( s p a t i a lr e f e r e n c ef r a m e ) 人们对空间物体的位置和方向的判断或说明必须借助于某一参照体系。空间 方位参照是物理空间在认知空间中方位关系的表达和反映，是一种立体的、抽象 的、深层的认知结构。 参照系是定义了原点、朝向、方向和尺度的三维坐标系，空间参照系的各个 参数是可变的【7 】。空间方向的参考框架是由于不同目的、不同用途和观点对空间 进行的划分。依据参照系各参数变化的特性可将参照系分为以观察者为中心的直 接参考框架、以物体为中心的内部参考框架的和以环境为中心的外部参考框架三 类。以观察者为中心的参照系，利用观察者的朝向定义坐标轴，如观察者的头 脚、前后和左右构成三个坐标轴；以环境为中心的参照系，和外部环境的突出 特征定义轴的朝向，例如以重力定义垂直轴，以房间的侧面定义水平轴；以物体 为中心的参照系，利用物体预先定义好的内在的侧面来定义轴的朝向( 如底部、 顶部、前、后、左、右) 1 8 1 。国外目前对空间定位的研究中主要用了两种参考框 架，一种是直接参考框架，一种是外部参考框架。 3 浙江大学硕士学位论文引言 m c n a m a r a 等人认为：人们是以空间参照系来建构周围环境的空间结构，进 而形成对物理空间进行表征的认知空间结构，获知环境中物体的空间信息，而参 照系统固有于物体布局本身，即环境的空间结构主要是以其自身特性( 如房间中 桌椅排成的行和列) 被加以表征的，这种参照系统即为内在参照系统( i n t r i n s i c r e f e r e n c es y s t e m ) 内在参照系的方向或轴的选择是基于线索的，如学习空间结 构时的视角、经验( 如指导语) 、物体特性( 如物体间的类似程度) 和环境结构 ( 如房间墙壁的突显) ，其中起支配作用的是自我经验方面的线索。从另外一个 角度来说，内在参照系的选择或其方向的确定不是静态的，随着其中某些线索( 如 视角) 的变化而改变：当观察者以第一个视角对空间布局学习时，他们以与该视 角平行( 匹配) 的内在参照系统对空间布局进行表征，通常情况下基于第一视角 所选择的内在参照系不会随着观察者的移动和视角的改变而进行更新，当观察者 处于后继视角时就如同从新的方向观察某一熟悉物体。但是如果第一视角与环境 中某一突出轴不匹配而后继视角与之匹配，新的内在参照系方向就会取代原有的 内在参照系( 方向) ，相应的就以后继内在参照系( 方向) 对环境布局进行表征 【9 1 2 o c l a r k 提出空间方位如果离开具体的参照系，就没有实际意义，参照系可以 是点、线和面。由于重力的普遍存在，且方向始终不变，所以地平面是自然参照 面，上下轴( 纵轴) 是自然轴。向上为正向。由于大多数人的感觉器官在人体的 前部，并且人一般向前运动，把人体分为不对称的前后两部分的平面是另一参照 平面，前后轴为另一轴，向前为正向；另一参照平面把人体分为左、右两部分， 左右轴为第三轴，人体的左右是对称的，所以没有方向。空间语言和空间知觉在 结构上有对应关系，由于重力和直立的人体的纵轴方向一致，重力始终向下，人 体的头部和下部不对称，而人体的前后轴的方向随着身体转动而改变，所以上下 名词比前后名词 - - j 得早；由于人的大多感觉器官在人体的前部，而且人一般向前 运动，前后不对称，而人体的左右是对称的，所以前后名词比左右名词习得早【1 3 】。 众多研究表明基于真实环境和想象环境的想象空间物体定位任务中存在方 位效应，最为突出的是前一后效应，即主体定位前方物体的时间比定位后方物体 的时间短，且在物体一物体的空间关系( o b j e c t t o o b j e c ts p a t i a lr e l a t i o n s ) 的情 境下，这种效应依然存在，所以其表征或提取是在自我参照系中完成的坐标系 4 浙江大学硕士学位论文 引言 统把前一后效应归于自我参照系中主体对其前部分的空间坐标计算要快于对其 后部分的空间坐标计算，反应的不对称性发生于感觉一运动水平，而对其监控则 发生于表征水平。