视频游戏对空间能力的影响与作用机制

石祝 尚俊杰

摘要：空间能力作为人类基本认知能力，对于个体日常生活和职业发展具有重要意义。近年来，不同领域研究者使用视频游戏作为空间能力的训练环境和测评工具，为进一步理解空间能力的发展机制并在实践中加以培养奠定了新的基础。该文基于前人研究，系统梳理了空间能力的概念和类型，以及视频游戏的类型和界面特征。在此基础上，该研究系统论述了视频游戏对不同类型空间能力的影响，基于信息加工理论和互动层次模型分析了视频游戏影响空间能力的认知机制与交互特征，并阐述其对相关研究和实践的启示。

关鍵词：空间能力；视频游戏；游戏化学习；学习环境

中图分类号：G434 文献标识码：A

* 本文系国家自然科学基金2023面上项目“基于视频游戏的空间能力测评关键技术及工具开发研究”（项目编号：62377001）研究成果。

① 尚俊杰为本文通讯作者。

一、引言

人类智力结构中包含许多不同的心理成分，其中最重要的三种认知能力是语言能力、数字能力和空间能力，在这三者中，空间能力最古老、最基础、也最重要，被称为“所有思考的根基”[1]。空间能力涉及对空间信息的表征、组织和理解，确保了人能够理解并操纵周围的物理环境，人们的许多行为（例如在环境中导航、关注和操纵特定物体、交流空间信息等）都依赖于空间能力。在科学技术快速发展的现代社会，空间能力展现出巨大的教育价值[2]。空间能力不仅直接影响学习者对物体结构、物体位置关系和空间环境形态的理解和表征，进而影响其解决科学、技术、工程和数学（简称：STEM）相关领域问题的能力，而且能够可靠地预测学习者在STEM领域的职业选择和学业成就[3]。对于初学者来说，空间能力能够预测其STEM学业表现，Uttal等人指出“空间能力是进入STEM领域的敲门砖”[4]。

空间能力具有良好的可塑性，课程、游戏、训练工具等多种刺激方式都能有效提升空间能力[5]。其中，视频游戏作为一种多感官输入、沉浸式环境、智能化反馈的媒体形式，逐渐显露出巨大的潜在教育价值，其虚拟环境能够为学习者提供丰富有趣的空间刺激，支持复杂多样的交互方式，并能为学习者提供适时有效的反馈[6]。鉴于视频游戏在青少年群体中的巨大影响力，如何使用视频游戏提升学习者的空间能力逐渐成为脑科学、心理学、教育学等多个领域的研究者们共同关注的重点。因此，本文基于空间能力的基本概念和类型，梳理视频游戏对各类空间能力的影响，并结合认知科学研究成果和视频游戏媒介特征，从认知机制和交互特征两个角度分析视频游戏影响空间能力的作用机制。

二、空间能力的概念与类型

空间能力（Spatial Ability）也称空间认知能力，是人类的基本认知能力之一。空间能力是探测、处理、整合和构想环境中所有空间因素的能力，包括所有感官模态的空间信息[7]和内在心理图像[8]。空间能力主要涉及两个紧密联系的认知加工过程。一方面，空间能力关注外在空间信息的感知和处理，尤其是对视觉信息的整合和加工，如理解、把握、组织、解释视觉关系[9]或想象、感知、解释和掌握物体或图形之间的视觉关系[10]。另一方面，空间能力也强调对内在心理图像（视觉表象）的认知操作，如在脑中构建、转换和记住构建良好的视觉效果[11]，或是在二维或三维空间中对物体进行心理操纵[12]。在实际解决空间问题时，人们会同时整合两方面的认知加工过程。

空间能力涉及一系列复杂认知过程和行为表现，可以从空间尺度和认知过程两个分类视角来理解其概念内涵。从空间尺度来看，可以将空间分为小尺度空间、中尺度空间和大尺度空间。其中，小尺度空间是指在观察者在空间之外从单一视点就能全部感知的空间（如桌面上的物体）；中尺度空间要相对空间运动来感知的，但其中的空间关系仍然可以从一个视点直接观察（如一个房间）；大尺度空间则是指空间关系不能被直接观察到，而必须通过观察者在其中的运动来“建构”对空间的理解（如一栋房屋或一座城镇）[13]。由此可见，小尺度空间能力主要是“基于对象的”，强调通过视觉观察获取目标对象的空间形态，并对其特征进行旋转、变形、组合、分解等认知变换。大尺度空间能力是“基于环境的”，强调个体在变化的环境中通过在场景中观察、检索、移动，整合视觉、听觉、本体感觉、空间知觉等多感官过程，不断更新和构建对环境布局和场景要素的认识。从认知过程来看，空间能力可以分为心理旋转（Mental Rotation）、空间可视化（Spatial Visualization）和空间知觉（Spatial Perception）三类[14]。此外，Uttal等人基于语言学、认知和神经科学研究提出空间能力的2×2分类框架，将空间能力分为内在/外在与静态/动态两个维度[15]。

近年来，研究者在理论分析基础上，通过行为分析实验和因子分析探索空间能力的基本因素。结果显示，空间能力主要可以聚类为共同负载于空间能力的三个因子：对象操纵（Object Manipulation）、可视化（Visualization）和导航（Navigation），这三者之间具有强相关性（r=0.73-0.95），通过层级分析重构，可以归纳为对象操纵、扫视透视和空间导航[16]。空间能力的各种概念分类关系如图1所示，为便于分析，本文依据上述空间能力的不同分类框架，以认知过程分类为基准，分别梳理该空间能力在其他分类框架下对应的类属，并列举了针对不同空间能力的典型测试（如表1所示）。

