实验1-8 库珀的表象心理旋转实验
目的
1、通过重复库珀等人的实验，研究不同角度正反字母“R”的心理旋转反应时，证实表象心理旋转的存在。
2、 熟悉和掌握反应时测量技术在研究信息加工过程中的应用。
背景知识
表象是大脑对客观事物的直观表征。20世纪70年代以来，关于表象的研究迅速发展，其中表象心理旋转就是表象研究的一个重要的方面。
1973年，库珀（Copper）等人用不同倾斜角度的正的和反的字母来研究表象的旋转。实验要求被试在看到呈现的字母后，不管其具体方位和倾斜角度如何，尽快判断该字母是正的还是反的，并按键作出反应。如果反应错误，该次试验在以后还会重复，直到反应正确。结果表明：当图片旋转180°时，反应时最长（无论正反），而当图片旋转0°和360°时（即正位图片），反应时最短。这说明样本偏离正位的度数越大，所需的心理旋转越多，时间也就越长。
对表象的问题，前人已经进行过了很多研究，也提出了不少理论。其中比较有影响的有结构理论、功能理论和相互作用理论。
结构理论的主要观点是表象和知觉在内部结构和产生机制方面有某些类似。他们应用了一种称为“视觉缓冲器”的结构来解释表象产生的机制，这一结构中包含无数“细胞”组成的一个阵列，在产生视觉表象时，这个阵列中的一些相应的“细胞”被激活，从而使人产生相应的表象。人在视察一个表象时，“缓冲器”中的不同细胞就被激活，而这些相应的“缓冲器”曾以相同的方式产生过相应的实际知觉。表象具有一定的空间延展度和空间分辨率（Kosslyn,Ball&Reiser,1978;Pinker&Kosslyn,1978）。
功能理论主要研究的是表象的功能作用，以及我们是如何操纵表象进行知觉活动的。该理论认为，当我们在头脑中比较两个物体时通常是通过想像这两个物体的重叠来进行的。如果有必要的话，先想像其中一个，对它进行操作（如旋转）以便和另一个相匹配。这种操作与对真实物体的操作是一致的。这一理论的主要实验支持正是来自于库珀等人关于表象心理旋转的研究。
相互作用理论着眼于表象和知觉的相互作用，认为一个物体的表象会导致和实际感知某个物体时的相同机制的激活，使这些知觉机制变得更加敏感；或者，如果延长这种表象时间，那么这些机制会发生疲劳，因而导致两种结果，一是知觉可以通过适当的视觉表象而得到改善；二是通过表象的视觉化，可能导致特定知觉的后效。
综合上述几种理论我们可以看出，表象是有一定时效性的，并且有一定的空间延展度。这也就是对表象进行心理操作的理论基础。而在功能理论的实验研究中，更是明确地指出了我们对表象的操作方式。这些也就是能够进行表象心理旋转研究的理论依据。
具体到功能理论中的表象心理旋转研究，主要是由库珀和谢泼德（Shepard）等人进行的。下面就回顾他们两个经典的关于表象心理旋转的实验。
关于“手柄状立体方块材料”的实验。在这个实验中，用速示器向被试呈现两个都是由10个小方块连接起来组成的手柄形。这些图形的成对应用有三种情况。第一种是相同的两个图形在纸面上相差一定的
角度，经过旋转能够重合，称为平面对；第二种是相同的两个图形在垂直于纸面的面上相关一个角度，经过旋转也能够重合，称为立体对；第三种情况是两个图形成正像与镜像的关系，无论如何旋转也不能重合。在平面对和立体对中，都安排了几种不同的转动角度或两个图形的方位差，这是一个重要的实验变量。在实验室随机将实验材料呈现给被试，让被试以最快的速度进行匹配判断，并记录反应时。实验结果表明，无论是平面对还是立体对，如果两个图形的形状和方位都相同，当其中一个图形转动了一定角度，反应时随方位差度数的增加而增加，两者成正比。达到180°时，反应时达到最大。根据以上的实验结果，谢泼德等人指出，被试作比较时，是在头脑里将一个图形转动到另一个图形的方位上来，然后依据匹配的情况再作出判定。从被试的内省报告可以看出，这种心理旋转的现象的确存在。通过这一实验，谢泼德等人确定了心理旋转这一事实，而且第一次用实验证明了它具有上述的渐进性和空间性的特点。
