空间知识记忆和提取的理论模型

心理科学进展 2004，12（3）：330~339Advances in Psychological Science空间知识记忆和提取的理论模型*周荣刚张侃（中国科学院心理研究所，北京 100101）摘要对物理空间知识记忆和提取规律的探讨一直是空间认知领域研究中的一个重点和热点。

对其进行深入研究，不仅有助于了解人类的空间行为，而且为相关的诸如界面设计、虚拟环境等空间认知应用领域（研究）提供支持。

该文从空间记忆的内在参照系理论、坐标系统模型、空间情境模型和位置记忆的空间类属模型4个方面对当前有关物理环境中空间知识记忆和提取的理论或模型进行了回顾并作了初步评价。

关键词空间知识记忆，内在参照系理论，坐标系统模型，空间情境模型，空间类属模型。

分类号 B842.21 引言有关空间认知 (Spatial Cognition)的研究是一个古老而又崭新的课题。

就本源的意义来讲，人类的一切活动都发生在而且只能发生在时间和空间之中。

其中空间更是具有及时性和现实性，人类在了解自己以及人和环境关系的过程中必然对空间关系产生极大的兴趣。

对人类如何获取物理环境中的空间知识以及如何使用所获得的空间信息完成相应的任务（如方位判断、导航策略和参照物等）的研究有助于人们深入了解自身关于空间知识形成的过程，这为旨在提高相应空间判断任务绩效的界面设计[1]（包括地图、座舱仪表、空间定位系统和电子导航帮助等）和虚拟环境[1~4]（包括完全沉浸虚拟环境、桌面虚拟环境和internet）中的信息呈现以及特殊状态（如失重和聋哑人[5]）下的空间知识获取等领域的研究奠定了基础。

但是与其他领域的知觉和认知研究相比，一个良好的空间认知模式初出端倪的时间并不是很长，这反映了空间能力本质的模糊性，即便是“空间（spatial）”这一个词语也具有很大的不确定性，物理环境中空间知识记忆方面的研究也是如此。

本文仅根据当前有关空间知识记忆方面的研究报告，对研究者所构建的空间知识记忆和提取的理论或模型进行了回顾和简单评价。

2 理论模型2.1 空间记忆的内在参照系（intrinsic reference system）理论[6~9]根据McNamara等人的理论：人们是以空间参照系来建构环境的空间结构，进而形成对收稿日期：2003-10-25* 国家自然科学基金（30270465）、教育部“十五”规划课题（FBB011067）、中国科学院院长基金（JHJ02013）资助项目。

通讯作者：张侃， E-mail: zhangk@; 电话：（010）64837096第12卷第3期 空间知识记忆和提取的理论模型 -331- 物理空间进行表征的认知空间结构，获知环境中物体的空间信息，而参照系统固有于物体布局本身，即环境的空间结构主要是以其自身特性（如房间中桌椅排成的行和列）被加以表征的，这种参照系统即为内在参照系统（intrinsic reference system ）。

内在参照系的方向或轴的选择是基于线索的，如学习空间结构时的视角、经验（如指导语）、物体特性（如物体间的类似程度）和环境结构（如房间墙壁的突显），其中起支配作用的是自我经验方面的线索。

从另外一个角度来说，内在参照系的选择或其方向的确定不是静态的，随着其中某些线索（如视角）的变化而改变：当观察者以第一个视角对空间布局学习时，他们以与该视角平行（匹配）的内在参照系统对空间布局进行表征，通常情况下基于第一视角所选择的内在参照系不会随着观察者的移动和视角的改变而进行更新，当观察者处于后继视角时就如同从新的方向观察一熟悉物体。

但是如果第一视角与环境中某一突出轴不匹配而后继视角与之匹配，新的内在参照系（方向）就会取代原有的内在参照系（方向），相应的就以后继内在参照系（方向）对环境布局进行表征。

可以通过具体实例或实验对空间记忆的内在参照系理论进行进一步的了解。

根据实验结果McNamara （2003）认为：如果要求被试从两个观察点对某一场景进行学习，如被试先从0度对图1所示场景进行学习，此时所依据的内在参照系统与视角、物体所在的垫子以及房间的墙壁都是平行的，当位移到135度时其视角与环境线索（物体所在的垫子与房间的墙壁）不再平行，因而基于0度视角的内在参照系不会被破坏、被试会继续以0度位置时的内在参照系统对该空间布局进行表征。

所以当想象空间中的朝向与匹配视角（0度）平行时被试相对方位判断（如“想象你站在book 上，面对wood ，请指出shoe 的方位”）的成绩最好，而想象空间中朝向与非匹配视角（135度）平行时相对方位判断（如“想象你站在clock 上，面对shoe ，请指出wood 的方位”）的成绩并不比和非匹配视角不平行的朝向时相对方位判断（如“想象你站在skillet 上，面对shoe ，请指出book 的方位”）成绩好。

相反如果第一次以135度视角对该场景进行观察而位移到0度视角时，内在参照系统就会发生变化。

Mou 和McNamara （2002）的研究中进一步明确提出了空间记忆的内在参照系统理论，在其一系列实验中被试被要求对如图2的场景进行学习：物体放在与密闭房间墙壁平行的一正方形垫子或圆柱型空间中的一块空地上。