三、视频游戏的类型和界面特征

（一）视频游戏的类型

视频游戏是一种基于视听设备的游戏形式。在视频游戏中，玩家与设备互动并获得视觉和听觉上的反馈[17]。自20世纪七八十年代的视频游戏革命以来，视频游戏在游戏内容、传输媒介、平台设备等方面都发生了巨大的进步。作为一种兼具叙事性与互动性的媒体形式，视频游戏种类繁多、形态各异，已经形成涵盖数十种细分类别的“游戏类型树”[18]。根据Herz的分类，仅从游戏内容来看，视频游戏就可以被分为角色扮演游戏（Role-playing Games，RPG）、动作游戏（Action Games，ACT）、模拟游戏（Simulation Games，SIM）、策略游戏（Strategy Games，SLG）、冒险游戏（Adventure Games，AVG）、体育游戏（Sport Games，SPT）、益智游戏（Puzzle Games，PUZ）、格斗游戏（Fighting Games，FTG）等八个大类[19]。根据游戏玩法（Gameplay）的不同，以上分类又可以被进一步细分。

丰富的游戏类别为研究者选择实验材料提供了极大的便利，但同时也导致具体游戏特征和特定认知结果之间的因果关系更加模糊，也难以在不同的游戏研究之间进行横向对比。为解决以上问题，理查德·梅耶（Richard E.Mayer）從视频游戏的认知后果的角度将视频游戏分类为益智游戏、第一人称射击游戏（First-Person Shooter Games，FPS）、即时战略游戏（Real-Time Strategy Games，RTS）、大脑训练游戏（Brain-Training Games）和竞速游戏（Racing Games）五类，并基于游戏界面互动特征，提出了空间益智游戏（Spatial Puzzle Games）和空间动作游戏（Spatial Action Games）这两个新类别[20]。梅耶的分类框架系统整理了游戏实证研究中特定类型游戏对认知的影响，但是由于该框架未能深入把握游戏的内在特征，常将几种界面和玩法都截然不同的游戏归为一类，降低了其结论的有效性。此外，以上两个框架有交叉重叠的部分，例如：动作游戏包含第一人称射击游戏、格斗游戏；益智游戏包含空间益智游戏和大脑训练游戏。

结合Herz和Mayer的视频游戏分类框架，从视频游戏影响认知加工的视角出发，重点关注与空间认知相关的游戏内容和游戏玩法互动特征，将视频游戏汇总分为七类（如表2所示），并重点考察其中几种重要游戏类型对认知加工过程的影响。

（二 ）视频游戏的界面特征

虚拟环境的空间维度，可以将视频游戏分为2D游戏、2.5D游戏和3D游戏。2D游戏的角色和游戏场景都在同一平面中，玩家可以控制角色上下左右移动，游戏视角通常为全景固定视角或者在平面移动的平视视角，典型的2D游戏有《俄罗斯方块》《吃豆人》《愤怒的小鸟》等；2.5D游戏介于2D游戏和3D游戏之间，此类游戏使用3D的游戏场景和角色，但采用2D游戏的玩法，玩家只能在固定的两个轴上运动，玩家视角为平视或45度俯视，例如《英雄联盟》《超级马里奥2》《红色警戒》等，绝大多数MOBA游戏和RTS游戏都是2.5D游戏；3D游戏的场景和物体都是三维的，并且支持玩家在三维空间的自由运动，玩家可以像现实世界一样在虚拟环境中四处移动，玩家视角通常为360度视角，绝大多数FPS游戏都是典型的3D游戏。本研究在梅耶的分类基础上，根据游戏玩法对玩家反应速度的要求，将3D游戏分为3D动作游戏（如FPS游戏）和3D益智游戏（如《传送门2》和《超级马里奥3D世界》），前者侧重快速反应，后者则侧重较慢的斟酌思考。

四、视频游戏对不同类型空间能力的影响

视频游戏对空间能力影响研究始于近四十年前，20世纪80年代初期，个人电脑和游戏机开始大规模发售，视频游戏随之进入千家万户，成为流行的娱乐产品。研究者也由此开始探索玩视频游戏是否能对空间能力产生积极变化，Uttal等人的元分析表明，空间能力具有“延展性”，视频游戏能够有效地提升空间能力，并且具有中等效应量（g=0.54）[21]。Bediou等人的元分析显示，动作视频游戏对空间认知具有中等偏大的效应量（g=0.75），其中干预研究具有接近中等的效应量（g=0.448）[22]，Mayer的综述研究对视频游戏教育教学效果的实验研究进行了系统梳理，发现以《俄罗斯方块》为代表的空间益智游戏对二维空间旋转表现具有显著正效应（p=0.82）[23]，这些都显示出视频游戏对空间能力的潜在教育价值。

梅耶将视频游戏教育教学效果的实验研究分为增值研究、认知后果研究和媒体比较研究。增值研究主要探索“哪些游戏功能和特征能产生教育效果”，此类研究通常使用相同的游戏，但在实验组游戏中增加一个功能或特征（Feature），之后对比被试者游戏前后的测试分数，来确定游戏功能的影响；认知后果研究主要研究“玩某种游戏是否会导致某种技能的提升”，此类研究的实验组玩视频游戏，而对照组不玩游戏（被动对照）或者玩与目标认知技能无关的游戏（主动对照），以此确定游戏是否会导致目标认知技能的改善；媒体比较研究主要研究“人们从玩游戏中学习是否比从传统媒体中学习得更好”，通常这类研究的实验组玩包含学习内容的游戏，而对照组用传统媒体（如课本、幻灯片）学习相同内容，来对比不同媒介对学习的影响[24]。本研究要确定的视频游戏对空间能力的影响是典型的认知后果研究，而对于视频游戏类型和交互特征的讨论又涉及增值研究和媒体比较研究。因此，本文将根据空间能力分类框架，探讨视频游戏对不同类型空间能力的影响。

（一）视频游戏对对象操纵的影响

对象操纵主要是指对心理表象的各种认知加工过程，包括传统意义上的心理旋转、心理折叠、可视化等一系列空间能力。因此，本研究根据文献调研结果，从心理旋转和空间可视化两方面进行分析。心理旋转是指人在头脑中运用表象对自身或客体进行二维或三维旋转的空间表征能力[25]。根据任务的空间维度，心理旋转任务可以分为二维心理旋转和三维心理旋转。这两者在认知操作和对应的神经活动上都有明显差异[26]。Moreau通过回归分析发现，二维心理旋转与三维心理旋转的各类任务呈现出明显的“维度分离”现象，即维度相同的任务具有强正相关性，而维度不同的任务则互不相关[27]。因此，视频游戏的空间维度是影响被试者的心理旋转表现的重要因素，需要分别考察各类视频游戏带来的影响。

