特征数量对三维图形视觉工作记忆容量的影响

吴文春，陈 瑗

（韩山师范学院 教育科学学院，广东 潮州 521041）

0 引 言

工作记忆是在认知任务的执行过程中用于暂时存储和加工信息的系统，在多成分工作记忆模型中，它由语音回路、中央执行系统和视觉空间模板三个子系统共同组成[1].其中的视觉空间模板（即视觉工作记忆）又由客体和空间工作记忆组成，主要负责对视觉空间信息进行储存和加工.目前有许多认知神经科学领域的研究显示，视觉工作记忆包含客体工作记忆和空间工作记忆[2-4].

近二十年来，视觉工作记忆的存储机制和容量已成为记忆研究领域中的焦点.随着视觉工作记忆研究的日益深入，相关领域研究者们普遍支持视觉工作记忆容量大概是4个客体的观点，但对其存储容量的影响因素却至今仍没有定论.

1 特征数量与视觉工作记忆容量

特征指的是某个维度的一个特定值，客体则是特征的结合，如形状和颜色都属于维度，立方体和红色则分别是这两个维度的值，即事物的两种特征；红色立方体则是红色和立方体这两个特征组成的客体[5].Luck 和Vogel 曾用单特征物体与多特征的物体作为刺激材料检测被试的记忆效果[6].其结果发现，被试的记忆成绩受物体数量影响但与特征数量无关. 而Wheeler 和Treisman 模仿了他们的实验却发现了与之相反的实验现象——被试觉察判断的准确率是由特征数量决定而非物体数量[7].目前主要形成了两种不同的理论：一种认为视觉工作记忆是以特征为基本单元进行加工和存储[8-9]，此为特征存储假说；另一种以Luck 和Vogel 为代表的理论却认为，视觉工作记忆的基本单元为客体，即客体存储假说.争议也衍生出了特征数量与物体数量对视觉工作记忆容量的影响等问题.

除了上文所述的特征和客体会对视觉工作记忆容量产生影响之外，视觉工作记忆容量还受其他许多因素影响.如空间位置关系，在某些条件下，空间位置关系会对视觉工作记忆容量起积极作用[10-11]. 还有，客体在知觉编码阶段的加工难度以及客体复杂度也会影响视觉工作记忆容量，加工难度越大，工作记忆容量越小[12].与视觉工作记忆存储机制相比，虽然视觉工作记忆容量的相对大小约为4 个客体这个观点已为众多心理学研究者接受，但其“纯”容量还难以精确估计[13]，如上面所述的客体复杂度、空间位置关系等众多因素仍可能会对被试的记忆容量产生作用.因此，关于视觉工作记忆容量的影响因素仍有待深入. 目前各种对视觉工作记忆容量起影响作用的因素为研究者重视，但关于特征数量对视觉工作记忆容量的影响研究仍然很少，且其影响结果亦不甚明确.因此，本文尝试从改变物体特征数量入手，探讨特征数量对视觉工作记忆容量的影响，并探索被试在识记项目数相同但所含特征数量不同的条件下客体的视觉工作记忆容量是否有差异？其具体的存储容量如何？鉴于已有对视觉工作记忆容量进行研究的材料基本是二维平面图形（由长和宽构成的平面图像），而生活中我们看到的大多是立体事物，其与平面事物有着不同的形态，更具形象性和直观性，其研究结果也更具普遍性，外部效度也更高.为此，本文试图从三维立体图形出发，辨明特征数量对三维图形视觉工作记忆容量的影响.

2 实验

2.1 目的

采用由不同颜色组成的图形为实验材料，重点探讨特征数量对三维图形视觉工作记忆容量的影响.

2.2 被试

韩山师范学院本科生30 名（男生12 名、女生18 名），年龄在18-23 岁之间（M＝20.1岁），随机分为两组，每组15 人.所有被试视力（或矫正视力）正常，无色盲或者色弱，且均熟悉计算机的基本操作.实验后送给他们礼物作为报酬.

2.3 实验仪器与材料

实验在单被试实验室内进行.实验程序在方正奔腾2.0 G 电脑上运行，显示器为17英寸液晶屏，屏幕分辨率为1 024×768 像素.被试与屏幕的距离约为57 cm.使用心理实验专用软件E-prime1.1 编制实验程序.电脑屏幕以白色为背景.给被试呈现的实验材料分两种：第一种是单颜色三维图形，第二种是双颜色三维图形.单颜色三维图形共有8种备选颜色，分别为：红色（R＝255，G＝0，B＝0）；橙色；绿色（R＝0，G＝255，B＝0）；蓝色（R＝0，G＝0，B＝255）；黄色（R＝255，G＝255，B＝0）；兰青色（R＝0，G＝128，B＝128）；紫色（R＝0，G＝128，B＝128）；棕色（R＝128，G＝64，B＝0）.双颜色的三维图形即上顶面的颜色和两侧面的颜色不同，由单颜色三维图形的八种备选颜色两两组合而成，共56 个.实验材料大小均统一为80×80 像素.

