心像旋轉作業中的心智表徵

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(1)國立臺灣師範大學科學教育研究所博士班博士論文. 指導教授：洪. 蘭博士. 李田英博士. 心像旋轉作業中的心智表徵 The Mental Representation during the Mental Rotation Task. 研究生：韓承靜. 中華民國九十七年七月.

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(3) 摘要視覺影像的轉換在化學的學習上扮演重要的角色，但目前心理學界尚未清楚視覺影像轉換之相關運作的關係。心像旋轉是旋轉腦海中的圖像的能力，是視覺影像轉換能力的一種。本研究藉由探究心像旋轉作業中的心像旋轉階段的心智過程，以釐清心像旋轉此一視覺影像轉換過程的機制以及內在的心像表徵特性。本研究設計六個實驗以探究心像旋轉之內在表徵和心智歷程以及心像旋轉作業中的眼球運動掃瞄軌跡特性。研究結果發現心像旋轉歷程包含簡單架構的旋轉以及部件細節的重建兩個細微過程，且心像旋轉時的心像並不完整，並發現旋轉心像時眼球運動掃瞄軌跡與該影像編碼時的眼球運動掃瞄軌跡有關。在化學教育上要幫助學生視覺影像轉換，圖形中的空間關係要儘量明確且具有可以幫助重建部件空間關係的參考軸。這樣的圖形不但能幫助學生記憶與辨識，在轉換上也比較容易降低視覺空間記憶的負荷。為了有效的幫助學生化學學習，宜進一步利用化學領域使用的圖形或符號作為實驗刺激材料，探究化學常用圖形在視覺轉換時重要的線索，才能在教學上加強該線索的使用。. 關鍵字：心像旋轉、心智表徵、眼球運動掃瞄軌跡、整體性、複雜度.

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(5) Abstract. The transformation of visual images is very important during the learning of chemistry. It’s not yet clear about the relationship of the visual imagery transformation in psychology. To rotate or transfer the mental image in the mind, mental rotation is one of abilities about visual transformations. The study tried to investigate the mental process during the mental rotation phase in the mental rotation task, to clarify the mechanism of mental rotation phenomenon and the nature of mental representation during mental rotation. The study included six experiments to explore the nature of mental representation, the mechanisms of mental rotation and the scanpaths of eye movement in the mental rotation. There are three findings in the study. First, there are two subtle processes in the mental process of mental rotation – rotation of a reference line and reconstruction of the image. Second, the mental image is incomplete during mental rotation. Third, the eye movement scanpaths are relative during the encoding of one visual image and the rotating that visual mental images. IF a figure has an obvious reference line to restructure the components in the figure, it might help students transfer visual image. These kinds of figures not only help students remember and recognize them easier, but also reduce the visual spatial working memory in the transformation. The stimuli used in these experiments are specific to investigating the study only and the findings are not inferred overly to all visual transformations in the chemistry learning. It’s necessary to utilize the figures and symbols of the chemistry for stimuli of future experiments for searching the important index during any visual transformation in the chemistry learning.. Key words: complexity, eye movement scanpaths, integration, mental representation, mental rotation.

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(7) 目次. 第壹章緒論…………………………………………….……………………………………………..1 第一節研究背景與研究動機……………………………..…………………………………..1 第二節研究目的與研究問題…………………………………………..……………………..6 第三節名詞解釋…………………………………………………………………………..……..7 第四節研究範圍與研究限制………………………………………………………………....8 第五節研究假設………………………………………………………………………………….9. 第貳章文獻探討……………………………………………………………………………………11 第一節視覺空間能力與化學的關係………………………………………………………11 第二節資訊的表徵─人類如何儲存心像……………………………………………...…14 第三節心像旋轉作業之相關研究…………………………………………………………19 第四節資源有限的工作記憶能力…………………………………………………………24. 第參章研究方法………....………………………………………………………...………………29 第一節研究設計…………………………………………..……………………………………29 第二節實驗方法………………………………………………………………..………………30 實驗一：圖形複雜度與整體性在心像旋轉作業中的影響…………..……….…..31 實驗二：不同判斷要求下圖形刺激材料的複雜度與整體性的影響………. ...38 實驗三：方向線索對心像旋轉現象的影響……………………………………………43 實驗四：心像旋轉作業中圖形刺激中部件對心像旋轉現象的影響……..……49 實驗五：心像旋轉作業中心像表徵的完整性測試…………………………..………55. i.

(8) 實驗六：心像旋轉作業中的眼球運動掃瞄軌跡特性..………….………….….……59. 第肆章研究結果與討論……………………………………………………………….…………71 第一節研究結果………………………………………………………………………..………71 實驗一：圖形刺激材料的複雜度與整體性在心像旋轉作業中的影響…...……71 實驗結果……………………………………………………………………………………..71 討論...………………………………………………………………………………….…...…76 實驗二：不同判斷要求下圖形刺激材料的複雜度與整體性的影響…………....76 實驗結果……………………………………………………………………………………..76 討論…………………………………………………………………………………….……..84 實驗三：方向線索對心像旋轉現象的影響………….…..………….…………………87 實驗結果……………………………………………………………………………………..87 討論…………………………………………………………………………….……………..92 實驗四：心像旋轉作業中圖形刺激之部件對心像旋轉現象的影響……………93 實驗結果…………………………………………………………..…………………………93 討論…………………………………………………………………………………….……..98 實驗五：心像旋轉作業中心像表徵的完整性測試………………..…………………98 實驗結果……………………………………………………………………………………..98 討論……………………………………………………………………...…………..………112 實驗六：心像旋轉作業中的眼球運動掃瞄軌跡特性………….….………………112 實驗結果……………………………………………………………………………………112 討論………………………………………………………………………………….………117 第二節綜合討論…………………………………………………………………..…………..118. ii.

(9) 第伍章總結、結論與建議………………………………………………………………………121 第一節總結……………………………………………………………………………………..121 第二節結論……………………………………………………………………………………..125 第三節建議……………………………………………………………………………………..126. 參考文獻………………………………………………………………………………………..……128. iii.

(10) iv.

