时间压力和性别差异对新手驾驶员心理旋转能力的影响研究

柯靖琪，王柳生

(南通大学 特种医学研究院，江苏南通 226000)

1 引言

心理旋转被认为是一种空间能力[1]，这是一种想象客体或自我旋转的空间表征转换形式，是人们衡量一个人空间认知能力的标准。空间能力主要通过心理旋转任务来考察，主要表现是“角度效应”，被试的反应时间与所需旋转的角度之间成线性关系，即旋转的角度越大反应时越长，正确率越低。

根据空间旋转对象的不同,可以分为客体旋转和主体旋转。张霞等人[2]认为这是一种想象自己或客体旋转的空间转换能力。根据旋转对象的不同,可以分为客体旋转和主体旋转，客体旋转就是旋转主体被试对其外部物体的旋转,如对字母、数字或立方体的旋转，主体旋转就是旋转主体对其本身或身体某个部位的旋转,如手或脚。

在交通场景中，当驾驶员识读定向导航信息和交通标志这类客体旋转时，需不断转换、对比大脑和现实中的方位；当驾驶员在路口观察交警手势这类主体旋转时，也需要转换方位，观察指挥通行的方向，该过程和心理旋转能力联系密切。如在环形交叉口中，车辆的绕环旋转引起周围景观及指路标志随之旋转，导致驾驶员产生心理旋转效应，严重影响驾驶员的心理紧张程度和驾驶行为，从而影响交叉口的通行能力。当驾驶员的心理旋转能力下降时，识读效率降低，导致获取其他道路交通信息的能力下降，更易造成交通事故[3]。

当下交通领域对于改善驾驶员心理旋转能力的研究多从交通环境设计方面进行研究，杜志刚[4]等人设计成了一系列完整、连续、鲜明、渐变的视觉信息导向系统旨在提高驾驶员的辨识准确率以及降低视认反应时间，缓解环形交叉口的“心理旋转”效应。但这些研究目前尚处在开发阶段，并没有很好解决环形路口驾驶员心理旋转会带引发交通安全的现状问题，也缺乏从驾驶员自身层面进行心理旋转训练方面的研究。

有研究表示，心理旋转能力表现出性别差异，即男性在心理旋转的行为水平上表现突出，表现为较短的反应时间和较高的准确性[5]，但也有研究显示，男性和女性在处理速度上没有较大差异[6]，尤其是计时心理旋转任务中没有性别差异[7]。尽管研究结果有一些具体的不一致，但最常被认为的是，男性被认为比女性更具有天赋[8]，并可能会影响任务表现[9]。

此外，在社会上，在驾车方面，男性在空间定向能力、练习、自信三方面都较女性拥有先天优势，我们总是对女司机有些“偏见”，会认为开车技术不好，引发交通事故的多是女性驾驶员，为女司机贴上了不好的“标签”。那么在心理旋转这项空间能力上，男女性驾驶员真的会存在这些差异吗？

综上所述，在面对心理旋转相关的交通场景时，驾驶员心理旋转能力的高低会影响驾驶安全，从而造成交通事故。那么在交通场景中，不同性别个体的心理旋转能力差异是怎么样的？本研究探讨在不同时间压力下，不同性别的新手驾驶员在面对不同心理旋转任务的任务表现，并从个体使用策略角度来探讨如何改善驾驶员的心理旋转能力。

2 对象与方法

2.1 实验设计

实验分为两个任务，第一个任务采用导航地图客体旋转材料，采用2(时间压力：有、无)×2(性别：男、女)×2(呈现方式：相同、不同)×4(旋转角度：0°、90°、180°、270°)的混合实验设计。其中性别为被试间变量，时间压力、呈现方式和旋转角度为被试内变量，反应时、正确率、旋转速度为因变量；第二个任务采用交警指挥手势主体旋转材料，采用2(时间压力：有、无)×2(性别：男、女)×2(呈现方式：相同、不同)×4(旋转角度：0°、30°、60°、90°)混合实验设计，自变量和因变量同客体旋转任务。

