目標數量與運動框架旋轉角度對不同場認知風格個體多目標追蹤表現的影響*

呂 馨 劉景瑤 魏柳青 張學民,2

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目標數量與運動框架旋轉角度對不同場認知風格個體多目標追蹤表現的影響

呂 馨劉景瑤魏柳青張學民

(北京師范大學心理學部, 應用實驗心理北京市重點實驗室, 心理學國家級實驗教學示范中心(北京師范大學);北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室, 北京 100875)

通過改變目標數量、運動框架突變旋轉角度探究不同場認知風格被試在多目標追蹤任務中的表現。結果發現：(1)在任務難度較低(運動參考框架穩定, 目標數量為3和4)和任務難度中等(運動參考框架突變向右旋轉20, 目標數量為4)條件下, 場獨立型被試的多目標追蹤表現均顯著好于場依存型被試。在任務難度較高(運動框架穩定, 目標數量為5以及運動參考框架突變向右旋轉40, 目標數量為4)條件下, 兩組被試差異不顯著。表明不同場認知風格被試追蹤表現受任務難度影響; (2)隨著目標數量由3至5增多, 追蹤負荷增大使被試的追蹤成績顯著下降; (3)相比運動框架穩定, 運動框架向右突變旋轉20和40均顯著削弱了被試的追蹤表現。旋轉角度變化破壞了場景連續性, 影響了追蹤表現。

多目標追蹤; 場認知風格; 運動參考框架; 旋轉角度

1 前言

傳統的視覺注意研究主要探討單個物體在運動參考框架穩定情境中視覺信息加工問題。然而現實生活中人們經常接觸視角變化的動態場景, 需要在運動參考框架不穩定的情況下對場景中多個運動物體保持注意和追蹤。例如, 在路上行走時, 人們需要在視角連續變化情況下注意來往的車輛和行人; 在觀看足球實況轉播比賽時, 觀眾需要在屏幕視角切換的情況下同時保持對多名球員的關注; 在動作類游戲中, 玩家需要在不穩定的視角中同時追蹤多名隊員與對手; 在虛擬現實(Virtual Reality, VR)情境中, 人們需要在視覺轉向的狀態下體驗沉浸式的視覺虛擬環境。Pylyshyn和Storm (1988)提出的多目標追蹤范式(Multiple Object Tracking, MOT)常用于研究動態情境中視覺注意持續加工的規律。此經典研究范式中, 運動物體的運動參考框架在整個過程中都保持穩定。近年來有學者開始研究運動框架不穩定場景下多目標追蹤任務的影響因素和認知加工機制, 用于模擬現實情境中視角變化的視覺注意現象(Liu et al., 2005; Seiffert, 2005; Huff, Jahn, & Schwan, 2009; Huff, Papenmeier, Jahn, & Hesse, 2010; Jahn, Papenmeier, Meyerhoff, & Huff, 2012; Brockhoff et al., 2016)。

1.1 多目標追蹤的相關研究

經典多目標追蹤范式分為線索、追蹤和反應三個階段。線索階段通常在屏幕上呈現8到10個完全相同的物體(如加號、圓圈、字母等), 其中一部分通過外框閃爍標記為要追蹤的目標, 其余的為非目標。閃爍標記時長一般控制在2~5秒內, 之后閃爍標記消失; 追蹤階段所有物體進行隨機運動, 運動時間為5~15秒, 要求被試對線索階段標記的目標進行追蹤。運動結束后, 所有的運動物體靜止在屏幕上; 反應階段要求被試用鼠標將線索階段標記的目標選擇出來, 或是以特定的形式突出其中一些物體, 要求被試判斷突出的物體是否為剛剛標記過的目標。研究表明, 被試在目標和非目標數量相同的運動場景中通常能夠同時追蹤到4~5個目標, 并且正確率保持在85%以上, 而隨著追蹤的目標數量的增加, 追蹤正確率會下降(Pylyshyn, 2001; Pylyshyn, 2003)。

以往有關多目標追蹤的研究主要探討運動參考框架穩定情境中視覺注意加工的規律。研究表明運動框架穩定條件下, 被試的多目標追蹤任務表現受物體的運動速度(Tombu & Seiffert, 2011)、目標數量(Pylyshyn & Storm, 1988; Yantis, 1992)、任務難度(魏柳青, 劉冰, 張學民, 趙霞, 2013)、空間對稱性(Wang, Zhang, Li, & Lyu, 2016)等因素的影響。近年來有部分學者開始關注運動參考框架變化下的多目標追蹤表現, 相關研究結果尚存爭議。Liu等(2005)對3D立體場景中的多目標追蹤現象進行研究, 發現即使立體框架經歷連續的平移、縮放、旋轉這三種運動組合變化, 立體框架運動速度不影響追蹤正確率, 追蹤表現僅受物體運動速度的影響。Seiffert (2005)則認為追蹤成績受運動框架變化影響, 改變追蹤過程中目標的整體視覺呈現方式, 被試的平均追蹤正確率由86%下降到62%。追蹤過程中, 運動參考框架發生突變旋轉20或30時, 也會導致追蹤成績的顯著下降(Huff et al., 2009)。Huff等(2010)的后續研究表明, 物體和場景運動的連續性對視覺追蹤有重要作用。通過比較運動框架發生突變旋轉和緩慢平滑旋轉兩種情況下的追蹤表現, 發現相比緩慢平滑旋轉, 被試在運動框架突變旋轉下的追蹤成績更差。可能是突變旋轉使得場景變化的連續信息缺失, 從而影響追蹤的正確率。Brockhoff等(2016)從發展的角度探究一、三、五、七年級兒童青少年以及成人五個年齡組被試在3D環境中的追蹤能力, 結果表明場景突變旋轉是一個重要因素, 影響了所有年齡組被試的追蹤表現。以上研究多采用圖示深度線索研究3D空間中運動框架變化的多目標追蹤現象, 結果發現運動框架的突變旋轉會對多目標追蹤正確率產生影響。但上述研究較少從個體差異的角度探討不穩定運動框架下多目標追蹤任務的影響因素。