(11) 表目次. 表 4-1-1. 實驗一結果各受試者正確的「Yes 嘗試」之平均反應時間（8 人）………….72. 表 4-1-2. 實驗一之正確的「Yes」嘗試平均反應時間與正確率結果（8 人）.........73. 表 4-1-3. 實驗一之三因子相依變異數分析摘要表（2x2x3 設計，8 人）……………….74. 表 4-1-4. 實驗一之二因子相依變異數分析摘要表（2x2x2 設計，8 人）.......................75. 表 4-2-1. 實驗二結果各受試者正確的「Yes 嘗試」平均反應時間（11 人）………...….77. 表 4-2-2. 實驗二之正確「Yes」嘗試平均反應時間與正確率結果（11 人）…………….78. 表 4-2-3. 實驗二之完全相依設計變異數分析摘要表（2x2x3 設計，11 人)……………79. 表 4-2-4. 實驗二之整體性變項與角度變項之單純主要效果表（11 人)……………...80. 表 4-2-5. 實驗二之複雜度變項與角度變項之單純主要效果表（11 人)……………...81. 表 4-2-6. 實驗二之統計摘要表（2x2x2 三因子設計，11 人)……………………………….82. 表 4-2-7. 實驗二之整體性變項與角度變項之單純主要效果表（11 人)………………83. 表 4-3-1 實驗三各受試者 RT1 平均反應時間（14 人）………………………………..…….88 表 4-3-2 實驗三 RT1 平均反應時間之平均（14 人）……………………………….………..88 表 4-3-3 實驗三各受試者 RT2 平均反應時間（14 人）………………………………….…..89 表 4-3-4 實驗三 RT2 平均反應時間之平均（14 人）…………………………………………..89 表 4-3-5 實驗三階段一 RT1 統計摘要表（2x2 二因子混合設計，14 人)……………..….90 表 4-3-6 實驗三階段一錯誤率之統計摘要表（2x2 二因子混合設計，14 人)…………92 表 4-4-1 實驗四結果各受試者之正確「Yes 嘗試」之平均反應時間（9 人）……………93 表 4-4-2 實驗四結果所有受試者平均反應時間與正確率（9 人）………………………94 表 4-4-3 實驗四之統計摘要表（2x3 二因子設計，9 人)…………………………………….96 表 4-4-4 實驗四之部分部件圖變項與角度差異變項單純主要效果表（9 人）………96. v.

(12) 表 4-4-5 實驗四之統計摘要表（2x2 二因子設計，9 人)…………………………………….97 表 4-4-6 實驗四之 2x2 分析之單純主要效果表（9 人）……………………………………..97 表 4-5-1 實驗五之各受試者的正確「Yes 嘗試」平均反應時間（19 人）………………99 表 4-5-2 實驗五之各受試者的正確「No 嘗試」平均反應時間（19 人）…………….99 表 4-5-3 實驗五之正確「Yes 嘗試」之平均反應時間與正確率（19 人）……………..100 表 4-5-4 實驗五之正確「No 嘗試」之平均反應時間與正確率（19 人）………………..101 表 4-5-5 實驗五之正確嘗試之平均反應時間與正確率（19 人）……………………...102 表 4-5-6 所有正確嘗試之反應時間統計摘要表（2x5x3 二因子設計，19 人）………...106 表 4-5-7 所有嘗試之錯誤率分析統計摘要表（2x5x3 二因子設計，19 人)…………….107 表 4-5-8 錯誤率中嘗試判斷類型與角度差異單純主要效果表（19 人）…..................107 表 4-5-9 角度差異 90 度之全部正確嘗試平均反應時間單一樣本檢定表…………..108 表 4-5-10 角度差異 180 度之全部正確嘗試平均反應時間單一樣本檢定表……..…108 表 4-5-11 角度差異 90 度之全部嘗試錯誤率單一樣本檢定表（19 人）………………..109 表 4-5-12 角度差異 180 度之全部嘗試錯誤率單一樣本檢定表（19 人）………………109 表 4-5-13 角度差異 90 度之 No 嘗試錯誤率單一樣本檢定表（19 人）………………….110 表 4-5-14 角度差異 180 度之 No 嘗試錯誤率單一樣本檢定表（19 人）………………...111 表 4-6-1 實驗六結果平均反應時間與正確率（8 人）……………………………………..112 表 4-6-2 各受試者 xy、st、wv 凝視點位置變化及跳視向量變化之平均相關係數....114 表 4-6-3 實驗六 xy、st、wv 凝視點位置變化與跳視變化相關係數平均值（8 人）…..116. vi.

(13) 圖目次. 圖 1-1-1. 化學課本中常用的鏡像異構物範例.……………………………..………………..2. 圖 1-1-2. 化學課本中常用來表示分子結構的圖形範例……………..…………………...3. 圖 1-1-3. 沙利竇邁的分子結構………………………………………………...………………...3. 圖 3-1-1. 實驗一實驗刺激材料的四種圖形範例.………………….………………………33. 圖 3-1-2. 實驗一實驗刺激材料中「互為鏡像圖」之圖形範例………….……………….33. 圖 3-1-3. 實驗一之實驗程序…………………………………………………………………….35. 圖 3-2-1. 實驗二之實驗刺激材料的相同圖與不同圖的圖形範例.………...…………39. 圖 3-2-2. 實驗二之實驗程序…………………………………………………………………….40. 圖 3-3-1. 實驗三之實驗程序（以箭頭作為方向線索）…………...……………………….46. 圖 3-2-2. 實驗三之實驗程序（以參考軸作為方向線索）…………...……………...…….47. 圖 3-4-1. 實驗四之實驗程序─部分部件圖為標的圖的線條部件…..……………..….51. 圖 3-4-2. 實驗四之實驗程序─部分部件圖為標的圖的方塊部件.……...…………….52. 圖 3-5-1. 實驗五之實驗程序…………………………………………………………………….57. 圖 3-6-1. 眼動儀的基本系統設備……………………………………….…….....…………….61. 圖 3-6-2. 實驗六之實驗程序…………………………………………………………………….63. 圖 3-6-3. 眼動儀上位置變化方向之正負值意義說明……………........…..…………….65. 圖 3-6-4. 位置變化及向量變化方向之數值意義說明…………………...……………….65. 圖 3-6-5. 位置變化之意義說明……….…………………………………...….…..…………….66. 圖 3-6-6. 向量變化之意義說明…………………………………………………...…………….66. 圖 3-6-7. 刺激圖形上的位置代號……….………………………………..….…..…………….67. 圖 3-6-8. 刺激圖形上的 s 值與 t 值之位置代號…..………………………..……………….68. vii.