1.二维心理旋转

二维心理旋转（2D MRT）任务通常是要求被试者从一组图形中通过对心理表象的旋转找出与指定图形相同的选项（如图2所示）。在二维心理旋转中，所有变换都限制在一个平面内，其中图形元素不会被遮挡，允许被试者直接进行心理模拟，而无需根据不完整的信息进行空间推断。

研究显示，与测试任务相匹配的视频游戏训练能够显著提升二维心理旋转能力。文献调研发现，此类研究中，最常用的游戏是二维空间益智游戏《俄罗斯方块》（Tetris），这可能是由于其游戏玩法“将图形旋转放置到合适位置并堆积消除”与二维心理旋转任务非常相似，能够支持技能迁移。Okagaki和Frensch发现：相比空对照组，玩6小时《俄罗斯方块》的实验组被试正确完成二维心理旋转任务和可视化任务所用时间都显著下降，而且无论男女在这两项空间表现上都显著提升[29]。De Lisi和Wolford发现玩5.5小时《俄罗斯方块》的实验组相比玩《神偷卡门》的对照组在二维卡片旋转任务中表现更好[30]。Sims和Mayer发现，相比于重复练习测试题的控制组，玩12小时《俄罗斯方块》的实验组被试者的心理旋转任务表现虽然并没有显著提升，但其旋转策略会逐渐变得高效，呈现出特定技能的迁移[31]。Boot等人也发现玩《俄罗斯方块》游戏会产生对此类图形心理旋转任务的特定迁移现象，接受游戏训练的实验组在反应时间上要显著低于控制组[32]。Moreau证实《俄罗斯方块》训练能显著提升二维心理旋转的准确率和反应时间，对不同性别的被试都呈现出迁移效应[33]。此外，其他玩法相似的二维视频游戏也对二维心理旋转具有显著效应，随机对照试验显示，总时长仅30分钟的旋转拼图视频游戏训练就能显著提升儿童的心理旋转得分，而且心理旋转角度大的任务提升更多[34]。

多数三维视频游戏对二维心理旋转表现并无显著影响。例如，Adams等人发现：玩《传送门》（Portal）游戏的训练组相比玩《俄罗斯方块》和文字游戏《TextTwist》的对照组，在二维心理旋转能力表现上并无显著差异[35]。即时策略游戏《国家崛起》和FPS游戏《荣誉勋章》也都不会对二维心理旋转表现产生正向效应[36]。仅有Moreau发现3D益智游戏《BlockOut》能够提高被试者在二维心理旋转任务中的准确率，研究者将此现象归因于其旋转立方体的游戏玩法能够刺激被试者产生技能迁移[37]。

2.三维心理旋转

三维心理旋转（3D MRT）任务主要考察被试者对三维心理表象旋转的心理操纵能力，主要包括Shepard & Metzler心理旋转测试、Vanderberg & Kuse心理旋转测试（VMRT）、普度空间可视化测试（PSVT： R）等任务。被试者需要在一组图形中找出与左侧图形结构相同的选项（如图3所示）。这个过程涉及“维度交叉”，即从二维图形中提取深度信息、将二维图形可视化并在工作记忆中保持，进而实现二维到三维心理表征的转变，维度交叉也是男性在三维心理旋转任务中产生优势的重要原因[38]。

视频游戏能否对三维心理旋转产生影响，取决于其游戏玩法和虚拟环境是否能产生相应的认知操作刺激。研究显示，《俄罗斯方块》等2D游戏对三维心理旋转并无显著影响[40]，可能的解释是这类游戏的画面呈现和认知操作都发生在单一平面内，不涉及对深度信息的加工和可视化。因此，《俄罗斯方块》也常被用于对照组与其他三维视频游戏对比。

三维心理旋转具有可塑性，可以通过三维可视化内容来培养提高。无论使用何种技术、针对哪种目标群体，三维可视化内容（包括CAD软件、视频游戏、训练软件、谷歌地图等）都能有效提升心理旋转能力，并且高沉浸程度的心理旋转训练效果更好[41]。对于3D游戏而言，需要具体分析游戏场景和玩法，考察游戏是否要求玩家在头脑中对虚拟空间中的物体和对象进行心理表征和认知操作，并在此基础上解决空间问题。例如，McClurg 和Chaille发现《The Factory》和《Stellar 7》这两款游戏对5、7、9年级学生的三维心理旋转表现都产生显著积极影响，而且无论是男生还是女生都在游戏中提升了空间能力[42]。Moreau发现3D益智游戏《BlockOut》显著提升了三维心理旋转的准确率，而且女性的提升幅度大于男性，在12小时游戏训练后，女性在三维心理旋转任务中的准确率追平了男性[43]。Shute等人发现玩3D益智游戏《传送门2》的被试比玩《Lumosity》的被试在三维心理旋转任务中得分更高[44]。《BlockOut》和《传送门2》的游戏界面如图4所示。Carbonell-Carrera使用3D游戏《Minecraft》作为空间能力训练工具，发现该游戏对于心理旋转和维度转换都具有积极影响[45]。

有研究表明，FPS游戏对三维心理旋转具有显著正向影响。Feng等人通过10小时随机对照干预实验发现，相比玩益智游戏《Ballance》的控制组，玩FPS游戏《荣誉勋章：太平洋之战》的实验组被试在有效视野任务（UFOV）和三维心理旋转任务（VMRT）中都表现得更好，而且女性提升得更多。Feng等人将这种效应归因于FPS游戏训练了玩家低层次的空间选择性注意[46]。Wu等人的研究支持了以上解释，虽然FPS游戏没有改善“自下而上”的注意，但是能通过抑制干扰而增强“自上而下”的空间选择注意[47]。综上所述，能提升三维心理旋转的游戏在游戏玩法上要能够激发玩家对空间场景和物体的可视化想象，而且通常要有可供自由探索的三維虚拟空间。