2.4 实验设计

实验采用2×3 被试内设计，自变量为材料类型和项目数.材料类型分为单颜色三维图形和双颜色三维图形两种，每种均有三个水平：分别是2、4、6 个项目数.因变量为被试对检测项目的反应正确率，包括对出现过的项目的击中率和对未出现过的项目的虚报率.被试客体工作记忆容量的大小是运用信号检测论及公式K＝S*[（H-F）/（1-F）]进行测定得出的.在识记项目阶段，各刺激材料及其位置的出现是随机安排的，每次由2、4或6 个同类型的三维图形组成，它们随机呈现于屏幕中央3×4 矩阵中的隐形方格中心[14].每个方格的长宽设置为80×80 像素，相邻方格之间的距离（边框到边框计算）约2°.检测项目为一个图形，其大小形状均与识记项目中的图形相同.实验中，其出现位置固定在屏幕中心.本实验每种类型材料的不同水平均进行28 次正式实验，正式实验共168次.在正式实验之前，先做12 次练习试验（练习实验所包含的实验条件以及各种设置和要求跟正式实验完全相同），直至被试能完全理解实验的要求并进行稳定反应.整个实验的完成大概需要用时25 min.

本实验控制无关变量的操作主要从以下几个方面进行：一是控制顺序误差，采用ABBA 法，一半被试先完成单颜色三维图形的识记任务再完成双颜色三维图形的识记任务，另一半被试的顺序则相反. 二是对被试采取随机分配原则以保证被试的同质性. 三是平衡系统误差，实验中各组实验的材料均通过计算机随机呈现的设置方式，控制了系统误差. 四是消除疲劳误差，完成84 次试验后，被试根据自身情况休息1～3 min.

2.5 实验程序

实验采用单检测变化觉察范式，主要包括识记、间隔和检测三个阶段.实验程序参考吴文春的研究[15].激呈现顺序如下：首先，在屏幕中心出现红色“+”的注视点1 000 ms提醒被试视觉试验开始；接着屏幕中间出现4 个从1 到9 中随机选取的数字1 000 ms，要求被试用正常语速对其进行连续不断的出声复述，直至检测项目出现，以此避免言语复述的参与.间隔500 ms 后，识记项目呈现，要求被试努力记住每个图形的颜色.900 ms后紧接着出现一个检测项目；此时，要求被试尽量准确地判断：检测项目的颜色相对于识记项目中的图形颜色是否完全一致，如果完全一致则按“F”键，反之按“J”键.具体实验程序如图1.

图1 单次试验流程图

整个实验分两部分呈现：两种类型的三维图形各为一部分，中间用休息程序分隔开.即第一部分84 次正式试验完成后，休息窗口会弹出；此时，被试需要按照要求进行适当休息；休息结束后，接着继续剩下的84 次试验.同类型不同项目数的三维图形会根据计算机设置混合随机出现.计算机记录被试判断的正误反应等相关数据信息.

2.6 结果与分析

采用SPSS19.0 软件进行数据处理.各处理条件下被试的平均检测正确率如表1 所示.

表1 被试的平均检测正确率（M±SD）

进行两因素重复测量方差分析显示，识记项目数的主效应显著，交互作用不显著，F（2，58）＝128.21，P＜0.001，2＝1.163，被试的检测正确率均随识记项目数的增加而显著下降；材料类型的主效应显著，F（1，29）＝209.57，P＜0.001，2＝1.047，被试对单颜色三维图形的记忆成绩显著高于双颜色三维图形视觉工作记忆.