因此影响自我参照系中物体相对方位易达性的是其在身体空间 中的前后位置，而独立于认知矢量空间。 坐标系统模型认为人对空间知识的获取建构于自我参照和物体内在参照两 个系统之上的。自我参照系统以观察者身体朝向所定义的坐标轴( 如前后、左 右和上下) 对身体坐标( b o d y c e n t e r e dc o o r d i n a t e ) 中的身体一物体空间关系 ( s e l f - t o o b j e c ts p a t i a lr e l a t i o n s ) 进行加工，该系统为主体( 人) 在定量空间中 的运动( 如行走、抓取或搜索) 等提供了框架；而物体内在系统则是对环境坐标 ( e n v i r o n m e n t a lc o o r d i n a t e ) 中物体一物体的空间关系进行加工，该系统以物体 自身定义物体间的位置关系，但相对方向的储存是局部的，仅限于系统所基于的 物体或物体组合( s e t ) ，与周边环境没有关系，不存在优势方向或坐标轴效应， 因此该表征是朝向独立( o r i e n t a t i o n i n d e p e n d e n t ) 的。但这两个子系统不是完全 独立的，在一定程度上也存在交叉，由于身体坐标前后轴中的“前点”决定了客 体参照系统中的“前方( f o r w a r d ) ”，故自我参照系统的身体朝向( h e a d i n g ) 确 定物体内在系统的方向( o r i e n t a t i o n ) ，当由身体的实际旋转或想象旋转而引起自 我参照系统的身体朝向变化时，物体内在系统的方向也随之变化。 地图一般是以外部世界为参照的，而人在定向时却常以自我为参照系。当人 利用地图完成自我定位任务时，需要不断进行心理旋转，使地图的参照系与自我 参照系的方向一致，再进行空间方位判断。 1 1 2 2 心理旋转( m e n t a lr o t a t i o n ) ( 一) 心理旋转的含义及研究的历史背景 心理旋转是人在头脑中将某个图形的映像作平面或立体转动的心理运作过 程。心理旋转是人类空间能力的基本成分之一，是衡量空间智能的重要标尺之一 l t 6 - t s l 。对于心理旋转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，而且具有十分重要的应用价值。 心理旋转以信息的内部表征的产生为前提，涉及比表象更为复杂的认知过 程。关于心理旋转的实验最早是由美国斯坦福大学的心理学家r n s h e p a r d 和 m e t z l e r 等人开始的，采用了认知心理学的方法( 反应时和正确率) ，通过一系列 浙江大学硕士学位论文 引言 的实验把心理旋转看作是一个类比的过程。所谓类比就是说心理旋转也要经历一 些中间阶段，与客体的物理旋转是类似的。在人对心理表象做出处置时，似乎也 经历了同对实物做出实际处理类似的过程，即被试进行心理旋转所需的时间，随 着类似的实际运作所需的时间而相应的提高【1 9 。捌也就是说，随着旋转角度的增 大，反应所用的时间就越长。之后，r n s h e p a r d 和c o o p e r 进一步研究证明， 心理旋转的方式并非固定不变，不是都按照顺逆时针方向进行，而是看哪边离正 常位置近，就向哪边旋转。 ( 二) 心理旋转中的视者优势效应 c o r b a l l i n s 提出，心理旋转作为一个认知过程，在许多方面和语言一样，是 一个在认知发展过程中相对高水平的能力；和语言不同的是，心理旋转是一个没 有标记的、不用计算的、连续的类比过程。心理旋转是一种想象自己或客体旋转 的空间表征转换能力。根据心理旋转对象的不同，可以把心理旋转分为客体旋转 和自我旋转。客体旋转就是旋转主体( 被试) 对其外部物体的旋转，如对字母、 数字或立方体的旋转。自我旋转就是旋转主体对其本身整个身体或身体某个部位 的旋转，如手或脚。 