1.2 場認知風格類型及其與認知功能相關研究

認知風格(Cognitive Style), 又稱認知方式, 指的是個體在組織和加工信息中所具有的個性化的和一貫性的偏好方式, 反映不同個體在感知覺加工、記憶和思維過程中的個性化特征(Messick, 1984)。早期學者根據研究角度的不同, 對認知風格進行不同維度的劃分, 典型的劃分方式有場依存?場獨立型(Field dependence-independence)、沉思?沖動型(Reflectiveness-Impulsivity)、聚合?發散型(Converging-Diverging)等(Kagan, 1966; Witkin, Moore,Goodenough, & Cox, 1977; Bergum & Cooper, 1977)。近年來認知方式的研究出現整合趨勢, Riding和Cheema (1991)在前人的基礎上, 將30多種認知方式整合為整體?分析型(Wholist-Analytic)和言語?表象型(Verbal-Imagery)兩大維度, 上述場依存?場獨立型、沉思?沖動型和聚合?發散型均可以歸類到整體?分析型維度。國內外學者在此劃分方式下進行了相關研究(梁君英, 張萌, 2012; Riding & Rayner, 1998; Zhou, Zhou, Li, & Zhang, 2015; Nitzan-tamar, Kramarski, & Vakil, 2016)。

本研究的認知風格是基于Witkin等(1977)提出的場認知風格, 也是目前研究和應用最廣泛的一種認知風格劃分方式, 將個體區分為場獨立型(Field Independence, FI)和場依存型(Field Dependence, FD)。“場”可以看作是周圍環境, 不同場認知風格個體對場的依賴程度不同。場獨立型個體在進行信息加工的時候, 傾向于參照身體內部線索, 不易受周圍環境的影響; 場依存型個體則更多參照來自外部環境的線索做出判斷。場認知風格個體不同線索加工方式與他們思維與感知覺加工的特性是一致的, 在棒框測驗(Rod and Frame Test, RFT)、身體調整測驗(Body-adjustment Test)、轉屋測驗(Rotating Room Test)、鑲嵌圖形測驗(Embedded Figures Test, EFT)等一系列研究中表現出跨任務的一致性傾向。場認知風格作為一種較為穩定的特征受到了廣泛的關注, 研究逐漸從狹義的垂直知覺擴展到其他感知覺、記憶、思維、問題解決等復雜認知領域。

除了個性特征上的差異, 研究表明場認知風格與認知功能有著緊密的聯系, 場獨立型被試在圖形推理(王有智, 歐陽侖, 2004)、心理旋轉(Li, Zhang, Wu, & Mei, 2016; 趙曉妮, 游旭群, 2007)空間認知任務中的表現均好于場依存型被試。借助ERP技術的研究發現, 場依存型被試在進行視覺空間任務時, 大腦中區和右區的負慢波有著更大的波幅, 比場獨立型被試投入了更多的認知資源(岳鵬飛, 李壽欣, 白學軍, 2012)。鄭月紅和施利承(2015)采用眼動儀研究不同場認知風格被試的道路場景注視, 結果發現相比場依存型被試, 場獨立型被試更快注視到興趣區, 并且在興趣區內有著更多的注視點數目, 但是兩種場認知風格被試的平均注視點數目無差異。上述研究表明不同場認知風格個體在視覺認知加工中存在顯著差異, 可能是因為場獨立型個體在認知過程中傾向于克服或者重構場的組織, 將場中的信息看作是獨立于場的客體, 不易受與任務無關的環境信息影響, 從而任務的表現更好; 而場依存型個體傾向于依附于給定的環境信息, 將環境信息與場看作是一個整體, 更容易受環境信息的影響。

綜上所述, 以往學者有關多目標追蹤的研究多探討運動框架穩定下運動物體的速度、大小、數量, 物體所帶有的身份特征等因素變化對追蹤成績的影響。從個體差異的角度探究場認知風格與運動框架穩定以及運動框架變化的多目標追蹤任務關系的研究涉及較少, 從這個角度的研究可以幫助我們認識不同場認知風格個體在運動參考框架穩定和變化的多目標視覺追蹤任務中的表現, 對認識生態化情境下參考框架在復雜動態場景信息加工中的作用和規律有一定的理論與實踐應用意義。Howard (1982)指出人們在信息加工過程中, 會以物體、背景環境、或是觀察者自己為參照點, 將輸入的分散信息轉化為相對穩定和細節的表征。場認知風格可以用于研究信息加工是否受背景環境的影響(Jonassen & Grabowski, 1993)。場獨立型個體傾向于以自身為參照點, 將場內物體加工為獨立的、相互分離的知覺對象, 不受外部信息的影響, 易于將物體從環境中分離出來; 而場依存型個體傾向于以外部信息為參照點, 將知覺對象進行整體、統一加工, 把物體從環境中分離出來較為困難(Witkin et al., 1977; Witkin & Goodenough, 1981; Pithers, 2002; Evans, Richardson, & Waring, 2013)。經典多目標追蹤考察動態情境中的信息加工, 任務由一個穩定的運動框架和多個離散的、表面特征相同的物體構成, 其中一部分物體為要追蹤的目標, 其余為非目標, 要求被試從非目標中對目標進行持續追蹤。那么不同場認知風格被試在組織和加工信息時所表現的習慣化和偏好方式是否會影響多目標追蹤表現？目標數量變化會對不同場認知風格被試有怎樣的影響？運動框架可以視為場景參照(Huff et al., 2010), 追蹤過程中運動框架發生旋轉變化又會對追蹤表現有怎樣的影響？上述問題還有待于進一步探討。