关于“字符材料”的实验。库珀和谢泼德制作了一组由字符组成的实验材料。字符的内容是大写字母R，分为正像与镜像两组，每组中的材料R在平面上作了旋转，分为六个角度：0°、60°、120°、180°、240°、300°，从而得到共有12个材料样本。实验时，用速示器将某一样本呈现给被试，被试的任务就是判定该样本是正的还是反的，而不管其具体的方位如何，按键作出反应，记录其反应时。12个样本随机各呈现一次。当样本为垂直的正位时，即旋转的角度为0°即360°，不管是正像的或镜像的，判定所需时间较少，约为0.5秒，而当样本作了不同角度的旋转，反应时随之增加，当样本旋转了180°时，反应时为最长，随着样本的旋转度数进一步增大，反应时反而逐渐减少。以180°为界，曲线的两侧是对称的。库珀和谢泼德认为，当呈现的样本偏离垂直的正位，即旋转了一定度数，被试就要将该样本的表象转回到正位上来，然后再与长时记忆中的正位的表征作比较。因为正位的样本不需要作旋转，就可以与长时记忆中的表征进行比较，所以判定处于正位上的正反材料所需的时间就少。而对偏离正位的样本作出判定，需要作出的心理旋转就越多，反应时也越长，该实验的结果说明，人们在进行表象加工时，似乎是存在一种心理旋转的范式。在库珀和谢泼德后来的验证实验中，也的确证明了这一心理旋转过程的存在。
六种方向
正常图 反常图
图1 R表象旋转材料
库珀和谢泼德通过实验证明心理旋转存在，但是有关心理旋转是否是连续的问题却是通过梅茨勒（Metzler,1973）的实验研究来证明的。这个实验的刺激材料和程序与前面提到的手柄状图形实验基本相似，但是其采用的实验方法却和前者不太相同。在呈现材料时，无论是平面对还是立体对，两个图形不是同时呈现的，而是先呈现其中一个（刺激甲），然后要求被试按照规定的方向（顺时针或逆时针）对甲的表象进行旋转，然后经过一定的时间间隔再呈现另一个图形（刺激乙），让被试作出两个图形“相同”或“不
同”的判定。实验的关键在于刺激乙在什么时候呈现。梅茨勒作了如下的安排：使刺激乙的延续时间等于两个有一定方位差的图形同时呈现所需要的心理旋转时间。根据在以前的实验中得到的被试的平均旋转速度（每秒53°）加以计算，如果一对图形的方位差为135°，则需时约为2.5秒，那么刺激乙的呈现时间应比刺激甲晚2.5秒。经过这样的安排，假如被试真的进行心理旋转，那么在刺激乙呈现的当时，刺激甲的表象正好转到刺激乙的方位，可以立即进行匹配并作出判定。如果从刺激乙的呈现开始计算反应时，那么反应时必定都很短，而且不随两个图形方位的角度差而变化。由于被试事先并不知道要将刺激甲的表象旋转多少度，所以反应时相对恒定，证明被试不是从一个角度跳到另一个角度，而是进行了经过许多中间角度的旋转。实验结果证实了上述设想，但是反应时曲线并不是一条平等于横坐标的直线，而是随转动的角度略有上升。这是因为刺激乙的呈现时间是按照被试的平均反应时来计算的，而事实上被试之间在反应时方面存在个别差异，被试需要作补充的旋转来校正，导致反应时略有增加。后来库珀和谢泼德应用多边形做了类似的实验，也得到了相同的结果。