3.空间可视化

空间可视化（Spatial Visualization）是指对空间信息进行复杂的“表征、转换、生成和回忆”。与相对简单的心理旋转不同，空间可视化通常涉及复杂、多步骤的认知操作[48]。积木搭建、空间折叠、心理切割等都是典型的空间可视化任务。视频游戏对空间可视化的影响研究相对较少，当前研究主要是基于研究者面向教学和研究目标而开发的教育游戏。例如，尚俊杰等人基于学习科学理论视角和国家课程标准，开发了面向心理折叠的教育游戏《方块消消乐》，并将其应用在小学数学课堂教学中。结果显示，经过三个课时的课堂干预，使用《方块消消乐》的学生在数学知识学习和心理折叠能力上均有显著提升[49]。郭文琛等人开发了一款三维视频游戏《Magic World》，并通过对照干预实验发现，玩游戏的实验组在心理旋转测试与抽象推理测试（ART，即折纸测试）表现上有显著提升，而未接受游戏任务的对照组则无显著变化[50]。以上面向空间可视化能力培养开发的视频游戏都是严肃游戏，不仅有三维空间场景元素，还强调认知支架设计，而关于商业视频游戏对空间可视化能力的影响还有待探索。《方块消消乐》和《Magic World》的游戏界面如图5所示。

（二）视频游戏对扫视透视的影响

1.扫视

扫视（Scanning）任务主要考察个体在场景中对特定物体的识别，该能力依赖于低层次的空间注意。视频游戏对扫视任务直接影响的证据相对较少，多数研究选用视觉搜索任务和有效视野任务（UFOV）来测量被试者的空间注意能力水平来间接测量视频游戏带来的影响。以FPS游戏为代表的动作视频游戏对自上而下的空间注意具有显著正向影响，对视觉搜索任务和有效视野任务也都有积极作用。Oei和Patterson的对比研究显示，玩动作视频游戏的被试者消除了注意闪烁，提高了被试者认知控制能力和多目标跟踪能力，而玩其他游戏的被试者的视觉搜索和空间记忆未能获得提升[51]。对此一种可能的解释是，动作视频游戏的游戏节奏较快，要求玩家迅速识别游戏环境中的“敌人”并及时有效地应对，对玩家的视觉检索、注意和视觉灵敏度都提出了较高的要求，也考验玩家的视觉空间技能，从而影响扫视任务表现，但视频游戏对扫视的影响仍需要更多、更直接的实证研究证据支持。

2.透视

透视也称视角选取（Perspective Taking），主要包括视图投影、空间定向测试（Spatial Orientation Test，SOT）[52]、空间布局任务（Spatial Configuration Task，SCT）[53]、皮亚杰三山测试等任务，此类任务考察从特定视角“观察和想象”物体的能力，这种能力又依赖于个体基于自我中心参考系的视角转换。例如，空间定向测试要求被试者观察一组物体的空间位置关系，想象自己站在第一个物体上，面对第二个物体，并通过圆心画一条线来指示第三个物体，通过角度误差来判断空间定向能力。

视频游戏对于透视的影响呈现正反两方面证据。一方面，对游戏玩家和非游戏玩家的对比研究显示：游戏玩家的空间定向、注意力分配、注意力转移技能比非游戏玩家更准确、更迅速。在SOT测试中，游戏玩家定位角度偏差显著低于非游戏玩家[54]。在干预研究中，Carbonell-Carrera等人发现使用游戏引擎Unity3D作为训练环境能够显著提升学习者在空间思维能力测试（STAT）和视角采择-空间定向测试（PTSOT）中的表现[55]。McLaren-Gradinaru等人使用近似于游戏的三维虚拟环境开展为期12天的训练，结果显示：在控制年龄后，训练组在空间布局任务中的得分显著高于未参加训练的控制组[56]。David的研究显示，《BlockOut》《Shapes》两款游戏能够显著提升被试者的心理旋转能力和空间定向能力[57]，并且，初始空间定向能力越低，视频游戏训练带来的提升就越大[58]。另一方面，部分干预研究未发现显著结果，Shute等人发现10小时《传送门2》和《Lumosity》游戏训练对被试者的空间定向测试表现没有显著影响，且这两个实验组之间也无显著差别[59]。McLaren-Gradinaru等人也发现三维虚拟环境未改变被试者在心理旋转任务和皮亚杰三山任务中的表现[60]。当前对透视的视频游戏影响研究仍然较少，对于这种分歧暂时难以形成合理的解释。亟需研究者开发更有效的测评量表和工具对此进一步探索。

（三）视频游戏对空间导航的影响

空间导航是指人或动物在不同地点间移动时，基于自身与环境线索来判断和维持路线的能力[61]。传统的空间导航任务来自于对认知地图的研究，通常是在真实的迷宫和城市之中导航，随着3D可视化技术的发展，研究者也在三维虚拟场景复刻了经典空间测试任务，Morris水迷宫、八臂迷宫的虚拟版本也已经被广泛应用于行为测试之中[62]。与此同时，研究者也开发了各种虚拟空间导航任务场景来模拟真实世界中的导航。例如，Ventura等人基于游戏引擎Unity开发的虚拟空间导航测试（Virtual Spatial Navigation Assessment，VSNA）[63]、天普大学空间学习中心开发的导航能力测试Virtual SILCton[64]、以及Malanchini等人开发的Spatial Spy虚拟导航测试[65]等（如图6所示）。

视频游戏对空间导航能力的影响已经有较多讨论。调研发现，个体的视频游戏经验与其导航任务表现相关，并且在虚拟导航任务中，具有导航游戏经验的玩家会使用更有效的导航策略，并且能在更短时间内完成导航任务[66]。此外，由于男性更偏好有导航成分的视频游戏（如动作游戲、模拟游戏、角色扮演游戏），因而男性玩家在空间导航、空间定向和心理旋转等空间认知任务上比女性获得了更多优势[67]。虚拟Morris水迷宫测验显示：男性能比女性更快、更准确地定位隐藏平台，而女性更依赖虚拟环境中的近端地标（Proximal Landmarks），而且能从游戏经验中受益更多[68]。对于女性来说，更多的视频游戏经验意味着更好的导航表现，不仅能减少导航方向错误，也能提升对迷宫结构回忆的正确率，从而缩小与男性的差距[69]。干预研究提供了更直接的证据，Clemenson和Stark将无游戏经验的被试者分为三组，分别玩3D益智游戏《超级马里奥3D世界》（实验组）、2D游戏《愤怒的小鸟》（主动对照组）和不玩游戏（被动对照组），其游戏界面如图7所示。结果显示，实验组在虚拟水迷宫测试中的表现显著优于两个对照组，不仅在隐藏平台位置停留的时间更长，而且导航路径也更加直接高效[70]。Shute等人对比玩3D益智游戏《传送门2》的实验组和玩2D益智游戏《Lumosity》的对照组，发现实验组完成虚拟空间导航测试（VSNA）的用时显著低于对照组[71]，以上证据都进一步证明3D游戏（尤其是3D益智游戏）具有提升空间导航能力的应用价值。

