知覺推理與心智旋轉

為了更全面的了解學生的二維及三維空間能力，本研究使用了知覺 推理及心智旋轉兩種空間測驗來測量學生的空間能力，本節將對於知覺 推理與心智旋轉能力之定義、分類、解題歷程的相關文獻加以歸納整理，

茲分述如下：

壹、 知覺推理與心智旋轉的定義 一、 知覺推理

知覺推理是魏氏兒童智力量表中，與空間能力有高度相關的一個評 定指數，著重在測量知覺和流體的推理、空間訊息處理，以及視–動整合 的能力。知覺推理能力是一個人非常寶貴的資產，因為幾乎所有在生活 中的東西，我們都會先使用視覺的判斷，因為這是最簡單、快捷的方式，

所以第一印象幾乎總是根據知覺推理能力來判斷; 知覺推理涉及有控制 的利用心理活動來解決新的問題，而心理活動通常包括不涉及語言的繪 畫、推論和形成概念; 知覺推理的問題解決情境圍繞著圖片，圖表和圖 形，而不是文字，不像言語推理，它不需依賴語言; 一個知覺推理測試 的典型問題包括：對稱、旋轉、鏡像、形狀、大小和方向，並以圖像為 主而非文字（ Stephen McConkey,2015）。

二、 心智旋轉

在空間能力的研究中，心智旋轉可說是構成空間能力重要的因素之 一（Lynn & Petersen, 1985； Lohman, 1988； McGee, 1979），心智旋轉 也被認為是一種在心中旋轉物體的抽象思考能力，我們在生活中也非常 依賴視覺心像來協助解決問題，而心智旋轉測驗則是常被用來研究視覺 心像的工具(Kosslyn, 1980)若想在學術和職業領域，特別是科學，技術，

工程和數學（STEM）領域有成功表現，心智旋轉能力是其中一項非常重 要的要素，智力的個體差異，空間能力，策略選擇也都與是否精通心理

27

旋轉有關 (von Károlyi, C., 2013)，自從 Shepard 和他的同事們發表了心智 旋轉測驗後，開始有心智旋轉相關的研究（Shepard & Metzler, 1971；

Shepard & Cooper, 1982），因此，培養和提高心理旋轉能力的能有效地提 升未來在學術和職業領域的效能。

雖然現在有許多可以直接看到大腦活動的技術及儀器，但我們對於 心智旋轉的本質及內在運作方式其實並未有比較深入的了解（Kosslyn, 1994, Hegarty, 2007 ），然而決定人在科學進展的關鍵卻是空間能力

（McFarlane Smith, 1964），因此國外的科學課程已開始將學生的心智旋 轉能力作為訓練的主軸（Moreau, Clerc, Mansy-Dannay, & Guerrien, 2010；

Peters, Lehmann, Takahira, Takeuchi, & Jordan, 2006），而無論是在電玩

（Boot, Kramer, Simons, Fabiani, & Gratton, 2008； Feng, Spence, & Pratt, 2007）、音樂（Brochard, Dufour, & Despres, 2004）、運動空間（Jansen, Titze,

& Heil, 2009； Moreau, Clerc, Mansy-Dannay & Guerrien, 2012； Pietsch &

Jansen, 2012）等也開始認同心智旋轉能力在人類認知的重要性。

貳、 知覺推理與心智旋轉的分類 一、 知覺推理

在魏氏兒童智力量表（WISC-Ⅳ）共有十項核心分測驗和四項交替 分測驗。這些分測驗分別屬於四種不同的指數分數，分別為：語文理解 指數（VCI）、知覺推理指數（PRI）、工作記憶指數（WMI）和處理速度 指數（PSI）。

知覺推理能力由圖形設計、圖畫概念、矩陣推理三個分測驗評量，

匯集而成每位學生的知覺推理指數（PRI）。三個分測驗簡述如下：

28

(一) 圖形設計-觀看目標圖像，並使用有紅白面的方塊，在規定的時 限內將立體方塊拼成與目標圖像相同的樣子。此分測驗主要測 量學生視覺空間推理、視覺結構能力、分析，綜合的抽象設計、

