空间参照系建立的时间特征

刘仙芸　刘书青　王超

摘要 通过2个实验来探讨空间记忆参照系建立的时间特征。被试学习一个由7个物体组成的场景，场景中的物体以随机的方式序列呈现。一个能够标明物体位置且具有对称结构的场景分别在被试进行物体位置学习之前或之后呈现。研究结果发现：当被试在学习物体位置之前短暂呈现场景结构，场景结构能够决定空间参照系的建立；但被试学习物体位置之后再短暂呈现场景结构，场景结构不能决定空间参照系的建立。以上结果表明：空间参照系是在学习物体位置之前建立，并且建立之后不能被改变。

关键词 空间参照系，空间记忆，序列呈现，物体位置，虚拟现实。

分类号 B842.3

1.引言

物体位置和空间关系的记忆与人们日常生活密切相关。如果人们不能够记起回家的路线、在不熟悉的环境中迷失方向，那将会严重影响人们的日常生活。空间记忆理论认为，当人们记忆环境中物体位置的时候，要建立一个空间参照系并且根据这个参照系来描述环境中物体的位置和空间关系（Mou& McNamara，2002；Shelton & McNamara，2001；Werner & schmidt，1999）。人在记忆中建立的这种空间参照系是一种基于环境本身和空间场景内在结构的“内在参照系”（intrinsic frames of reference）。已经有很多研究对空间参照系如何建立进行了考察（Shelton & McNamara，1997，2001；Greenauer &Waller，2008，2010；Mou，Liu，& McNamara，2009；Mou，Xiao，& McNamara，2008；Waller，Lippa，&Richardson，2008；Yamamoto & Shelton。2008）。

人类的记忆可以通过一个或多个空间参照系来描述环境中物体的位置（Klatzky，1998）。由于一个环境中存在着许多可能被选择的内在参照系方向，前人关于空间记忆的研究表明，人可以根据各种不同的线索来选择空间参照系。这些线索包括观察视点方向、指导语、周围的环境结构、场景的几何结构和物体自身的相似性和临近性等。已有研究表明。空间参照系的建立可以由环境线索和观察者自身的观察视点方向决定的。

shelton和McNamara在1997年的研究中，用相对方向判断任务（judgments of relative direction，JRD；例如，想象你站在X，面对着Y，请指向Z）来推断观察视点方向在选择空间参照系过程中的作用。他们让被试从两个不同的观察视点方向学习同一个场景，这些场景由一些物体组成。他们要求被试记忆这些物体的位置，学习结束后被试被带到另外一个屋子做相对方向判断的任务。结果表明，相对方向判断任务的准确性在同学习朝向平行的其他朝向上的成绩要好于同学习朝向不平行的其他朝向。Wal-ler等人2008的研究表明，空间参照系的方向是由身体和物体组成的场景之间的轴决定的，而不是由身体的朝向决定的。Yamamoto和Shelton（2008）的研究表明被试学习一个由序列呈现的物体组成的场景时，空间参照系的选择是由观察者的观察视点方向决定的。上述研究表明，观察者的观察视点方向可以决定空间参照系的建立。

但是有另外一些研究表明，空间参照系的建立也可以由独立于观察者之外的线索决定（Greenauer& Waller，2010；Hintzman，ODell，& Arndt，1981；Liu，Mou，& McNamara，2012；Liu，Zheng，& Liu，2013；Marchette & Shelton，2010；McNamara，Rump，& Wernet，2003；Mou，Liu，& McNamara，2009；Mou & McNamara，2002；Mou，Xiao，& Mc-Namara，2008；Shelton & McNamara，2001；Werner& Long，2003；Werner & Schindler，2004；Werner &Schmidt，1999）。Shelton和McNamara（2001）的研究表明，当被试从多个观察视点学习物体位置时，空间参照系的建立是由平行于屋子或地毯的观察视点方向决定的，而不是由其它的观察视点方向决定。这表明，场景结构会影响空间参照系的建立。Mou等人2008年的研究表明，短暂学习桌面物体组成的场景之后，空间参照系的建立是由桌子的朝向决定的。Marchette和Shelton（2010）的研究表明，当场景中所有的物体都面朝一个方向，这个朝向也可以决定空间参照系的建立。这些研究表明，场景外部框架也会决定空间参照系的建立。空间参照系的建立也可以由场景自身的结构来建立，比如对称轴（Greenauer & Waller，2010；Liu，Mou，& McNama-ra，2012；Mou，Liu，& McNamara，2009）。

