几何模块论的局限性_来自梯形实验的证据.pdf
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1、 心 理 学 报 2008,40(2):175183Acta Psychologica Sinica175 收稿日期:2006-12-213 国家自然科学基金项目(30770727)和西南大学基础心理学国家级重点学科项目(NSKD06003)的部分工作。通讯作者:孙弘进,E2mail:;李红,E2mail:lihong1s 几何模块论的局限性 来自梯形实验的证据3李富洪1,2 孙弘进1,2,3 李 红1,2 曹碧华1,2 邬德利1,2(1西南大学认知与人格教育部重点实验室,西南大学心理学院,重庆400715)(2中-加联合儿童研究中心,重庆400715)(3Department of Psyc
2、hology,McMasterUniversity,L8S4L8,Canada)摘 要 以往研究表明幼儿主要依赖几何信息进行再定向,但这些研究大多使用矩形空间。在本研究中,幼儿所处的空间为几何信息更丰富,目标物体所在位置确定的梯形。结果发现,幼儿并不会利用新增的几何信息确定目标物体,仍然去正确位置的对角寻找,表现出的寻找模式与矩形空间一样,这说明幼儿在空间再定向任务中对几何信息的利用很有限。此外,录像分析的结果发现,幼儿在面向梯形两底边时会更多地且径直地走向正确位置或对角,这种寻找过程上的特点表明他们可能基于空间轴朝向结合左右方位感表征物体位置。关键词 空间表征,再定向,梯形,主轴。分类号 B
3、8421 引言 空间方位的识别对一切动物(包括人类)都有重要的生存适应作用1,2。在某一陌生环境迷失方向后,个体可能需要根据空间中的几何信息或特定的路标线索重新确定自己的方位,进而找到正确返回路线,这种能力即为空间再定向能力。再定向能力的研究是研究大脑空间表征的范式之一。针对儿童空间再定向能力已有大量研究,通常的研究方法是让迷失方向的儿童重新确定自己的方位并找回事先藏好的物体3,4。Hermer和Spelke最早对儿童的空间再定向能力进行研究3,4,他们沿用了Cheng用于研究大鼠空间再定向的范式1,采用一个1.9m1.2m的矩形房间来考察儿童的空间再定向能力。首先把一个物体藏进房间的某个角落
4、,并用档板遮盖,然后让儿童闭着眼睛转四圈后停下来寻找物体。结果发现,35岁的儿童在空间再定向任务中能利用矩形房间的几何信息(环境的形状和目标物体与该形状之间的几何关系)3,4。如图1所示,如果把物体藏在A处,儿童会根据房间的几何形状来再定向,到目标物体所在位置A或同此位置在几何形状上一样的对角位置D去寻找目标物体。图1 矩形空间平面图(俯视)后来的一些研究5,6 证实,几何信息在空间再定向任务中总被优先利用。甚至还有研究发现,儿童不仅能在空间场景内部优先利用几何信息,也能在空间场景外部利用整个空间的几何特征2。同时,这些研究还发现在几何信息与非几何信息(如颜色、质地,气味等)同时具备的情形下,
5、儿童甚至会忽略非几何信息而只考虑几何信息。例如,当将图1中的三面墙壁都涂为白色,而将第四面墙壁(如AB)涂为蓝色时,儿童不会利用颜色这一非几何信息准确地到A处寻找物体,他们仍会去A或D处。据此,研究者提出空间再定向的几何模块论(详细内容可参见孙弘进等的综述7)。此理论认176心 理 学 报40卷为年幼儿童与一些低等动物相同,主要依赖于较原始的几何模块完成空间再定向任务。与此模块联系的大脑区域专门编码几何信息,即对环境的形状进行编码,并把目标物体与它在环境中的位置联系起来,形成一个固定的位置标记。Wang和Spelke进一步指出,空间再定向是由一个对空间的几何信息进行加工的“封装”系统(Enca
