本節將指出本研究研究對象及實驗之範圍以及研究限制。
一、研究範圍
（一）本研究並不探討心像旋轉上的「性別」、「年齡」、「優勢手」…等其他各種 可能的個別差異因素與心像旋轉作業之間的關係，只探究心像旋轉階段可 能的心智歷程。參與實驗的對象限制在大專院校裡就學的18~35 歲之男性。
（二）為了減少不同的圖形刺激材料對於心像旋轉可能的影響，本研究的實驗刺 激材料限制在無意義之2D 圖形，以減少圖形不同所造成的可能效應。
二、研究限制
（一）本研究之結果不可過度推論至18~35 歲男性以外之對象。
（二）本實驗所採用的實驗刺激材料為無意義之2D 圖形，其他種類的圖形在心 像旋轉作業中的各個過程，皆可能有不同於本實驗所採用圖形之效應。因 此實驗結果不可過度推論至與本實驗圖形差異過大的圖形。
第五節 研究假說
本研究根據研究問題以及所採用的實驗，提出以下假說：
一、 受試者在心像旋轉作業中的反應時間隨角度變化之斜率不受刺激材料圖 形之複雜度的影響。
二、 受試者在心像旋轉作業中的反應時間隨角度變化之斜率不受刺激材料圖 形之整體性的影響。
三、 受試者在心像旋轉作業中的反應時間不受方向線索的影響。
四、 受試者在心像旋轉階段的心像表徵是完整的。
五、 心像旋轉作業中，受試者的在圖像編碼階段的眼動模式不與想像階段的眼 動模式相關。
第貳章 文獻探討
本章第一節探討視覺空間能力與化學的關係，敘述化學領域使用的表徵所包 含的視覺空間資訊以及視覺空間能力在化學學習上的重要性。第二節針對視覺空 間資訊的儲存，探討心理學上對於人類如何儲存視覺空間資訊，也就是人類如何 儲存心像的相關研究，其中包含資訊儲存的雙代碼理論、純命題表徵的理論以及 強調心像與視知覺功能相當的假說，最後並探究眼動與心像儲存之間的關係。第 三節則論及本研究欲探究之主要心理歷程─心像旋轉，探討心像旋轉研究過去的 典範實驗─心像旋轉作業以及相關的解釋分歧。第四節討論人類在執行任何心智 歷程時，都必須考慮到的工作資源有限的問題，也就是人類的工作記憶能力有 限。本節探討過去在工作記憶上的主要理論之看法。
第一節 視覺空間能力與化學的關係
在化學教育上，我們對於學生的要求非常多，除了瞭解抽象的理論、一些必 備的數學運算技巧、必須要有的實驗技術、還要能夠用口語或是寫作的方式互相 溝通彼此的概念，以及從二維符號表徵中視覺化三維的資訊(Jones, Jordan, &
Stillings, 2001)。化學領域的核心在於分子的空間結構與化學反應過程的瞭解。化 學的許多概念本身包含了大量的視覺空間資訊，學生在學習中必須使用視覺空間 能力來理解概念。像是視覺化分子或是晶體結構的三度空間分佈，在有機分子上 確定官能基的位置。因此如何幫助學生視覺化及理解物質的分子層次上的資訊，
成了化學學習上的重點。
一、化學領域所使用的表徵包含的視覺空間資訊
化學家組合了三個不同但彼此相關的層次─巨觀的(macroscopic)、次微觀的 (submicroscopic)及符號的(symbolic) 表徵來增進化學概念的解釋。巨觀表徵是對化 學現象的觀察，包含日常生活中的經驗。為了溝通巨觀現象的觀察，化學家使用 許多符號，像是元素符號、方程式…來表示其概念。而亞微觀層次的表徵則以特 殊的物質理論為基礎，用來解釋巨觀現象，像是電子、分子、原子等概念。這些 次微觀的實體是存在的，但是無法直接觀察到(Treagust, Chittleborough, & Mamiala, 2003)。分子的表徵像是個具體空間敘述以及抽象視覺編碼的複雜混合體(Jones et al., 2001)，敘述著原子與原子之間的距離、結合方式以及角度，再加上應有的化 學概念，甚至包含了可能產生何種反應的資訊。
二、化學學習需要視覺空間能力
