特征數(shù)量對三維圖形視覺工作記憶容量的影響

吳文春，陳 瑗

（韓山師范學院 教育科學學院，廣東 潮州 521041）

0 引 言

工作記憶是在認知任務(wù)的執(zhí)行過程中用于暫時存儲和加工信息的系統(tǒng)，在多成分工作記憶模型中，它由語音回路、中央執(zhí)行系統(tǒng)和視覺空間模板三個子系統(tǒng)共同組成[1].其中的視覺空間模板（即視覺工作記憶）又由客體和空間工作記憶組成，主要負責對視覺空間信息進行儲存和加工.目前有許多認知神經(jīng)科學領(lǐng)域的研究顯示，視覺工作記憶包含客體工作記憶和空間工作記憶[2-4].

近二十年來，視覺工作記憶的存儲機制和容量已成為記憶研究領(lǐng)域中的焦點.隨著視覺工作記憶研究的日益深入，相關(guān)領(lǐng)域研究者們普遍支持視覺工作記憶容量大概是4個客體的觀點，但對其存儲容量的影響因素卻至今仍沒有定論.

1 特征數(shù)量與視覺工作記憶容量

特征指的是某個維度的一個特定值，客體則是特征的結(jié)合，如形狀和顏色都屬于維度，立方體和紅色則分別是這兩個維度的值，即事物的兩種特征；紅色立方體則是紅色和立方體這兩個特征組成的客體[5].Luck 和Vogel 曾用單特征物體與多特征的物體作為刺激材料檢測被試的記憶效果[6].其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被試的記憶成績受物體數(shù)量影響但與特征數(shù)量無關(guān). 而Wheeler 和Treisman 模仿了他們的實驗卻發(fā)現(xiàn)了與之相反的實驗現(xiàn)象——被試覺察判斷的準確率是由特征數(shù)量決定而非物體數(shù)量[7].目前主要形成了兩種不同的理論：一種認為視覺工作記憶是以特征為基本單元進行加工和存儲[8-9]，此為特征存儲假說；另一種以Luck 和Vogel 為代表的理論卻認為，視覺工作記憶的基本單元為客體，即客體存儲假說.爭議也衍生出了特征數(shù)量與物體數(shù)量對視覺工作記憶容量的影響等問題.

除了上文所述的特征和客體會對視覺工作記憶容量產(chǎn)生影響之外，視覺工作記憶容量還受其他許多因素影響.如空間位置關(guān)系，在某些條件下，空間位置關(guān)系會對視覺工作記憶容量起積極作用[10-11]. 還有，客體在知覺編碼階段的加工難度以及客體復雜度也會影響視覺工作記憶容量，加工難度越大，工作記憶容量越小[12].與視覺工作記憶存儲機制相比，雖然視覺工作記憶容量的相對大小約為4 個客體這個觀點已為眾多心理學研究者接受，但其“純”容量還難以精確估計[13]，如上面所述的客體復雜度、空間位置關(guān)系等眾多因素仍可能會對被試的記憶容量產(chǎn)生作用.因此，關(guān)于視覺工作記憶容量的影響因素仍有待深入. 目前各種對視覺工作記憶容量起影響作用的因素為研究者重視，但關(guān)于特征數(shù)量對視覺工作記憶容量的影響研究仍然很少，且其影響結(jié)果亦不甚明確.因此，本文嘗試從改變物體特征數(shù)量入手，探討特征數(shù)量對視覺工作記憶容量的影響，并探索被試在識記項目數(shù)相同但所含特征數(shù)量不同的條件下客體的視覺工作記憶容量是否有差異？其具體的存儲容量如何？鑒于已有對視覺工作記憶容量進行研究的材料基本是二維平面圖形（由長和寬構(gòu)成的平面圖像），而生活中我們看到的大多是立體事物，其與平面事物有著不同的形態(tài)，更具形象性和直觀性，其研究結(jié)果也更具普遍性，外部效度也更高.為此，本文試圖從三維立體圖形出發(fā)，辨明特征數(shù)量對三維圖形視覺工作記憶容量的影響.