以上研究表明，前人的空间记忆研究多集中在空间参照系的建立是由哪些因素决定的。然而，空间参照系建立的时间特征（即空间参照系是在哪个时间点建立）却很少有人研究。本研究的目的是想考察空间参照系是在哪个阶段建立的。

在以往研究中，当被试学习这些物体的位置时，影响参照系建立的线索一直呈现。因此，我们不能从这些研究中推断出在场景学习的哪一阶段，起决定作用的线索克服了其他线索而使空间参照系建立。空间参照系的建立可能发生在对物体位置的编码阶段之前，也能发生在对物体位置编码的过程中。简单说，就是空间参照系建立的时间上有两种可能性。一是人在学习物体位置之前，先建立一个空间参照系，然后根据这个参照系来记忆物体的位置。二是人在学习物体的位置，这一过程中，逐步建立了空间参照系，再根据参照系来记忆物体位置。

已有的空间记忆理论并不能对上述两种空间记忆建立的时间上的可能性给出清晰的答案。本研究的目的是想解决上述两种可能性。即考察在学习物体位置之前，是否能够建立空间参照系。

已有研究表明，场景的对称轴方向可以克服观察视点方向从而决定空间参照系的建立（Greenauer& Waller，2010；Liu，Mou，& McNamara，2012；Mou，Liu，& McNamara，2009）。在本研究中，一个由7个黑色圆点组成能够标记物体位置的具有对称轴的背景，在物体呈现之前或学习结束之后出现，用来考察空间参照系建立的时间特征。

2.实验1物体位置学习前场景结构短暂出现，空间参照系的建立

2.1 研究目的

本实验想要考察当学习序列随机呈现，在场景结构短暂出现然后消失的条件下，场景结构能否决定空间参照系的建立。如果在进行物体位置学习之前，短暂呈现的场景结构能决定空间参照系的建立，则说明空间参照系的建立可能发生在对物体位置的编码阶段之前，即证明了空间参照系建立时间上的第一种可能性，也就是说，人在学习物体位置之前，先建立一个空间参照系，然后根据这个参照系来记忆物体的位置。

2.2 研究方法

2.2.1 被试

被试为16名在校大学生或者研究生（平均年龄24.6岁），男女各半，视力或矫正视力正常，以前未参加过类似实验。

2.2.2 实验设计

对于参加本研究的所有被试，实验都为单因素实验设计，自变量为完成相对方向判断任务时的想象朝向（本实验中共有8个想象朝向，0到315度以45度为间隔，其中一个朝向为学习朝向，其他为新颖朝向）。因变量为被试从听到目标物体到完成指向任务时的反应时间和绝对误差角度，其中反应时间为主要因变量。角度误差是被试用游戏杆进行指向反应的指向方向和目标物体的真实方向的绝对角度差。

2.2.3 实验材料

学习场景学习过程是在一个6×8米的长方形房间里进行的，房间四周的墙壁由黑色的帘子覆盖，确保排除掉其它可以影响记忆结果的视觉因素。整个学习场景由虚拟现实系统呈现出来，七个物体呈现在一张圆形的桌子上，桌子上面对应每个物体的位置上都呈现了同物体直径大小相当的七个黑色的圆点，从而标出了整个场景的几何结构。桌子的高度为69cm，直径为80cm，七个物体分别是小球、电池、苹果、蜡烛、夹子、瓶子、小锁，他们之间没有明显的语意联系，也没有相似的视觉特征（如图1所示）。其中，夹子和瓶子，夹子和电池之间的距离都是21.2cm，夹子和苹果之间的距离是30cm。我们把整个场景的对称轴方向（沿着瓶子-苹果-小球）定义为0°方向，观察视点方向（沿着夹子-苹果）定义为315°。因此，其他的角度也相应的被定义。例如，沿着小锁-苹果的方向被定义为45°方向。虚拟学习场景通过NVIS视频头盔呈现，被试的头部转动由PPT运动捕捉系统进行追踪。从而精确的呈现周围的虚拟环境。