基于上述研究背景及有待于研究問題, 本研究擬結合經典多目標追蹤實驗范式和運動框架突變旋轉角度變化, 探究兩種場認知風格被試在多目標追蹤任務中的表現。結合以往研究的結果以及場認知風格和多目標追蹤實驗范式的特點, 本研究提出以下假設：(1)多目標追蹤成績受被試場認知風格、追蹤目標數量和運動框架突變旋轉角度的影響; (2)場獨立型被試更易將目標從非目標和運動框架中分離出來, 追蹤成績優于場依存型被試; (3)目標數量的增多和運動框架突變旋轉角度增大, 顯著地影響多目標追蹤成績。

本研究設置了兩個系列的實驗來研討上述問題和假設。實驗1通過變化追蹤目標的數量, 采用經典多目標追蹤實驗范式來探究不同場認知風格被試在多目標追蹤任務中的表現; 實驗2將目標數量固定為4, 通過變化運動框架的突變旋轉角度, 進一步探究當視覺追蹤中運動框架發生突然變化對不同場認知風格被試追蹤表現的影響。本研究模擬了現實情境中視角變化對視覺注意追蹤的影響, 是對經典多目標追蹤實驗范式的進一步發展和應用, 研究對認識不同場認知風格個體的視覺多目標追蹤能力及運動框架旋轉角度對其追蹤的影響具有一定的理論意義和實踐應用價值。

2 實驗1：目標數量對不同場認知風格經典多目標追蹤的影響

實驗1主要探討不同場認知風格被試在不同目標數量的追蹤任務中的表現及其可能存在的差異。

2.1 被試

隨機招募北京地區985高校理科專業在校大學生71名, 其中男生29名, 女生42名, 平均年齡19.96 ± 2.15歲。將所有被試鑲嵌圖形測驗得分由高至低排序, 以得分在總人數前27% (≥15分)的被試作為典型場獨立組, 以得分在總人數后27% (≤11分)的被試作為典型場依存組。最終共有42名被試參加實驗1, 男生20名, 女生22名, 平均年齡19.81 ± 1.93歲。典型場獨立組被試19名, 其中男生8名, 女生11名; 典型場依存組23名, 其中男生12名, 女生11名。所有被試視力或矯正視力正常, 顏色知覺正常, 完成實驗后獲取一定報酬。

2.2 實驗設計

實驗采用2 (場認知風格類型：場獨立、場依存) × 3 (目標數量：3、4、5)的兩因素混合設計, 因變量為追蹤正確率。研究采用的刺激物是黑色實心圓圈, 總數恒定為10個。實驗1共呈現三種條件, 設置的目標數量分別為3個、4個、5個, 所對應設置的非目標數量為7個、6個、5個。

2.3 實驗儀器與材料

2.3.1 多目標追蹤任務

實驗儀器為i5 3.2臺式計算機, 顯示設備為22英寸顯示器。屏幕分辨率設定為1680×1050 pixel (每pixel約為0.028 cm), 垂直刷新頻率為60 Hz。實驗程序采用Visual Basic 6.0進行編寫。

刺激呈現區域為屏幕中央800×600 pixel (水平視角約22, 垂直視角約17°)的白線方框[RGB (255, 255, 255)], 寬度2 pixel, 背景為灰色[RGB (128, 128, 128)]。運動對象是直徑為30 pixel的黑色實心圓[RGB (0, 0, 0)]。在追蹤區域的中心始終有一個白色的十字形注視點。所有對象在追蹤區域內的初始位置隨機分布, 各對象間的距離超過運動對象本身直徑, 運動對象與邊框的距離不小于運動對象本身直徑的兩倍。在實驗過程中, 運動對象之間或是運動對象與邊框發生碰撞后會彈開, 即在實驗過程中運動物體之間不會發生遮擋現象。

2.3.2 場認知風格測驗

采用北京師范大學1981年修訂的鑲嵌圖形測驗劃分場認知風格。該測驗信度為0.90, 與棒框測驗的相關為0.49, 有較高的信度和效度, 已廣泛應用于國內認知風格領域的研究。測驗共有29道題目, 分為三個部分：第一部分有9道題目, 第二部分和第三部分分別各有10道題目。其中, 第一部分不計分, 只有第二、三部分計分。得分越高, 表明被試越傾向于場獨立型。得分越低, 表明越傾向于場依存型。

2.4 實驗過程

被試進行團體鑲嵌圖形測驗。測驗分為三個部分, 每部分時長3分30秒。將所有被試測驗得分由高至低排序, 選取得分在總人數前27% (≥15分)和后27% (≤11分)的被試分別作為典型場獨立型和典型場依存型參加追蹤實驗。