谢泼德基于多次实验的结果，发展了关于表象心理旋转的理论。根据以上的实验结果，谢泼德等将心理旋转看成一种类比过程(analog process)。所谓的类比是说心理旋转也要经历一些中间阶段，与客体的物理旋转是类似的。它与数值计算或符号操纵是不同的。如果让计算机来计算旋转的角度，那么计算各种旋转角度所需的时间都将是一样的。依据心理旋转研究和其他有关研究的结果，谢泼德等认为，表象的实质就在于它是一种类比表征，表象与外部客体有着同构关系(isomorphism)，但是表象并不是直接地从结构上来表征外部客体，它与外部客体在结构上并没有一对一的联系。谢泼德所说的表象与外部客体的同构是指内部表征的机能联系与外部客体的结构联系是相似的，即如心理旋转与客体的物理旋转。谢泼德等称这种同构为“二级同构”（second-order isomorphism），以区别于格式塔心理学所阐述的同构。这就是谢泼德对于表象心理旋转的理论认识。谢泼德采用空间立体图形对表象的心理旋转也作了研究。
回顾了这些有关表象心理旋转的理论与研究之后，我们可以看出：以上的理论与实验进行都说明，表象心理旋转的现象是存在的；表象心理旋转的过程可能是有一定的连续性的；表象心理旋转随着材料旋转角度的变化，其反应时也有一定规律的变化（但还不能完全确定是一种线性规律）。
实验方法
1、 被试
全班同学，每四人一组
2、 实验仪器与实验材料
实验仪器：计算机、表象心理旋转实验程序（ExpPsy2000实验心理学实验系统）。
实验材料：库珀等人的不同角度的正反“R”图片。
3、 实验设计与实验过程控制
3.1 实验设计
(1) 本实验采用2×2的两因素实验设计，两个因素分别为正反“R”和性别（男，女）。其中性别为被试间因素，正反R为被试内因素。
(2) 此外，在正反R中分别包括6个角度，即0°、60°、120°、180°、240°、300°，所以从上面的2×2的实验结果中，还可以分别引申出正反R不同角度的因素，在结果分析中可以对正反R不同角度的反应时的差异进行详细分析。
3.2 实验材料
本实验所用实验材料为不同角度的正反R的图片，实验中R的呈现分为正R和反R，正R和反R均为6个角度，总共有12种不同角度和方向的R，呈现方式为随机呈现，每种角度呈现6次，每个被试总共做72次实验。
3.3实验程序
实验材料的制作。进入“表象心理旋转实验程序”主菜单，选择“实验材料制作”菜单中的“制作实验材料向导”，便会出现实验材料制作向导：①按“下一步”定义最小旋转角度，本实验为60°；②单击“浏览图形文件”按钮，选择“R.JPG”图片文件，定义每个角度图片的个数为6个；③单击“下一步”，选择“完成”按钮，计算机会自动生成定义的不同角度的图片。由于图片是即时生成的，所以，生成不同角度图片大约需要3～5分钟。
正式实验：制作完图片材料后，被试在主试指导下开始正式实验。①在“开始实验”菜单中选择“默认实验材料”，出现“指导语”窗体。②被试仔细阅读如下指导语：
“下面要呈现的是一系列不同角度的正R和反R，请你注意判断每次呈现的图片是正R还是反R，如果是正R，按“Q”键，如果是反R，按“P”键，在保证判断正确的前提下，反应越快越好。明白上述指导语后，按“开始实验”键开始实验。③被试按照实验要求进行实验。④实验结束后在“被试信息”窗体中填好文件名、被试名、性别、年龄等信息。⑤换下一个被试继续实验。”
结果分析与讨论
1、分别计算每个人不同角度的正R和反R判断的正确率和正确平均反应时，并填入表1。
表1 不同角度的正R和反R的正确率和正确平均反应时
2、分别以R的角度为横坐标，以反应时为纵坐标，画出正R和反R的角度和反应时之间的关系曲线，并作出解释。
3、分别以性别和正反R为因素，对实验结果做2×2的方差分析，并对结果进行分析与讨论。
4、分别对正R和反R的不同角度的反应时做单因素方差分析，考察不同角度的正反R的反应时是否有显著差异，并对不同角度的反应时做多重比较分析，检验差异的来源。
思考题
1、本实验为什么以反应时为指标对表象在人脑中的加工进行研究？如何通过反应时来解释表象信息加工的过程？
2、反应时在信息加工的研究中有哪些应用？基本原理是什么？
参考文献
舒华等著《实验心理学的理论、方法与技术》，人民教育出版社，2006年。