(14) 圖 3-6-9. 刺激圖形上相對於參考軸的位置代號……….……………..……..…………….69. 圖 3-6-10. 刺激圖形上的 w 值與 v 值之位置代號…..………..………………….………….69. 圖 4-1-1. 實驗一各條件下正確的「Yes 嘗試」之反應時間圖.…………………………..72. 圖 4-1-2. 實驗一所有嘗試在各條件下之錯誤率圖……………………………………….73. 圖 4-2-1. 實驗二各條件下正確的「Yes 嘗試」之反應時間圖…………………………....77. 圖 4-2-2. 實驗二各條件下所有反應之錯誤率圖………………………………………..…78. 圖 4-3-1 實驗三各條件下的 RT1 反應時間圖……………………………..………………..90 圖 4-3-2 實驗三各條件下的 RT2 反應時間圖……………………………………………....90 圖 4-3-3 實驗三各條件下的錯誤率圖…………………………………………………….….90 圖 4-4-1 實驗四各條件下的正確的 Yes 反應之平均反應時間對角度作圖………..94 圖 4-4-2 實驗四各條件下的錯誤率對角度作圖…………………………………………..95 圖 4-5-1. 實驗五各條件下的正確「Yes 嘗試」反應時間圖……………………………100. 圖 4-5-2 實驗五各條件下的正確「No 嘗試」反應時間圖………………………………101 圖 4-5-3. 實驗五各條件下所有正確的嘗試之反應時間圖……………………………102. 圖 4-5-4. 實驗五各條件下的所有嘗試之錯誤率圖……………………………………...103. 圖 4-5-5. 實驗五各條件下「Yes 嘗試」之錯誤率圖………………………………………..104. 圖 4-5-6. 實驗五各條件下「No 嘗試」之錯誤率圖………………………………………...105. 圖 4-6-1. 實驗六 xy、st、wv 凝視點位置變化與跳視變化相關係數平均………….….115. 圖 4-6-2. 實驗六 xy、st、wv 凝視點位置變化與跳視變化相關係數各別比較………115. viii.

(15) 第壹章緒論本章共分四節，分別敘述本研究之研究背景與研究動機、研究目的與研究問題、研究範圍與研究限制以及研究假說。. 第一節研究背景與研究動機. 化學家利用不同的表徵與符號，來理解和描述化學世界的原子、分子的結構以及化學反應的過程。這些視覺化的表徵與符號形成了化學的概念，是化學家們彼此溝通的語言，讓化學家們可以有效地以視覺的形式交換資訊(Balaban, 1999; Habraken, 1996; Hoffmann & Laszlo, 1991; Kozma, Chin, Russell, & Marx, 2000; Mathewson, 1999; Nye, 1993)。比如在描述化學反應時，描繪反應物與生成物的結構，畫出符號、箭頭及方程式(Kozma et al., 2000)；用分子結構與原子模型被用來說明它們的組成及結構。這些視覺展示與化學概念並不是武斷的，也非異種同形 (isomorphism)，不同的表徵展示著不同的概念，也顯示圖形與指示物的關係(Hegarty, Carpenter, & Just, 1991; Winn, 1991) 。因此分子結構的視覺化對於化學領域上的新發現很重要。在化學學習上的研究上，顯示化學學習與視覺空間能力以及普通推理能力相關。學生在化學概念上的推理錯誤，常常是因操作分子結構的視覺空間表徵有困難(Wu & Shah, 2004)。因此在化學學習上，如何幫助學生視覺化分子結構是很重要的課題。在化學教學上，利用視覺表徵使學生理解化學的概念。在課堂中、教科書上，使用不同的視覺表徵來介紹化學的基本概念(Noh & Scharmann, 1997)，以說明分子 1.

(16) 式相同但結構不同的異構物為例，對學生而言最難以分辨的鏡像異構物，必須仰賴這些視覺空間表徵來說明。以圖 1-1-1 為例，左邊的分子與右邊的分子是鏡像異構物，當圖形以圖 1-1-1 的形式來呈現，且將兩個分子放在一起比較，學生通常比較能夠理解這兩個分子的不同。可是當這兩個分子分開呈現時，有的學生就已經分不出來後來看到的圖形與原來看到的有何不同了。. 圖 1-1-1：化學課本中常用的鏡像異構物範例圖中左邊的分子與右邊的分子在結構上屬於鏡像異構物。兩個分子無論怎麼樣旋轉，都沒有辦法剛剛好的互相重疊。. 在化學學習上，特別是分子結構部分，學生常常必須從平面的符號來想像出分子的三度空間化學結構，並試著在腦海中從不同的角度來觀察它們。在化學領域上常用來表示分子結構的形式常如圖 1-1-2 所示，是一個在 2 維平面上來表現出分子結構中各組成原子的三度空間。同圖 1-1-1，圖 1-1-2 的左右兩邊的分子也是鏡像異構物。圖 1-1-2 的左邊分子中組成原子之間空間關係同圖 1-1-1 的左圖，而右邊分子中的組成原子之空間關係則同圖 1-1-1 之右圖。其實圖 1-1-1 與圖 1-1-2 都是表示相同的分子結構空間關係概念。但往往以圖 1-1-2 的方式來呈現分子結構時，學生已經無法理解圖 1-1-2 與圖 1-1-1 的類同。就更不用說在理解圖 1-1-2 中，左邊分子與右邊分子在結構上的鏡像關係。而這只是鏡像異構物中最簡單的 2.

(17) 形式，但實際上學生碰到的圖例會像是圖 1-1-3 這樣。. 圖 1-1-2：化學課本中常用來表示分子結構的圖形範例圖中左邊的分子與右邊的分子在結構上屬於鏡像異構物。化學課本中常用這樣的形式來表示分子中組成原子彼此之間的空間關係。. 圖 1-1-3：沙利竇邁的分子結構圖中左邊的分子與右邊的分子分別為 S-沙利竇邁(S-Thalidomide)及 R-沙利竇邁 (R-Thalidomide)。當人服用後者時可得到鎮靜效果，但前者則會造成胎兒畸形。. 學生若要瞭解和辨識出圖 1-1-1 或圖 1-1-2 中左右分子之間的不同，就得需要能夠在腦海中旋轉先前看到的影像的能力。這種在腦海中旋轉視覺影像的能力，類似於在心理學研究上之心像旋轉作業(mental rotation task)中所必須具備的能力。在心像旋轉作業中，受試者要判斷兩個方位不太相同的圖像，是否為相同的圖(Shepard & Metzler, 1971)。心理學的研究顯示，這個旋轉腦海中影像能力的個別差異非常大(Voyer & Saunders, 2004)。有些人有極好的視覺空間影像轉換能力，有些人則必須仰賴實體的操作才能理解空間結構上的不同。學生在化學結構學習上常常表現出有兩方面的困難。一是無法將 2D 的化學 3.

