在Labvanced线上进行心理旋转任务的演示.

心理旋转任务

心理旋转测试是认知心理学领域中一个强有力的任务，用于研究空间处理。继续阅读，了解更多关于二维和三维心理旋转任务的细节、历史、如何进行（包括在线设置）、它揭示的强有力的研究发现，以及使用此任务的实验示例！

心理旋转任务的历史

心理旋转测试可以追溯到20世纪70年代，当时它被开发用于研究人们心理旋转物体的能力。1971年，Roger Shepard和Jacqueline Metzler是首次通过展示多个配对的三维、立方体或不对称排列物体来客观研究心理旋转的人之一，并随后测量参与者在确定配对物体是否匹配时的反应时间（Shepard, R. N., & Metzler, J., 1971）。1978年，Steven G. Vandenberg和Allan R. Kuse根据1971年的Shepard和Metzler心理旋转任务形式化了心理旋转测试，通过将三维物体以不同方向呈现并围绕垂直轴旋转。这是一个20项的测试，参与者必须比较四个图形并选择两个符合标准图形的选项（Vandenberg, S. G., & Kuse, A. R., 1978）。

关于心理旋转测试

心理旋转任务对参与者有什么要求？其实很简单！

心理旋转实验的一般概述如下：

  1. 向参与者呈现一个标准/目标物体
  2. 参与者必须决定四个选项中哪两个与标准/目标物体匹配

在Labvanced线上进行心理旋转任务的操作说明.

因此，参与者必须检查参考刺激，并选择哪些刺激是匹配旋转的。在上图中，参考刺激与第一和第三个刺激匹配。下面是3D心理旋转任务中试验的其他示例：

在Labvanced线上进行心理旋转任务的试验设置示例.

二维旋转

在心理旋转实验的某些版本中，测试二维形状旋转：

在Labvanced线上进行的2D心理旋转任务中使用的刺激示例.

管理二维或三维心理旋转测试

在Labvanced中，心理旋转任务可以通过以下方式进行：

  1. 在线管理测试（用于远程研究），可轻松与参与者共享URL研究链接，或者
  2. 使用我们的桌面应用程序在没有互联网连接的情况下进行本地测试
  3. 研究人员可以将任务导入其设计编辑器，并设置实验而无需编写代码。查看Labvanced中的心理旋转测试，只需单击“参与”按钮进行尝试，或“导入”将其上传到您的帐户，以用作实验的基础：
  4. 此外，诸如我们的基于网络摄像头的眼动追踪等高级功能也可以包含在内，以增加除反应时间之外的生理数据层。

注册Labvanced以在线尝试心理旋转任务.

认知功能和过程

心理旋转实验揭示了几个认知功能和过程，包括：

  • 智力
  • 组织
  • 推理
  • 空间认知
  • 视觉感知

在匹配两个相同的图像时，以下认知过程会涉及到心理旋转测试：

  1. 感知预处理
  2. 刺激的识别/区分
  3. 刺激的空间方向识别
  4. 判别奇偶性
  5. 行为反应，即选择/执行

这些过程共同使参与者能够成功完成心理旋转任务（Kaltner, S., & Jansen, P., 2014）。

心理旋转实验中测量的认知过程，包括三维思维.

心理旋转测试的测量和数据

  • 准确性/错误率： 任务执行过程中的整体准确性或错误。
  • 角度差异： 指刺激与参考刺激之间特定的角度差异。
  • 非决策时间： 在决策之外，其他过程所需的时间，例如刺激编码和运动反应的执行。
  • 漂移率： 收集信息所需的时间。
  • 边界分离： 两个不同反应之间的距离。当优先考虑准确性而非速度时，这个值会变得更宽，并且在旋转角度增加时也会如此。
  • 反应时间： 选择反应所需的时间。
  • 注视持续时间/注视： 如果使用眼动追踪，则可以报告相关指标，例如注视持续时间和注视次数，以了解参与者的视觉处理策略。在心理旋转任务中利用眼动追踪数据报告的结果示例包括运行计数比率（RC比率），该比率通过将错误答案中的平均注视次数除以正确答案中的平均注视次数来计算（Suzuki et al., 2018）。

需要考虑的可能混淆因素

在实验设计和数据分析阶段，应该考虑某些混淆因素，例如：

  • 性别差异： 在二维和三维心理旋转任务中，男性有认知优势（Collins, D. W., & Kimura, D., 1997）。这一发现得到了来自超过1200万参与者的元综合研究的支持，结论是，在心理旋转测试中，男性在心理文学中显示出最大的认知性别差异（Zell, E., Krizan, Z., & Teeter, S. R., 2015）。
  • 空间焦虑/自信心： 与上述观点相关，另一项研究发现，在心理旋转任务中显著的性别差异可能受空间焦虑和自信心的调节，尤其是在任务要求较高时（Arrighi, L., & Hausmann, M. , 2022）。
  • 左右手性： 虽然不像性别混淆那么显著，但左右手性在心理旋转表现中也发挥着作用。有研究显示，右撇子比左撇子更快。当呈现的图像与主导手相对应时，左右手性也会在促进中发挥作用（Jones et al., 2021）。