2.2 实验材料

(1)客体任务材料使用3Dmax软件制作图片，实验使用导航地图图像，在梅丹(2012)的材料基础上选取地图元素结合百度地图制作的图片，材料包含空间旋转角度(0°、90°、180°、270°)，如图1所示。

图1 导航客体心理旋转任务材料

(2)主体任务材料使用用3Dmax软件制作图片，实验使用交警指挥手势图像 ，根据修订后的人体图像 MBRT 任务制作，材料包含空间旋转角度(0°、30°、60°、90°)，如图2所示。

图2 交警主体心理旋转任务材料

2.3 实验仪器

两个实验任务都采用E-prime2.0编程，实验程序在联想启天M4360计算机上呈现，电脑屏幕分辨率为1024×768，显示器为液晶21.5寸。

2.4 对象

招募45名在校新手大学生驾驶员作为研究对象(界定标准为实际驾龄少于1年，总驾驶里程小于1000公里)，其中男生17名，女生28名，年龄在20-25周岁之间，双眼裸眼视力或矫正视力正常，被试信息基本情况如表1。

表1 被试信息基本情况

2.5 实验程序

每次实验测试一名被试。首先向被试简短地介绍实验目的、实验流程及实验注意事项，并让其填写一份实验前的个人信息问卷。本实验包括两个部分：练习阶段和正式试验。实验程序如下首先屏幕上显示白色字体黑色背景指导语，告知受试者试验流程及注意事项；其次待受试者充分理解指导语内容，并按下空格(Space)后，白色屏幕正中央呈现一个红色“+”靶点800ms，提示受试者将在靶点位置出现刺激图片唤起被试的注意力，以提示被试关注计算机屏幕，随后导航地图和交警手势任务依次呈现，顺序在被试间平衡。

(1)导航地图客体任务

采用L-R范式(Left-right paradigm)进行客体任务研究，屏幕同时呈现左右两幅图片，左侧图片为0°导航地图原始参考图片，右侧图片为旋转不同角度旋转或镜像处理的交警图片，被试需要快速且准确地判断左右出现的两图是否相同，并双手按键反应，F键代表相同，J键代表不同。

时间压力在被试间平衡，分为有时间压力(TP)和无时间压力(UTP)。依照Benson(1996)研究时间压力对决策制定的实验中对时间压力的设置方法，即用预实验中所有被试的平均值(M)减去他们的1/2标准差(SD)得到反应时限制，因此，本实验中时间压力的设置为预实验中被试在无时间压力下反应时平均值减去标准差的一半为2944s，无时间压力不设置时间限制，并且实验结束后会询问被试的使用策略进行反馈，如图3。

整个实验中共128试次，E-prime软件会自动记录被试的反应时及正确率等指标，实验结束后实验人员会给被试赠送礼物表示感谢。

图3 L-R 范式(Left-right paradigm)有时间压力/无时间压力下的实验流程

(2)交警手势主体任务

采用S-D范式(Same-different paradigm)进行主体任务研究，屏幕每次只呈现一幅人体图形，首先呈现一幅0°原始交警参考图片，随后出现旋转不同角度旋转或镜像处理的交警图片，被试需要快速且准确地判断前后出现的两图是否相同，并双手按键反应，F键代表相同，J键代表不同。

时间压力的设置同导航地图客体任务，时间压力(TP)的设置为1527ms，并且实验结束后会询问被试的使用策略进行反馈如图4。

整个实验中共126试次，E-prime软件会自动记录被试的反应时及正确次数等认知指标。

图4 S-D 范式(Same-different paradigm)下实验程序流程图

3 结果

3.1 导航地图客体任务的结果

剔除5名未认真作答的被试数据，具体标准为在其中2个以上实验水平下的正确率为0，并且剔除反应时超过均值 3 个标准差的数据，且反应时的统计分析只包括正确的试次，最终有效被试40名。

3.1.1 反应时

表2 驾驶员在客体心理旋转任务下的反应时(ms)

重复测量方差分析的结果显示，时间压力主效应极其显著，F(2，38)=55.903，P<0.001，η2=0.622，无时间压力比有时间压力的反应时更高；角度主效应极其显著，F(2，38)=78.319，P<0.001，η2=0.697，0°旋转角度比其他角度的反应时更低；呈现方式的主效应显著，F(2，38)=5.357，P=0.027，η2=0.136，不同呈现时比相同呈现时的反应时更高,见表3。