(18) 符號表徵在腦海中建立 3D 的分子結構概念，像是無法利用深度線索，以及無法確認分子結構中的軸與平面(Seddon & Eniaiyeju, 1986; Seddon, Eniaiyeju, & Chia, 1985; Seddon & Shubber, 1985; Shubber, 1990; Tuckey, Selvaratnam, & Bradley, 1991)；二是無法在腦海中旋轉已建立的影像來獲取相關的資訊(Seddon & Eniaiyeju, 1986; Shubber, 1990)。而後者所需要的能力與心像旋轉作業中所需的能力相同，兩者都必須在腦海中轉換已知的影像，將心像與眼前的圖像做一個比對，判斷是否相同。要幫助學生學習化學結構，就必須改善學生的視覺空間能力，像是視覺影像的轉換、旋轉以及相關的心智運作。在科學教育研究上用來瞭解學生學習的方法，例如放聲思考法(thinking aloud)、收集思考過程的紙筆資料以及測驗，無法藉以瞭解視覺影像轉換等相關心智運作，必須參考心理學領域在這部分相關的理論與發現。然而至目前為止，即使在心理學界，對於心像的本質以及心像旋轉的內在運作方式並未有比較徹底的瞭解(Kosslyn, 1994; Kosslyn, Ganis, & Thompson, 2001; Kozhevnikov, Motes, & Hegarty, 2007)。在認知神經科學上，許多研究利用現在的技術與儀器，可以直接觀察正在活動的腦，但關於心像的研究，依然集中在發現何種認知活動時，腦區哪一部份活化(Parsons, 2003; Pylyshyn, 2003; Richter et al., 2000; Shenton, Schwoebel, & Coslett, 2004; Windischberger, Lamm, Bauer, & Moser, 2003; Yoshino, Inoue, & Suzuki, 2000)。對於心像產生後如何在腦海中轉換影像的細節，也就是相關的心智歷程，並沒有更進一步的瞭解。任何幫助心像以及心像旋轉能力的方法，由於缺乏對於心像本質的瞭解，以及對於心像轉換過程的理論，只能依賴機械性的訓練與練習，無法根本上地改善，也不清楚原因為何。過去在改善人們的視覺空間能力上，多依賴著「熟能生巧」的方式，但是這經驗上得到的訓練方式，必須耗費非常多的練習時間。對學生而言，學習內容必 4.

(19) 須花時間來理解，若視覺空間能力不足，則負擔加重，藉著多媒體幫助作視覺上的轉換，可以幫助學生理解化學，但是離開了多媒體的環境時，學生還是無法將所學用來解決化學學習上的困難。因為視覺空間能力還是不足以使其獨自運作，所以並沒有根本地解決學生在化學學習上的困難。在心像旋轉作業研究中就已發現，練習效果無法遷移到新的圖形的轉換(Jolicoeur, Snow, & Murray, 1987)。因此，有效地改善學生的視覺影像的轉換能力對於化學學習上是必要的。要做到這點，首先必須瞭解心像旋轉中心智歷程的細節，因此本研究無法直接由化學學習來探究視覺影像轉換能力，而必須探究更純粹的心理學歷程。目前關於心像旋轉作業其間的心智過程的理論，大致可分為兩大類的理論。一方的理論認為受試者在心中轉換物體的過程，類似於物體在現實中轉換的方式，這樣的主張以心像旋轉作業發明者 Roger Shepard 以及其同事們和後續研究者為主(Cooper, 1975; Cooper & Shepard, 1973a, 1973b, 1975; Kosslyn, 1994; Kosslyn, DiGirolamo, Thompson, & Alpert, 1998; Shepard & Metzler, 1971; Wraga, Thompson, Alpert, & Kosslyn, 2003)。另一方的理論則以 Zenon Pylyshyn 等人的看法為代表，認為心像不過是個以抽象思考為主的方式來模擬實體事件(Hochberg & Gellman, 1977; Pylyshyn, 1973, 1981)。不同的研究分別支持著不同的理論，但因不同的研究中所使用的圖形刺激材料並不一致，有些並未考慮到語意編碼的干擾，像是 1975 年 Palmer 的研究，有些則未能考慮到圖形本身可能與人們常用的符號類似而產生的可能效應，例如 1975 年 Cooper 所使用的二維隨機形狀的圖形。關於心像旋轉運作的看法目前在心理學界依然呈現分歧的狀態。為了能夠根本上地幫助學生的化學學習，有必要在視覺空間轉換能力的心智歷程與化學結構學習的關係上作深入的探究，以瞭解在更基本層次的視覺影像轉 5.

(20) 換歷程。因此本研究將重新檢驗上述兩個心像旋轉理論的看法，試圖提出一個修正的解釋，將心像旋轉作業中旋轉過程的心智歷程作更進一步的分析，期待這樣的分析能幫助學生視覺影像轉換能力上有更具理論基礎的方法，使得化學學習上能針對理解化學結構的心智歷程有所助益。. 第二節研究目的與研究問題. 為了幫助化學結構的學習，必須瞭解心像旋轉能力的相關心智歷程。但因為心像旋轉的歷程還有尚未釐清的分歧，本研究試圖重新釐清這個理論上的分歧，並探究在心像旋轉作業中心像旋轉階段之可能的心智歷程。依據上述的研究目的，本研究之研究問題為：一、心像旋轉作業中，心像旋轉時間是否隨著圖形刺激材料的複雜度與整體性發生變化？二、心像旋轉作業中的心像旋轉階段包含哪些心智歷程，即心像是如何轉換的？三、心像旋轉作業之心像旋轉階段之心像形式為何？四、心像旋轉作業中，圖像編碼階段與心像轉換階段的眼動模式是否有關連？. 6.

(21) 第三節名詞解釋. 本研究之主要目的是在探討心像旋轉作業中，心像旋轉階段之可能的心智歷程，以下將說明各名詞在本研究所代表的意義：一、心像旋轉作業：本研究所指的心像旋轉作業(mental rotation task)是由 1971 年，Shepard 跟他的同事們為研究心像的本質，而發展出來的測試受試者反應的實驗典範。在心像旋轉作業中，受試者必須比較兩個方向不相同的物體或圖形，是否為相同的物體或圖形。二、心像旋轉現象(mental rotation phenomenon)：在 1971 年 Shepard 的心像旋轉作業研究中，發現受試者的反應時間與必須相互比對的兩物體之彼此展示的角度差有線性關係，當兩物體彼此之間的角度差異越大，則反應時間越長。這樣的現象稱為心像旋轉現象。三、心像旋轉階段(mental rotation stage)：本研究所指的心像旋轉階段，是指在心像旋轉作業中，受試者從看到圖形到反應這段期間內，四個階段之其中一個階段。心像旋轉作業中的心智過程，根據過去的研究，大致分成四個階段，（一）圖像進行編碼；（二）在腦海中旋轉影像（假設有旋轉的話），或計算影像的轉換；（三）比對眼前的影像與腦海中轉換後的影像；（四）將比對的結果做出反應。本研究所指的是上述的第二個階段。四、整體性：當一個物體中的部件之間相互連結形成一個在知覺上的特徵連續的情形時，稱之為有整體性。當圖形中的部件彼此連結成更少數量的件數時，稱之為整體性高。（詳細圖例見圖 3-1-1）五、嘗試(trial)：在實驗中受試者必須依照實驗指導語針對實驗中的問題做出回應，每回答一次問題稱為一次嘗試。通常在一個實驗中受試者必須回答的 7.