测试项目 空间记忆的每一组测试的方式为想象你站在物体A，面对着物体B，请指向物体C。（例如：想象你站在瓶子，面对着苹果，请指向蜡烛。）前面两个物体建立了你的想象朝向（如瓶子和苹果），第三个物体是目标物体（如蜡烛）。测试项目中共有8个想象朝向（0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°），例如O°对应同被标记为0°的方向一致的所有朝向（例如：站在瓶子面对着苹果，站在小锁面对着蜡烛，站在夹子面对着蜡烛），315°对应同被标记为315°的方向一致的所有朝向（例如：站在夹子面对着苹果，站在电池面对着小球，站在瓶子面对着蜡烛）。指向的方向（目标物体相对于想象朝向的方向）被划分成三个区域。前方（45°-0°和0°-315°），侧方（315°-225°和135°-45°）和后方（135°-180°和180°-225°）。因此产生出48个试次（trial），在每个想象朝向上有6个试次，共有8个想象朝向。这些试次根据如下规则产生：在每个朝向上保证有三对站着的和面对的物体；在前方、侧方和后方这三个方向中的每个方向保证有两个目标物体被用到；在每个想象朝向上的六个物体，每个都被用两次；在所有的朝向上，每个物体被作为站着的、面对的和指向的物体次数一样。因此，指向的方向在各个朝向上是相等的。被试总共需要进行10组测试，每组48个试次。在每组中，测试的试次出现的顺序随机呈现。所以每个被试共需要完成480个试次。

2.2.4 实验程序

被试首先阅读实验知情同意书，同意后签字。在实验中，被试首先从一个观察视点学习整个场景，学习结束之后进行相对方向判断的任务。实验按照单个被试逐一进行，具体包括练习、学习和测试三个阶段。每组测试之间被试可以休息，每个被试实验过程大约需要3.5到4个小时左右。

练习阶段被试通过练习1到2组（每组8个试次）任务完成练习阶段，在练习过程中主试通过给予被试反馈来使被试熟悉测试过程和游戏杆的使用。

学习阶段被试完成练习阶段后，由主试带领进入学习的房间，被试站在学习的位置（整个场景的315°的方向，学习位置与桌子之间距离为190厘米）之后去除眼罩，戴上虚拟现实头盔对物体的位置进行学习。在学习过程中，首先，被试会看到一张圆形的桌子，桌子上面有对应七个物体位置的黑色圆点，这些黑色的圆点在呈现5秒钟之后消失，然后主试按键，第一个物体呈现，然后消失，接着下一个物体呈现，再消失，直到七个物体都呈现完。每个物体的呈现时间相等，两个物体之间没有时间间隔，整个场景呈现时间共30秒。在此过程中，所有物体呈现的顺序是随机的。七个物体都呈现完之后，主试要求被试闭上眼睛，根据记忆指向物体并同时说出物体的名称。这种学习-指向过程一共进行10次。被试完成学习阶段后，带上眼罩，由主试带领到另外一个房间进行测试。

测试阶段：首先被试坐在椅子上，带上眼罩和耳机，拿好游戏杆，通过按游戏杆上的一个键来开始每一次试次，测试的试次呈现在计算机屏幕上，通过计算机传送到无线耳机中。过程如下，被试首先按键听到“想象你站在物体A面对着物体B”（例如：想象你站在瓶子面对着苹果）。当被试在脑海中清晰地形成自己站在什么地方面对着什么地方的画面之后，扣动游戏杆上的扳机之后立即会听到“请指向物体C”（例如：请指向蜡烛）。被试会根据记忆中的物体位置将游戏杆指到相应的方向。实验指导语要求被试尽量准确地指向物体的位置，被试相对方向判断任务的错误角度和反应时间都同时被记录。

2.3 结果

本研究采用基于整组被试水平的方差分析来对实验结果进行统计检验。本研究主要以反应时作为主要指标，是因为在本研究中，反应时间比错误角度更为稳定和敏感。但是人们在最终确定被试如何建立空间记忆的内在参照系方向时，会同时考虑反应时和错误角度因素。本研究中的所有实验结果中都同时给出了反应时和错误角度的数据结果。测试朝向区被分成4个水平，0度朝向（场景的对称轴方向）、315度朝向（观察视线方向）、同0度朝向一致的新颖方向（即90，180，270度等与0度朝向水平或垂直的方向）、同315度朝向一致的新颖方向（即45，135，225度等与315度朝向水平或垂直的方向）。在进行统计分析时首先对整组被试的作业成绩用SPSS16.0统计软件进行方差分析，然后进行上述四个朝向的多重比较检验。