表3 客体心理旋转任务下反应时的重复测量方差分析结果

由于本实验的研究目的中主要关注的是相同呈现方式下，其他变量之间的影响，而时间压力、呈现方式、角度和性别之间存在交互作用正包含研究的关键点，F(2，38)=3.556，P=0.017，η2=0.095，故做简单简单效应分析，分析结果如下：(1)在相同图像呈现下，仅在有时间压力下发现，在0°旋转时男性比女性反应时更低(P=0.030)。(2)在相同图像呈现下，无论是何角度，男性在有时间压力条件下的反应时低于无时间压力(ps<0.01)，女性结果亦是如此(ps<0.001)。(3)在相同图像呈现下，有时间压力时，男/女性在0°反应时比其他三个角度的反应时都要低(ps<0.001)，无时间压力的结果亦是如此(ps<0.001)。

3.1.2 正确率

对正确率进行重复测量方差分析的结果显示，时间压力主效应极其显著，F(2，38)=36.078，P<0.001，η2=0.487，无时间压力比有时间压力的正确率更高；角度主效应极其显著，F(2，38)=91.926，P<0.001，η2=0.708，0°旋转角度比其他角度的正确率更高，见表4。

表4 驾驶员在客体心理旋转任务下的正确率

时间压力、呈现方式和角度三者交互作用边缘显著，F(2，38)=2.603，P=0.054，η2=0.064，。进一步简单简单效应分析结果：(1)在相同图像呈现时，对于有时间压力情况下， 0°比其他三个角度正确率都要高(P<0.001)，90°比180°正确率要高(P=0.014))；无时间压力情况下，发现0°比其他三个角度正确率都要高(P<0.05)。(2)在相同图像呈现时，相较于无时间压力条件，驾驶员在有时间压力条件面对0°旋转时的正确率更高(P=0.002)，90°、180°、270°旋转时亦是如此(ps<0.001)，见表5。

表5 客体心理旋转任务下正确率的重复测量方差分析结果

3.1.3 阶段特征分析

前面可以看到，0°时候的初次的判断会发现男性更好，那么男性的心理旋转优势是不是由于他们在某个(或某些)加工阶段效率更高？因此，对之前数据进行整理，分析心理旋转的阶段特征。

进行数据分析之前先进行正态分布检验，感知阶段反应时经过 ln 转换后符合正态分布，旋转速度也符合正态分布。对两个阶段分别进行2(性别：男，女)×2(时间压力：有，无)×2(呈现方式：相同，不同)重复测量方差分析。结果会发现，在感知阶段，时间压力主效应极其显著，F(2，38)=63.275，P<0.001，η2=0.637；时间压力、呈现方式和性别三者交互显著，F(2，38)=4.302，P=0.045，η2=0.107，通过事后检验发现：在有/无时间压力下，对于相同呈现下，都发现了性别差异，男性反应时低于女性(ps<0.05)。而在旋转阶段并无性别差异，见图5。

图5 驾驶员在客体心理旋转任务下的阶段特征

3.1.4 策略的卡方检验

根据被试自我口头汇报的策略进行分组，探究不同性别的被试与其使用的策略是否存在相关，结果发现使用策略与性别直接存在显著性差异(χ2=15.545,df=1，P<0.001)，因此，可以认为男女性主观策略存在差异，男性比女性心理旋转能力更有优势是因为更多采用了第一人称视角。

3.2 交警手势主体任务的结果

剔除4名未认真作答的被试数据，具体标准为在其中2个以上实验水平下的正确率为0，并且剔除反应时超过均值 3 个标准差的数据，且反应时的统计分析只包括正确的试次，最终有效被试41名。

3.2.1 反应时

重复测量方差分析结果显示，时间压力主效应极其显著，F(2，39)=61.956，P<0.001，η2=0.626，无时间压力比有时间压力的反应时更高；角度主效应极其显著，F(2，39)=22.904，P<0.001，η2=0.382，随着角度增大，反应时也随之增加，见表6。

