在线在Labvanced中执行心理旋转任务。

心理旋转任务

心理旋转测试是认知心理学领域中用于研究空间处理的一项强大任务。继续阅读以了解2D和3D心理旋转任务的详细信息、其历史、如何进行（包括在线环境中的进行方式）、它所揭示的强大研究发现，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1970年代，当时它被开发出来用以研究人们在心理上旋转物体的能力。在1971年，罗杰·谢泼德和雅克琳·梅茨勒是最早通过呈现几对3D立方体或不对称排列的物体并随后测量参与者判断配对物体是否匹配的反应时间来客观研究心理旋转的研究者之一（Shepard, R. N., & Metzler, J., 1971）。在1978年，斯蒂芬·G·范登堡和艾伦·R·库斯基根据1971年谢泼德和梅茨勒的心理旋转任务正式制定了心理旋转测试，通过以不同的方向呈现3D物体并围绕垂直轴旋转。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与标准图形匹配的选项（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？其实非常简单！

心理旋转实验的一般概述如下：

  1. 向参与者呈现一个标准/目标对象
  2. 参与者必须决定哪两个选项（在四个选项中）与标准/目标对象匹配

2D旋转

在某些版本的心理旋转实验中，测试2D形状旋转：

在Labvanced中在线进行2D心理旋转任务时使用的刺激示例。

管理2D或3D心理旋转测试

在Labvanced中，心理旋转任务可以通过以下方式执行：

  1. 在线管理测试（用于远程研究），网址研究链接可以轻松分享给参与者，或
  2. 使用我们的桌面应用程序在没有互联网连接的情况下本地运行
  3. 研究人员可以将任务导入到他们的设计编辑器中，并设置实验而无需编码。请在Labvanced中查看心理旋转测试，只需点击“参与”按钮尝试一下，或点击“导入”将其上传到您的帐户以用作您实验的基础：
  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，以便除了反应时间之外，再添加一层生理数据。

认知功能和过程

心理旋转实验揭示了多个认知功能和过程，包括：

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

在匹配两个相同图像时，心理旋转测试中涉及以下认知过程：

  1. 知觉预处理
  2. 刺激的识别/区分
  3. 刺激空间方位的识别
  4. 奇偶判断
  5. 行为反应，即：选择/执行

这些过程共同帮助参与者成功完成心理旋转任务（Kaltner, S., & Jansen, P., 2014）。

心理旋转实验测量的认知过程，包括3D思维。

心理旋转测试的测量和数据

  • 准确性/错误率： 在整个任务中执行的总体准确性或错误。
  • 角差： 指的是刺激与参考刺激之间的特定角度。
  • 非决策时间： 除决策外，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： 积累信息所需的时间。
  • 边界分离： 两个独立反应之间的距离。当优先考虑准确性高于速度时，以及当旋转角度增加时，这个值会变得更大。
  • 反应时间： 选择反应所需的时间。
  • 注视持续时间/注视点： 如果采用眼动追踪，那么相关指标如注视持续时间和注视点也可以报告，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），该比率是通过将错误答案中的平均注视次数与正确答案中的平均注视次数进行比较而计算的（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，必须考虑某些混淆因素，例如：

  • 性别差异： 对于2D和3D心理旋转任务，男性具有认知优势（Collins, D. W., & Kimura, D., 1997）。这一发现得到了一个包含超过1200万参与者的元综合研究的支持，得出的结论是，在心理旋转测试方面，男性在心理文献中表现出最大认知性别差异（Zell, E., Krizan, Z., & Teeter, S. R., 2015）。
  • 空间焦虑/自信心： 与上述观点相关的一项研究发现，心理旋转任务中明显的性别差异可能由空间焦虑和自信心所介导，尤其是在任务需求较高时（Arrighi, L., & Hausmann, M. , 2022）。
  • 使用习惯： 尽管这并不如性别混淆因素明显，但使用习惯在心理旋转表现中也起着作用。研究表明，右撇子的反应速度快于左撇子。此外，如图像与主用手相符时，使用习惯在促进表现中也起到一定作用（Jones et al., 2021）。

MRT分数的用途

由于研究目标可能会有所不同，以下是从心理旋转测试中获得的分数的最常见用途：

  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： 量化并比较两组之间与MRT相关的认知过程，例如有阅读障碍的参与者与对照组之间的比较。
  3. 治疗结果： 当主要关注治疗和干预的效果时，MRT可用作量化与空间认知处理相关的特定变化的度量。

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2D形状，然有些值得在研究中提及的变体：

  • 不同的视觉刺激： 除了立方体，心理旋转实验中还常见其他类型的视觉刺激，这些刺激被呈现和旋转，例如：字母、动物、面孔、彩色形状和伪字母（看似字母但不是真正字母的形状）（Kaltner, S., & Jansen, P., 2014）。
  • cMRT： 在心理旋转的计时研究中（cMRT），呈现两个刺激（而不是4个），其角差有所不同。参与者必须快速决定所呈现的两个图像是否相同。（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，同时揭示了许多关于空间技能和能力的信息。以下是一些应用和实验的示例。