6、psulated System)完成的。“封装”这一术语的含义是指任何别的信息不能进入此系统,尽管某些别的信息(如特征)在某些任务中可能为其它模块所利用8。几何模块论虽有大量的实验证据支持,但几何模块是什么,儿童编码并利用几何信息的具体过程是怎样的?儿童在矩形空间里究竟形成了何种表征?对这些问题,研究者至今未能得出一致的答案。Hermer和Spelke认为儿童在观察实验者放置物体的过程中会形成一个关于物体位置的空间表征,迷失方向后,为了找到隐藏物体,他们会将所观察到的环境信息与最初形成的关于环境的几何特征与感觉信息的表征进行校对,而最初形成的表征与视角有关,因此这一观点被称为“视角说”。与“视
7、角说”相反,另一种观点认为儿童对空间的表征独立于最初的视角,是基于空间内部要素之间的关系而概念化的产物2。此观点不强调观察者的视角而强调空间本身在表征中的作用,因此被称为“空间中心说”。空间中心说认为,一旦儿童对环境中的各要素之间的关系形成一个表征,他们迷失方向后,不论面向如何,都能去正确位置找回所藏物体。目前,关于儿童利用几何信息进行空间再定向机制的争论尚未结束,几何模块论本身的局限性亦越加突现。首先,已有研究结论都来自实验室内几何信息明显的封闭空间。但在自然环境下,人们所处空间很少是规则的几何形状。如果Her mer与Spelke的研究结论具有普遍性的话,那么个体在这些自然环境下岂不因为几
8、何信息的缺乏(或微弱)而无法再定向。显然,这与实际生活经验不符合,我们经常依据一些非几何信息来再定向,如在一个陌生城市迷路后我们总是利用街道上醒目的商店或建筑物来确定方位。其次,几何模块论主张被试能利用几何信息再定向,但后来的研究却证明几何模块只对某些明显的几何信息敏感,而对一些不太明显的几何信息(如由若干相互分离的物体所围成的不明显的几何形状)却不敏感9。再次,几何模块论的观点似乎仅适用于某种特定形状(矩形)的空间,其它形状的实验却得出了不尽相同的结果。例如,采用三角形、菱形等其它形状进行的研究结果表明儿童对空间中几何信息的利用是有限的。Hutten2locher和Vasilyeva让迷失方
9、向的两岁儿童在一个等腰三角形空间中寻找玩具,结果发现儿童在这种既有边长差异又有角度差异的三角形中的寻找正确率达70%,这说明儿童能利用三角形空间的几何信息进行再定向2。但是,儿童所利用的几何信息却不涉及角度差异信息,因为等腰三角形的顶角与两个底角存在角度差异,如果儿童能利用这些角度信息,则他们在顶角的正确率应该最高,此外,两个相等的底角之间也应该产生更多混淆,而实验结果却不符合这些预期。即使在没有边长差异只有角度差异的四等边菱形(两锐角分别为60,两钝角分别为120)空间中,4岁前的儿童也不会利用“菱形两对角相等”这一几何信息进行再定向,只有4岁以上的儿童才能加工并利用角度信息去角度相等位置寻
10、找物体10。本研究试图通过另一种几何形状 梯形来进一步探索儿童的空间再定向行为。梯形是一种几何信息更丰富的图形,它不同于矩形(四角相同,只有边长差异),也不同于四等边的菱形(边长相同,只有角度差异)。在梯形中,既有边长差异又有角度差异。儿童在梯形空间中的再定向是否会因为几何信息更丰富而取得更好的成绩,还是就如三角形中的寻找模式一样只能利用边长差异,不能利用角度差异。需要特别指出的是,在梯形中,不仅邻边存在长短差异,上下两底也有长短差异,若儿童只能利用邻边差异,不能利用对边差异与角度差异,则他们可能表现出与矩形空间中一样的寻找模式;相反,即使儿童不能利用角度差异,如果能利用对边差异,也可以取得更