表6 驾驶员在主体心理旋转任务下的反应时(ms)

时间压力和性别交互存在交互作用，F(2，39)=17.844，P<0.001，η2=0.325；时间压力、呈现方式和角度三者存在交互作用，F(2，39)=3.671，P=0.014，η2=0.090，进一步简单简单效应分析发现：(1)在相同呈现方式时，对于有时间压力情况下， 0°的反应时比其他三个角度都更低(P<0.001)；对于无时间压力情况下，在0°的反应时比60°、90°更低(ps<0.01)。(2)在相同呈现方式时，相较于无时间压力，驾驶员在有时间压力0°旋转的反应时更快(P<0.001)，其他三个角度亦是如此(ps<0.05)，见表7。

表7 主体心理旋转任务下反应时的重复测量方差分析结果

3.2.2 正确率

对正确率进行重复测量方差分析的结果显示，时间压力主效应极其显著，F(2，39)=37.470，P<0.001，η2=0.490，无时间压力比有时间压力的正确率更高；角度主效应极其显著，F(2，39)=75.127，P<0.001，η2=0.658，随着旋转角度增大，正确率降低，见表8。

表8 驾驶员在主体心理旋转任务下的正确率

时间压力、呈现方式和角度三者存在交互作用，F(2，38)=2.985，P=0.034，η2=0.071，通过简单简单效应分析发现：(1)在相同呈现方式时，对于有时间压力情况下，在0°的正确率比其他角度都更高(ps<0.001)，无时间压力情况亦是如此。(2)在相同呈现方式时，相较于有时间压力，驾驶员在无时间压力0°旋转的正确率更高(P<0.001)，其他三个角度亦是如此(ps<0.001)，见表9。

表9 主体心理旋转任务下正确率的重复测量方差分析结果

续表9

3.2.3 阶段特征分析

数据分析之前进行正态分布检验，对两个阶段分别进行2(性别：男，女)×2(时间压力：有，无)×2(呈现方式：相同，不同)重复测量方差分析结果会发现:

在感知阶段，时间压力主效应极其显著，F(2，38)=58.000，P<0.001，η2=0.598；时间压力和性别交互极其显著，F(2，38)=14.777，P<0.001，η2=0.275，进一步简单效应分析会发现，在有/无时间压力下，男性反应时低于女性(ps<0.01)，见图6。

图6 驾驶员在主体心理旋转任务下的阶段特征

在旋转阶段，时间压力主效应极其显著，F(2，38)=71.835，P<0.001，η2=0.648；时间压力和性别交互极其显著，F(2，38)=15.090，P<0.001，η2=0.279，进一步简单效应分析会发现，在有/无时间压力下，男性旋转速度快于女性(ps<0.01)。

3.2.4 策略的卡方检验

同客体任务进行分组，探究不同性别的被试与其使用的策略是否存在相关，结果发现使用策略与性别也存在显著性差异(χ2=7.507,df=1，P=0.006)，可以认为男女性主观策略存在差异。

4 讨论

4.1 主客体心理旋转任务中的角度效应

以往的研究显示，物理旋转和心理旋转的过程在某种程度上来说是一致的。Gardony等人[11]比较了解决心理旋转任务时的过程和控制身体旋转时的过程。他们发现了许多条件之间的相似性，即旋转的角度越大反应时越长。角度效应说明，旋转角度的增加意味着心理负荷的增加，而随着任务难度的加大，被试完成任务的时间耗费增加，也越容易出现错误。

本研究在交警指挥手势的主体任务中也发现了角度效应，随着空间旋转角度越大，被试的正确率越低，反应越慢，并且0°旋转比其他三个角度旋转的反应时更低，正确率更高，但在客体导航地图的客体任务中则没有发现，在地图旋转180°的时候，被试反应时更高，正确率更低，这可能是因为可能与地图任务与交警任务使用的范式不同有关。这可由 “注视点独立理论(Viewpoint - invariant theory )”来解释。由于交警的人体图具有明显的特征，以及地图刺激的镜像和正像比交通警察的人体更容易混淆，这可能导致受试者使用更多的“特征分析”策略来完成任务很少或没有“旋转策略”。因此不存在角度效应，这与Zacks 等人[12]的研究相似。