视频游戏对特殊群体导航能力的影响也是研究者关注的重点。对于老年人来说，导航能力和获取空间知识的能力会随着年龄增长而下降[72][73]。对比实验发现，玩3D益智游戏《CityQuest》的老年人，在许多空间记忆测量和执行功能方面的总体表现有所改善，并且在地标定位任务中的表现也有显著提升[74]。对于患有获得性脑损伤或发育性地形定向障碍的人群而言，有针对性的视频游戏训练具有促进空间导航和空间定向技能发展的潜力[75]。事实上，类似简单视频游戏的虚拟环境已经作为空间记忆的神经康复技术而得到初步应用[76]。

五、视频游戏影响空间能力的作用机制

（一）视频游戏影响空间能力的认知机制

自20世纪80年代以来，研究者就开始关注视频游戏对空间能力的影响。早期研究者通常是从心理测量学的视角出发，主要关注游戏经历和空间能力纸笔测试表现之间的关系[77]。2003年，Green与Bavelier开创性地揭示了动作视频游戏对基本注意过程的影响[78]。此后，实验研究多集中于探索视频游戏如何改变那些支持空间认知的基本感知和认知过程，并通过各种空间认知任务考察个体行为表现。因此，本文从信息加工理论的视角出发，探讨个体在玩视频游戏时的认知加工過程，从而分析视频游戏影响空间能力的认知机制。根据Wickens的信息加工阶段模型，人脑能够整合外界信息与内在目标需求，在注意和记忆这两个重要系统的参与下，通过“刺激接收-感知-认知加工-决策与反应选择-反应执行”这五个阶段的信息加工过程，最终实现各种行为（如图8所示）。

一般来说，认知加工过程是指感觉之后，反应选择之前的整个过程，包含感知、注意、记忆等要素间的相互作用。具体来说，在玩视频游戏时，玩家不断接收游戏环境呈现的信息刺激（图像、声音、触碰等），并将其在短时感觉储存中短暂存放。之后，知觉基于以往经验（长时记忆），对感觉到的信号和事件的意义进行判断，再根据不同情况，直接做出反应选择或者进入相对较慢的认知加工过程中，即在注意和长时记忆的参与下，在工作记忆中储存和思考信息，对感知到的信息形成解释。人做出的反应选择会驱动反应执行，并导致环境发生进一步变化，变化的环境产生新异的信息模式，表现在视频游戏中就是新的交互反馈和信息刺激。以上过程不断迭代，形成一个认知加工反馈循环[80]。综上所述，要想厘清视频游戏影响空间能力的认知机制，首先要明确视频游戏对感知、注意、记忆等基本信息加工过程的影响，并且要对人的认知策略加以讨论。

1.视频游戏对感知的影响

视频游戏对感知过程的影响主要体现在视觉和听觉。视觉是个体形成对空间环境的心理表征的主要通道，空间智能的大多数感知和呈现形式都与视觉密切相关。当前影响视觉表现的游戏主要是动作视频游戏（如FPS游戏），此类游戏会在游戏者视野中呈现丰富且动态的信息，需要游戏者准确识别并迅速加以应对，对游戏者的视觉能力提出更高挑战。研究显示，FPS游戏能够显著提升视觉的空间分辨率、时间分辨率和灵敏度[81]。具体而言，Green和Bavelier发现动作视频游戏玩家相比于非游戏玩家，能够从更密集接近的干扰物中识别目标并保证高准确度，并且干预实验证明，动作视频游戏训练能够提升非游戏玩家的识别能力[82]。动作视频游戏玩家相比于非游戏玩家也表现出更好的视觉时间分辨率，能够处理时间频率更高的任务[83]。Li等人的研究还发现：视频游戏玩家的视觉对比敏感度更强，能够识别图片上更微小的灰度变化[84]。在外部视觉噪声下，动作视频游戏玩家相比非玩家在条纹方向识别任务中表现更好，而且动作游戏训练能够更好地提升条纹识别表现[85]。

视频游戏对听觉影响的研究相对较少，主要是对比视频游戏玩家与非游戏玩家在听觉定位决策中的表现。研究显示，视频游戏训练能够提升被试者对复杂、非语言声音的分类能力[86]。Green的研究发现，视频游戏玩家相比非游戏玩家能够更快地获取听觉信息，并且能够更有效地收集有用信息来做出正确决策[87]。更进一步的研究表明，视频游戏玩家具有更精确的多感官时间知觉加工能力，能够更好地区分视觉和听觉刺激是在同一时刻发生还是在时间上略有偏移，并且在时间顺序判断任务中具有更好的表现[88]。综上所述，视频游戏（尤其是动作视频游戏）能够提升个体的视觉和听觉，而这两者都是完成空间认知任务的重要信息通道。根据多媒体学习认知理论，视频游戏同时呈现画面和声音的特点能够利用视觉听觉“双通道”表征信息，从而有效降低认知负荷，促进学习者的认知加工[89]。