顯示屏距被試雙眼約57 cm。追蹤實驗過程如圖1所示。被試按空格鍵開始每個試次, 所有對象靜止呈現在屏幕上, 分別有3個、4個或5個黑色實心圓被紅色方框閃爍標記為目標, 標記時間為2秒。紅色方框消失后, 所有運動對象開始做隨機運動, 運動速度為10°/s, 要求被試追蹤剛剛被標記過的目標。6秒后運動停止, 被試需要用鼠標選擇目標, 之后按空格鍵進行下一試次。實驗中目標數量分3個區組進行, 區組順序在被試間進行平衡。每個區組20個試次, 被試一共完成60個試次。每個區組正式實驗開始前, 被試先進行6次練習實驗。整個實驗共持續25分鐘。實驗程序自動記錄被試的追蹤正確率(被試正確選擇的目標數量/總目標數量)×100%。

圖1 實驗過程圖示

由于被試正確選擇的目標數量與真實追蹤到的目標數量有一定差異, 受猜測概率影響, 不同目標數量的猜測概率不同。根據公式(1)將被試正確選擇的目標數量轉化成真實追蹤到的目標數量, 其中表示校正后被試真實追蹤到的目標數量,表示被試正確選擇的目標數量,表示目標數量,表示可能的反應選項, 即目標與非目標數量總和(Horowitz et al, 2007)。采用SPSS 19.0用校正后的追蹤正確率(被試真實追蹤到的目標數量/總目標數量)×100%進行后續的統計分析。

2.5 實驗結果

2.5.1 場認知風格分組

實驗1中有效被試42名, 場獨立組被試19名, 場依存組被試23名。其中場獨立組被試的鑲嵌圖形測驗成績(= 16.26,= 1.41,= 19)顯著高于場依存組(= 9.48,= 1.70,= 23), 兩組的平均得分差異為6.79, 場認知風格被試分組有效,(40) = 13.88,< 0.001, Cohen’s= 4.41。場認知風格性別差異不顯著,(40) = ?0.24,= 0.812, Cohen’s= 0.08。

2.5.2 目標數量對不同場認知風格類型多目標追蹤的影響

兩組場認知風格被試在不同目標數量下的多目標追蹤正確率如圖2所示。為探討目標數量對不同場認知風格被試多目標追蹤表現的影響, 對被試的追蹤正確率做2 (場認知風格：場獨立、場依存)×3 (目標數量：3、4、5)重復測量方差分析。結果發現：場認知風格主效應顯著,(1, 40) = 6.90,< 0.05, η= 0.147, 場獨立型被試追蹤正確率(= 0.70,= 0.12)顯著高于場依存型(= 0.60,= 0.12); 目標數量主效應顯著,(2, 80) = 54.22,< 0.001, η= 0.575, 說明被試在不同目標數量下的追蹤表現有顯著差異。事后檢驗結果表明, 被試在目標數量為3條件下的追蹤正確率顯著高于目標數量為4及目標數量為5的條件。目標數量為4的追蹤正確率顯著高于目標數量為5的條件(目標數量3與4:= 0.09,< 0.001; 目標數量3與5:= 0.23,< 0.001; 目標數量4與5:= 0.14,< 0.001); 目標數量與場認知風格交互作用不顯著,(2, 80) = 0.74,= 0.480, η= 0.018。

圖2 兩種場認知風格類型不同目標數量經典多目標追蹤正確率(誤差線為標準誤)

2.5.3 場認知風格對多目標追蹤的影響

為探討兩組場認知風格被試多目標追蹤的表現差異, 對不同場認知風格被試在不同目標數量上的追蹤正確率做獨立樣本t檢驗。結果顯示：在目標數量為3和目標數量為4條件下, 兩組場認知風格被試的追蹤正確率有顯著差異, 場獨立型被試追蹤正確率均顯著高于場依存型被試(目標數量3：(40) = 2.10,< 0.05, Cohen’s= 0.67; 目標數量4：(36.72) = 3.01,< 0.01, Cohen’s= 0.91); 在目標數量為5條件下, 場獨立型被試追蹤正確率與場依存型被試無顯著差異(目標數量5：(40) = 1.60,= 0.118, Cohen’s= 0.51)。

2.6 小結

實驗1采用經典多目標追蹤范式, 探究不同場認知風格被試在不同目標數量經典多目標追蹤上的表現差異。結果表明, 兩組場認知風格被試的追蹤正確率有顯著差異, 場獨立型被試的整體追蹤正確率顯著高于場依存型被試。在低負荷水平(目標數量為3)和中負荷水平(目標數量為4)的條件下, 場獨立型被試的追蹤表現均顯著好于場依存型被試。在高負荷水平(目標數量為5)的條件下, 兩組被試的追蹤正確率無顯著差異。說明兩組被試追蹤表現差異受任務難度的影響, 在低負荷和中負荷的低中任務難度條件下, 兩組場認知風格被試的追蹤正確率有顯著差異, 在任務難度較高的高負荷條件下, 兩者的差異不顯著。

此外, 對所有被試來說, 目標數量的變化對追蹤表現有顯著影響。當目標與非目標總數恒定時, 隨著目標數量由3增加到4再增加到5, 追蹤負荷的增加使追蹤任務難度加大, 追蹤正確率顯著下降, 與前人的研究結果相一致(白田, 呂創, 魏柳青, 周義斌, 張學民, 2015; Alvarez & Franconeri, 2007; Pylyshyn & Storm, 1988)。從實驗1的結果來看, 操縱目標數量的變化對探究不同場認知風格個體在經典多目標追蹤情境下的表現差異是有效的。不同場認知風格被試在不同目標數量的追蹤任務中表現出了顯著的差異, 這是本研究中的主要發現。

