心理学报 2024, Vol. 56, No. 1, 1 14 © 2024中国心理学会 Acta Psychologica Sinica /10.3724/SP.J.1041.2024.00001
收稿日期: 2023-06-05
* 国家自然科学基金面上项目(32071065)、国家自然科学基金重大项目(T2192931)、载人航天工程航天医学实验领域项目(HYZHXM03001)、中央高校基本科研业务费重点项目(GK202002010)。 通信作者: 宋晓蕾,E-mail:********************
宋晓蕾1,2 李宜倩1 张凯歌1
(1陕西师范大学心理学院; 2陕西省行为与认知神经科学重点实验室, 西安 710062)
摘 要 基于空间参照系理论, 本文采用虚拟现实技术探讨了大尺度空间定向能力的地域差异及其原因。实验1采用基于两种空间参照系且生态效度更高的路线重走与回溯任务以考察空间定向能力的地域差异; 实验2进一步采用基于空间参照转换灵活性的定向接近任务以澄清该差异产生的原因; 实验3通过在任务前激活环境中心参照, 提高转换灵活性以改善南方被试大尺度空间定向能力。结果发现, 大尺度空间定向能力存在地域差异, 北方被试更擅长环境中心参照的任务, 南方被试的自我中心参照在任务中有更大优势作用; 说明该地域差异除与个体空间参照使用偏好有关之外, 还与其空间参照转换灵活性有关; 而当南方被试环境中心参照被激活, 任务绩效显著提升。 关键词 空间定向, 空间参照系, 地域差异, 导航任务 分类号 B842
1 引言
空间定向是我们在陌生环境中利用地图或导航软件, 结合周边信息来确定自身位置和行进方向的过程。空间定向包含对视觉地标的加工、空间绝对方位的确认以及目标或自身相对方位的确认(McGee, 1979), 它是空间导航的关键能力之一。大尺度空间是单一视角无法感知全貌的物理空间(Kuipers & Levitt, 1988)。大尺度空间定向是个体在大尺度物理空间环境中定位并导航的过程, 该过程若要得到大尺度空间的全局结构, 则需根据随着时间和路径的增加而收集到的空间信息来建立(Siegel & White, 1975)。
自然地理环境会影响个体空间方位表征(Levinson, 1996), 个体生活在不同环境中会激活相应的空间参照系(Greenauer et al., 2013), 从而导致不同地域个体在完成静态空间任务判断时的空间参照偏好存在差异(Li & Zhang, 2009; Li, 2012), 但是在现实场景或生态效度更高的大尺度动态空间任务中, 是否仍存在地域差异及其可能存在的原因仍不清楚。因此, 本研究在以往基础上采用虚拟现实技术创建生态效度更高的大尺度动态空间任务, 澄清大尺度空间定向能力的地域差异, 了解不同地域体的空间导航方式及内在机制, 为开发提升不同地域空间导航绩效和用户体验的导航软件提供理论基础, 减少导航错误可能引发的安全事故, 增强交通、城市规划和应急响应等领域的安全性。
个体完成空间定向任务需使用不同的空间参照系来编码空间信息(Freksa et al., 1998; Wang, 2012)。
空间参照系理论根据参照物不同, 将空间参照划分为自我中心和环境中心两种(Colby, 1998; O'Keefe & Nadel, 1978)。在自我中心参照系中, 个体以自己身体为参照物对物体位置及其空间关系进行表征; 而在环境中心参照系中, 个体以外部地表
或环境特征作为参照物, 空间方位信息并不因个体自身位置变化而改变, 能够得到较为稳定的信息(Waller & Lippa, 2007; Wiener et al., 2013)。
Goeke (2015)等认为长期对某一空间参照系的持续激活可以形成对该空间参照系的使用偏好, 从而促进空间认知行为。空间定向任务绩效除了与空