視覺空間能力在化學學習中形成化學分子結構的表徵上非常重要。在化學學 習當中，學生有時候必須從教科書上的二度平面圖形獲得資訊，在腦海中形成該 物質的三度空間結構(Balaban, 1999; Habraken, 1996; Hoffmann & Laszlo, 1991; Kozma et al., 2000; Mathewson, 1999; Nye, 1993)，並旋轉這些結構來判斷鍵角以及是否有可能 產生化學反應的活化位置。學生常常因為無法在化學表徵上三個層次間轉換，以 致於無法理解必要的化學概念，特別是在次微觀層次以及符號層次的表徵上，這 兩個層次的表徵看不見且抽象，而學生的學習往往依賴著感官資訊(Ben-Zvi, Eylon,
& Silberstein, 1987; Wu, Krajcik, & Soloway, 2000)。
三、化學解題依賴視覺空間能力
在化學解題上，過去的研究還發現學生的解題能力都與視覺空間能力呈現高 相關，無論是與空間相關的問題或與空間不相關的問題 (Bodner & McMillen,1986;
Carter, LaRussa, & Bodner, 1987)。甚至在化學反應方程式的平衡，這類明顯地非空 間相關的化學問題上，視覺空間能力與學生的表現也呈現高度相關(Staver & Jack, 1988)。同樣的情形出現在數學學習上，Pattison 及 Grieve(1984)發現學生的空間能 力，同時與空間相關（幾何問題）及非空間相關（代數）的數學解題成就呈現高 度相關(Wu, Krajcik, & Soloway, 2001)。這些顯示，視覺空間能力在科學的學習上非 常重要，不只是化學學習而已。
目前並沒有很一致的結論來解釋視覺空間能力的改善為何可以幫助空間相 關與非相關的科學學習及解題，大部分的研究認為視覺空間能力與化學問題解決 表現顯著相關的主要原因，可能奠基於一般認知因素上(general cognitive factor)，但 目前並沒有研究能有系統地分開視覺空間能力與一般認知因素（如智商或是學科 能力）(Wu & Shah, 2004)。部分的研究認為這或許是因為這些運算能力是由類似的 腦區來運作的關係(D’Esposito et al., 1998)。儘管不確定原因為何，我們還是發現學 生接受訓練或是練習視覺空間的相關作業，可以有效地改善化學學習成就(Wu &
Priti, 2004; Small & Morton, 1983; Tuckey, Selvaratnam, & Bradley, 1991)。因此僅能知道我 們可以藉由訓練或是練習視覺空間能力來改善化學的學習，但如何有效地改善視 覺空間能力，甚至直接幫助學生建構視覺表徵及轉換視覺表徵的能力，則需要更 進一步的研究。
在化學教育上，我們無法直接地瞭解視覺空間能力所需要的心智歷程有哪 些，必須藉助於心理學上關於視覺空間能力的研究。下一節將討論心理學上對於
資訊的表徵相關的理論，特別是人類如何儲存「心像」。
第二節 資訊的表徵─人類如何儲存心像
Allan Paivio 在 1969 年對於人類如何儲存資訊這樣的問題，主張人類是同時使 用圖像以及語言的編碼來儲存資訊的，也就是所謂的雙代碼理論(dual-code theory)，他認為訊息的表徵與處理有兩個不同的系統存在，語言系統處理語言相 關的訊息，非語言系統則是以影像為基礎執行處理與表徵(Haberlandt, 1997;
Sternberg, 1999)。其中心像是屬於物理刺激的類比編碼(analogue code)，而符號編碼 (symbolic code)則用來儲存語意資訊。當然不是所有的人都同意這樣的看法，John Anderson 及 Gordon Bower(1973)認為我們並非用影像的形式來儲存心像，而是用一 種接近於命題的抽象形式來儲存心像，無論是影像或是口語陳述都是由命題來表 徵的。在兩極端的主張中，一些學者針對這些看法做了些研究，發現類比編碼可 能有些限制，有些圖形的資訊並非以影像的方式來儲存(Reed, 1974; Chambers &