实验1-8 库珀的表象心理旋转实验
目的
1、通过重复库珀等人的实验，研究不同角度正反字母“R”的心理旋转反应时，证实表象心理旋转的存在。
2、 熟悉和掌握反应时测量技术在研究信息加工过程中的应用。
背景知识
表象是大脑对客观事物的直观表征。20世纪70年代以来，关于表象的研究迅速发展，其中表象心理旋转就是表象研究的一个重要的方面。
1973年，库珀（Copper）等人用不同倾斜角度的正的和反的字母来研究表象的旋转。实验要求被试在看到呈现的字母后，不管其具体方位和倾斜角度如何，尽快判断该字母是正的还是反的，并按键作出反应。如果反应错误，该次试验在以后还会重复，直到反应正确。结果表明：当图片旋转180°时，反应时最长（无论正反），而当图片旋转0°和360°时（即正位图片），反应时最短。这说明样本偏离正位的度数越大，所需的心理旋转越多，时间也就越长。
对表象的问题，前人已经进行过了很多研究，也提出了不少理论。其中比较有影响的有结构理论、功能理论和相互作用理论。
结构理论的主要观点是表象和知觉在内部结构和产生机制方面有某些类似。他们应用了一种称为“视觉缓冲器”的结构来解释表象产生的机制，这一结构中包含无数“细胞”组成的一个阵列，在产生视觉表象时，这个阵列中的一些相应的“细胞”被激活，从而使人产生相应的表象。人在视察一个表象时，“缓冲器”中的不同细胞就被激活，而这些相应的“缓冲器”曾以相同的方式产生过相应的实际知觉。表象具有一定的空间延展度和空间分辨率（Kosslyn,Ball&Reiser,1978;Pinker&Kosslyn,1978）。
功能理论主要研究的是表象的功能作用，以及我们是如何操纵表象进行知觉活动的。该理论认为，当我们在头脑中比较两个物体时通常是通过想像这两个物体的重叠来进行的。如果有必要的话，先想像其中一个，对它进行操作（如旋转）以便和另一个相匹配。这种操作与对真实物体的操作是一致的。这一理论的主要实验支持正是来自于库珀等人关于表象心理旋转的研究。
相互作用理论着眼于表象和知觉的相互作用，认为一个物体的表象会导致和实际感知某个物体时的相同机制的激活，使这些知觉机制变得更加敏感；或者，如果延长这种表象时间，那么这些机制会发生疲劳，因而导致两种结果，一是知觉可以通过适当的视觉表象而得到改善；二是通过表象的视觉化，可能导致特定知觉的后效。
综合上述几种理论我们可以看出，表象是有一定时效性的，并且有一定的空间延展度。这也就是对表象进行心理操作的理论基础。而在功能理论的实验研究中，更是明确地指出了我们对表象的操作方式。这些也就是能够进行表象心理旋转研究的理论依据。
具体到功能理论中的表象心理旋转研究，主要是由库珀和谢泼德（Shepard）等人进行的。下面就回顾他们两个经典的关于表象心理旋转的实验。
关于“手柄状立体方块材料”的实验。在这个实验中，用速示器向被试呈现两个都是由10个小方块连接起来组成的手柄形。这些图形的成对应用有三种情况。第一种是相同的两个图形在纸面上相差一定的
角度，经过旋转能够重合，称为平面对；第二种是相同的两个图形在垂直于纸面的面上相关一个角度，经过旋转也能够重合，称为立体对；第三种情况是两个图形成正像与镜像的关系，无论如何旋转也不能重合。在平面对和立体对中，都安排了几种不同的转动角度或两个图形的方位差，这是一个重要的实验变量。在实验室随机将实验材料呈现给被试，让被试以最快的速度进行匹配判断，并记录反应时。实验结果表明，无论是平面对还是立体对，如果两个图形的形状和方位都相同，当其中一个图形转动了一定角度，反应时随方位差度数的增加而增加，两者成正比。达到180°时，反应时达到最大。根据以上的实验结果，谢泼德等人指出，被试作比较时，是在头脑里将一个图形转动到另一个图形的方位上来，然后依据匹配的情况再作出判定。从被试的内省报告可以看出，这种心理旋转的现象的确存在。通过这一实验，谢泼德等人确定了心理旋转这一事实，而且第一次用实验证明了它具有上述的渐进性和空间性的特点。