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间参照系的使用偏好有关之外, 还与个体空间参照系转换灵活性有关(Julian et al., 2018)。具身空间转换理论认为, 个体在空间中运动时以自我中心为参照, 该类表征和编码为心理空间转换提供了具身参照框架, 而当自我中心视角和目标视角之间的角度偏差增加时, 空间转换的认知负荷增加(Amorim et al., 2006; Kozhevnikov et al., 2006; Kessler & Thomson, 2010)。此外, 环境中心参照在自我中心参照的基础上发展产生, 在任务需要时, 环境中心参照会因其表征的灵活性更容易切换至自我中心参照(Siegel & White, 1975)。但Sharma等(2016)发现当个体根据任务需求转换各类空间参照系时, 其空间定向与导航绩效不会受空间参照系使用偏好的影响。因此, 个体空间参照的偏好以及其转换灵活性是否以及如何对空间定向和导航任务产生影响还需进一步探究。
空间导航任务是测量大尺度空间定向能力的经典任务(Liu et al., 2011)。个体的空间定向能力可通过路线重走任务(Route-repetition task)、路线回溯任务(Route-retracing task)、定向接近任务(Directional-approach task)等空间导航任务来衡量(Wiener et al., 2019), 以上三种任务空间参照系的使用需求有一定差异。三个任务均先进行路线学习, 路线重走任务是根
据学习的路线从规定起点行至终点, 而路线回溯任务则是从终点返回起点。路线重走任务过程不需要转换视角, 被试在学习阶段仅记忆转向顺序或路标与转向的配对即可很好完成, 它是一项依赖自我中心参照系的任务。路线回溯任务需要了解地点和路径之间的绝对空间关系, 被试的环境中心参照在路线回溯中发挥着至关重要的作用(Allison & Head, 2017; Harris et al., 2012; Wiener et al., 2012)。定向接近任务需要根据十字路口的地标判断左右转向来还原学习路线, 当任务阶段与学习阶段的转弯方向相同时, 被试只需采用自我中心参照系即可; 但当任务阶段与学习阶段的转弯方向不同时, 被试需采用环境中心参照系构建整体空间信息才可正确转向, 该任务可有效测试被试的空间参照系转换灵活性(Wiener et al., 2013)。
空间定向的跨地域研究表明, 在地形开阔地区长期居住的个体更擅于使用整体的、环境中心空间参照, 但狭小紧凑地形中居住的个体更偏好自我中心参照(Istomin & Dwyer, 2009)。城市道路环境方面, 在平原下网格状城市中长大的人和在非平原地区非网格状城市长大的人有其各自适应的城市道路环境, 当两类人去适应对方生活环境时, 对空间方位的理解记忆会存在困难(Barhorst-Cates et al., 2021; Coutrot et al., 2022)。美国中西部/西部(多平原开阔地域)的人比居住在东北部/南部(多地形复杂区域)的人更偏好使用环境中心参照(Lawton & Kallai, 2002)。还有研究表明北美洲被试更偏好使用环境中心参照, 拉丁美洲(美国以南的美洲地区)被试更偏好使用自我中心参照(Goeke et al., 2015)。在我国, 南方地区(多丘陵、山地等)被试偏好自我中心参照, 北方地区(多平原)人偏好环境中心参照(刘丽虹等, 2005)。但有研究认为南方被试使用自我参照绩效表现更好, 北方被试在两类参照系中任务绩效无显著差异(Li & Zhang, 2009; Li, 2012 )。综上, 不同地域的惯用参照系及偏好研究结果并不一致, 因此空间参照系使用偏好的差异是否是空间定向能力存在地域差异的原因仍不确定; 除了空间参照系使用偏好外, 是否还有其它因素对空间导航与定向能力产生影响仍不清楚。