MRT分数的用途

由于研究目标可能各不相同，以下是心理旋转测试分数的最常见用途：

  1. 描述参与者的空间技能： 量化空间技能和推理的一个方面。
  2. 组内认知比较： 量化并比较两个组（例如，阅读障碍参与者与对照组）之间与MRT相关的认知过程。
  3. 治疗结果： 在主要关注治疗和干预效果的情况下，MRT可以用作量化与空间认知处理相关的特定变化的度量。

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心理旋转测试的变体

心理旋转任务通常使用经典的立方体或二维形状，但在研究中也出现了一些值得一提的变体：

  • 不同的视觉刺激： 除了立方体，还常见在心理旋转实验中呈现和旋转其他类型的视觉刺激，例如：字母、动物、面孔、彩色形状和伪字母（看似字母但不是的形状） （Kaltner, S., & Jansen, P., 2014）。
  • cMRT： 在心理旋转的计时研究（cMRT）中，呈现两个刺激（而不是4个）并在角度差异上有所不同。参与者必须快速决定两个呈现的图像是否相同。(Titze, C., Heil, M., & Jansen, P., 2008)

心理实验中的心理旋转示例.

心理旋转测试示例：应用与实验

心理旋转任务在心理学研究中很受欢迎，因为它们易于实施且能揭示空间技能和能力。以下是一些应用和实验的示例。

发展与教育心理学

  • 空间能力的发展的研究： 心理旋转任务在发展心理学实验中被管理，以了解空间认知技能如何随着年龄而发展。一个例子是对3岁、4岁和5岁儿童在心理旋转任务上表现进行比较的研究，显示3岁儿童可以开始在概率水平之上执行此任务（Krüger, M., 2018）。
  • 心理旋转提高数学表现： 另一项研究显示，针对6岁和7岁儿童的为期1周的在线心理旋转空间训练干预，如何转移到经典算术问题。这个组与接受识字训练的对照组相比，在某些算术问题上的表现得到了改善，这可能是由于视觉化能力的提高和/或提高了视觉空间工作记忆的容量（Cheung, C.N., Sung, J.Y., & Lourenco, S.F., 2019）。

临床心理学

  • 自闭症： 发现某些自闭症亚群体具有增强的视觉空间能力。这得到了包括心理旋转任务的认知测试的支持，其中这一群体的表现更快。这种认知优势特别体现在高复杂度的三维形状上，而不是简单或二维刺激。目前的研究趋势正在探索这些表现的神经相关性，并发现具有这种视觉空间优势的自闭症患者在枕叶和顶叶的功能更强（Thérien, V.D., et al., 2022）。
  • 注意缺陷多动障碍（ADHD）： 已开发扩散模型以使用漂移率、非决策时间和边界分离等值以更好地理解ADHD参与者在心理旋转测试等任务中的认知。这些实验显示，ADHD参与者在心理旋转实验中的表现不佳是由于证据积累的慢速率，和边界分离调整的相对缺乏灵活性（Feldman, J. S., & Huang-Pollock, C., 2021）。
  • 阅读障碍： 心理旋转测试，包括二维旋转和二维形状旋转，通常用于评估阅读障碍患者。根据功能协调缺陷（FCD）模型，阅读障碍者在呈现字母材料时无法判断它们是否被镜像对称，从而无法判断字母是否被镜像。因此，由于任务性质，与镜像和旋转有关的心理旋转是可以应用于阅读障碍者的相关测试。与对照组/正常读者相比，具有阅读障碍的儿童在心理旋转效应上表现出更大的影响，反应时间更慢。（Kaltner, S., & Jansen, P., 2014）。
  • 帕金森病： 帕金森病是一种神经退行性疾病，运动和认知技能随着疾病进展而下降。这些患者在心理旋转任务中的表现较差。最近的努力通过心理旋转任务作为早期帕金森病的认知生物标志物工具，利用该工具检测没有轻微认知缺陷的病人（Razzaque et al., 2024）。
  • 阿尔茨海默病： 阿尔茨海默病患者在心理旋转任务中的反应时间较长且准确性较低，与健康老年人相比。研究人员还表明，结合眼动追踪的心理旋转任务可以作为筛查阿尔茨海默病或轻度认知障碍（MCI）患者的工具（Suzuki et al., 2018）。