(22) 問題只有一個，但同樣的問題必須回答很多次。例如，某一個實驗要求受試者在實驗中「判斷出現的兩張圖形是否相同？」若實驗中出現 100 次兩張圖形請受試者判斷，則該實驗中有 100 次嘗試。六、. No 反應嘗試(No-response-trial)：在作業中，受試者必須針對固定要回答的問題對每一次嘗試做出回應。若在某一個實驗中這些嘗試的回應可分為兩種，一種是回答「是(Yes)」，另一種為「否(No)」。當受試者在某次嘗試中，必須作答的正確反應為「否」時，則該嘗試稱為「No 反應嘗試」，簡稱「No 嘗試」，但受試者在該嘗試中並不一定能夠正確作答。所有正確答案應為「否」的嘗試，都稱為「No 嘗試」。同理，「Yes 反應嘗試」表示正確答案應為「是」的嘗試。. 七、反應時間(reaction time)：任何形式的反應時間心理學實驗，皆要求受試者在正確反應的前提下儘快反應。並在實驗結果分析中只蒐集正確作答的反應時間時，剔除作答不正確的反應時間，以確保實驗結果有意義。八、「速度─正確率相互抵銷(speed-accuracy trade-off)」現象：因受試者的反應速度增加（反應時間變短）造成的正確率降低現象。. 第四節研究範圍與研究限制. 本節將指出本研究研究對象及實驗之範圍以及研究限制。. 8.

(23) 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。 9.

(24) 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。. 10.

(25) 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，. 11.

(26) 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)。. 12.

(27) 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 13.

(28) 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。. 14.

(29) 一、Allan Paivio 雙代碼理論 Paivio 的雙代碼理論，認為訊息的表徵及處理有兩個不同的系統存在，這兩個系統分別為語文的及非語文的（影像的），兩個系統彼此獨立但互相關連。兩個系統負責不同類型的訊息編碼、組織、儲存以及提取。語文系統專門處理語言訊息，又因語言本身具有序列的特質，此系統又專司時序相關的處理。影像系統專門處理非語文的事件，像是空間上的訊息，諸如影像分析或心像產生…等類的作業。兩個系統都可以進一步分成好幾個感覺動作子系統（即視覺、聽覺、觸覺…），兩個系統都有其基本的表徵單位，在每一個感覺運動子系統皆以特定的感覺形式出現，使文字的產生以及影像的產生互相對應與連結。 Paivio 認為知覺和心像所行經的路線基本上相同的，對於這樣的看法，他提出了一個測試的方法。他假設兩個作業如果會使用到相同心智歷程的話，那這兩個作業在必須得同時執行的情況時，就會彼此互相干擾。因此，他認為如果可以證明知覺和心像作業之間有干擾存在，則可支持其看法。Lee Brooks(1968)做了這樣檢驗，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. 15.

(30) 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訊息，而並非表徵不能為影像的形式(Sternberg, 1999)。Peterson 等人甚至認為建構與操作心像的過程與知覺的過程非常類似(Peterson et al., 1992)，與 Kosslyn 等研究者認為心像跟視知覺是功能上地相等(functionally equivalent)(Kosslyn, 1994; Kosslyn et al., 2001; Laeng & Teodorescu, 2002; Mast & Kosslyn, 2002)。目前為止已發現的研究似乎顯示人類知識表徵屬於多元編碼的可能性大於單一編碼(Barsalou, 1994; Sternberg, 1999)。 16.

(31) 三、Kosslyn 的心像計算機模式不少研究者強烈地主張「心像類同於視知覺」的功能相等假說(functionalequivalence hypothesis)，認為視覺心像雖然不是視知覺，但是功能上是相等的，視覺心像就像是呈現在眼前的物理實體的視知覺(Farah, 1988a, 1988b; Jolicoeur & Kosslyn, 1985a, 1985b; Rumelhart & Norman, 1988; Shepard & Metzler, 1971)。 Kosslyn(1983)利用計算機的概念來比喻著影像的處理，這個計算機包括著中央處理機、長期記憶區、輸入裝置、輸出裝置以及影像終端機(video terminal)。影像終端機像是一個擁有緩衝區的陰極線管，保存著螢幕影像的資訊。Kosslyn 認為視覺影像是被呈現在一個特殊的空間媒介中，他又稱這個理論為視覺影像的 CRT(computer's cathode-ray tube)理論，把能力有限的心像看成是 CRT 螢幕一般有尺寸的限制，認為心像有兩個層次，緩衝層次(buffer level)及長期儲存層次(long-term store level)。在緩衝區中，是正在經歷的影像，這影像可能是現在正輸入視覺資訊，也可能是結合著從長期記憶過來的資訊。而這個緩衝區的能力有限，所以裡面的影像會受到其他影像的競爭，每個影像有停留時間，會衰退、褪色，因此需要不斷地更新。長期儲存層次則是包含一些對影像的架構，像是影像的尺寸、部件之間的關係以及與其他影像之間的關係(Haberlandt, 1997; Kosslyn, 1983)。在 Kosslyn 的理論中，這個空間媒介有四種屬性：（一）保留自己所呈現物件的空間關係，且像是一個範圍有限物理空間，如果影像朝任何方向移動太遠，可能會溢出該媒介；（二）此媒介並非以一種統一的解析度來呈現影像；（三）此媒介表面有顆粒，像是數位相片的像素一般，如果點很大，能呈現的細節就有限，如果點很小，就能呈現比較細緻的影像；（四）任何影像一旦在媒介中被產生，立刻就會開始變淡，也就是說該影像如果要在媒介中被保留，必須重新產生或者 17.