4.2 主客体心理旋转任务中的阶段特征

对于阶段特征的分析而言，会发现明显的性别差异。在两种任务条件下，都发现了感知阶段的性别优势。感知阶段的优势可能是由于男性在刺激的编码、任务准备程度或是动作速度上存在优势。

而旋转阶段交警主体表征下男性旋转速度更快，本研究只在主体心理旋转方面发现性别差异的出现。也就是说，在客体导航地图任务中，男性仅在感知阶段有着更好的绩效；而在主体交警任务中，男性在感知阶段和旋转阶段的效率都高于女性。冯甜[13]的研究探究了跳水运动员的心理旋转能力，发现心理旋转的旋转速度与实际旋转动作的速度之间存在显著相关，专业运用员通过空间具身影响了刺激的加工编码，获得了更快的感知速度。本研究认为可能是因为，交警场景中男性也比女性更容易建立主体表征，因而加速了编码，而对于地图这种客体表征，不容易后续进行加工，所以只在感知阶段有发现。

4.3 时间压力对不同性别驾驶员的影响

以前的研究很少有关时间压力对心理旋转的影响，而在交警场景中，很多涉及心理旋转的任务(比如看交警手势和使用手机导航)往往都存在时间限制，不能够长时间聚焦在上面，并且以往文献少有心理旋转方面时间压力的设置，因此加入了这一因素的讨论。

过去的研究表明，在执行心理旋转任务时时，时间限制导致女性的表现低于没有时间限制的水平[14]。结果与文献结果基本趋于一致，男性在时间压力下的反应差别也存在，但是女性很明显有较大差异。在主体心理旋转任务中，时间压力对心理旋转能力有显著影响，无时间压力条件下的心理旋转能力显著高于有时间压力条件下。这表明无时间压力时在心理旋转过程中有更多的时间来加工信息，有时间压力时将部分注意资源投入在知觉时间上，故而反应时与正确率皆低于无时间压力组。进一步简单效应分析结果也显示，无论是在何角度下，对于正像的呈现方式而言都体现了统一的结果，被试在时间压力下的反应时和正确率都显著低于无时间压力，无时间压力下参与者可以从容的进行任务判断，与预期一致。

4.4 性别差异的策略分析

有研究显示，不同的个体似乎使用不同的策略来解决心理旋转任务[15]。特别是，高空间能力的个体在编码刺激和操纵视觉表象方面更快[16]。Hegarty[17]让参加者口头汇报了实用策略，发现男性和女性使用不同的策略方法完成心理旋转任务，造成了能力的差异。

因此，在实验结束后，本实验也询问了参与者的使用策略，对于任务表现更好的被试来说，他们往往以第一人称视角进行实验，建立以自我为中心的参考系，以男性参与者居多，而女性更多的是以第三人称视角进行反应。策略的不同可能导致了本实验男性的任务表现比女性更好的原因之一。有关策略的研究似乎表明，在采取不同策略时大脑的认知机制可能不一致[18]，未来的研究可以聚焦在不同旋转策略的被试在进行心理旋转任务时，脑区的激活区域和激活程度情况。

在当下社会，我们会对女司机有所偏见，尽管不能说所有的女司机开车技术都不过关，但总的来说，开车方面女不如男是社会公认的一点。那么，在本研究中会发现男女驾驶员的心理旋转能力存在差异，如何改善女驾驶员的空间能力，提升驾驶绩效，也是未来亟待探索的研究。

5 结论

本研究探讨在不同时间压力情况下，不同性别新手驾驶员面对主客体心理旋转任务的行为表现，并结合阶段特征做了进一步探讨，得到以下结论:(1)相较于无时间压力，新手驾驶员在时间压力下反应更快，但正确率比更低，女性新手驾驶员更为明显。(2)在性别差异方面，男性比女性行为表现更好，在感知阶段上更有优势，这可能是由于使用策略不同导致，造成加工速度的差异。因此后续可以关注新手驾驶员对心理旋转能力的训练，尤其是有时间压力的情况下，减少性别差异的影响，减少交通事故的发生。