发展心理学与教育心理学

  • 空间能力的发展： 发展心理学实验中会管理心理旋转任务，以便了解空间认知技能如何随着年龄的增长而发展。一个例子是，一项研究比较了3岁、4岁和5岁儿童在心理旋转任务上的表现，显示3岁儿童可以开始在机会水平之上执行此任务（Krüger, M., 2018）。
  • 心理旋转改善数学表现： 另一项研究显示，为6岁和7岁的儿童进行为期1周的在线干预，其中包含心理旋转空间训练，能够转化为经典的算术问题。这一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有所改善，这可能是由于视觉能力的提升和/或视觉空间工作记忆容量的增加（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拥有增强的视觉空间能力。这通过包括心理旋转任务在内的认知测试得到了支持，其中这一组的表现更快。对于高复杂度的3D形状，认知优势尤为明显，而不是简单或2D刺激。目前的研究趋势正在探索此类表现的神经相关性，并在具有这种视觉空间优势的自闭症患者中发现更大的枕叶和顶叶功能（Thérien, V.D., et al., 2022）。
  • 注意缺陷多动障碍（ADHD）： 已开发扩散模型，利用漂移率、非决策时间和边界分离等值，更好地理解ADHD参与者在心理旋转测试等任务中的认知。这样的实验显示，ADHD参与者在心理旋转实验中的差表现是由于证据积累的速度缓慢及由于相对缺乏弹性调整边界分离（Feldman, J. S., & Huang-Pollock, C., 2021）。
  • 阅读障碍： 心理旋转测试，包括2D旋转和2D形状旋转，通常会施加在阅读障碍患者身上。根据功能协调缺陷（FCD）模型，阅读障碍患者在呈现书面材料时无法决定字母是否镜像，因为未能抑制对称性，因此无法判断字母是否镜像，因为字母和音素之间存在模糊的映射。因此，由于任务的性质，与镜像和旋转有关的心理旋转是可以施加于阅读障碍者的相关测试。与控制组/正常读者相比，阅读障碍儿童在反应时间较慢的情况下表现出更大的心理旋转效应。（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。发现这些患者在心理旋转任务上的表现减少。最近的努力旨在利用心理旋转任务作为早起帕金森病的认知生物标志工具，而尚未出现轻微的认知缺陷证据（Razzaque et al., 2024）。
  • 阿尔茨海默病： 阿尔茨海默患者在心理旋转任务中的反应时间更长，准确性更低，与健康的老年成人相比。研究人员还表明，心理旋转任务结合眼动追踪可以作为阿尔茨海默患者或轻度认知障碍（MCI）患者的筛查工具（Suzuki et al., 2018）。

在临床心理学中使用心理旋转测试不仅限于上述内容。它已被用于研究广泛的临床人群的空间能力，例如创伤性脑损伤（TBI）或亨廷顿病患者。

认知心理学

  • 普通人群研究： 心理旋转任务已在许多以认知心理学为核心的不同类型研究中使用。这些实验是针对健康、神经典型参与者进行的，以了解空间认知能力。一项在Labvanced进行的研究利用心理旋转任务（与其他任务结合使用），以评估空间能力对时间表达的影响。结果显示，更高的空间能力和时间顺序学习导致更好的记忆（Otenen, E., & Kanero, J., 2022）。
  • 手语： 在心理旋转任务的背景下，语言和认知动态重叠的一个有趣主题是手语的研究。一个这样的研究表明，手语用户与心理旋转能力之间存在正关系（Kubicek, E., & Quandt, L.C., 2020）。

体育心理学

近年来，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。

  • 新颖的心理旋转任务的篮球运动员： 在最近的一项研究中，新手和专家篮球运动员接受了新的心理旋转测试。参与者看到六种不同的篮球战术，而不是经典的3D立方体作为刺激，这些战术进行了旋转或镜像处理。结果显示存在性别效应和专业效应。男性参与者解决了更多的问题，表现更好的专家运动员。这项研究为特定的支持材料铺平了道路（Weigelt, M. & Memmert, D., 2020）。

结论

心理旋转任务在研究中占有很大一席之地，并被各个领域的心理学家广泛使用。心理旋转任务可以在线或面对面施加，通常用于评估空间认知。有许多心理旋转任务的变体，但大多数实验使用3D或2D立方体刺激。

参考文献

  1. Arrighi, L., & Hausmann, M. (2022). 空间焦虑和自信在心理旋转中的性别差异中起中介作用。《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升？家庭视觉空间干预的评估。《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性别差异显著。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). 手性对手的心理旋转的影响：一项系统评价和荟萃分析。《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。《聋人研究与聋人教育杂志》，26(1), 1-12。

  8. Krüger, M. (2018). 三岁儿童在心理旋转任务中的表现超过机会水平，但反应时间与角度差异之间没有线性关系。前沿心理学，9, 328248。

  9. Otenen, E., & Kanero, J. (2022). 定位过去和未来：空间能力对时间表达的影响。《认知科学学会年会论文集》，第44卷，第44期。

  10. Razzaque. J., et al. (2024). 使用fMRI解决帕金森病心理旋转任务（MRT）缺损的病理生理学——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轻度认知障碍和阿尔茨海默病的新筛查系统。《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差异神经相关性。《临床神经影像学》，36, 103221。

  14. Titze, C., Heil, M., & Jansen, P. (2008). 心理旋转测试（MRT）中的性别差异不是由于任务复杂性导致的。《个体差异期刊》，29(3), 130-133。

  15. Vandenberg, S. G., & Kuse, A. R. (1978). 心理旋转，三维空间可视化的组测试。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。运动与锻炼研究季刊，92(1), 137-145。

  17. Zell, E., Krizan, Z., & Teeter, S. R. (2015). 使用元合成评估性别相似性与差异。美国心理学家，70(1), 10。