Reisberg, 1985, 1992)，而且圖形的語意資訊很容易扭曲了圖形視覺心像的回憶 (Carmichael, Hogan, & Water, 1932)。而另一些研究則顯示心像比命題容易直接操作 (Finke, Pinker, & Farah, 1989)，且心像與視知覺是功能上相同的((Kosslyn, 1994; Kosslyn et al., 2001; Laeng & Teodorescu, 2002)。兩方的研究中都有其支持的實驗證據存在 著。以下針對著這兩極端的主張做一詳細的說明，並介紹了目前認知神經心理學 中對於心像處理主流的理論。
一、Allan Paivio 雙代碼理論 樣檢驗，證實了干擾的存在(Brooks, 1968; Sternberg, 1999)。只不過 Paivio 這樣的假 設是認為視覺影像牽涉到視覺表徵而非空間表徵，但後續Baddeley 及 Lieberman (1980)的研究則發現這樣的干擾其實是來自於空間歷程的共有，也就是是非語文 系統內的知覺處理以及心像處理共有空間相關歷程，而非Paivio 最初所主張的視 覺表徵的緣故(Haberlandt, 1997)。
二、John Anderson 及 Gordon Bower 的命題理論
1973 年 John Anderson 及 Gordon Bower 提出知識表徵的另一理論，稱為概念命 題假設(conceptual-propositional hypothesis)或命題假設(propositional hypothesis)，認為知
識的表徵是以命題為形式的關係網，概念與概念之間的關係，以命題來連接。他 們兩人與其後繼者Pylyshyn，皆認為人類不可能以影像的形式儲存心智表徵，主 張人類的心像表徵應該比較接近於抽象形式的命題，因為命題可以被用來描述任 何種類的關係(Palmer, 1975; Pylyshyn, 1973, 1981)。根據這樣的觀點，他們認為影像 只是個附帶現象(epiphenomena)，是命題與其他認知過程交互作用的結果(Sternberg, 1999)。
不少研究支持著Anderson 及 Pylyshyn 的看法，認為我們不可能是以影像的形 式來儲存資訊，比較著名的Reed(1974)的研究，發現受試者無法喚出影像來判斷 一 個 複 雜 圖 形 中 是 否 包 含 某 些 簡 單 特 殊 形 狀(Reed, 1974; Sternberg, 1999) ； Chambers 及 Reisberg(1985, 1992)則發現對於類似於鴨兔圖的模擬兩可圖案，受試 者在不可再看的情況下，無法回憶出另外一種解釋(Chambers & Reisberg, 1985, 1992;
Sternberg, 1999)。
亦有不少研究發現影像作為知識表徵的一種形式是必要的，在某些必須組合 兩個圖來形成一個圖像時，心像是比較能夠直接運作的形式(Finke et al., 1989;
Peterson, Kihlstrom, Rose, & Glisky, 1992)。因此有些研究者認為 Anderson 及 Pylyshyn 觀點的研究之實驗結果部分被支持的原因，可能是實驗過程中受試者的命題編碼 壓倒了影像編碼，而扭曲了視覺影像的回憶，使得受試者無法提取出視覺影像的
Peterson, Kihlstrom, Rose, & Glisky, 1992)。因此有些研究者認為 Anderson 及 Pylyshyn 觀點的研究之實驗結果部分被支持的原因，可能是實驗過程中受試者的命題編碼 壓倒了影像編碼，而扭曲了視覺影像的回憶，使得受試者無法提取出視覺影像的