(32) 更新。Kosslyn 這樣的觀點，跟實際上在眼睛上的視知覺處理非常相似。因此 Pylyshyn 批判這樣的觀點並沒有說明到任何關於視覺影像的表徵(Pylyshyn, 2003)。. 四、眼動模式與心像的關係眼動在視覺心像中是否具有功能是長久以來的爭議。Laeng 及 Teodorescu(2002) 的研究顯示，眼動在視覺心像產生的時候具有重要的功能，眼動儲存著空間的索引(spatial index)，在視覺心像中安排影像的部件在正確的位置上(Laeng & Teodorescu, 2002; Mast & Kosslyn, 2002)。許多因素控制著眼睛移動，這些因素大致可分為兩種，一種是從下而上 (botton-up)的過程，一個是從上而下(top-down)的過程。從下而上的過程回應著視域 (visual field)上瞬間地變化，使我們的眼睛移動到某些位置上。從上而下的過程，則是一個主動的過程，依賴著知識依序著驅動著我們的眼睛移動。在心像的過程中，很明顯地，並沒有感官視覺上的訊號輸入，也就是沒有從下而上的過程來影響眼動，也沒有可從上而下檢查的景色。所以在這樣的時候觀察到的眼動代表了什麼？這時候的眼動，其中一種可能的解釋是代表了想像過程中所儲存的記憶。如果這是正確的，則眼動在想像的視覺化的過程中可能扮演重要的角色，或許眼睛的移動牽引著記憶次序，幫助我們能夠正確地回憶影像中的相關部件的位置。另一種可能的解釋則是，想像過程中的眼動，是在搜尋已經視覺化影像的關鍵特性。如果是這樣的情況，那麼研究想像過程中的眼睛移動，對照著發生在知覺情況時的眼動，可以提供一些重要的訊息讓我們能瞭解從上而下的心智過程(Mast & Kosslyn, 2002)。 Laeng 及 Teodorescu(2002)的實驗，對照了受試者在知覺情境中以及想像情境中的眼睛移動的模式，發現在想像過程中，受試者的眼動反映著受試者正在研究 18.

(33) 著該刺激的情況，也就是他們發現受試者在想像某圖像的過程中的眼動，與他們最初在知覺該圖形時有非常類似而且一致的眼動模式。此外，如果抑制了受試者在想像過程中的眼動，會干擾受試者想像的過程，影響受試者回憶的表現。這樣的實驗說明了，眼動無論在知覺上或是在想像中皆扮演著重要的角色。在知覺過程中的眼動，紀錄著外在訊息的空間索引，在想像的過程中，提取相關的訊息必須仰賴著眼動。換句話說，眼動過程中眼睛的肌肉感覺訊息可能紀錄著外在訊息的空間索引資訊。外在訊息進入腦海被處理時，眼動過程中肌肉感覺訊號一併被紀錄著，而回憶相關訊息時，必須仰賴著眼睛移動來觸發相關訊息的提取。. 第三節心像旋轉作業之相關研究. 一、心像旋轉作業的歷史如同心理學研究般，心像的研究有長久的過去，但只有短暫的歷史。過去，科學家們一直苦於找不到可以量化的方法測量心像的能力(Haberlandt, 1997)。1971 年，Roger Shepard 和他的同事利用心像旋轉的作業，使視覺心像能力變得可測量，在心像研究上第一次成功地探究心像的過程(Shepard & Metzler, 1971; Haberlandt, 1997). 而 Shepard 的心像旋轉作業也被認為是證明”功能相等假設”的標準古典實驗(Sternberg, 1999)。心像旋轉(Mental rotation)被認為是一種想像物體在空間中旋轉的一種能力。然而至目前為止，我們尚未對於心像的本質以及心像旋轉的內在運作方式有比較徹底的瞭解(Kosslyn, 1994)。甚至在有了許多可以直接看到腦部活動的技術與儀器的. 19.

(34) 現代，我們依然沒有對更透徹的理解心像以及心像旋轉的現象。研究上發現，心像的產生依賴著許多感官知覺系統的投入來產生心智表徵，目前已經有許多研究針對不同的感覺表徵作詳細的研究，關於心像的研究大部分多集中在視覺心像上，原因可能在於人們對於視覺想像的產生比其他知覺的想像來得容易察覺 (Sternberg, 1999)。而我們也依賴視覺心像幫助我們解決問題(Kosslyn, 1990)。 1971 年，Shepard 跟他的同事們，要求受試者比較方向不相同的物體時，是否為相同的物體，也就是著名的心像旋轉作業(mental rotation task)，發現受試者的反應時間跟兩物體之間展示的角度差呈現線性的增加(Cooper, 1975; Cooper & Shepard, 1973, 1975; Shepard & Cooper, 1982; Shepard & Metzler, 1971). 這個結果指出了人們具有想像物體轉換的能力，並且發現心像旋轉過程需要時間，而認為受試者在心中轉換物體的過程，可能類似於物體在現實中轉換的方式(Wraga, Thompson, Alpert, & Kosslyn, 2003)。. 二、關於心像旋轉作業上心像旋轉過程的理論及爭議幾乎所有的心像旋轉作業研究都會發現兩個準則(criteria)：（一）正向的斜率 (positive slope criterion)，指的是反應時間與兩個圖形間呈現時彼此角度的差異是一個正向的關係；（二）有限速率(limit rate criterion)，受試者表現出的心像旋轉速率不能無限制的加速，大部分研究所得到的心像旋轉速率，大致上都差不多(D. J. Cohen & Kubovy, 1993)。根據 Shepard 等人的研究，心像旋轉作業中的心智過程，大致分成四個階段，（一）圖像進行編碼；（二）在腦海中旋轉影像（假設有旋轉的話），或計算影像的轉換；（三）比對眼前的影像與腦海中轉換後的影像；（四）將比對的結果做出反應(Cooper, 1975)。研究者們特別關心是影像在腦海中旋轉時那個階段的心智過 20.

(35) 程。Shepard 及 Copper 等人依據他們的實驗結果，認為心像旋轉的過程，影像是整體(holistic)被運作的，像是物理界的實體般旋轉，旋轉角度越大，所需的旋轉時間越多(Cooper, 1975)。在心像旋轉的研究上，人們如何完成心像旋轉作業的理論，如同心像如何表徵一般，不同的研究者也有著不同的看法。Shepard 等人主張心像旋轉的過程，是一個整體運作的(holistic)過程，像是個自然界實體的類比(analog) (Cooper, 1975; Cooper & Shepard, 1973a, 1973b; Shepard & Cooper, 1982; Shepard & Metzler, 1971)。在心像旋轉階段，受試者的反應時間，只與欲判斷的圖形之間的角度呈現線性關係，而不會受到圖形複雜度的影響。相對於 Shepard 及 Cooper 等人認為心像旋轉類似於實體在物理世界旋轉這樣的觀點─心像旋轉的類比理論(analog theory)， Pylyshyn (1981)認為影像處理根本是一個奠基於抽象思考過程上的物理事件模擬，也就是這個心智過程是一個模擬物理運動的抽象思考，反對心像旋轉的歷程如同實體在物理世界類比現象的觀點，建議「抽象的計算的資料結構」比較適合作為視覺資訊的表徵形式。實驗上心像旋轉所需時間隨著角度變化，只是因為人們知道物理在空間移動時時間的變化。人們在影像處理時知道物體在空間移動時需要花時間的，且差距越多所需時間越多，因而不自覺地模擬著物理事件的變化。認為抽象的計算的資料結構比較適合作為視覺資訊的表徵形式。認為語意記憶模型的網路結構就可以用來作為此類型的的特殊表徵結構。視覺物件的特徵與特徵(features)之間的關係可以由網路中的節點(nodes)與連結(links)來代表(Palmer, 1975; Pylyshyn, 1973, 1981, 2003)。也就是 Pylyshyn 認為影像是以特徵與特徵之間的關係來表徵的，影像的部件之間的關係可由少數參考點來計算，因此當心像旋轉時，則若圖形比較複雜時，參考點與各部件之間的關係比較多，必須分割處理，這樣的運算困難度增加造成反應時間增 21.