此外, 以往采用静态空间术语的地域研究发现, 任务绩效存在地域差异可能是空间参照系使用偏好的影响, 地域文化可塑造个体空间参照系使用偏好差异, 这种差异在需要依赖不同参照系的空间定向任务中会表现出来(Haun et al., 2011), 但结果尚存在分歧。例如, 丘陵、山地等南方地区被试偏好自我中心参照系, 北方被试偏好环境中心参照系(刘丽虹等, 2005); 南方被试对自我参照的术语有偏好, 且任务反应比环境参照更快, 但对于北方被试来说, 基于这两种参照系的术语的偏好和任务绩效之间没有显著差异(Li, 2012); 此外, 偏好环境参照的北方被试切换使用自我参照的速度比偏好自我参照的南方被试切换使用环境参照系更快(张积家, 刘丽虹, 2007), 说明空间参照系的转换灵活性可能也与地域差异有关。但是以往研究大多是采用静态空间术语实验进行的, 尚不清楚在动态空间任务时是否会存在一定的地域差异。
因此, 研究采用生态效度更高的动态空间定向任务, 来考察在需要环境中心参照系的路线回溯任务中, 北方被试表现优于南方被试, 且其空间参照系转换灵活性更高; 而在需要自我中心参照的重走任务中, 南方被试表现出一定的优势效应; 激活被试环境中心参照系有助于提高其大尺度空间定向任务绩效。本研究首先采用路线重走任务和路线回溯任务(实验1), 以探讨不同地域被试在空间定向任务上是否存在差异。其次, 除了空间参照系使用
第1期宋晓蕾等: 虚拟环境中大尺度空间定向能力的地域差异 3
偏好差异的作用之外, 是否还有其它因素起作用？本研究将进一步采用定向接近任务(实验2), 以澄清被试在空间参照系转换灵活性方面是否存在差异, 以及此差异是否是产生地域差异的原因。最后, 通过进一步激活被试的环境中心参照以提高其转换灵活性(实验3), 看可否有效改善和提升大尺度空间定向任务绩效。
2 实验1: 大尺度空间定向能力是
否存在地域差异
本实验分别采用需自我中心和环境中心参照的路线重走任务和回溯任务考察不同地域被试的大尺度空间定向能力是否存在差异。
2.1方法
2.1.1被试
使用G*Power 3.1软件(Faul et al., 2007)计算研究所需样本量, effect size f = 0.25, α = 0.05, 1 −β = 0.95 (Cohen, 1988), 计算出研究共需被试50人。参照前人同类任务研究(Friedman et al., 2020; Wiener et al., 2019), 被试每个组别尽量保证30人以上, 因此在北方某高校有偿招募被试70名(M = 19.81岁, SD = 1.79岁, 男20人, 女50人), 南北方取样参照前人研究标准(Li & Zhang, 2009), 均为自幼至义务教育阶段在南方或北方持续生活学习。其中南方被试35名(来自广东、重庆、广西、四川等地), 在北方生活不超过3年, 北方被试35名(来自陕西、河北、山东等地)。所有被试均为右利手, 视力或矫正视力正常, 无盲或弱, 每位被试均自愿完成实验, 且未曾参加过类似实验。
2.1.2 实验设计
实验1采用2 (地域: 北方、南方) × 2 (任务类型: 重走、回溯) × 3 (路线: 1、2、3)混合实验设计, 其中地域为组间变量, 任务类型和路线为组内变量。3条路线同质, 因变量为任务完成绩效(van Wermeskerken et al., 2016)。
2.1.3 实验材料和程序
实验1采用重走任务和回溯任务作为主要任务范式(Wiener et al., 2019)。
使用Mazesuite (Ayaz et al., 2008; www.mazesuite. com)创建虚拟环境, 虚拟环境中墙体高2.5米, 所有拐角皆为90°, 墙面为草纹, 地面为砖纹, 天空为默认灰, 路线中均无路标, 场景如图1所示。每项任务有3条路线, 每条路线起点终点均不同, 每条路线有8个拐弯、9条路径。实验分为学习阶段与任务阶段, 学习阶段的材料为主试在虚拟环境中操纵行走的路线视频, 被试通过观看第一视角行走视频进行学习, 不呈现全局场景图。两阶段场景步速均为2.5米/秒, 被试通过键盘上下左右键完成行进动作。任务具体路线示例和实验环境见图1。