2 實驗

2.1 目的

采用由不同顏色組成的圖形為實驗材料，重點探討特征數(shù)量對三維圖形視覺工作記憶容量的影響.

2.2 被試

韓山師范學院本科生30 名（男生12 名、女生18 名），年齡在18-23 歲之間（M＝20.1歲），隨機分為兩組，每組15 人.所有被試視力（或矯正視力）正常，無色盲或者色弱，且均熟悉計算機的基本操作.實驗后送給他們禮物作為報酬.

2.3 實驗儀器與材料

實驗在單被試實驗室內(nèi)進行.實驗程序在方正奔騰2.0 G 電腦上運行，顯示器為17英寸液晶屏，屏幕分辨率為1 024×768 像素.被試與屏幕的距離約為57 cm.使用心理實驗專用軟件E-prime1.1 編制實驗程序.電腦屏幕以白色為背景.給被試呈現(xiàn)的實驗材料分兩種：第一種是單顏色三維圖形，第二種是雙顏色三維圖形.單顏色三維圖形共有8種備選顏色，分別為：紅色（R＝255，G＝0，B＝0）；橙色；綠色（R＝0，G＝255，B＝0）；藍色（R＝0，G＝0，B＝255）；黃色（R＝255，G＝255，B＝0）；蘭青色（R＝0，G＝128，B＝128）；紫色（R＝0，G＝128，B＝128）；棕色（R＝128，G＝64，B＝0）.雙顏色的三維圖形即上頂面的顏色和兩側(cè)面的顏色不同，由單顏色三維圖形的八種備選顏色兩兩組合而成，共56 個.實驗材料大小均統(tǒng)一為80×80 像素.

2.4 實驗設(shè)計

實驗采用2×3 被試內(nèi)設(shè)計，自變量為材料類型和項目數(shù).材料類型分為單顏色三維圖形和雙顏色三維圖形兩種，每種均有三個水平：分別是2、4、6 個項目數(shù).因變量為被試對檢測項目的反應(yīng)正確率，包括對出現(xiàn)過的項目的擊中率和對未出現(xiàn)過的項目的虛報率.被試客體工作記憶容量的大小是運用信號檢測論及公式K＝S*[（H-F）/（1-F）]進行測定得出的.在識記項目階段，各刺激材料及其位置的出現(xiàn)是隨機安排的，每次由2、4或6 個同類型的三維圖形組成，它們隨機呈現(xiàn)于屏幕中央3×4 矩陣中的隱形方格中心[14].每個方格的長寬設(shè)置為80×80 像素，相鄰方格之間的距離（邊框到邊框計算）約2°.檢測項目為一個圖形，其大小形狀均與識記項目中的圖形相同.實驗中，其出現(xiàn)位置固定在屏幕中心.本實驗每種類型材料的不同水平均進行28 次正式實驗，正式實驗共168次.在正式實驗之前，先做12 次練習試驗（練習實驗所包含的實驗條件以及各種設(shè)置和要求跟正式實驗完全相同），直至被試能完全理解實驗的要求并進行穩(wěn)定反應(yīng).整個實驗的完成大概需要用時25 min.

本實驗控制無關(guān)變量的操作主要從以下幾個方面進行：一是控制順序誤差，采用ABBA 法，一半被試先完成單顏色三維圖形的識記任務(wù)再完成雙顏色三維圖形的識記任務(wù)，另一半被試的順序則相反. 二是對被試采取隨機分配原則以保證被試的同質(zhì)性. 三是平衡系統(tǒng)誤差，實驗中各組實驗的材料均通過計算機隨機呈現(xiàn)的設(shè)置方式，控制了系統(tǒng)誤差. 四是消除疲勞誤差，完成84 次試驗后，被試根據(jù)自身情況休息1～3 min.