11、好的成绩。2 预备实验:幼儿在矩形空间中的再定向 目的是通过空间再定向研究的经典范式,收集矩形中的数据,以供与梯形中的结果进行对照。此外,亦可检查本研究中的材料制作是否合格,设施选用是否恰当,研究程序与操作过程是否正确,为之后的3个正式实验做准备。2.1 方法2.1.1被试 3.14.1岁的儿童20人,12男,8女,平均年龄3.5岁。2.1.2 设备与材料 为消除外界声音与光线对儿童方位判断的影响,在实验室中央用褐色窗帘布围2期李富洪 等:几何模块论的局限性 来自梯形实验的证据177成一个直径为3米的圆柱体空间,上接天花板,下垂至地板。一个矩形房间(1.9m1.2m1.2 m)放置于此圆柱内。
12、矩形的四面墙壁由木制框架与白色塑料广告板制作而成,其中三面固定于地板,另一面可以灵活地开合,作为主试与儿童的出入口。当儿童进入房间后,用铁夹将门从房间外面紧紧地夹住,以使儿童看不出从哪进入。4个不透明的粉红色圆柱盒(直径为15 cm,高20 cm)放置于矩形的4个角落,用于隐藏靶物体(一个鸡蛋大小的铜铃)。一个100W的节能灯安装在矩形房间正上方。一台收音机用于进一步控制外界声源对儿童的影响。2.1.3 设计 每个儿童先做一次睁眼试验,然后进行4次闭眼试验。设置睁眼试验的目的是让儿童适应转圈的动作,并考察他们能否记住物体所藏的初始位置。对每个儿童而言,靶物体的位置在4次试验中分别藏于不同的角落
13、,角落选择的顺序在被试间平衡。被试在转圈结束时的面向在4次试验中各不相同,并要求面对每面墙壁的次数一样多。2.1.4 程序 主试将儿童带入实验室,首先与他(或她)玩一会儿玩具。当儿童消除紧张情绪之后,再进入实验用的矩形房间。主试让儿童站在房间的中心位置,自由观察12min,然后呈现一个铜铃,并当着他(或她)的面放入某个角落的盒子内,告诉儿童等会儿要把铜铃找回来。儿童明白任务要求后先睁眼在原地转4至6圈(为防止儿童眩晕,由主试扶着慢慢地转),然后再去找铜铃。当儿童正确找回铜铃时开始闭眼任务,主试将铜铃藏入某个角落的盒子,要求儿童闭着眼睛转4至6圈,停下并睁开眼睛去找铜铃。如果儿童走到一个没有铜铃
14、的位置寻找,主试便告诉他(或她)“不是在那里,在这里”,同时到正确位置取出铜铃;如果儿童找到铜铃,便交给主试,主试予以表扬并再次将铜铃藏入另一角落,开始下一寻找任务。为避免儿童以主试为参照,主试在实验过程中不断变换站立位置,在儿童睁开眼睛寻找物体时,主试则站在儿童身后以避免影响儿童的视线。3指寻找位置,包含正确、对角、临近与远处四个角落。平均寻找次数指所有儿童去不同位置(正确、对角、临近与远处)寻找的平均次数。3 3指隐藏物体的位置。寻找正确率指儿童去隐藏物体的位置的寻找次数与物体藏在此位置的总次数的比值。为增强儿童完成任务的动机,并尽量避免因多次重复而产生厌倦感,实验前给儿童呈现一个奖品,告
15、诉儿童如果愿意去玩找铜铃的游戏并找到铜铃,就把奖品送给他(或她)。实验过程中,主试将每次藏铜铃的位置与儿童的首次寻找位置以字母编码的形式告诉房间外面的助手。实验结束后,不管成绩如何都送儿童一份奖品。2.2 结果与分析 因为睁眼试验的正确率超过99%,因而以下统计分析只针对闭眼试验的数据。参照Hermer和Spelke的数据分析方法4,按以下两种标准对儿童的寻找位置进行记录,如果儿童在隐藏物体的正确位置或对角寻找,则记为“几何恰当”,否则记为“几何不恰当”。如果儿童在正确位置或临近角落寻找,则记为“近”,否则记为“远”。对儿童在不同位置3的寻找次数进行2(几何恰当-几何不恰当)2(近-远)的重复