(36) 加，當然角度增加反應時間亦增加。也就是說圖形越複雜的時候，反應時間隨著角度增加的「斜率」會增加(Pylyshyn, 1981)。. 甚至有研究者指出，心像旋轉中的視覺心像的過程根本不需要(Marnor & Zaback, 1976)。在腦海中的影像表徵不可能類似於實體旋轉般有個影像存在並運作，而是一個抽象的概念與命題運算，結合其他概念運算後的結果(Pylyshyn, 2003)。目前對於檢驗這兩種理論的實驗，多半是操弄著圖形的複雜度，探討心像旋轉階段時受試者的反應時間變化。在兩相對陣營的研究者的實驗中，目前的結果並不一致(Cooper, 1975; Cooper & Podgorny, 1976; Pylyshyn, 1981)。但大部分在心像旋轉作業中，傾向多元編碼的研究者，試圖使用不同的圖形重複這個作業，多半有一致性的發現─角度差與反應時間之間的線性關係(Jolicoeur, 1985; Jolicoeur et al., 1987; Jordan & Huntsman, 1990; Just & Carpenter, 1985)。但圖形的差異對受試者的影響效應略有不同，像是熟悉的圖形反應時間比較快，有練習效果(Jolicoeur et al., 1987)，但這練習效果無法遷移至新的圖形上(Jolicoeur, 1985)。. 三、心像旋轉的性別差異以及困難在空間認知能力上已被證明具有明顯的性別差異，具有男性優勢的心理作業包括 3D 圖形的心像旋轉、空間視覺化、空間知覺、迷途導航以及追蹤攔截物體等多像空間相關的能力(Kimura, 1999; Rahman, Abrahams, & Jussab, 2005; Rahman & Wilson, 2003; Voyer & Saunders, 2004; Voyer, Voyer, & Bryden, 1995)。在許多空間相關心理作業中，心像旋轉作業的性別差異是最大的(Kimura, 1999; Linn & Petersen, 1985)。在不同的心像旋轉測驗中，大部分研究都會發現男女生的表現有差異，目前差異的起源還不清楚，但推測可能與大腦皮質的側化差異以及睪固酮組織活化的影響 22.

(37) 有關(Collaer & Hines, 1995; Hines, 2004)。在 Roberts 及 Bell(2003)的研究中，我們就發現在 2D 及 3D 的心像旋轉作業中，男女生的表現以及腦部活動區域並不太相同，在 2D 的心像旋轉作業中，男生女生的表現並沒有差異，但是活化區域的表現情況卻不太相同，男生的左頂葉活化大於右頂葉，而女生則相反，右頂葉活化大於左頂葉。但在 3D 的心像旋轉作業中，男女生的表現有差異，男生表現較女生好，但是在腦部活化情況，兩者卻非常類似，皆是右頂葉活化大於左頂葉。無論使用何種認知神經科學大腦造影技術，都會發現這樣活化區域以及表現在男女生上的差異(Dietrich et al., 2001; Jordan, Wustenberg, Heinze, Peters, & Jancke, 2002; Tagaris et al., 1996; Weiss et al., 2003)。這樣的結果可能暗示著男女生在心像旋轉作業上的策略以及心智過程細節略有不同。因此，在研究有關心像旋轉作業上，必須考慮男女生的差異，不宜將兩者的資料混在一起分析。. 四、心像旋轉在認知神經科學上的發現在認知神經科學的研究上，多半發現空間相關的任務在右半大腦半球上活化情況大於左半球(Banich & Heller, 1998; Roberts & Bell, 2003)，特別是在頂葉的區域 (parietal area)。在幾乎所有的空間任務中，受試者右頂葉區域活化情況遠大於左頂葉區域。研究發現許多區域參與心像旋轉作業中的心智活動(Wexler, Kosslyn, & Berthoz, 1998)，除了頂葉區域外，還有聯合視覺(associative visual)、初級視覺(primary visual)、前運動(premotor)、額葉(frontal)、身體運動區(somatomotor area)、以及基底核(basal ganglia)(Ark, 2002; Weiss et al., 2003)。Kosslyn 等人則發現無論是使用不同的實驗方法及大腦造影技術都有一致的結果，運動皮質區在心像旋轉作業中參與運作(Barnes et al., 2000; M. S. Cohen et al., 1996; Kosslyn et al., 1998; Richter et al., 2000)。 23.

(38) 不同的活化區域在心像旋轉作業中，可能代表著不同細節的心智運作，像是前運動區就被認為可能與動作的準備有關(Weiss et al., 2003)；枕葉區域則被認為與影像處理有關，枕葉顳葉通道(occipitotemporal pathway)與物體辨識有關，枕葉頂葉通道(occipitoparietal pathway)則與空間安排的判斷有關；前額葉區的活化可能與視覺空間工作記憶有關，特別是中額葉迴(middle frontal gyrus)被相信是儲存視覺空間工作記憶的區域；右頂葉區則與空間轉換有強烈的關係(Yoshino et al., 2000)；部分研究發現左前頂葉區的活化(Alivisatos & Petrides, 1997)，但這樣的發現被認為可能是使用了字母作為刺激材料的關係。這些在心智旋轉任務中活化區域的分佈，或許可以告訴在心像旋轉作業中可能參與的心智活動有哪些，但是我們還是需要更進一步的研究在時間的向度上將這些細節釐清。. 第四節資源有限的視覺空間工作記憶能力. 過去研究記憶的學者，有的將記憶系統的基本結構分成兩個部分：初級記憶及二級記憶(Waugh & Norman, 1965)。有的研究者則分成三個部分，感覺儲存(sensory stores)、短期儲存(a short-term store)以及長期儲存(a long-term store)(Atkinson & Shiffrin, 1968)。這樣的記憶系統結構認為環境訊息由感覺儲存接收，有不同的形式，而感覺儲存持有訊息的時間非常短暫，有些訊息被注意到後，進一步被短期儲存所處理，而在短期儲存的一些訊息最後會進入長期儲存(Eysenck & Keane, 2000)。這記憶系統的觀點似乎暗示著短期記憶在感覺儲存與長期記憶之間扮演出入口的角色，所有進入長期記憶的訊息必須先經過短期記憶的處理，但我們往往發現在處 24.