邏輯和推理的能力。

(二) 圖畫概念-在多個目標圖像中，分別選出具有共同特性的圖像。

此分測驗主要測量學生圖畫概念、抽象推理、類別推理、流體 推理、知覺組織的能力。

(三) 矩陣推理-觀察不完整的矩陣圖後，從答案選項中選出能填補其 缺少部分的圖像，其矩陣類型分別有：類推和系列推理、連續 與分離的花樣填補、歸類。此分測驗主要測量矩陣推理、非言 語推理、概念的形成、視覺處理的能力。

根據魏氏兒童智力量表對學生能力的分組定義，魏氏兒童智力量表 的平均數為 100，標準差為 15，若組合分數高於兩個標準差（PR98）以 上，則屬非常優秀，若組合分數介於一又三分之一到兩個標準差之間

（PR91-98），則屬優秀; 若組合分數介於三分之二到一又三分之一個標 準差之間（PR75-91），則屬中上; 若組合分數介於三分之二到負三分之 二個標準差（PR25-75），則屬中等; 若組合分數介於負三分之二到負一 又三分之一個標準差之間（PR9-25），則屬中下; 若組合分數介於負一又 三分之一到負二個標準差之間（PR2-9），則屬臨界; 若組合分數低於負 兩個標準差（PR）以下，則屬非常低，因此我們可以常參考魏氏兒童智 力量表來為學生進行能力分組。

而在魏氏兒童智力量表的研究中曾提到，魏氏兒童智力量表測量之 認知能力包含結晶智力、視覺處理、流體推理、短期／工作記憶及處理 速度，而不論將流體推理與視覺處理以 Cattell 與 Horn 發展的智力雙元 論中的流體智力與晶體智力分開或結合成魏氏兒童智力量表四因素內之 知覺推理指數，兩種均為可行的詮釋方式（陳心怡，2009）。

29

二、 心智旋轉

(一) Shepard 與 Metzler 的心智旋轉測驗

Shepard 與 Metzler 在 1971 年提出心智旋轉的概念，可說是最先提 出心智旋轉這個名詞的鼻祖，其心智旋轉測驗（mental rotation task）更 是眾多空間測驗中最知名的研究之一，由於此測驗的產出，心智旋轉開 始變成是一種可具體測量的能力。在 Shepard & Metzler 的三維立方體不 對稱的組合圖中，如下圖 2-1 的 A、B、C，學生必須判斷兩個方向不相 同的物體，是否為兩個相同的立體圖像。

Shepard 的假設是，在進行圖形的旋轉時，我們會先鎖定三維立方體 的其中一個部位，然後將整個三維立方體進行順時鐘或逆時鐘的旋轉，

從研究結果發現，不僅研究結果清楚地支持當初的假設，且每位受試者 所花費的時間與圖形間所旋轉的角度呈現線性的增加（Cooper, 1975；

Cooper &Shepard, 1973, 1975； Shepard & Cooper, 1982； Shepard &

Metzler, 1971），Shepard 的研究解釋了人類思考中，具有模擬內在空間想 像歷程的能力，更反應了圖像與部件間的一體關聯，且旋轉的過程需要 時間，旋轉的角度越大，所耗的時間越多（Wraga, Thompson,Alpert, &

Kosslyn, 2003）。

30

圖 2-1 Shepard & Metzler 的心智旋轉測驗圖

A 圖表示立體方塊在平面上的旋轉; B 圖表示立體方塊在深度上的旋 轉; C 圖表示立體方塊的鏡射。

(二) Cooper 與 Shepard 的英文字母旋轉測驗

此測驗使用了旋轉不同角度的英文字母作為圖像，請學生指出哪一 個英文字母是正確的圖像，哪一個是鏡像後的圖像，研究結果發現學生 在判斷時，會先將圖像旋轉到與他們記憶中英文字母的相同位置及角 度，再來比較對錯圖形（Cooper at al., 1973），如下圖 2-2。