2.视频游戏对注意的影响

注意过程主要分为自下而上的注意（外源性注意）和自上而下的注意（内源性注意），前者是由外界显著刺激激发的自动化过程，而后者是个体根据自身意图和目标主动分配的自主过程[90]。动作视频游戏主要影响自上而下的注意。研究显示，在玩动作视频游戏后，被试者自下而上的注意方面没有改善，但自上而下的空间选择性注意会通过抑制干扰而得以增强[91]。自上而下的注意任务包括空间注意、视觉搜索、多目标跟踪、双重任务和多任务切换等，都与空间能力表现密切相关。空间注意是指在其他空间元素的竞争下对某个空间元素的选择，对于人和动物处理繁杂多变的空间信息具有重要意义。Feng等人的研究表明，动作视频游戏能够显著提升空间注意，而非动作游戏则没有任何影响[92]；视觉搜索任务要求被试者在一系列干扰项中寻找某个特定目标。Castel等人的研究显示，动作视频游戏玩家在视觉搜索任务中反应更快，并表现出更高效的搜索策略[93]；多目标跟踪考察被试者将注意力长时间分配到多个目标上的能力。在此方面，动作视频游戏也显现出积极影响：Oei和Patterson的研究对比了不同类型视频游戏对被试者造成的影响，发现玩动作视频游戏的被试者消除了注意瞬脱，提高了认知控制能力和多目标跟踪能力，而其他视频游戏（三消游戏、空间记忆游戏、隐藏物体游戏）仅提升了被试者的视觉搜索表现和工作记忆[94]。在后续研究中，Oei和Patterson证明动作视频游戏产生的技能迁移，来源于视频游戏训练和目标任务之间对加速响应、选择性注意力、多物体跟踪、注意力切换等感知和注意技能具有的共性要求[95]。Green和Bavelier也发现玩动作视频游戏的实验组跟踪多个动态物体的能力显著增强，而相比之下，玩非动作游戏（俄罗斯方块）的对照组在跟踪任务上的表现没有太大变化[96]；双重任务和多任务切换考察个体同时完成两件任务和在任务之间切换的效率和灵活性。Strobach等人发现，相比于玩益智游戏的被试者和无游戏训练的被试者，玩动作视频游戏的被试者在双重任务和多任务切换方面有显著提升，证明动作视频游戏训练能够降低任务切换的认知成本，提升多任务切换和处理能力[97]。干预研究也证实了其他类型游戏对注意的积极影响，Baniqued等人发现注重工作记忆和推理的休闲游戏同样也能提升被试者在注意力分配任务中的表现，并且能够降低注意瞬脱[98]；Basak等人发现即时战略游戏《国家崛起》对视觉注意和执行功能也都具有积极效应[99]。综上所述，视频游戏影响注意的认知后果研究主要聚焦于动作视频游戏，此类游戏节奏较快，要求玩家能够快速发现目标并及时有效应对，同时要求监控并执行多个任务，来不断适应瞬息万变的游戏环境，对注意的空间和时间分配都提出了较高的要求，对空间注意、视觉搜索、多目标跟踪、双重任务和多任务切换等注意任务都有显著正向效应。与此同时，非动作视频游戏（如益智游戏和即时战略游戏）也具有提升注意的潜在价值，但需要对游戏内容和机制进行具体分析。

3.视频游戏对记忆的影响

记忆是编码、储存和提取信息的能力。根据信息维持时间的长短，可以将记忆分为工作记忆和长时记忆。信息通过感觉输入，通过注意编码到工作记忆中短时储存，再通过复述巩固进入长时记忆。人在解决空间问题时，主要依靠空间工作记忆来储存和加工空间信息，而长时记忆也参与导航、扫视识别等任务中。

在工作记忆方面，视频游戏（尤其是动作视频游戏）中的许多任务都依赖于空间工作记忆。面对同时出现各种信息，玩家需要快速分配注意，在工作记忆中保持对目标的表征，并迅速决策确定问题的优先级与解决方式，这个过程需要视觉空间工作记忆和空间注意紧密配合。横截面研究显示，与非游戏玩家相比，动作视频游戏玩家和移动视频游戏玩家能够更准确、更快速地处理任务信息，表现出更好的工作记忆容量[100][101]。动作视频游戏玩家相比非动作视频游戏玩家在记忆驱动的注意方面更有优势，当需要在工作记忆中保持多个项目，并同时完成视觉搜索任务时，动作视频游戏玩家的反应时间与首次注视时间都显著优于非动作视频玩家[102]。随机对照实验提供了更多证据：Blacker等人的干预研究表明，30小时的游戲训练后，玩动作视频游戏的实验组在视觉工作记忆表现显著优于玩模拟游戏《The Sims 3》的对照组[103]。然而，研究者也找到不同方向的证据，Oei和Patterson的研究也对比了动作视频游戏和非动作视频游戏对认知的影响，但在20小时的游戏训练后发现只有空间记忆游戏《Memory matrix 1.0》和隐藏物体游戏《Hidden Expedition-Everest》提升了空间工作记忆[104]。Baniqued等人的实验证明侧重工作记忆和推理的休闲游戏并不能提升工作记忆[105]。由此可见，仍需控制游戏类型、训练时长、测试项目等变量来进一步探究视频游戏对工作记忆的影响。

在长时记忆方面，视频游戏带来的影响同样存在争议。Clemenson等人认为，三维视频游戏的虚拟空间能够有效激发海马体来构建基于空间的情境记忆[106]，面向老年人和认知功能受损人群的视频游戏训练也逐渐显示出对于长时记忆保持的有效性[107]。也有研究者认为视频游戏对于长时记忆的需求并不能为其空间能力提供“任何独特的或是有用的训练机会”[108]。视频游戏是否会通过影响长时记忆而影响空间能力还有待进一步的研究。但值得注意的是，基于空间的记忆方法，如记忆宫殿方法（Method of Loci）已经被人们长期应用于对符号信息的表征和记忆。该方法的基本策略就是将符号信息编码在空间心理表象之中，使用空间关系定位所要记忆的信息，视频游戏虚拟环境为这种记忆方法提供了新的情境[109]。这在一定程度上揭示了视频游戏对长时记忆发展的潜在价值。

视频游戏有可能通过影响情绪而调节空间记忆。研究显示，消极情绪会打断空间工作记忆的复述，从而影响被试者空间能力[110]。消极情绪对空间工作记忆的保持和刷新的影响大于言语工作记忆，这种选择性影响与消极情绪参与对注意资源的竞争，导致提高认知负荷密切相关[111]。此外，与情绪密切相关的杏仁核能够调节海马对于陈述性记忆的巩固能力，促进或抑制短时记忆转化为长时记忆[112]。这些证据都为更好地理解视频游戏的认知影响奠定了基础。