自s h e p a r d 和其同事对心理旋转进行的开创性研究以来，国内外心理学家更 多的是进行客体旋转研究，而对自我旋转尤其是对整个身体的旋转研究，及客体 旋转和自我旋转对比性研究较少。 心理旋转的对象不同涉及的空间参照系也不同。近年发现，在位置更新的研 究中，存在着明显的视者优势，即想象自身旋转较想象系列或单个客体旋转在反 应时和精确性上有优势。p r e s s o n 等在成人和儿童中比较了视者旋转和客体旋转， 随着所给信息的不同，得到的结果也不一致【2 5 1 。w r a g a 等提出，视者优势效应起 因于人的认知能力使自身参照系有效而连贯地转变，而客体旋转任务涉及到客体 相关参照系，它在表征和转变时不够连贯。他们通过增加系列客体的内部凝聚力 ( 如增加客体的熟悉度) 可提高客体旋转的成绩。 ( 三) 心理旋转的性别差异问题 同其他个体认知因素一样，在影响个体心理旋转的因素中，性别一直都是其 中一个重要的因素。s h e p a r d 和m e t z l e r 在最初研究心理旋转时，并为关注其性 别差异问题。m e r e d i t h 改进了其工作，采用纸笔测验在小学儿童中发现心理旋转 浙江大学硕士学位论文 引言 的性别差异。结果表明，在三维物体的心理旋转实验中，确实存在着性别差异： 男性的反应显著快于女性；而且男性的准确性也高于女性；旋转角度与操作成绩 呈明显的线性相关，旋转角度越小，操作成绩越好，且女性随旋转角度的增加， 反应时增加率高于男性；但男女被试在心理旋转中选择的策略与他们的成绩没有 显著相关。许多研究者在后来的研究中也都发现，在空间想象能力上存在着性别 差异，也就证实了心理旋转这一空间想象的重要过程也具有性别差异。 但我国在这方面的研究结果与西方的研究有所差别，比如侯公林等对幼儿进 行心理旋转实验结果表明，幼儿在四岁似乎已经开始建立心理旋转能力，男女之 间没有统计上的差异。许燕和张厚粲对小学生空间能力的性别差异研究表明，在 各年龄组均未显示出很大的性别差异，其变异数均未达到显著水平。林仲贤等人 通过对儿童，中青年及老年人心理旋转能力的比较研究中发现，无论是儿童组、 中青年组还是老年组，均未发现心理旋转能力在性别上的差异瞄】。心理旋转能 力是否存在性别上的差异，现在还没有定论，因此，本研究在每个实验设计中都 选择了同等数量的男女被试进行测试，以避免由于性别差异带来的干扰。 1 1 3 地图空间认知中的调整效应和地理标志效应 1 1 3 1 调整效应( a l i g ne f f e c t ) 人们对空间场景中物体的方位、方向表达和方位说明，离不开参照系的选择 和转化，在复杂情况下还需要进行参照系多次转化和整合。1 一般的地图是以外部 世界为参照的，而人在定向时却常以自我为参照系进行物体定位1 3 0 - 州。在陌生的 环境中，当人利用地图完成自我定位任务时，要依据地图参照系和自我参照系， 并需要不断进行心理旋转，在这两个参照系之间进行转换与整合。只有当地图的 参照系与自我参照系的方向正好一致时，也就是当“朝上就是朝前”时，人不需 要进行额外的心理旋转，人完成自我定位任务的效率最高，这被称作调整效应。 a r e t z 的研究表明，当自我参照( 表现“上、下、前、后、左、右”方位词 的运用) 和环境参照( 如表现为“东、西、南、北、经度和纬度”的运用) 需要 转化或整合时，相对方位判断( 左转、右转) 变慢【3 5 1 比如驱车在一个陌生城 市的路口，借助地图( 环境参照) 确定是左转还是右转才能到达目的地时，车前 进的方向是北方的情况下的判断要比车前进的方向是南方的情况下的判断要快， 因为面北的时候自我朝向( 自我参照) 和地图( 环境参照) 是一致的。 7 浙江大学硕士学位论文 引言 1 1 3 2 地理标志效应( l a n d m a r ke f f e c t ) 当人的行进方向转为地图朝下方向时，人需要进行额外的心理旋转，因而大 大增加判断左右方位的反应时这种情况下，人通常喜欢把地图转过来，恢复原 来的简单联系。