关于“字符材料”的实验。库珀和谢泼德制作了一组由字符组成的实验材料。字符的内容是大写字母R，分为正像与镜像两组，每组中的材料R在平面上作了旋转，分为六个角度：0°、60°、120°、180°、240°、300°，从而得到共有12个材料样本。实验时，用速示器将某一样本呈现给被试，被试的任务就是判定该样本是正的还是反的，而不管其具体的方位如何，按键作出反应，记录其反应时。12个样本随机各呈现一次。当样本为垂直的正位时，即旋转的角度为0°即360°，不管是正像的或镜像的，判定所需时间较少，约为0.5秒，而当样本作了不同角度的旋转，反应时随之增加，当样本旋转了180°时，反应时为最长，随着样本的旋转度数进一步增大，反应时反而逐渐减少。以180°为界，曲线的两侧是对称的。库珀和谢泼德认为，当呈现的样本偏离垂直的正位，即旋转了一定度数，被试就要将该样本的表象转回到正位上来，然后再与长时记忆中的正位的表征作比较。因为正位的样本不需要作旋转，就可以与长时记忆中的表征进行比较，所以判定处于正位上的正反材料所需的时间就少。而对偏离正位的样本作出判定，需要作出的心理旋转就越多，反应时也越长，该实验的结果说明，人们在进行表象加工时，似乎是存在一种心理旋转的范式。在库珀和谢泼德后来的验证实验中，也的确证明了这一心理旋转过程的存在。
六种方向
正常图 反常图
图1 R表象旋转材料
库珀和谢泼德通过实验证明心理旋转存在，但是有关心理旋转是否是连续的问题却是通过梅茨勒（Metzler,1973）的实验研究来证明的。这个实验的刺激材料和程序与前面提到的手柄状图形实验基本相似，但是其采用的实验方法却和前者不太相同。在呈现材料时，无论是平面对还是立体对，两个图形不是同时呈现的，而是先呈现其中一个（刺激甲），然后要求被试按照规定的方向（顺时针或逆时针）对甲的表象进行旋转，然后经过一定的时间间隔再呈现另一个图形（刺激乙），让被试作出两个图形“相同”或“不
同”的判定。实验的关键在于刺激乙在什么时候呈现。梅茨勒作了如下的安排：使刺激乙的延续时间等于两个有一定方位差的图形同时呈现所需要的心理旋转时间。根据在以前的实验中得到的被试的平均旋转速度（每秒53°）加以计算，如果一对图形的方位差为135°，则需时约为2.5秒，那么刺激乙的呈现时间应比刺激甲晚2.5秒。经过这样的安排，假如被试真的进行心理旋转，那么在刺激乙呈现的当时，刺激甲的表象正好转到刺激乙的方位，可以立即进行匹配并作出判定。如果从刺激乙的呈现开始计算反应时，那么反应时必定都很短，而且不随两个图形方位的角度差而变化。由于被试事先并不知道要将刺激甲的表象旋转多少度，所以反应时相对恒定，证明被试不是从一个角度跳到另一个角度，而是进行了经过许多中间角度的旋转。实验结果证实了上述设想，但是反应时曲线并不是一条平等于横坐标的直线，而是随转动的角度略有上升。这是因为刺激乙的呈现时间是按照被试的平均反应时来计算的，而事实上被试之间在反应时方面存在个别差异，被试需要作补充的旋转来校正，导致反应时略有增加。后来库珀和谢泼德应用多边形做了类似的实验，也得到了相同的结果。