4.视频游戏对认知策略的影响

视频游戏类型同样会影响被试者的认知策略。Nelson与Strachan发现，玩FPS游戏《虚幻竞技场》（Unreal Tournament）的被试者比玩空间益智游戏《传送门》的被试者在位置任务和图形匹配任务中反应时间更短、但准确率更低[113]。也就是说，玩过动作视频游戏的学生在互动中反应速度更快但耐心较少，而那些玩过益智游戏的学生表现出更慢但更准确的互动模式。Dye等人发现，在不降低准确性的情况下，动作视频游戏玩家的反应速度通常比非视频游戏玩家要快11%[114]。Safaei等人也探讨了被试者的速度-准确度权衡，发现控制该变量后，空间益智游戏训练未能提升三维心理旋转和空间折叠表现[115]。West等人指出，在玩动作视频游戏时，一部分游戏者会使用快速的“反应策略”来应对游戏中层出不穷的任务和挑战，而另一部分游戏者则使用较慢的“空间策略”来理解游戏复杂多变的虚拟空间环境。实验结果表明，动作类视频游戏玩家更倾向于使用反应策略，而非空间策略[116]。而根据相关研究，使用空间策略与海马体灰质体积与活性增加相关，而使用反应策略与纹状体中灰质体积与活性的增加相关，两者呈现相反的变化关系。为验证以上假设，West等人分别使用《使命召唤》（Call of Duty）等动作视频游戏和3D益智类游戏《超级马里奥64》对随机分配的非游戏者进行了总时长90小时的视频游戏训练，并用fMRI测量不同认知策略的被试者的脑结构变化。结果显示：动作视频游戏会减小反应策略被试者的海马灰质体积，但却会增大空间策略被试者的海马灰质体积，而在玩3D益智游戏的对照组中，空间策略被试者的内嗅皮层灰质和反应策略被试者海马体灰质出现体积增长[117]，神经结构的改变显示出认知策略和游戏类型对空间能力的潜在影响。因此，在使用视频游戏培养空间能力时，要同时考察视频游戏类型和学习者的认知策略，否则就有可能适得其反。

综上所述，视频游戏（尤其是动作视频游戏）能够对感知、注意和记忆等认知加工过程的关键阶段施加影响。首先，动作视频游戏能够提升视觉和听觉的分辨率和灵敏度，使玩家具有更精确的多通道信息加工能力。这意味着，视频游戏玩家能够更快、更准确地处理各类视听信息，为其更高层次的空间认知能力奠定基础。其次，动作视频游戏显著提升了玩家在自上而下的注意过程中的表现，而非动作视频游戏（如益智游戏）也能提升视觉搜索和注意分配[118]。可见，视频游戏能够让玩家更有效地管理注意资源，使其在处理重要空间信息的同时，保持对其他目标的关注，这对于扫视检索、图像识别等任务具有重要影响。第三，视频游戏具有提升工作记忆容量的可能性，这将直接影响被试者在视觉工作记忆中保持和加工心理表象的能力，这与心理旋转、空间可视化等空间能力直接相关。并且，视频游戏环境对长时记忆的潜在影响，可能会在空间导航任务中得以显现。

（二）视频游戏影响空间能力的交互特征

视频游戏相较于其他媒体形式最显著特征是其具有丰富的交互性。视频游戏积极鼓励各种体验，侧重于使用过程（游戏玩法），而不是该过程的结果，其目标通常是在游戏世界中定义和激励的，游戏使用声音和图形传达情绪和环境，其内容和操控系统的创新程度往往超过生产力应用程序[119]。在玩视频游戏时，玩家不是单向被动地接受信息，而是主动与游戏内容双向建构，并在与游戏创建的虚拟环境之间的互动中实现认知发展、技能迁移和情感体验。从班杜拉三元交互决定论的视角来看，人与视频游戏实际上构成了“人-行为-环境”的交互系统[120]。视频游戏为玩家构建了具有丰富可供性的虚拟环境，同时也限定了玩家的行为边界，因此是决定行为的潜在因素；玩家基于自身的动机、认知和策略与游戏环境交互产生行为，而各种互动行为则是三者交互作用的外在表现。因此，要想考察视频游戏对空间能力表现的影响，不仅要分析人的认知加工过程，而且也要分析视频游戏中哪些交互特征对于空间能力具有潜在影响。

根据教学交互层次塔模型，人机交互行为由低到高可以分为操作互动、信息互动和概念互动三个层次[121]（如图9所示）。在操作交互层，玩家通过各种界面和设备与游戏系统实现信息的输入和输出；在信息交互层，玩家在游戏环境中与其他玩家、智能体或游戏环境本身互动，获取信息并通过交互行为改变环境，从而产生新的信息模式与信息分布状态；在概念交互层，玩家在前两者基础之上通过感知、记忆、推理、决策、反思等认知加工过程，改变自身内在认知图式，实现旧概念向新概念的转变。