因此，有人认为，如果根据人的行进方向来旋转地图，使地图始 终保持朝上的方向( 亦即人的行进方向) ，可以避免人为调整参照系统而进行的 心理旋转，从而降低人在利用地图定位时所需付出的心理努力。目前，随着用户 的前进方向而随时调整地图朝向的电子旋转地图( 也叫调整地图) 已经广泛地运 用在汽车导航系统上【3 6 1 。但是也有研究认为，在增加了路标以后，旋转地图的 效果显著下降，出现了所谓的地理标志效应。 牟书等人研究认为，人们利用地图进行空间定向的过程经历了心理旋转与目 标搜索两个阶段。旋转地图可以让被试省去心理旋转的时间，如果地图上的目标 物非常容易搜索，重新定位目标物的时间短，那么地图旋转情况下的方位判断反 应时就会低于地图固定情况下的方位判断反应时。但是地图旋转时地图的背景方 位也被重新刷新，在地图刷新的瞬间，用户需要对目标进行重新定位、重新搜索， 因此增加了路标以后，目标受到背景干扰，被试在地图旋转以后对目标物的搜索 变慢，导致即使不需要心理旋转时间，所需要的反应时间也会比固定地图长。 1 1 4 方位判断中的主方位效应 主方位效应：当目标物出现方位为规范位置时，判断时问均短于非规范位置。 周荣刚、张侃研究表明，基于参照系转化或整合而进行的想象空间方位转化 判断中，受绝对参照框架的影响存在明显的主方位效应。自我参照框架影响想象 空间转化任务判断时间的模式为“前 后 左右 左前右前 左后右后”，对于“前、 后、左和右”主位置的判断，人们可能多倾向于采用分析综合的策略加以完成； 在“左前、右前、左后和右后”进行方位判断时，人们可能多倾向于旋转的策略。 w i c k e n s 认为规范或偏爱方向( c a n o n i c a l p r e f e r r e do r i e n t a t i o n ) 是人们对地 理空间进行心理表征的一个很重要特征。当人们需要借助地图学习一个新环境 时，通常北表征于地图上方，这种情况下规范的方向就是北上，以此确定“上北 下南，左西右东”的“法则”。在想象空间场景记忆的研究中，f r a n k l i n 等人认 为上、下、左和右处于规范位置，而左上、右上、左下、右下处于非规范位置， 对规范位置( 如上方) ，物体的搜索要比非规范位置( 如左上) 物体的搜索要快； r 浙江大学硕士学位论文引言 同时还提出了方向轴的概念，如前后轴、左右轴等。受自我参照的影响，存在： 前后轴 左右轴 0 0 5 。 表2 2 不同地图维度在不同旋转角度下反应时的方差分析 注：+ p 0 0 5 。 表3 3 不同导航方式在左右转向下反应时的方差分析 注：。p 0 0 5 掌p 0 0 1 浙江大学硕士学位论文实验二电子地图导航方式对空间定位的影响 从图3 4 中可以看到，采用二维车头向上的导航方式下反应时最短，三维车 头向上其次，二维北向上的导航方式- f 反应时最长。三种导航方式在左转和右转 两种转向上反应时变化趋势基本一致，左转和右转之间反应时无显著差异。 图3 2 不同导航方式对空间定位反应时的影响 图3 3 转向对空间定位反应时的影响 2 8 浙江大学硕士学位论文 实验二电子地图导航方式对空间定位的影响 图3 4 不同导航方式在左右转向下反应时的趋势 被试的主观评价结果见表3 4 表3 4 不同导航方式主观评估难易度的平均值( 标准差) 方差分析结果表明，导航方式主效应显著，f ( 2 ，1 9 ) = 3 4 9 7 ，p 0 0 5 ，即 不同导航方式之间存在显著的差异，采用二维车头向上的导航方式下主观评价最 容易，三维车头向上其次，二维北向上的导航方式下主观评价最难。 表3 5 不同导航方式的主观评价的方差分析 注：卑p 0 0 5 ，p 0 0 1 从图3 3 中可以看到，三种导航方式在主观评价和空间方位判断的反应时这 两个指标上得出的结果表现出同样的趋势，二维车头向上的导航方式为最优，其 次是三维车头向上的导航方式，最差的是二维北向上的导航方式。 