在临床心理学中使用MRT并不仅限于上述情况。它已经被用于研究广泛的临床人群中的空间能力，例如创伤性脑损伤或亨廷顿病患者。

认知心理学

  • 普通人群研究： 心理旋转任务已被利用于许多不同类型的研究，这些研究的核心是认知心理学。这些实验与健康的神经典型参与者进行，以了解空间认知能力。其中一项在Labvanced进行的研究利用心理旋转任务（与其他任务配合使用），以评估空间能力对时间表征的影响。结果显示，更高的空间能力和时间学习会导致更好的记忆（Otenen, E., & Kanero, J., 2022）。
  • 手语： 作为一个迷人的主题，因为语言和认知动态重叠，心理旋转任务在研究手语的上下文中。有研究表明，手语使用者与心理旋转能力之间存在正相关关系（Kubicek, E., & Quandt, L.C., 2020）。

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体育心理学

在过去几年中，体育和运动研究领域越来越多地使用心理旋转任务，并得出许多引人入胜的结论，因为运动协调有可能影响表现。

  • 初学者和专家篮球运动员的新的MRT任务： 在一项最新研究中，对初学者和专家篮球运动员实施了一项新的心理旋转测试。参与者看到六种不同的篮球战术，这些战术被旋转或镜像。结果显示存在性别效应和专业水平效应。男性参与者解决的项目更多，表现更好，尤其是对于经验较丰富的运动员。这项研究为支持特定刺激材料的发展铺平了道路（Weigelt, M. & Memmert, D., 2020）。

结论

心理旋转任务在研究中占有重要地位，被心理学家广泛应用于各个领域。心理旋转任务可以在线或面对面进行，通常用于评估空间认知。心理旋转任务有许多变体，但大多数实验使用三维或二维立方体刺激。

参考文献

  1. Arrighi, L., & Hausmann, M. (2022). 空间焦虑和自信心调节心理旋转中的性别差异。学习与记忆, 29(9), 312-320。

  2. Cheung, C. N., Sung, J. Y., & Lourenco, S. F. (2020). 心理旋转训练是否转移到数学能力的提高？一个家庭的视觉空间干预评估。心理研究, 84(7), 2000-2017。

  3. Collins, D. W., & Kimura, D. (1997). 在二维心理旋转任务中巨大的性别差异。行为神经科学, 111(4), 845。

  4. Feldman, J. S., & Huang-Pollock, C. (2021). ADHD中空间认知的新视角：心理旋转的扩散模型分解。国际神经心理学会杂志, 27(5), 472-483。

  5. Jones, H. G., Braithwaite, F. A., Edwards, L. M., Causby, R. S., Conson, M., & Stanton, T. R. (2021). 左右手性对手的心理旋转影响的系统评价和元分析。心理研究, 85, 2829-2881。

  6. Kaltner, S., & Jansen, P. (2014). 心理旋转与发展性阅读障碍儿童的运动表现。发展性残疾研究, 35(3), 741-754。

  7. Kubicek, E., & Quandt, L. C. (2021). 手语理解与心理旋转能力之间的正相关关系。聋人研究与教育杂志, 26(1), 1-12。

  8. Krüger, M. (2018). 三岁儿童在心理旋转任务上超过概率水平，但反应时间与角度差异之间未呈线性关系。心理学前沿, 9, 328248。

  9. Otenen, E., & Kanero, J. (2022). 定位过去和未来：空间能力对时间表征的影响。在认知科学协会年会会议录（第44卷，第44号）。

  10. Razzaque. J., et al. (2024). 通过fMRI探讨帕金森病中心理旋转任务（MRT）缺陷的病理生理学——定义基准（P8-3.018）。神经学（第102卷，第17期）。

  11. Shepard, R. N., & Metzler, J. (1971). 三维物体的心理旋转。科学, 171(3972), 701-703。

  12. Suzuki, A., Shinozaki, J., Yazawa, S., Ueki, Y., Matsukawa, N., Shimohama, S., & Nagamine, T. (2018). 通过评估视觉空间功能的心理旋转任务建立阿尔茨海默病和轻度认知障碍的新筛查系统。阿尔茨海默病杂志, 61(4), 1653-1665。

  13. Thérien, V. D., Degré-Pelletier, J., Barbeau, E. B., Samson, F., & Soulières, I. (2022). 自闭症中两种不同认知特征的心理旋转过程的神经相关差异。神经影像：临床, 36, 103221。

  14. Titze, C., Heil, M., & Jansen, P. (2008). 心理旋转测试（MRT）中的性别差异并非由于任务复杂性。个体差异杂志, 29(3), 130-133。

  15. Vandenberg, S. G., & Kuse, A. R. (1978). 心理旋转：一种三维空间可视化的群体测试。感知与运动技能, 47(2), 599-604。

  16. Weigelt, M., & Memmert, D. (2021). 专业篮球运动员的心理旋转能力：识别场上的战术。运动与锻炼季度, 92(1), 137-145。

  17. Zell, E., Krizan, Z., & Teeter, S. R. (2015). 通过元综合评估性别相似性和差异。美国心理学家, 70(1), 10。