3 實驗2：運動參考框架突變旋轉對不同場認知風格個體多目標追蹤的影響

實驗1發現場認知風格影響運動參考框架穩定的經典多目標追蹤任務表現, 場獨立型被試相較于場依存型被試的追蹤表現更好。實驗2在實驗1的基礎上, 將目標數量固定為4, 探究兩組場認知風格被試在更為復雜的背景, 即多目標追蹤任務中運動參考框架發生突變旋轉變化條件下的追蹤表現。

3.1 被試

隨機招募北京地區985高校理科專業在校大學生69名, 其中男生33名, 女生36名, 平均年齡21.58 ± 2.39歲。與實驗1相同, 將所有被試鑲嵌圖形測驗得分由高至低排序, 以得分在總人數前27% (≥15分)的被試作為典型場獨立型, 以得分在總人數后27% (≤11分)的被試作為典型場依存型。最終共有38名被試參加實驗2, 男生16名, 女生22名, 平均年齡21.18 ± 2.49歲。典型場獨立組被試19名, 其中男生8名, 女生11名; 典型場依存組被試19名,其中男生8名, 女生11名。所有被試視力或矯正視力正常, 顏色知覺正常, 完成實驗后獲取一定報酬。

3.2 實驗設計

實驗設計為2(場認知風格類型：場獨立、場依存)×3(突變旋轉角度：0、20、40)的兩因素混合設計, 因變量為追蹤正確率。研究采用的刺激物是黑色實心圓圈, 目標與非目標的總數恒定為10個, 目標數量恒定為4個, 所對應設置的非目標數量為6個。設置的參考框架突變旋轉角度為3種, 分別為運動框架旋轉0°(穩定不旋轉), 向右(順時針)突變旋轉20和40。

3.3 實驗儀器與材料

與實驗1基本相同, 不同之處在于實驗2實驗過程中運動參考框架會發生向右的突變旋轉(旋轉角度為0、20、40), 轉動后運動對象仍保持隨機運動狀態。

3.4 實驗過程

被試首先進行團體鑲嵌圖形測驗, 測驗分數≥15分和≤11分的被試分別作為典型場獨立型和典型場依存型參加實驗2。

實驗2與實驗1不同之處在于追蹤過程中, 對象隨機運動6秒后運動參考框架發生突變向右旋轉(旋轉角度分為三種：0、20、40)。突變旋轉后要求被試持續保持追蹤, 6秒后隨機運動停止, 被試需要用鼠標選擇哪些是要求追蹤的目標, 之后按空格鍵進行下一試次。

實驗共有3種條件(旋轉角度0、20、40), 分為3個區組進行。每個條件20個試次, 被試一共完成60個試次。每個區組正式開始前, 被試先進行6次練習實驗。整個實驗持續時間為30分鐘。實驗流程圖如圖3所示。

3.5 實驗結果

3.5.1 場認知風格分組

實驗2中有效被試38名, 場獨立組被試19名, 場依存組被試19名。其中場獨立組的鑲嵌圖形測驗成績(= 16.58,= 1.35,= 19)顯著高于場依存組(= 9.16,= 1.30,= 19), 兩組平均得分差異為7.42。場認知風格被試分組有效：(36) = 17.27,< 0.001, Cohen’s= 5.76。場認知風格性別差異不顯著,(36) = 0.09,= 0.929, Cohen’s= 0.03。

3.5.2 旋轉角度對不同場認知風格多目標追蹤的影響

兩組場認知風格被試在不同旋轉角度的多目標追蹤任務中的正確率如圖4所示。為探究旋轉角度對不同場認知風格被試多目標追蹤表現的影響, 對被試的追蹤正確率進行2(場認知類型：場獨立、場依存) × 3(突變旋轉角度：0、20、40)的重復測量方差分析。結果發現：場認知風格主效應顯著,(1, 36) = 5.10,< 0.05, η= 0.124, 場獨立型被試的追蹤成績(= 0.63,= 0.07)顯著好于場依存型被試(= 0.57,= 0.07)。旋轉角度主效應顯著,(2, 72) = 89.13,< 0.001η= 0.712, 不同旋轉角度之間追蹤正確率有顯著差異。旋轉角度與組別交互作用顯著,(2, 72) = 4.056,< 0.05, η= 0.101。

進一步分析發現, 在旋轉0和旋轉20條件下, 場獨立型被試追蹤成績顯著好于場依存型被試(旋轉0：= 0.08,< 0.05; 旋轉20：= 0.07,< 0.05)。在旋轉40條件下, 兩組被試追蹤表現無顯著差異(旋轉40：= 0.01,0.566)。

對于場獨立型被試, 不同旋轉角度條件下追蹤正確率兩兩有顯著差異(旋轉0與旋轉20：= 0.06,< 0.01; 旋轉20°與旋轉40：= 0.14,< 0.001; 旋轉0與旋轉40：= 0.20,< 0.001)。對于場依存型被試, 不同旋轉角度之間的追蹤正確率兩兩差異顯著(旋轉0與旋轉20：= 0.06,<0.01; 旋轉20與旋轉40：= 0.08,< 0.001; 旋轉0與旋轉40：= 0.14,< 0.001)。

圖3 實驗流程圖

圖4 兩種場認知風格類型背景框架突變旋轉多目標追蹤正確率(%) (誤差線為標準誤)