谢泼德基于多次实验的结果，发展了关于表象心理旋转的理论。根据以上的实验结果，谢泼德等将心理旋转看成一种类比过程(analog process)。所谓的类比是说心理旋转也要经历一些中间阶段，与客体的物理旋转是类似的。它与数值计算或符号操纵是不同的。如果让计算机来计算旋转的角度，那么计算各种旋转角度所需的时间都将是一样的。依据心理旋转研究和其他有关研究的结果，谢泼德等认为，表象的实质就在于它是一种类比表征，表象与外部客体有着同构关系(isomorphism)，但是表象并不是直接地从结构上来表征外部客体，它与外部客体在结构上并没有一对一的联系。谢泼德所说的表象与外部客体的同构是指内部表征的机能联系与外部客体的结构联系是相似的，即如心理旋转与客体的物理旋转。谢泼德等称这种同构为“二级同构”（second-order isomorphism），以区别于格式塔心理学所阐述的同构。这就是谢泼德对于表象心理旋转的理论认识。谢泼德采用空间立体图形对表象的心理旋转也作了研究。
回顾了这些有关表象心理旋转的理论与研究之后，我们可以看出：以上的理论与实验进行都说明，表象心理旋转的现象是存在的；表象心理旋转的过程可能是有一定的连续性的；表象心理旋转随着材料旋转角度的变化，其反应时也有一定规律的变化（但还不能完全确定是一种线性规律）。
实验方法
1、 被试
全班同学，每四人一组
2、 实验仪器与实验材料
实验仪器：计算机、表象心理旋转实验程序（ExpPsy2000实验心理学实验系统）。
实验材料：库珀等人的不同角度的正反“R”图片。
3、 实验设计与实验过程控制
3.1 实验设计
(1) 本实验采用2×2的两因素实验设计，两个因素分别为正反“R”和性别（男，女）。其中性别为被试间因素，正反R为被试内因素。
(2) 此外，在正反R中分别包括6个角度，即0°、60°、120°、180°、240°、300°，所以从上面的2×2的实验结果中，还可以分别引申出正反R不同角度的因素，在结果分析中可以对正反R不同角度的反应时的差异进行详细分析。
3.2 实验材料
本实验所用实验材料为不同角度的正反R的图片，实验中R的呈现分为正R和反R，正R和反R均为6个角度，总共有12种不同角度和方向的R，呈现方式为随机呈现，每种角度呈现6次，每个被试总共做72次实验。
3.3实验程序
实验材料的制作。进入“表象心理旋转实验程序”主菜单，选择“实验材料制作”菜单中的“制作实验材料向导”，便会出现实验材料制作向导：①按“下一步”定义最小旋转角度，本实验为60°；②单击“浏览图形文件”按钮，选择“R.JPG”图片文件，定义每个角度图片的个数为6个；③单击“下一步”，选择“完成”按钮，计算机会自动生成定义的不同角度的图片。由于图片是即时生成的，所以，生成不同角度图片大约需要3～5分钟。
正式实验：制作完图片材料后，被试在主试指导下开始正式实验。①在“开始实验”菜单中选择“默认实验材料”，出现“指导语”窗体。②被试仔细阅读如下指导语：
“下面要呈现的是一系列不同角度的正R和反R，请你注意判断每次呈现的图片是正R还是反R，如果是正R，按“Q”键，如果是反R，按“P”键，在保证判断正确的前提下，反应越快越好。明白上述指导语后，按“开始实验”键开始实验。③被试按照实验要求进行实验。④实验结束后在“被试信息”窗体中填好文件名、被试名、性别、年龄等信息。⑤换下一个被试继续实验。”
结果分析与讨论
1、分别计算每个人不同角度的正R和反R判断的正确率和正确平均反应时，并填入表1。
表1 不同角度的正R和反R的正确率和正确平均反应时
2、分别以R的角度为横坐标，以反应时为纵坐标，画出正R和反R的角度和反应时之间的关系曲线，并作出解释。
3、分别以性别和正反R为因素，对实验结果做2×2的方差分析，并对结果进行分析与讨论。
4、分别对正R和反R的不同角度的反应时做单因素方差分析，考察不同角度的正反R的反应时是否有显著差异，并对不同角度的反应时做多重比较分析，检验差异的来源。
思考题
1、本实验为什么以反应时为指标对表象在人脑中的加工进行研究？如何通过反应时来解释表象信息加工的过程？
2、反应时在信息加工的研究中有哪些应用？基本原理是什么？
参考文献
舒华等著《实验心理学的理论、方法与技术》，人民教育出版社，2006年。