2.5 實驗程序

實驗采用單檢測變化覺察范式，主要包括識記、間隔和檢測三個階段.實驗程序參考吳文春的研究[15].激呈現(xiàn)順序如下：首先，在屏幕中心出現(xiàn)紅色“+”的注視點1 000 ms提醒被試視覺試驗開始；接著屏幕中間出現(xiàn)4 個從1 到9 中隨機選取的數(shù)字1 000 ms，要求被試用正常語速對其進行連續(xù)不斷的出聲復述，直至檢測項目出現(xiàn)，以此避免言語復述的參與.間隔500 ms 后，識記項目呈現(xiàn)，要求被試努力記住每個圖形的顏色.900 ms后緊接著出現(xiàn)一個檢測項目；此時，要求被試盡量準確地判斷：檢測項目的顏色相對于識記項目中的圖形顏色是否完全一致，如果完全一致則按“F”鍵，反之按“J”鍵.具體實驗程序如圖1.

圖1 單次試驗流程圖

整個實驗分兩部分呈現(xiàn)：兩種類型的三維圖形各為一部分，中間用休息程序分隔開.即第一部分84 次正式試驗完成后，休息窗口會彈出；此時，被試需要按照要求進行適當休息；休息結(jié)束后，接著繼續(xù)剩下的84 次試驗.同類型不同項目數(shù)的三維圖形會根據(jù)計算機設(shè)置混合隨機出現(xiàn).計算機記錄被試判斷的正誤反應(yīng)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息.

2.6 結(jié)果與分析

采用SPSS19.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理.各處理條件下被試的平均檢測正確率如表1 所示.

表1 被試的平均檢測正確率（M±SD）

進行兩因素重復測量方差分析顯示，識記項目數(shù)的主效應(yīng)顯著，交互作用不顯著，F(xiàn)（2，58）＝128.21，P＜0.001，2＝1.163，被試的檢測正確率均隨識記項目數(shù)的增加而顯著下降；材料類型的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（1，29）＝209.57，P＜0.001，2＝1.047，被試對單顏色三維圖形的記憶成績顯著高于雙顏色三維圖形視覺工作記憶.

分別對2、4、6 個識記項目數(shù)條件下的單顏色和雙顏色三維圖形的平均正確率進行配對樣本t 檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)P＜0.01，t＝10.72，說明材料類型對視覺工作記憶成績有顯著影響；即在識記項目數(shù)相同的情況下，三維圖形所含有的同質(zhì)特征數(shù)量越多，其檢測正確率越低.在單顏色三維圖形之間進行多重比較，被試檢測正確率隨識記項目數(shù)的增加而下降且任何兩個水平之間被試檢測正確率差異都十分顯著（Ps＝0.000）.而在雙顏色三維圖形之間進行多重比較，被試檢測正確率同樣隨識記項目數(shù)的增加而下降，項目數(shù)為2與項目數(shù)為4 的雙顏色三維圖形之間被試檢測正確率差異亦十分顯著（Ps＝0.000）；項目數(shù)為4 與項目數(shù)為6 的雙顏色三維圖形之間被試檢測正確率差異也相對顯著（Ps＜0.01）.對相同特征數(shù)量不同材料類型的三維圖形被試反應(yīng)的正確率進行比較，結(jié)果顯示P＝0.135，被試對項目數(shù)為4 的單顏色三維圖形和項目數(shù)為2 的雙顏色三維圖形檢測正確率沒有顯著差異.綜上所述，個體識記成績主要受特征數(shù)量影響，當特征數(shù)量成倍增長時，被試記憶成績呈明顯下降趨勢.

對被試在6 種實驗條件下的擊中率和虛報率進行統(tǒng)計分析. 并運用公式K＝S*[（H-F）/（1-F）]對其視覺工作記憶容量進行計算，其中，k 為存儲容量，S 為呈現(xiàn)的刺激項目數(shù)，H 為擊中率，F(xiàn) 為虛報率，以此估計各被試的記憶容量及各條件下的總平均記憶容量.其結(jié)果如表2.