对被试在8个想象朝向的反应时间进行重复测量方差分析，如图2所示。结果表现出显著的想象朝向主效应，F（7，49）=13.85，p<0.001。多重比较结果显示：想象朝向是O°的反应时间比45°，90°，135°，180°，225°，315°的反应时间快，ts（49）≥13.45，p<0.05；但是和270°的反应时间没有显著差异，t（49）=1.63，p>0.05。想象朝向同场景的对称轴方向一致（90°，180°，270°）的反应时间比想象朝向同观察视点方向一致（45°，135°，225°）快，并且达到显著差异，t（49）=5.92，p<0.05。

对被试在8个想象朝向的错误角度进行重复测量方差分析，如图3所示。想象朝向主效应显著，F（7，49）=2.89，p<0.05。多重比较结果显示：想象朝向是0°的错误角度比135°，225°的错误角度小，ts（49）≥2.72，但是和45°，90°，180°，270°，315°的错误角度没有显著差异，ts（49）≤1.57，p>0.05。同场景的对称轴方向一致的想象朝向（90°，180°，270°）的错误角度和同观察视点方向一致的想象朝向（45°，135°，225°）的错误角度有显著差异，t（49）=2.18，p<0.05。

综上可以得出以下结论：第一，被试在进行相对方向判断的时候，在想象朝向为场景对称轴方向（O°方向）的反应时间比包括观察视点方向（315°方向）在内的所有其他朝向的反应时间快。第二，被试在想象朝向是同场景的对称轴方向一致的新颖朝向（90°，180°，270°方向）的反应时间比同观察视点方向一致的新颖朝向（45°，135°，225°方向）快。第三，被试选择了场景的对称轴方向作为空间表征的内在参照系朝向。第四，场景结构在被试进行物体位置学习之前短暂呈现，被试能够沿着场景结构的方向建立空间参照系。这表明，空间参照系是在学习场景之前建立起来的。即使场景结构呈现时间只有五秒钟，被试依然能够选择场景的对称轴方向作为空间记忆表征的内在参照系方向。可以说本实验中的场景结构决定着空间记忆内在参照系的建立，并且空间参照系的建立是在被试最初学习的时候建立起来的，5秒钟的场景结构呈现足以使被试获取场景信息，并建立空间参照系来表征整个场景。

3.实验2学习结束后场景结构短暂出现，空间参照系的建立

3.1 研究目的

实验1研究结果证明，空间参照系是在最初的学习过程中建立起来的。本实验的目的是检验是否其他因素而不是场景结构在学习之前短暂呈现引起了实验1的结果。例如，造成实验一结果的一种可能是相对方向判断任务在同对称轴方向一致的想向朝向上要比同观察视点方向一致的想象朝向上容易，而不是由实验控制引起的。在实验2中，场景结构在被试学习结束之后短暂呈现5秒钟。如果空间参照系是在学习之前建立，那么此时场景结构并不能决定空间参照系的建立，实验2的结果应该与实验一结果表现出不同的模式，即同对称轴方向一致的想象朝向上的成绩并不比同观察视点方向一致的想象朝向上的成绩好。那么可以说，实验1的结论是确凿可信的。

3.2 研究方法

3.2.1 被试

被试为16名在校大学生或者研究生（平均年龄23.8岁），男女各半，视力或矫正视力正常，一年内未参加过类似实验。

3.2.2 实验设计

同实验1。

3.2.3 实验材料

学习场景同实验1。但不同的是，在学习开始，首先物体开始随机出现，在被试学习过10次之后，桌子上面的对应七个物体位置的黑色的圆点才出现，5秒钟之后消失。

测试项目同实验1完全一样。

3.2.4 实验程序

练习与测试阶段同实验1完全一样。

学习阶段。首先被试会看到一张桌子，然后主试按键，第一个物体呈现4.29秒，然后消失，接着下一个物体呈现，再消失，直到七个物体都呈现完。每个物体的呈现时间相等，两个物体之间没有时间间隔，整个场景呈现时间共30秒。在此过程中，所有物体的呈现顺序是随机的。七个物体都呈现完之后，主试要求被试闭上眼睛，根据记忆指向物体并同时说出物体的名称。这种学习一指向过程一共进行10次。在这种学习一指向过程结束之后，接着主试会告诉被试，一会他将看到桌子上面有对应七个物体位置的七个黑色的圆点，呈现5秒钟之后会消失，然后主试按键，黑色的点出现，被试学习5秒钟之后结束。然后主试带领被试到另外一个屋子里进行测试。