3.6 小結

實驗2探究兩組場認知風格被試在運動框架突變旋轉變化(突變向右旋轉0、20、40)多目標追蹤任務中的表現。結果表明：兩組場認知風格被試在不同實驗條件下的表現不同。隨著運動框架旋轉角度的增大, 兩組被試的追蹤成績均顯著下降。在運動框架突變向右旋轉0和突變向右旋轉20的條件下, 場獨立型被試的表現均顯著優于場依存型被試。在運動框架突變向右旋轉40的條件下, 場獨立型和場依存型的追蹤表現無顯著差異。以上結果表明, 兩組被試的差異受任務難度影響。在運動框架旋轉0和旋轉20低中任務難度條件下, 兩組被試表現有顯著差異, 在運動框架旋轉40高任務難度條件下, 兩組被試表現差異不顯著。

4 綜合討論

4.1 場認知風格對多目標追蹤的影響

綜合實驗1和實驗2的結果發現：兩組場認知風格被試在經典多目標追蹤和運動框架突變旋轉的多目標追蹤任務中的表現有顯著的區別, 場獨立型被試在兩個追蹤任務中的正確率均高于場依存型被試, 且這種優勢受任務難度的影響, 在任務難度較低(運動參考框架穩定, 目標數量為3和4)和任務難度中等(運動參考框架突變向右旋轉20, 目標數量為4)條件下, 場獨立型被試的多目標追蹤成績表現出突出的優勢。在任務難度較高(運動框架穩定, 目標數量為5以及運動參考框架突變向右旋轉40, 目標數量為4)的條件下, 場獨立型被試的追蹤優勢被削弱, 兩組被試的追蹤表現無顯著差異。

在實驗1中, 場獨立型被試的整體追蹤成績顯著優于場依存型被試, 且隨著目標數量的增多兩組被試的追蹤正確率均顯著下降。表明對兩組被試來說, 目標數量的增多使得任務難度增大, 顯著地影響了被試的追蹤表現, 與前人的研究結果相一致(Alvarez & Franconeri, 2007; Pylyshyn & Storm, 1988)。在目標數量為3和目標數量為4, 即任務難度較低的條件下, 場獨立型被試的表現顯著優于場依存型被試。在目標數量為5, 即任務難度較高的條件下, 兩組被試的表現差異不顯著。Miyake, Witkin和Emerson (2001)的研究表明場獨立型被試傾向于使用內部線索, 更易將信息從背景中分離出來。而場依存型被試傾向于受外部線索的影響, 難以從背景中將信息分離出來。在本研究的經典多目標追蹤任務中, 被試需要從數個表面特征相同的目標和非目標中, 對目標進行持續的追蹤。在目標數量為3和4條件下, 場獨立型被試的追蹤成績更好, 可能是因為在追蹤負荷中低水平下, 場獨立型被試傾向于將目標和非目標加工為獨立、分離的客體, 在對目標的追蹤過程中易將目標從非目標中識別出來, 不易受非目標的影響。而場依存型被試在對目標的追蹤過程中傾向于將目標和非目標看作是一個整體, 易受非目標的影響, 追蹤成績更低。在目標數量為5的條件下, 追蹤負荷較大, 任務難度的增加使得場獨立型被試將目標從非目標中分離出來較為困難, 無法保持其追蹤優勢。表明場獨立型被試的追蹤優勢受任務難度的影響。

實驗2將目標數量固定為4, 探究更為復雜的背景條件, 即運動框架不旋轉、突變旋轉20和突變旋轉40條件下, 兩組不同場認知風格被試的追蹤表現。實驗2的結果顯示, 當運動框架不旋轉, 也即目標數量為4的經典多目標追蹤實驗中, 場獨立型被試的追蹤成績顯著好于場依存型被試, 與實驗1的結果相同, 驗證了實驗1。此外, 場獨立型被試在運動框架突變向右旋轉20°的條件下, 追蹤正確率顯著高于場依存型被試。場獨立型被試多目標追蹤表現的優勢可能受被試自身認知風格特點的影響。Li等(2016)發現兩組場認知風格被試在朝向和導航任務中的表現存在顯著差異, 可能是由于場獨立型被試傾向于以自身作為參照, 而場依存型傾向于以環境為參照, 不同場認知風格被試對環境信息的感知、獲取、加工不同導致了兩者的任務表現有差異。此外, 大量研究表明場獨立型個體傾向于分解、重構已有的場組織, 靈活提取組織內的信息; 而場依存型個體傾向于依賴所呈現的場信息的整體結構(Witkin, Oltman, Raskin, & Karp, 1971; Witkin et al., 1977; Zhang, 2004; Boccia, Piccardi, Di Marco, Pizzamiglio, & Guariglia, 2016)。本研究中, 在目標數量為4, 運動框架穩定和運動框架突變向右旋轉20的條件下, 場獨立型被試追蹤成績均顯著優于場依存型被試, 可能是因為在任務難度中低的情況下, 場獨立型被試以自身為參照, 在多目標追蹤任務中傾向于將目標、非目標和運動框架加工為獨立、分離的客體, 分析每個目標在空間中的位置。在追蹤過程中有著更高的選擇性注意和更強的搜索靈活性, 更多地將信息解構為元素, 過濾與任務無關的信息, 易于將目標從非目標以及旋轉角度變化的運動框架中分離出來, 從而對目標進行更有效的追蹤(Witkin et al., 1977; Pithers, 2002; Jia, Zhang, & Li, 2014)。而場依存型被試更加傾向于進行整體加工, 對目標、非目標以及運動框架進行整體、統一的表征, 易受背景變化的影響, 抑制無關信息的能力較弱(宋廣文, 韓樹杰, 2007), 追蹤表現低于場獨立型被試。然而當任務難度增大(運動框架突變向右旋轉40, 目標數量為4), 兩組場認知風格被試的追蹤表現均被顯著削弱, 場獨立型被試的追蹤正確率與場依存型被試無顯著差異。可能是因為在高難度任務中, 場獨立型被試能夠投入的注意資源有限, 難以兼顧對目標的追蹤以及對非目標和運動框架的抑制, 場獨立型被試的追蹤優勢被削弱了。盡管兩組場認知風格被試在任務難度較大條件下的追蹤表現無顯著差異, 但是場獨立型被試的追蹤成績仍然高于場依存型被試。以上研究結果表明, 與場依存型被試相比, 場獨立型被試在多目標追蹤中有著更好的追蹤表現, 并且場獨立型被試的追蹤優勢受任務難度的影響。