浙江大学硕士学位论文 实验二电子地图导航方式对空间定位的影响 倪蚊 笥单困难 3 4 讨论 图3 3 不同导航方式被试对难易度的主观评价得分平均值 3 4 1 旋转地图与固定地图的空间定位判断比较 从实验二的结果可知，在三种不同导航方式下，反应时差异显著，即二维车 头向上的导航方式下被试的反应时显著低于三维车头向上，三维车头向上的反应 时又显著低于二维北向上。 刘儒德等人提出，在电子地图导航中，用户在完成空间认知任务时存在一个 认知加工的时间模型：用户方位判断= 心理旋转+ 目标搜索+ 方位定向。心理旋转 过程是指当地图朝向与用户朝向不一致时，用户需要通过心理旋转使两者保持一 致，类似于物理旋转；目标搜索过程是指用户的注意指向目标的过程，由于电子 地图不时改变和刷新屏幕上显示的地图，在地图刷新的瞬间，用户需要对目标进 行重新搜索，因而与地图不刷新时相比，搜索的时间也会相应变长；方位定向过 程是指用户根据自身为中心或外部为中心对目标的方位做出判断的过程，用户在 利用地图进行导航时，更倾向于采用以自身为中心的定向。 但是这三个过程并不是在所有的导航方式下都存在的。例如，在地图旋转的 导航方式中，当用户转弯时，由于地图的物理旋转代替了心理旋转，就不存在心 理旋转过程；而在地图固定的导航方式中，当用户转弯时，由于转弯前用户已经 将注意指向目标，也就不存在目标搜索过程。 但是如果电子地图是无地理标志的地图，地图上目标明显，无干扰因素，目 标因而极易被发现并定位，目标搜索过程就变得快一些此时，地图若做旋转， 用户不用进行心理旋转，但却极易搜索目标，几乎无需重新搜索目标；地图固定 的话，用户需要心理旋转，无需重新搜索目标，两者相比，地图旋转具有一定的 优势，因而存在调整效应。 3 n 浙江大学硕士学位论文实验二电子地图导航方式对空间定位的影响 如果电子地图是有地理标志的地图，地图上的目标混杂在干扰因素之中，目 标搜索过程就变得相对复杂，缓慢一些。此时，地图若旋转，用户不需做心理旋 转，但却不易搜索目标；地图固定，用户虽然需要做心理旋转，但是无需重新搜 索目标。两者相比，地图旋转时用户搜索目标所花时间与地图固定时用户心理旋 转所花时间大致相当，因而调整效应消失，出现地理标志效应。见表3 5 。 表3 5 调整效应与地理标志效应的机制 注：表示“有”，o 表示“没有”，o 表示“几乎没有” 从实验结果来看，无论是二维还是三维的旋转地图反应时都低于固定地图， 这很可能是由于地图上的目标物为红色。与地图背景有比较明显区别，在很大程 度上缩短了目标搜索时间；此外，旋转地图相对于固定地图，不需要做心理旋转， 并且目标搜索也在很短的时间就能完成。而采用地图固定的导航方式时，虽然无 需对目标进行搜索，但需要做心理旋转，因此反应时也就明显加大 从被试主观评价结果来看，他们普遍认为采用旋转地图的导航方式比采用地 图固定导航方式更有利于简化空间定位这一任务。这与我们已完成的g p s 项目 的调查结果相符。在被调查的用户中，绝大多数人都选择了车头向上的导航方式。 首先由于市场上g p s 导航系统的电子地图中，对于目标物视觉特征都比较明显， 黄色或者红色，特殊的图标，例如小旗等，所以对于用户来说，目标物搜索不存 在很大问题；其次在开车过程当中，车头向上的导航方式与用户开车的实际情形。 一致，也就是说外部参照系与内部参照系的信息是一致的，对于用户来说认知负 荷比较低，这样对导航的指示获得的也比较快；但是如果以北向上为导航方式， 外部参照系与内部参照系的不一致，导致用户还需要做心理旋转来调整两者的差 异，对于开车这种需要注意资源较高的作业来说，无疑会在一定程度上分散用户 的注意资源，注意分散了也会对开车带来不安全的隐患。所以用户就会觉得北朝 3 1 浙江大学硕士学位论文实验二电子地图导航方式对空间定位的影响 上的导航方式使用起来比较困难，而倾向于都选择车头向上的导航方式。 3 4 2 采用地图旋转的导航方式下二维与三维地图的空间定位效率的差异 正如前面的讨论，地图背景的复杂性对目标搜索有一定影响，进而影响做出 方位判断的反应时。实验二中，同为地图旋转的二维和三维地图之间存在显著差 异，这是由于三维地图t l