圖 2-2 Cooper & Shepard 的英文字母旋轉測驗

31

(三) Vandenberg 與 Kuse 的心智旋轉測驗

Vandenberg 與 Kuse 提到心智旋轉是指個體能快速且正確的旋轉二 維或三維圖像之能力，他們設計了著名的范登堡心智旋轉測驗，此測驗 是以 Shepard 和 Meyzler 測驗為基礎編製的心智旋轉測驗，有別於過去以 是非題的作答方式，Vandenberg 和 Kuse 將題型設計成選擇題的形式，學 生需在四個圖形選項中，選出與目標圖形相同的兩個圖形（Vandenberg, Kuse, 1978），如下圖 2-3。

(四) Cooper 的複雜多邊形心智旋轉測驗

Cooper 發展了一個複雜多邊形的心智旋轉測驗，研究中有別於其他 測驗的部分，是受試者在測試前先看過旋轉前的原始圖片，然後在研究 中憑著過去的記憶，找出相同的旋轉後圖形（Cooper, 1975），如下圖 2-4。

圖 2-3 Vandenberg 與 Kuse 的心智旋轉測驗

圖 2-4 Cooper 不規則多邊形心智旋轉測驗

32

(五) Peters 測驗

Peters 改編范登堡測驗，重新繪製一套 Peters 測驗，此測驗的總題數 為 24 題，作答時間為 6 分鐘，答題方式不變，但計分方式有兩種選擇，

一種是兩個答案都有選出來才可以得兩分，滿分 48 分；另一種則是只要 答對其中一個答案就可得一分，滿分 24 分。自從 Peters 的測驗出現後，

大家多以他的測驗作為心智旋轉的研究基礎（Peters, Laeng, Latham, Jackson, & Zaiyouna, 1995）。

(六) Voyer & Hou 測驗

改編 Peters 測驗，將題型分為不同鏡像及不同結構，鏡像題型為錯 誤的選項跟正確選項的圖形互以鏡像的方式呈現，而不同結構的圖形則 是錯誤選項與正確選項的圖形皆以積木數同，但排列方式不同的方式呈 現，並且還將旋轉的後的圖形依照呈現時大部分圖形的外觀遮掩程度分 成有遮避與無遮蔽兩類(Voyer & Hou, 2006)。

(七) 動態的心智旋轉測量方式

在心智旋轉的領域裡，有許多不同的分析向度，近來為了瞭解學生 的 思 考 歷 程 ， 加 入 了 眼 球 運 動 測 量 （ de'Sperati, 2003 ）、 腦 電 圖 (Georgopoulos, Lurito, Petrides, Schwartz & Massey, 1989)、EEG 腦波的測 量度（Prime & Jolicoeur, 2010）、fMRI 核磁共振 （Cohen at al., 1996；

Richter, 2000；Creem, 2001；Koshino, 2005；O'Boyle, 2005）、TMS （Ganis, 2000）等儀器，而大家也開始將研究焦點放在平移、鏡射、旋轉等圖像 運動的想像，有別過去只是針對視覺圖像的想像表現研究。

33

參、 解題思考歷程 一、 捷思法

學生面臨複雜問題需立即評估及決策時，習慣採用以下三種捷思法 (heuristic)來直覺處理與直觀推論問題(Tversky & Kahneman,1973)，詳述 如下:

(一) 代表性捷思法(Representative Heuristic ):依據常態事件中最具代 表性的例子，推斷同類事件某種結果的可能性，例如:常態分配 與隨機取樣。

(二) 便利性捷思法(Availability Heuristic):依據個人經驗中對於某事 例最易聯想到的情境或現象，推斷同類事件某種結果的可能性，

例如:看到紅霞就認為有颱風。

(三) 定錨式捷思法(Anchor-adjustment Heuristic):依據該類事件的第 一印象，推斷同類事件的結果，例如:刻板印象與偏見。

二、 兩大思考歷程理論

Johnson 認為進行心智旋轉時具備以下四個思考步驟（Johnson , 1987）：觀察立體物件、在心中旋轉物件，使物件轉到和原立體物件相似 的位置、做出比較、決定立體物件間是否有相同，而有關心智旋轉的心 智運作過程，目前有兩大理論互相抗衡，分別由 Shepard 及 Pylyshyn 兩 位學者提出，詳述如下：

(一) Shepard 心智旋轉的類比理論-實體和整體的心智運作

(一) Shepard 心智旋轉的類比理論-實體和整體的心智運作