4.2 目標數量和旋轉角度變化對多目標追蹤的影響

實驗1結果顯示, 目標數量變化顯著地影響被試的追蹤成績。以往的研究表明, 被試能夠從多個表面特征完全相同的非目標中保持對運動目標的持續追蹤(Pylyshyn & Storm, 1988)。本研究實驗1結果表明, 在運動框架不旋轉的條件下, 即經典的多目標追蹤中, 被試的追蹤表現隨著目標數量的增多顯著下降, 與前人的研究結果相一致(Alvarez & Franconeri, 2007; 胡路明, 呂創, 張學民, 魏柳青, 2018; 魏柳青等, 2013)。目標數量的增多增加了被試的追蹤負荷, 任務難度上升使得被試的追蹤正確率顯著下降。表明操縱目標數量顯著地影響被試的追蹤成績。

實驗2發現旋轉角度變化顯著地影響被試追蹤表現, 與Huff等(2009)的研究結果一致。與運動框架穩定不旋轉條件相比, 多目標追蹤過程中運動框架突變向右旋轉20和旋轉40均顯著地削弱被試的追蹤表現, 可能是穩定運動框架下被試能夠對目標進行時時刻刻的追蹤, 而運動框架的突變旋轉使動態場景變化不連續, 被試無法對目標位置進行實時的更新, 影響了追蹤的結果。以上研究結果表明, 變化目標數量和運動框架突變旋轉角度均會對被試的多目標追蹤表現產生顯著影響。

4.3 研究意義和展望

以往的研究多關注運動框架穩定下多目標追蹤的影響因素, 而本研究基于經典的多目標追蹤任務, 結合運動框架旋轉角度的變化, 探討運動框架不穩定的多目標追蹤任務中不同場認知風格個體的追蹤表現。研究不僅為不同場認知風格個體在多目標追蹤任務上的表現規律提供了一定的理論解釋, 也具有一定的實踐應用意義。

日常生活情境中, 人們經常處于運動變化的復雜視覺場景, 視覺場景中的信息在視角、運動和復雜性等方面是不斷變化的。如過馬路時, 要對不同視角的來往車輛和行人保持注意; 打籃球或踢足球時, 要從不同視角上關注本隊及對方球員的位置。本研究的運動框架突變旋轉通過實驗室實驗模擬動態場景中的視覺信息和視角變化, 使持續的視覺動態追蹤任務更符合日常生活場景, 研究結果更具有生態效度和可推論性。此外, 本研究將多目標追蹤研究與社會心理因素結合, 關注視覺動態追蹤任務中的個體差異, 有助于認識不同場認知風格個體在參考框架發生變化的多目標追蹤任務中的視覺注意加工特點。從經典多目標追蹤和運動框架突變旋轉的多目標追蹤任務的角度, 為場認知風格加工偏好的解釋提供了進一步證據, 豐富了已有的認知風格理論, 也為不同場認知風格個體在現實環境下的認知加工特點和優勢及其可能適應的環境任務提供了實證依據。

考察不同場認知風格個體在多目標追蹤中的表現, 有助于不同場認知風格類型的人更清晰地了解自己的認知方式, 充分發揮自己的潛能, 在日常生活和工作中更加靈活有效地對生態化情境下的視覺信息進行加工處理。在日常生活的中低難度的視覺運動場景中(如過馬路、開車、動作類游戲、觀看球賽、團體運動等), 場依存型個體可以學習場獨立型個體在組織和加工信息時的偏好習慣和方式, 以自身而非環境作為參照, 將動態場景內的視覺信息看作獨立、分離的客體, 可以減少無關信息的干擾, 實現對目標的有效注意和追蹤; 此外, 運用虛擬現實技術, 可以設計不同難度的視覺動態場景追蹤任務或模擬訓練游戲, 提高場依存型個體的視覺追蹤能力; 在與場認知風格和視覺追蹤能力表現相關的認知技能職業選拔中, 涉及中低難度視覺動態場景的工作(如駕駛員、職業比賽裁判、視頻監控員、生活中真實場景的導航和虛擬游戲任務中的導航等), 可以選拔場獨立型個體從事相關領域的職業, 有助于提高人?機與視覺環境交互效率。在必要的情況下, 也可以對場獨立型個體進行訓練, 提高其完成較高難度視覺場景任務的能力; 對于高難度和復雜程度的動態視覺場景, 在后續的研究中, 可以通過進一步變化追蹤負荷(如目標數量的遞增變化)和參考框架難度(如旋轉角度的遞進變化)進行深入研究, 探討不同場認知風格個體在完成高難度任務的具體表現情況, 為選拔具有良好復雜視覺運動場景認知加工能力的專業人員提供依據。