16、测量方差分析,并用Greenhouse2Geisser法矫正自由度。同时使用配对t检验(双侧)分别比较儿童在正确位置与对角,正确位置与临近角落之间寻找次数的差异。图2 儿童在矩形空间不同位置的寻找次数的平均值,括号内为标准误 对数据的初级分析结果表明,寻找的正确率不存在位置3 3效应、练习效应与性别效应。所有儿童在不同位置的平均寻找次数与标准误如图2所示。方差分析的结果表明,几何的主效应显著,F(1,19)=9.7,p 0.01。没有其它主效应及交互作用。这表明儿童总是到几何恰当的角落寻找物体。儿童在正确位置与其对角之间的寻找次数无显著差异,t(19)=1.69,p=0.11;正确位置与临近角
17、落之间的寻找次数差异显著,t(19)=2178,p 0.05。由此可见,预备实验的结果与以往研究结果一致,儿童在矩形空间中能够根据房间的几何形状进行再定向。儿童在正确位置与对角位置的选择次数178心 理 学 报40卷无显著差异,这说明本研究实验材料的选择与制作、实验设计与转圈等操作措施能有效地让儿童迷失方向,为以下三个实验做好了准备。3 实验一:幼儿在梯形空间中的再定向3.1 方法3.1.1 被试 23.6岁的儿童共41人,分为2岁组与3岁组;其中2岁组20人,11男,9女,年龄范围:2至3岁,平均年龄2.5岁;3岁组21人,10男,11女,年龄范围:2.8至3.6岁,平均年龄3.2岁。另外4
18、名儿童进入实验室后因紧张害怕未能进行实验就被带出实验室,1名儿童只完成睁眼任务而拒绝进行闭眼任务。所有儿童未曾参加预备实验。3.1.2 设备、材料、设计与程序 基本与预备实验相同,只是将预备实验的矩形房间的一条短边由原来的1.2m缩短为1m,从而构成一个上底为1m,下底为1.2m,两腰分别为1.9m的等腰梯形。3.2 结果与分析 对数据的初级分析结果表明,寻找的正确率不存在位置效应与练习效应,但男孩的正确率在边界水平上显著高于女孩的正确率(p=0.049)。儿童在不同位置的平均寻找次数与标准误如图3左部所示,对寻找次数进行2(年龄:2岁-3岁)2(性别:男-女)4(位置:正确-对角-临近-远处
19、)的重复测量方差分析结果表明,位置的主效应显著,F(2.5,93.5)=14.17,p 0.001。多重比较(LSD法)结果显示,正确位置的寻找次数显著多于临近与远处角落的寻找次数(p正确-临近 0.001,p正确-远处 0.001)。正确位置与对角位置的寻找次数差异不显著(p=0.054),对角位置的寻找次数显著多于临近角落与远处角落的寻找次数(p对角-临近0.01,p对角-远处 0.05),临近角落与远处角落的寻找次数差异不显著(p=0.82)。没有其它主效应及交互作用。这些结果表明,尽管梯形每个角落在几何关系上都是特定的,但儿童却依然不能确定目标物体的位置,仍会去正确位置的对角寻找物体。
20、儿童的这一寻找模式与他们在矩形空间的寻找模式完全相同,统计检验也表明,他们在梯形空间的正确位置与对角的寻找次数显著多于在其它两个角落的寻找次数,F(1,39)=39.98,p 0.001。图3 儿童与成人在梯形空间不同位置的寻找找次数 为何幼儿在梯形空间表现出他们在矩形空间一样的寻找模式?是否因为梯形上下两底差异太小,不易被观察者所察觉,以致他们将梯形感知为矩形?为检验此种可能性,实验二让20名成人完成同样的寻找任务,看成人能否觉察出这些差异并用之于空间再定向。4 实验二:成人在梯形空间中的再定向4.1 方法4.1.1 被试 在校大学生20人,10男,10女,年龄范围:1921岁,平均年龄20