在实验（Exp2）中，被试从315度学习该场景，要求一组被试以自我轴315度[如clock （站的物体）－jar （面对的物体）、scissors－shoe 和wood －book]、另一组被试以非我自我轴（如scissors －clock 、wood －shoe 、shoe －jar 和banana －book ）0度学习该布局，结果（见图3）主要发现：在判断成绩和判断时间没有明显代偿的情况下，被要求以自我轴315度识记该场景的被试在从315度想象该空间布局（如“想象你站在图1 McNamara 等人研究中所采用的场景布局之一（被试所识记的是真实物体；McNamara, 2003）-332- 心理科学进展 2004年scissors上，面对shoe，请指出clock的位置”）时的成绩要好于从0度想象该空间（如“想象你站在scissors上，面对clock，请指出shoe的位置”）时的成绩，反之亦然，以非自我轴识记该布局的被试在从0度想象该布局时的成绩要好于从315度（也即真实观察点）想象该布局时的成绩。

这一研究有力地说明了主体的经验（如指导语）会影响主体进行空间布局识记时内在参照系的选择。

McNamara等人把主体以空间参照系来学习空间布局的过程与主体确定某物体或图形上方进行类比，结合一系列实验逐步构建了空间记忆的参照系统理论。

与McNamara等人早期的理论框架相比，内在参照系理论抛弃了空间记忆是基于自我参照和环境参照两个系统的看法，而是认为主体是以物体布局自身结构作为空间记忆的参照系统，这一系统不是固定的，其最终的确立或更新受主体经验、物体的空间或非空间特性和环境因素的影响，其中主体经验是主导因素。

2.2 空间知识获取的坐标系统模型（coordinate-system model of retrieval）[10~13]Sholl等人通过一系列研究提出了空间知识获取的坐标系统模型，该模型假设人是以两个子系统，即自我参照系统（Self-reference system）和物体内在系统/认知矢量空间（Object- to-object system/Cognitive vector space），对可行走环境内空间知识（navigating an environment on foot）进行表征和提取。

人们必须借助于参照系才能对空间位置和方向进行说明，研究表明人们对周围空间知识的组织是以身体为中心的即自我参照系统。

坐标模型的中心假设是以身体解剖轴（anatomical axes，如上－下轴、前－后轴和左右轴）组成坐标表征系统，而坐标系统对数量的物体空间关系进行调整。

坐标系统如图4B：由前－后轴和左－右轴组成，图为矢量空间和坐标系统的组合，为空间距离和方向的计算提供了一些列基本矢量。

矢量空间中自我参照系统的原点与主体在物理空间中的真实或想象位置一致，其方向与主体的朝向一致（前－后轴的前点）。

第12卷第3期空间知识记忆和提取的理论模型 -333-而且从计算角度而言，负责编码物体——物体空间关系的矢量可以从参照轴中加以推测，至于矢量角如何编码物体间的相对方向该模型没有说明。

在这个模型中，物体—物体的空间关系存储于环境中心表征中，即朝向自由矢量空间（orientation-free vector space）。

朝向自由表征即在该表征系统中任何朝向的可利用性都是等同的，跟主体的朝向没有关系，其构成基础是若干朝向特定表征（orientation specific representations）：功能上源于若干朝向特定表征的聚集性活动（collective activity）或结构上作为建构于若干低层级朝向特定表征（multiple lower-level orientation-specific representations）之上的单一高层级朝向自由表征（single higher-level orientation-free representations）。

坐标系统模型所假设的是物体—物体空间关系的单一高层级朝向自由表征，其作用形式类似于一认知矢量空间，如图4A所示：圆圈节点表示的是表征于数量网络中的物体、连接节点的矢量编码的是物体间的距离和角度。

矢量空间不包括整体参照系，因而不足以说明矢量角，因为至少需要3个物体才能创造一个空间角度。

在认知矢量空间中，矢量强度（随物体如路标被使用频次的变化而变化，使用频次高也即强矢量比使用频次低也即弱矢量更容易被激活）、物体间的距离（长距离矢量被激活所用的时间比短距离矢量被激活所用的时间要短）和物体间矢量的直接程度（图4A中节点4和节点5的连接是通过3建立起来的，因此矢量4－5可利用性程度要比矢量3－4程度低）都会影响主体对物体间相对关系的判断。

A B C图4 坐标系统模型图注：A表示的认知矢量空间，B表示的是自我参照系统，C表示的是认知矢量空间和自我参照系的结合（译自Sholl, 2000）目标矢量一旦被激活，主体便以欧式坐标（Euclidean coordinate）在自我参照系中对物体加以表征。

图4C说明了当主体想象身处节点3的位置时自我参照系统和认知矢量空间（物体内在参照系统）的结合。

如果与该模型预测的一样——认知矢量系统和自我参照系统在功能上是分离的，那么这两个系统中空间关系的易达性应是相互独立的。

比如影响自我参照系中某物体相对方向易达性的因素对认知矢量空间该方向的获取没有影响，反之亦然。

众多研究表明基于真实环境和想象环境的想象空间物体定位任务中存在方位效应，最为突出的是前－后效应，即主体定位前方物体的时间比定位后方物体的时间短，且在物体—物体的空间关系（object-to-object spatial relations）的情境下，这种效应依然存在，所以其表征或提取是在自我参照系中完成的。