(39) 理短期記憶的訊息前，必須先與長期記憶連結(Logie, 1999)。短期記憶除了負責資訊處理的規則外，還控制著進入長期記憶的資訊。 1974 年 Baddeley 及 Hitch 提出了工作記憶這樣的概念來取代短期儲存的看法。而這工作記憶系統主要具有三個組成成分：(1)視覺空間拍紙板(a visualspatial scratch) ，主要在維持著視覺影像；(2)構音迴路(a phonological loop)，在語言理解上保留內在的言語(inner speech)，聽覺訊息可以維持約兩秒鐘；(3)中央執行單位(a central executive)，將注意力的活動與反應的管理結合；除了以上三個成分外，或許還包括了一些次要的子系統(salve system)表現其他的認知或知覺任務。工作記憶的主要組成成分是中央執行單位，其容量有限，負責處理任何被要求的認知作業，視覺空間拍紙板與語音迴路則是中央執行單位的子系統，複雜執行中央系統指定的特殊認知作業，例如視覺空間拍紙板儲存和操弄空間及視覺訊息，而語音迴路則保留著單字被呈現的順序(Eysenck & Keane, 2000; Sternberg, 1999)。利用雙作業的實驗可以很容易地將視覺空間拍紙板與語音迴路分開，但至今對於視覺儲存特性的細節還在探索當中(Wesenick, 2003)。Philips(1974)利用在 4x4、 6x6 及 8x8 的矩陣構成的黑白方塊圖區分出視覺空間短期記憶與感覺儲存(sensory store)，發現視覺空間短期記憶不受空間位置束縛、不會被遮蔽(mask)干擾，而且在一開始的前 600 毫秒內並不會流失資訊，這些資訊要超過 9 秒鐘以後才會慢慢地漏失。如果依序呈現不同的圖形時，受試者只能記住最後一次出現的圖形，視覺空間短期記憶只能夠負荷一個視覺顯示(visual display)，當新的圖形出現則覆蓋舊的資訊。改變盲(change blindness)則是人類視覺上的另一個特殊現象。在改變盲的實驗中，前後出現的兩張圖可能會有一個物體或一個特徵發生改變，受試者的任務是要偵測這樣的改變。假如兩個圖形依序呈現中間沒有出現間隔，則任何圖形上的 25.

(40) 改變很容易被發現。然而當前後出現的兩圖形中間有一個明顯的中斷或分心甚至只是個眨眼，則這個改變很難被受試者察覺。此外實驗還發現人們在眼球運動過程、眨眼或者電影剪接…等這些的干擾情況下，不只是無法偵測一個物體或特徵的改變，甚至無法看到視覺影像(visual scenes)上的大幅度變化，顯示著人類能從環境中有意識地接收到的視覺訊息非常有限(Rensink, 2000; Rensink, O'Regan, & Clark, 1997)。人們一次到底可以儲存多少資訊量直到 1997 年 Luck 和 Vogel 的研究才引起學界廣泛的注意，這兩個的研究引發了另一個重要的議題：儲存在視覺空間工作記憶中的資訊的形式是什麼(Luck & Vogel, 1997; Wesenick, 2003)，儲存在視覺空間短期記憶中的資訊是數個特徵還是一個整合的物件。「能儲存多少資訊」與「資訊儲存的形式」兩問題是什麼相關。在能儲存多少資訊上，Luck 和 Vogel(1997)的研究發現視覺短期記憶無論是尺寸、顏色或方向…等特徵如何組成一個物件上，受試者的視覺短期記憶大約可以儲存四個物件。顯示儲存的資訊形式應為一個整合的物件。Wheeler 及 Treisman(2002)進一步提出雙重儲存機制假設(dual-storage mechanism hypothesis)，認為物體的儲存資訊應該包含特徵以及特徵與特徵如何組合(binding)的資訊，不同的特徵系統有自己獨有的儲存區，組合關係的儲存並不耗費各別特徵的容量(Wheeler & Treisman, 2002) 。比較在心像上的 Kosslyn 的 CRT 理論中的空間媒介(the spatial medium)與 Baddeley 視覺空間短期記憶理論上的視覺空間拍紙板的概念的關連。雖然 Kosslyn 談論的主要是在心像上的理論，但他所主張的空間媒介是被用來操弄視覺影像的，與 Baddeley 的概念類似。此外兩者維持視覺影像存在的時間都非常的短，也都需要「更新」。因此在研究心像時，視知覺上的發現也同樣必須重視。若在視覺知覺上維持視覺影像在腦海中的時間是這樣的短，當圖形的特徵複雜時，想要 26.

(41) 在腦海中維持影像的存在同時又需要做影像的轉換，我們如何在有限的視覺空間記憶能力下完成需要的任務？因此，任何關於視覺空間能力轉換的理論除了必須要考慮視覺空間的心智表徵的形式外，還必須考慮這樣的形式在有限工作記憶能力下是否能夠執行轉換的歷程，或者是視覺空間轉換的心智歷程必須配合工作記憶能力而再分割成更小的單位來執行。. 27.

(42) 28.

(43) 第參章研究方法本章分四節，分別為研究設計、研究流程、實驗方法及資料收集與分析進行說明。其中實驗方法及資料收集與分析部分，將詳細敘述本研究進行的每一個實驗之實驗設計理念，實驗過程及步驟，及實驗數據分析方法。. 第一節研究設計. 本研究採實驗研究法，受試者皆為 18~35 歲大專院校之大學部或研究所男學生，不同的實驗的受試者並未重複，且皆以刊登廣告（BBS 或是網頁上）的方式徵求自願者，實驗完成後，依實驗性質考量，給予測試費 100~250 元新台幣。依據不同的研究問題，共設計了六個實驗。第一個實驗試圖回答第一個研究問題，探究圖形刺激材料的複雜度與整體性是否會影響受試者在心像旋轉階段的反應時間。參考過去相關研究的實驗，發現過去研究的實驗刺激材料可能並未考慮更細微的因素，因此本實驗重新設計了不同的實驗刺激圖，再次探討圖形複雜度在心像旋轉作業中的作用，並另行探討圖形整體性與心像旋轉現象的關係。第二個實驗同實驗一回答第一個研究問題，探究圖形的複雜度與整體性在不同的判斷要求下，是否會影響受試者在心像旋轉階段的反應時間。第三個實驗結果試圖回答第二個研究問題，探究心像旋轉階段是否具有更細微的心智歷程。本實驗利用方向線索的不同的實驗設計，企圖將心像旋轉階段可. 29.