从操作交互、信息交互和概念交互三个层次分别探讨视频游戏影响空间能力的交互特征。首先，在操作交互层次上，研究者通常对比虚拟现实（Virtual Reality，VR）和计算机桌面显示设备对空间能力的影响。例如，Guzsvinecz等人发现使用桌面显示器相比，使用VR设备完成心理旋转测试所用时间要比使用桌面显示器用时更长[122]。这可能是因为VR游戏在带来更强临场感的同时，产生了更高的认知负荷[123]。Safadel等人发现学习者的空间能力水平与其所使用的互动媒介之间存在显著的交互作用，两者共同影响学习者对DNA分子的空间识别，VR显示对空间能力低的学生具有正向补偿作用[124]。基于脑电的研究也支持上述交互作用，Sun等人证明VR环境有助于减少低空间能力学习者的认知负荷，相比在基于幻灯片的环境下，其脑电P2成分振幅更小[125]。其次，在信息交互层次上，视频游戏能否对空间能力产生影响，一方面取决于视频游戏的内容玩法是否与空间能力测试具有相对应的认知操作，另一方面取决于视频游戏虚拟环境的空间维度是否能提供适切的空间信息刺激。如上文所述，从整体上来看，2D游戏主要影响二维心理旋转，对三维心理旋转和空间可视化基本没有影响，对于扫视透视和空间导航也基本没有提升；在2.5D游戏中，只有那些游戏玩法与空间元素变化直接相关的游戏对空间能力有提升作用，如《方块消消乐》，其他2.5D游戏均无显著正向影响；对于3D游戏需要分情况讨论，3D益智游戏对于三维心理旋转、空间可视化和空间导航都具有显著正向影响，是最有研究前景的游戏类型之一，例如《BlockOut》《传送门》《Minecraft》等；而3D动作游戏的认知影响研究主要集中在感知和执行功能（如认知灵活性、抑制控制、工作记忆等）方面，虽然有证据显示此类游戏能够提升三维心理旋转和扫视表现，但是对于空间能力的整体影响仍有待进一步探索。最后，在概念交互层次上，由于视频游戏是基于其游戏机制和动态反馈来呈现信息的，人们会根据自身认知策略和先前概念水平，对视频游戏呈现的信息进行选择性加工，并将其建构整合，实现概念转变。因此，视频游戏对空间能力的影响也来源于游戏机制和动态反馈对认知策略的影响，并且游戏类型和认知策略之间存在交互效应，共同作用于空间能力，对于上述效应和作用机制还有待进一步探索。

六、總结与启示

从以上分析可以看出，视频游戏对空间能力具有重要影响。具体来说，从空间能力类型来看，以《俄罗斯方块》为代表2D益智游戏，能够提升二维心理旋转能力，而以《BlockOut》《传送门2》为代表的3D益智游戏能够提升三维心理旋转、空间可视化和空间导航能力；动作视频游戏（FPS游戏）能够提升扫视能力，而对于透视能力（如视角采择，空间定向）和空间导航的影响还没有一致结论。本文分析了以上影响产生的作用机制，发现视频游戏影响空间能力的关键在于游戏交互特征与玩家认知策略。在界面特征上，游戏的虚拟场景要能够提供丰富的空间刺激；在游戏玩法上，视频游戏的游戏节奏和反馈速度要相对较慢，鼓励玩家使用“空间策略”而非“反应策略”，因此，同时满足两者的3D益智游戏具有重要研究和应用价值。此外，从认知加工的视角来看，视频游戏能够影响感知、注意、记忆等基本信息加工过程，对空间能力具有潜在影响，但与此有关的直接证据相对有限，且当前此类研究集中于动作视频游戏，对于其他类型游戏带来的认知变化仍有待进一步探索。

研究给我们的启示主要有三点：第一，要选取能够激发空间认知加工过程的视频游戏。视频游戏丰富的虚拟环境为研究者和教育者提供了前所未有的可供性。使用视频游戏作为学习环境的优势在于，可以呈现各种现实中难以创建的空间信息，例如通过创设迷宫环境来刺激游戏者在大尺度中的导航能力。更进一步地，视频游戏还能够提供与现实完全不同的空间刺激，比如改变重力的方向、实现瞬间传送或者扭曲环境空间，给学习者完全新奇的空间体验，这种特殊的空间刺激为揭示空间认知过程提供了新的可能，同时也为基于游戏虚拟空间的学习和训练提供了更多机会。第二，要重点考察人与视频游戏互动时的认知参与。使用脑电、眼动、皮电等多模态生理测量技术记录人在游戏过程中的生理状态变化，并结合外在行为表现与游戏后台记录，共同揭示与空间能力相关的认知加工过程。第三，视频游戏可以作为空间能力的评价工具。随着视频游戏技术的不断发展，游戏化测评（Game-Based Assessment，GBA）逐渐受到研究者的关注。视频游戏能够实时记录学习者在虚拟环境中的探索过程，包括其行动轨迹、与环境的互动操作和各种交流行为，从而为认知诊断和行为分析提供丰富、多模态的数据。对于空间能力而言，当前对空间能力的测评工具主要来源心理测量学的经典实验和量表，这种去情境化的测量方式，在一定程度上限制了对空间能力的整体理解。视频游戏有相对成熟的开发工具，可以用于开发相对复杂的空间能力测评系统，例如Ventura等人开发虚拟空间导航测试所用的Unity游戏引擎[126]。并且也可以使用视频游戏内置的可编辑模组开发空间能力测评工具，例如Foroughi等人使用《传送门2》游戏内置的迷宫编辑器设计了一组包含15个游戏迷宫的《传送门2》测试量表，并用该量表测量了35名玩家完成游戏迷宫的能力[127]。更进一步地，有研究者开始探索使用计算建模方法，在游戏过程中实现“隐形测量”（Stealth Assessment）。例如，Shute和Rahimi使用物理模拟游戏《Physical Playground》，通过游戏内嵌的隐形测评计算游戏者的创造力[128]；Peters等人基于《我的世界》开发了自动化的智力测试工具[129]。由此可见，基于视频游戏环境开发空间能力测评工具也是一个具有广阔前景的研究方向。

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作者简介：

石祝：在读博士，研究方向为学习科学、游戏化学习（教育游戏）、科学教育。

尚俊杰：研究员，博士生导师，研究方向为学习科学与技术设计、游戏化学习（教育游戏）、教育数字化。

The Influence of Video Games on Spatial Ability and its Mechanism

Shi Zhu， Shang Junjie

Graduate School of Education， Peking University， Beijing 100871

Abstract： As a basic cognitive ability of human beings， spatial ability is of great importance to individual daily life and career development. In recent years， researchers in different fields have used video games as a training environment and assessment tool for spatial ability， which has laid a new foundation for further understanding the development mechanism of spatial ability and cultivate it in practice. Based on previous studies， this paper systematically combs the concept and types of spatial ability， as well as the types and media characteristics of video games. On this basis， this study systematically discusses the effects of video games on different types of spatial ability， analyzes the cognitive mechanism and interactive characteristics of video games on spatial ability based on information processing theory and interactive hierarchy model， and expounds its implications for related research and practice.

Keywords： spatial ability； video game； game-based learning； learning environment

收稿日期：2024年2月20日

责任編辑：李雅瑄