分别对2、4、6 个识记项目数条件下的单颜色和双颜色三维图形的平均正确率进行配对样本t 检验，结果发现P＜0.01，t＝10.72，说明材料类型对视觉工作记忆成绩有显著影响；即在识记项目数相同的情况下，三维图形所含有的同质特征数量越多，其检测正确率越低.在单颜色三维图形之间进行多重比较，被试检测正确率随识记项目数的增加而下降且任何两个水平之间被试检测正确率差异都十分显著（Ps＝0.000）.而在双颜色三维图形之间进行多重比较，被试检测正确率同样随识记项目数的增加而下降，项目数为2与项目数为4 的双颜色三维图形之间被试检测正确率差异亦十分显著（Ps＝0.000）；项目数为4 与项目数为6 的双颜色三维图形之间被试检测正确率差异也相对显著（Ps＜0.01）.对相同特征数量不同材料类型的三维图形被试反应的正确率进行比较，结果显示P＝0.135，被试对项目数为4 的单颜色三维图形和项目数为2 的双颜色三维图形检测正确率没有显著差异.综上所述，个体识记成绩主要受特征数量影响，当特征数量成倍增长时，被试记忆成绩呈明显下降趋势.

对被试在6 种实验条件下的击中率和虚报率进行统计分析. 并运用公式K＝S*[（H-F）/（1-F）]对其视觉工作记忆容量进行计算，其中，k 为存储容量，S 为呈现的刺激项目数，H 为击中率，F 为虚报率，以此估计各被试的记忆容量及各条件下的总平均记忆容量.其结果如表2.

表2 不同实验条件下被试的平均视觉工作记忆容量（M±SD）

在识记项目数为6 个的条件下，单颜色三维图形的最终记忆容量约为4 个，双颜色三维图形的最终记忆容量只有2.31 个，这与前人的观点基本相符[6，16].为进一步比较被试在记忆双颜色三维图形和单颜色三维图形时的视觉工作记忆容量是否有差异，将识记项目数为2 的单颜色三维图形与识记项目数为2 的双颜色三维图形、识记项目数为4 的单颜色三维图形与识记项目数为4 的双颜色三维图形以及识记项目数为6 的单颜色三维图形与识记项目数为6 的双颜色三维图形被试的检测正确率进行配对样本t 检验.结果发现：被试对单颜色三维图形记忆容量均显著大于对双颜色三维图形的记忆容量（Ps＝0.000），即在项目数相同，特征数量增多一倍的情况下，个体的视觉工作记忆容量显著变小，这也表明特征数量对视觉工作记忆容量存在显著影响.

3 讨论

本研究通过实验考察特征数量对三维图形的视觉工作记忆容量的影响.结果显示，在识记项目数相同，特征数量相差一倍的情况下（双颜色三维图形特征数量是单颜色三维图形的两倍），被试识记正确率与其视觉工作记忆容量差异显著，对单颜色三维图形的识记成绩明显好于双颜色三维图形.当识记项目数不同，但特征数量相同的情况下，被试记忆正确率没有显著性差异；而当识记项目数相同，特征数量增多时，被试记忆的正确率差异明显，呈下降趋势；这与Wheeler 和Treisman 以单色和双色色块为材料（双色色块便是由同一客体同一维度多个特征数值组成），发现被试检测的成绩主要取决于特征数目而非物体数目的实验结果相一致[7]；而视觉工作记忆容量也会伴随着特征数量的增加变小.这说明特征数量对视觉工作记忆容量产生影响，较大程度上支持了视觉工作记忆的容量受特征限制的观点[17-18]，本研究与Olson 等人的研究也相符合，即视觉工作记忆容量不仅仅取决于客体数目，还与构成客体的特征复杂程度相关[8，19]；同一维度不同特征组成的客体，工作记忆容量受特征数量数值影响[20].笔者以为，这很可能与注意资源有限性有关，当特征数量变多，占用的心理资源注意资源增加，抑制了个体的记忆效果，导致视觉工作记忆容量变小.

此外，研究结果还发现，被试的记忆成绩还随着识记项目数的增加而显著下降；无论是单颜色三维图形还是双颜色三维图形，当识记项目数增多时，被试记忆的正确率均明显下降.这可能是因为识记项目数的增多在一定程度上分配了被试有限的注意资源.Luck 和Vogel 认为：视觉工作记忆的容量为3 到4 个插槽，每个插槽独立存储一个客体；当客体数目较少时，总体正确率高，当客体数目超过记忆容量时，超出的信息不存在工作记忆中，因此正确率下降[6].而Alvarez 和Cavanagh 认为，储存的客体数目越多，每个客体分配的资源就越少且视觉资源的灵活分配使得不同客体分配到的资源量不同，导致正确率下降[21].总的说来，本实验结果也间接表明了客体数目会对视觉工作记忆容量产生影响.

4 结论

本研究最终得出以下结论：特征数量影响三维图形的视觉工作记忆容量及被试的记忆成绩.在记忆容量有限的情况下，被试检测三维图形准确率随特征数量的增多而降低；视觉工作记忆容量随特征数量增多而变小.