表2 不同實驗條件下被試的平均視覺工作記憶容量（M±SD）

在識記項目數(shù)為6 個的條件下，單顏色三維圖形的最終記憶容量約為4 個，雙顏色三維圖形的最終記憶容量只有2.31 個，這與前人的觀點基本相符[6，16].為進一步比較被試在記憶雙顏色三維圖形和單顏色三維圖形時的視覺工作記憶容量是否有差異，將識記項目數(shù)為2 的單顏色三維圖形與識記項目數(shù)為2 的雙顏色三維圖形、識記項目數(shù)為4 的單顏色三維圖形與識記項目數(shù)為4 的雙顏色三維圖形以及識記項目數(shù)為6 的單顏色三維圖形與識記項目數(shù)為6 的雙顏色三維圖形被試的檢測正確率進行配對樣本t 檢驗.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：被試對單顏色三維圖形記憶容量均顯著大于對雙顏色三維圖形的記憶容量（Ps＝0.000），即在項目數(shù)相同，特征數(shù)量增多一倍的情況下，個體的視覺工作記憶容量顯著變小，這也表明特征數(shù)量對視覺工作記憶容量存在顯著影響.

3 討論

本研究通過實驗考察特征數(shù)量對三維圖形的視覺工作記憶容量的影響.結(jié)果顯示，在識記項目數(shù)相同，特征數(shù)量相差一倍的情況下（雙顏色三維圖形特征數(shù)量是單顏色三維圖形的兩倍），被試識記正確率與其視覺工作記憶容量差異顯著，對單顏色三維圖形的識記成績明顯好于雙顏色三維圖形.當識記項目數(shù)不同，但特征數(shù)量相同的情況下，被試記憶正確率沒有顯著性差異；而當識記項目數(shù)相同，特征數(shù)量增多時，被試記憶的正確率差異明顯，呈下降趨勢；這與Wheeler 和Treisman 以單色和雙色色塊為材料（雙色色塊便是由同一客體同一維度多個特征數(shù)值組成），發(fā)現(xiàn)被試檢測的成績主要取決于特征數(shù)目而非物體數(shù)目的實驗結(jié)果相一致[7]；而視覺工作記憶容量也會伴隨著特征數(shù)量的增加變小.這說明特征數(shù)量對視覺工作記憶容量產(chǎn)生影響，較大程度上支持了視覺工作記憶的容量受特征限制的觀點[17-18]，本研究與Olson 等人的研究也相符合，即視覺工作記憶容量不僅僅取決于客體數(shù)目，還與構(gòu)成客體的特征復雜程度相關(guān)[8，19]；同一維度不同特征組成的客體，工作記憶容量受特征數(shù)量數(shù)值影響[20].筆者以為，這很可能與注意資源有限性有關(guān)，當特征數(shù)量變多，占用的心理資源注意資源增加，抑制了個體的記憶效果，導致視覺工作記憶容量變小.

此外，研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，被試的記憶成績還隨著識記項目數(shù)的增加而顯著下降；無論是單顏色三維圖形還是雙顏色三維圖形，當識記項目數(shù)增多時，被試記憶的正確率均明顯下降.這可能是因為識記項目數(shù)的增多在一定程度上分配了被試有限的注意資源.Luck 和Vogel 認為：視覺工作記憶的容量為3 到4 個插槽，每個插槽獨立存儲一個客體；當客體數(shù)目較少時，總體正確率高，當客體數(shù)目超過記憶容量時，超出的信息不存在工作記憶中，因此正確率下降[6].而Alvarez 和Cavanagh 認為，儲存的客體數(shù)目越多，每個客體分配的資源就越少且視覺資源的靈活分配使得不同客體分配到的資源量不同，導致正確率下降[21].總的說來，本實驗結(jié)果也間接表明了客體數(shù)目會對視覺工作記憶容量產(chǎn)生影響.

4 結(jié)論

本研究最終得出以下結(jié)論：特征數(shù)量影響三維圖形的視覺工作記憶容量及被試的記憶成績.在記憶容量有限的情況下，被試檢測三維圖形準確率隨特征數(shù)量的增多而降低；視覺工作記憶容量隨特征數(shù)量增多而變小.