3.3 结果

对被试在8个想象朝向的反应时间进行重复测量方差分析，如图4所示。

结果表现出显著的想象朝向主效应，F（7，49）=2.20，p<0.05。多重比较结果显示：想象朝向是315°的反应时间比45°，90°，135°，225°的反应时间快，ts（49）≥12.28，p<0.05；但是和0°，180°，270°的反应时间没有达到显著差异，ts（49）≤1.71，p>0.05。想象朝向同场景的对称轴方向一致（90°，180°，270°）方向的反应时间和想象朝向同观察视点方向一致（45°，135°，225°）方向的反应时间差异没有达到显著，t（49）=1.59，p>.05。

对被试在8个想象朝向的错误角度进行重复测量方差分析，如图5所示。想象朝向主效应显著，F（7，49）=1.69，p<0.05。多重比较结果显示：想象朝向是315°的错误角度比90°的错误角度小，t（49）=2.64，p<0.05；但是和45°，135°，180°，225°，270°，315°的错误角度没有显著差异，ts（49）≤1.98，p>0.05。同观察视点方向一致的想象朝向（45°，135°，225°）的错误角度和同场景的对称轴方向一致的想象朝向（90°，180°，270°）的错误角度有显著差异，t（49）=2.08，p<0.05。

综上，可以得出以下结论：第一，被试选择了观察视点方向作为空间表征的内在参照系朝向。在进行相对方向判断的时候，被试在想象朝向为观察视点方向（315°方向）的反应时间比包括场景对称轴方向（0°方向）在内的所有其他朝向的反应时间快。第二，在学习结束之后，场景结构短暂呈现，此时场景结构这一强线索并不能够决定空间参照系的建立。实验二的结果与实验一结果表现出不同的模式，这说明，空间参照系是在最初学习场景时建立起来的，并且参照系一旦建立，不可以被改变。

4.讨论

以往对空间参照系的研究多集中在是空间参照系的建立由哪些因素决定，哪一种因素是主导因素。但是关于空间参照系建立的时间特征（即空间参照系是在哪个时间段建立）却并未有人研究。本研究的目的是想考察空间参照系是在哪个阶段建立的。实验1和实验2通过操纵场景结构的呈现阶段，来考察空间参照系建立的时间特征。

实验1结果发现，在进行物体位置学习之前，短暂呈现具有对称轴的场景结构，被试能够克服观察视点因素，沿着场景结构的方向建立空间参照系。即使场景结构呈现时间只有五秒钟，但它依然能够决定空间参照系的建立。这表明，空间参照系是在学习场景之前建立起来的。五秒钟的场景结构呈现足以使被试获取场景信息，并建立空间参照系来表征整个场景。

本研究首次发现空间参照系的建立发生在物体位置学习之前。实验2进一步证明这一结果不是由其它因素造成的。在实验2中，被试在学习完物体位置之后，场景结构短暂呈现。实验1和实验2的区别在于场景结构呈现的顺序。实验2的研究结果表明，在学习结束之后短暂呈现场景结构，场景结构并不能决定空间参照系的建立。实验2的结果与实验1结果表现出不同的模式。实验1和实验2的结果共同说明，空间参照系是在最初学习场景时建立起来的，并且空间参照系一旦建立，不可以被改变。

在实验2中，在最初学习的过程中，被试就选择了观察视点方向作为空间参照系方向，所以随后呈现的场景结构没有任何作用。所以本实验的另外一个重要发现是，空间参照系一旦建立，就不容易被改变。这一发现也可以解释前人的研究中，被试在经历了多个观察视点学习场景之后，为什么最后只形成一个空间记忆内在参照系来表征场景（Mou，Zhao，& McNamara，2007；Shelton & McNamara，2001；Valiquette，McNamara，& Labrecque，2007）。

本研究中，采用虚拟现实环境，因为它可以使实验条件操纵更加容易。人们相信这一实验结论也可以推广到真实环境中。

5.结论

本研究对空间记忆表征过程中（空间参照系的建立）的动态特征和时间特征进行考察，得出以下结论。当人在看到物体之前，已经能够根据场景结构建立空间参照系。这表明，人在对物体位置进行编码之前，就已经建立空间参照系，然后再根据这个参照系来表征场景中物体位置。并且空间参照系一旦建立，不可以被改变。