被试进入实验室后以标准坐姿坐好, 保持60 cm 视距。准备好后开始实验, 每项任务前在显示器上呈现指导语并向被试说明实验操作中的注意事项, 确认被试理解后进入练习阶段。被试确认掌握操作方法后报告主试, 并开始正式实验。正式实验中, 首先向被试呈现地图路线视频, 每呈现一段视频, 就要求被试记住该视频中的路线, 并在视频结束后通过键盘方向键操纵在地图中完成该路线(重走)、逆向完成该路线(回溯), “↑”“↓”“←”“→”分别对应前进、后退、左转、右转, 实验过程不提供反馈。软件将记录被试路线轨迹等各项数据。具体任务流程见图2。
2.2结果
使用Mazesuite中的MazeAnalyzer软件回收查看数据, 并使用Excel软件录入整理数据。进行正式数据分析前, 剔除由于设备与操作原因导致数据回收不全的被试共2名, 被试剔除率为2.86%。
因变量为任务完成绩效。绩效公式为(van Wermeskerken et al., 2016; 贾筱倩, 宋晓蕾, 2022):
图1 路线重走与回溯任务材料示例图(左: 学习阶段路线示例; 右: 任务阶段实验环境示例)
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邢晓瑶
图2 路线重走与回溯任务实验流程图
=
-正确路线数错误路线数
绩效正确总路线数 地图总路线数
公式中的正确路线数是指被试走过的正确路径段数, 正确总路线数为实验材料的标准正确路线数, 本材料中每条路线的正确总路线数均为9, 错误路线数是被试所走路线中与正确总路线不一致的路线数, 地图总路线数为整张地图的全部可走路线数, 本实验每张路线材料地图总路线数为17。
使用SPSS 23.0对两项任务的绩效进行2 (地域: 北方、南方) × 2 (任务类型: 重走、回溯) × 3 (路线: 1、2、3)重复测量方差分析, 同时使用JASP 进行了贝叶斯因子分析作为补充, 先验分布采用默认柯西(Cauchy)分布(胡传鹏 等, 2018; Wagenmakers et al., 2018)。男女任务结果无显著差异(p > 0.05)。
绩效分析结果发现, 地域主效应显著, F (1, 66) = 18.16, p < 0.001, η2p = 0.22,
贝叶斯因子BF 10 > 100,
说明在备择假设下出现当前数据的可能性超过零假设100倍, 有极强的证据支持备择假设(Jeffreys, 1961), 说明不同地域对空间定向绩效的影响的差异显著, 北方被试的绩效显著优于南方被试。任务类型主效应显著, F (1, 66) = 113.77, p < 0.001, η2p = 0.63, 贝叶斯因子BF 10 > 100, 有极强证据支持备择假设, 说明任务类型对空间定向绩效影响的差异显著, 表明被试在重走任务上的绩效优于回溯任务。
地域与任务类型交互作用显著, F (1, 66) = 5.08, p = 0.028, η2p = 0.07, 贝叶斯因子BF 10 = 7.56, 有中等程度证据支持备择假设。进一步简单效应分析发
现, 不同地域被试回溯任务绩效差异显著, F (1, 66) = 23.38, p < 0.001, η2p = 0.26, 北方被试在回溯任务上的绩效显著高于南方被试。不同地域被试重走任务绩效边缘显著, F (1, 66) = 3.49, p = 0.066, η2p = 0.50, 北方被试在重走任务中绩效边缘显著高于南方被试。其他主效应与交互作用均不显著(p s > 0.05)。不同条件下被试绩效差异见图3。
为进一步说明不同地域被试在不同任务中的绩效差异, 对其绩效差异(绩效差异=重走绩效−回溯绩效)进行地域: 2 (地域: 北方、南方) × 3 (路线: 1、2、3)重复测量方差分析, 结果表明, 发现地域主效应显著, F (1, 66) = 4.29, p = 0.042, η2p = 0.06, 说明南方被试重走与回溯的成绩差异(M = 0.40)显著大于北方被试重走与回溯的成绩差异(M = 0.28), 即南方被试在自我中心参照的重走任务中绩效优势更大, 即对南方个体来说使用自我中心参照有更大的优势作用。其余主效应与交互作用均不显著(p s > 0.05)。