21、岁。4.1.2 设备、材料、设计与程序 与实验一基本相同,只是不进行睁眼试验。由于成人比梯形房间高,所以当被试闭眼转圈结束时,要求继续闭着眼睛慢慢蹲下,然后才睁开眼睛寻找物体。此外,为干扰被试自己默记旋转的圈数,在梯形空间外面以不同速度轻轻走动的主试时而会向被试提问,如“今天是星期几”等。4.2 结果与分析 对数据的初级分析结果表明,寻找的正确率不存在位置效应、性别效应与练习效应。成人在不同位置的平均寻找次数与标准误如图3右部所示。对寻找次数进行的重复测量方差分析结果表明,位置2期李富洪 等:几何模块论的局限性 来自梯形实验的证据179的主效应显著,F(1.42,26.98)=23.03,p0
22、1001。多重比较结果表明,正确位置的寻找次数显著多于其它三种位置的寻找次数(p正确-对角01001,p正确-临近 0.001,p正确-远处 0.001)。对角位置的寻找次数也显著多于临近位置与远处位置的寻找次数(p对角-临近 0.001,p对角-远处 0.05),临近位置与远处位置的寻找次数差异不显著(p=01067)。这些结果表明成人在梯形空间中,能够觉察梯形的边角差异并利用这种差异去正确位置寻找物体。然而,从本实验的结果来看,尽管成人去正确位置寻找的次数明显多于其它位置,但他们在其它三个位置的寻找次数并不均等,也倾向于去对角寻找,这说明实验一中的梯形空间很可能因为上下两底的差异较小而导致
23、少数被试无法觉察或不能利用。为此,实验三进一步增大梯形上下两底的差异,考察儿童能否更多地去正确位置寻找物体。5 实验三:幼儿在大梯度梯形空间中的再定向5.1 方法5.1.1 被试 2.83.9岁的儿童20人,平均年龄3.3岁,8男,12女。所有儿童未参加过前面的实验。5.1.2 设备、材料、设计与程序 与实验一基本相同,只是将实验一中梯形的上底由1m缩短到019m,下底由1.2m增长至1.5m。这就使梯形两底边之间的差异由原来的20cm增至60cm。此外,为进一步分析儿童寻找行为的特征,通过房间正上方的一个摄像头来实时记录儿童的寻找行为。5.2 结果与分析 对数据的初级分析结果表明,寻找的正确
24、率不存在性别效应、位置效应与练习效应。儿童在不同位置的平均寻找次数与标准误如图4所示。对寻找次数进行的方差分析结果表明,位置主效应显著,F(3,57)=5.37,p 0.01。多重比较结果表明,正确位置的寻找次数显著多于临近与远处角落的寻找次数(p正确-临近 0.01,p正确-远处 0.05)。正确位置与对角位置的寻找次数差异不显著(p=0.38)。对角位置的寻找次数显著多于临近角落的寻找次数(p 0.01),对角与远处的寻找次数差异不显著(p=0.09),临近角落与远处角落的寻找次数差异不显著(p=0.29)。这些结果表明,儿童在大梯度梯形空间中仍表现出矩形空间的寻找模式,正确位置与对角的寻
25、找次数显著多于另外两个角落的寻找次数,F(1,19)=14.8,p 0.01。图4 儿童在大梯度梯形空间不同位置的寻找次数 录像分析首先集中于儿童转圈结束时面对的方向对寻找模式的影响,如图5所示,分为上下左右四个方向。儿童在四个面向去正确位置(或对角)寻找的概率明显不同,他们在面向梯形上下两底时会更多地走向正确位置(或对角);相反,面向两腰时却没有表现出此种模式。统计检验表明,儿童在面向上下两底时去正确位置(或对角)的寻找概率远远大于面向两腰时去正确位置(或对角)的寻找概率,2=13.23,p 0.01。图5 儿童在不同面向去正确位置或对角寻找的概率(%)对儿童的路径(即他们是径直走还是绕弯走
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