本研究對不同場認知風格個體在2D視覺注意追蹤任務中的追蹤表現進行探討, 平面的多目標追蹤雖然能夠考察被試在視覺追蹤任務中注意的分配與保持問題, 但與現實情境中人們獲取的視覺信息仍然有明顯的差別。在未來的研究中, 應當采取三維立體的多目標追蹤任務, 更加貼合人們在日常生活中的視覺注意場景。同時, 還可以結合虛擬現實技術, 實現不同場認知風格的人與環境自然交互, 考察更為生態化場景下, 場認知風格對現實和交互環境感知、思維等的影響。此外, 在未來的研究中可以結合眼動儀、腦電、fMRI技術對不同場認知風格個體在追蹤任務中的認知與神經機制進行深入探究, 為認識和了解不同場認知風格個體的認知機制及其神經機制提供實證依據。

5 結論

本研究的結論如下：

(1)在經典多目標追蹤和運動框架突變旋轉多目標追蹤任務中, 不同場認知風格被試的追蹤表現有顯著的差異, 兩組被試的表現差異受任務難度影響。在任務難度較低(運動參考框架穩定, 目標數量為3和4)和任務難度中等(運動參考框架突變向右旋轉20°, 目標數量為4)條件下, 場獨立型被試的多目標追蹤表現均顯著好于場依存型被試。在任務難度較高(運動框架穩定, 目標數量為5以及運動參考框架突變向右旋轉40°, 目標數量為4)的條件下, 場獨立型被試的追蹤優勢被削弱, 兩組被試的追蹤表現無顯著差異。

(2)目標數量變化對被試的追蹤表現有顯著影響。隨著目標數量由3至5增多, 被試的追蹤成績顯著下降。可能是目標數量的增多增加了被試的認知負荷, 從而影響了被試的追蹤正確率。

(3)旋轉角度變化影響被試多目標追蹤表現。相比運動框架穩定, 運動框架向右突變旋轉20°和40°均顯著削弱了被試的追蹤表現。可能是運動框架突變旋轉角度的增大導致動態場景變化的連續信息缺失, 影響被試對目標位置的實時更新, 從而影響了被試的追蹤成績。

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The effects of field dependent-independent cognitive style and abrupt rotation of the reference frame on multiple object tracking

Lü Xin; LIU Jingyao; WEI Liuqing; ZHANG Xuemin

(Beijing Key Laboratory of Applied Experimental Psychology; National Demonstration Center for Experimental Psychology Education (Beijing Normal University); Faculty of Psychology, Beijing Normal University;State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

The Multiple Object Tracking (MOT) task was initially designed by Pylyshyn and Storm (1988) and has been widely used to study the visual attentional mechanisms people use when viewing dynamic scenes. Previous research has usually used this task to explore participants’ abilities to track multiple moving objects in a static reference frame. But more recently, some researchers have started to investigate observers’ tracking performance in nonstable scenes. However, few studies have explored the effects of field dependent-independent cognitive style on tracking tasks from the point of view of individual differences. Previous research has revealed that field dependent-independent cognitive style affects people’s ways of perceiving and thinking. Field-independent individuals rely on an internal reference frame and tend to perceive objects separately from the background, while field-dependent individuals are more likely to rely on an external reference frame and perceive objects as a whole. We tested the effects of field dependent-independent cognitive style and abrupt rotation of the reference frame on tracking performance in the MOT task.

This study included two experiments. Experiment 1 compared performance differences between field- independent individuals and field-dependent individuals in the MOT task. Nineteen participants who scored ≥15 in the Embedded Figures Test (EFT) were classified as the extreme field-independent group, and twenty-three participants who scored ≤11 were classified as extreme field-dependent group. The two groups of participants were required to track 3, 4, or 5 targets in a static reference frame. Experiment 2 explored the tracking differences of the two groups in a nonstable reference frame with four targets. The procedure of Experiment 2 was the same as Experiment 1, except that after the motion of 6s in each trial, the reference frame abruptly changed 0°, 20°, or 40°. Meanwhile, the participants still needed to keep track of the targets.

The two experiments found significant differences between field-independent individuals and field-dependent individuals. In the low-difficulty conditions (stable reference frame, 3 and 4 targets) and the medium-difficulty condition (reference frame abruptly changed 20°, 4 targets), the field-independent group performed significantly better than the field-dependent group. But in the high-difficulty conditions (stable reference frame, 5 targets and reference frame abruptly changed 40°, 4 targets), the performance of the field-independent group did not significantly differ from the field-dependent group. The results revealed that the tracking differences between the two groups of participants were influenced by task difficulty. In addition, participants’ tracking accuracy significantly decreased along with increases in the number of targets and the abrupt rotation of the reference frame. We speculate that the increased cognitive load and discontinuous scene made it more difficult for participants to track the targets, which contributed to the significant decline of tracking accuracy.

In general, by using the MOT task and changing the motion reference frame, we explored the different performances of field dependent-independent individuals in the classic MOT task and an MOT task with a changing reference frame. This study offers an explanation for the different characteristic of field dependent- independent cognitive style from the perspective of multiple object tracking. In addition, changing the MOT to include rotation of the reference frame allows us to study tracking in a situation that is similar to shifts of perspective in the real world, which provides some evidence for how people deploy attention while processing in dynamic scenes.

multiple object tracking; field dependence-independence; reference frame; scene rotation

2017-12-18

國家自然科學基金項目“多目標視覺追蹤中注意分配的認知神經機制研究” (批準號：31271083)和國家自然科學基金重點項目“注意神經機制的可計算模型研究” (批準號：61632014)資助。

張學民, E-mail: xmzhang@bnu.edu.cn

B842

10.3724/SP.J.1041.2019.00024