2.3 讨论
实验1结果发现, 当视角发生变化时, 被试在空间定向任务中绩效会降低, 路线回溯任务表现显著低于路线重走任务, 此结果与前人研究结果一致(Shelton & McNamara, 2004)。南方被试重走任务中自我中心参照有更大的优势作用, 因地势崎岖, 处在相对不规则、视野不开阔的环境, 加之空间文化语言的影响个体会偏好自我中心参照系(Istomin
&Dwyer, 2009; 刘丽虹 等, 2005)。
虽然所有被试导航绩效均受视角转换的影响, 北方被试的回溯任务
第1期 宋晓蕾 等: 虚拟环境中大尺度空间定向能力的地域差异 5
图3 不同条件下个体空间定向任务的绩效
注: *代表p < 0.050, **代表p < 0.010, ***代表p < 0.001, 下同
表现显著优于南方被试。即使任务切换视角过程中需要环境中心参照系, 但对于南方被试很难较快适应并调动在日常并不偏好的该类参照系。因此, 实验2将使用定向接近任务, 进一步探究被试空间参照系转换灵活性在其中的作用, 以澄清空间定向能力存在地域差异的原因。
3 实验2: 大尺度空间定向能力存
在地域差异的原因
实验1结果表明, 南方被试在路线回溯任务的绩效比北方被试更低, 本研究推测此差异除了与空间参照系的使用偏好有关之外, 还与其转换灵活性有关(Colby, 1998; Li & Zhang, 2009)。因此实验2通过被试完成定向接近任务(需要被试灵活转换空间参照系)进一步澄清空间定向能力存在地域差异的原因, 同时探讨空间参照系转换灵活性在地域差异对导航绩效影响中的作用。
3.1 方法 3.1.1 被试
同实验1。 3.1.2 实验设计
实验为2 (地域: 北方、南方) × 2 (接近方向: 相同、不同) × 3 (路线: 1、2、3)混合实验设计, 其中地域为组间变量, 接近方向和路线为组内变量。因变量为被试在路口判断的正确率与任务反应时。 3.1.3 实验材料和程序
实验2采用定向接近任务, 创建虚拟环境的软件与实验1相同, 在此任务的实验环境中, 每个交叉口的一条对角线上方, 均放置外观不一的两个3D 物体, 如各立方体、球体等。任务共有3条路
线。学习阶段的视频材料由主试操纵录制。
任务开始后, 被试首先观看指导语, 确认理解任务后即可进入实验。被试首先观看视频并记忆视频呈现的路线, 每条路线视频播放2遍。在任务阶段, 被试根据路标判断如何转向可从当前交叉口行至原路线中的下一交叉口。每次判断转向方向时, 被试可能位于原路线上(即接近路口方向与原路线相同), 也可能位于该交叉口另外两条岔路上(即接近方向与原路线不同),
每个交叉口进行3次判断, 每条路线经过4个路口, 因此被试在一条路需判断12次。
路线1任务阶段的路口判断完全按照学习阶段的顺序呈现, 该种任务呈现顺序能够为被试提供路线知识; 路线2任务阶段路口随机出现, 路口物体颜相同、形状不同, 突出形状地标的作用; 路线3任务阶段路口随机出现, 路口物体颜不同、形状相同, 突出颜地标的作用。设置3条不同路线目的是为被试提供路线和不同类别的地标知识, 探究提供的空间知识类型对绩效的影响。
被试按方向键转向到认为正确的岔路后, 触发传送点, 被试将被自动传送至下一路口进行判断, 具体按键操作与实验1一致。整个实验过程不提供反馈, 被试无法得知自己的反应情况。软件将记录被试的反应时、正确率等各项数据。具体实验环境见图4。
3.2 结果
剔除定向接进任务中未达到随机水平的被试, 和设备与操作原因导致数据回收不全的被试共2名, 剔除3个标准差以外的试次数据, 数据剔除率为2.21%。使用SPSS 23.0分别对正确率与反应时做2
(地域: 北方、
南方) × 2 (接近方向: 相同、不同) × 3
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