視頻游戲?qū)臻g能力的影響與作用機制

石祝 尚俊杰

摘要：空間能力作為人類基本認知能力，對于個體日常生活和職業(yè)發(fā)展具有重要意義。近年來，不同領(lǐng)域研究者使用視頻游戲作為空間能力的訓練環(huán)境和測評工具，為進一步理解空間能力的發(fā)展機制并在實踐中加以培養(yǎng)奠定了新的基礎(chǔ)。該文基于前人研究，系統(tǒng)梳理了空間能力的概念和類型，以及視頻游戲的類型和界面特征。在此基礎(chǔ)上，該研究系統(tǒng)論述了視頻游戲?qū)Σ煌愋涂臻g能力的影響，基于信息加工理論和互動層次模型分析了視頻游戲影響空間能力的認知機制與交互特征，并闡述其對相關(guān)研究和實踐的啟示。

關(guān)鍵詞：空間能力；視頻游戲；游戲化學習；學習環(huán)境

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

* 本文系國家自然科學基金2023面上項目“基于視頻游戲的空間能力測評關(guān)鍵技術(shù)及工具開發(fā)研究”（項目編號：62377001）研究成果。

① 尚俊杰為本文通訊作者。

一、引言

人類智力結(jié)構(gòu)中包含許多不同的心理成分，其中最重要的三種認知能力是語言能力、數(shù)字能力和空間能力，在這三者中，空間能力最古老、最基礎(chǔ)、也最重要，被稱為“所有思考的根基”[1]。空間能力涉及對空間信息的表征、組織和理解，確保了人能夠理解并操縱周圍的物理環(huán)境，人們的許多行為（例如在環(huán)境中導航、關(guān)注和操縱特定物體、交流空間信息等）都依賴于空間能力。在科學技術(shù)快速發(fā)展的現(xiàn)代社會，空間能力展現(xiàn)出巨大的教育價值[2]。空間能力不僅直接影響學習者對物體結(jié)構(gòu)、物體位置關(guān)系和空間環(huán)境形態(tài)的理解和表征，進而影響其解決科學、技術(shù)、工程和數(shù)學（簡稱：STEM）相關(guān)領(lǐng)域問題的能力，而且能夠可靠地預測學習者在STEM領(lǐng)域的職業(yè)選擇和學業(yè)成就[3]。對于初學者來說，空間能力能夠預測其STEM學業(yè)表現(xiàn)，Uttal等人指出“空間能力是進入STEM領(lǐng)域的敲門磚”[4]。

空間能力具有良好的可塑性，課程、游戲、訓練工具等多種刺激方式都能有效提升空間能力[5]。其中，視頻游戲作為一種多感官輸入、沉浸式環(huán)境、智能化反饋的媒體形式，逐漸顯露出巨大的潛在教育價值，其虛擬環(huán)境能夠為學習者提供豐富有趣的空間刺激，支持復雜多樣的交互方式，并能為學習者提供適時有效的反饋[6]。鑒于視頻游戲在青少年群體中的巨大影響力，如何使用視頻游戲提升學習者的空間能力逐漸成為腦科學、心理學、教育學等多個領(lǐng)域的研究者們共同關(guān)注的重點。因此，本文基于空間能力的基本概念和類型，梳理視頻游戲?qū)Ω黝惪臻g能力的影響，并結(jié)合認知科學研究成果和視頻游戲媒介特征，從認知機制和交互特征兩個角度分析視頻游戲影響空間能力的作用機制。

二、空間能力的概念與類型

空間能力（Spatial Ability）也稱空間認知能力，是人類的基本認知能力之一。空間能力是探測、處理、整合和構(gòu)想環(huán)境中所有空間因素的能力，包括所有感官模態(tài)的空間信息[7]和內(nèi)在心理圖像[8]。空間能力主要涉及兩個緊密聯(lián)系的認知加工過程。一方面，空間能力關(guān)注外在空間信息的感知和處理，尤其是對視覺信息的整合和加工，如理解、把握、組織、解釋視覺關(guān)系[9]或想象、感知、解釋和掌握物體或圖形之間的視覺關(guān)系[10]。另一方面，空間能力也強調(diào)對內(nèi)在心理圖像（視覺表象）的認知操作，如在腦中構(gòu)建、轉(zhuǎn)換和記住構(gòu)建良好的視覺效果[11]，或是在二維或三維空間中對物體進行心理操縱[12]。在實際解決空間問題時，人們會同時整合兩方面的認知加工過程。

空間能力涉及一系列復雜認知過程和行為表現(xiàn)，可以從空間尺度和認知過程兩個分類視角來理解其概念內(nèi)涵。從空間尺度來看，可以將空間分為小尺度空間、中尺度空間和大尺度空間。其中，小尺度空間是指在觀察者在空間之外從單一視點就能全部感知的空間（如桌面上的物體）；中尺度空間要相對空間運動來感知的，但其中的空間關(guān)系仍然可以從一個視點直接觀察（如一個房間）；大尺度空間則是指空間關(guān)系不能被直接觀察到，而必須通過觀察者在其中的運動來“建構(gòu)”對空間的理解（如一棟房屋或一座城鎮(zhèn)）[13]。由此可見，小尺度空間能力主要是“基于對象的”，強調(diào)通過視覺觀察獲取目標對象的空間形態(tài)，并對其特征進行旋轉(zhuǎn)、變形、組合、分解等認知變換。大尺度空間能力是“基于環(huán)境的”，強調(diào)個體在變化的環(huán)境中通過在場景中觀察、檢索、移動，整合視覺、聽覺、本體感覺、空間知覺等多感官過程，不斷更新和構(gòu)建對環(huán)境布局和場景要素的認識。從認知過程來看，空間能力可以分為心理旋轉(zhuǎn)（Mental Rotation）、空間可視化（Spatial Visualization）和空間知覺（Spatial Perception）三類[14]。此外，Uttal等人基于語言學、認知和神經(jīng)科學研究提出空間能力的2×2分類框架，將空間能力分為內(nèi)在/外在與靜態(tài)/動態(tài)兩個維度[15]。

近年來，研究者在理論分析基礎(chǔ)上，通過行為分析實驗和因子分析探索空間能力的基本因素。結(jié)果顯示，空間能力主要可以聚類為共同負載于空間能力的三個因子：對象操縱（Object Manipulation）、可視化（Visualization）和導航（Navigation），這三者之間具有強相關(guān)性（r=0.73-0.95），通過層級分析重構(gòu)，可以歸納為對象操縱、掃視透視和空間導航[16]。空間能力的各種概念分類關(guān)系如圖1所示，為便于分析，本文依據(jù)上述空間能力的不同分類框架，以認知過程分類為基準，分別梳理該空間能力在其他分類框架下對應的類屬，并列舉了針對不同空間能力的典型測試（如表1所示）。

三、視頻游戲的類型和界面特征

（一）視頻游戲的類型

視頻游戲是一種基于視聽設(shè)備的游戲形式。在視頻游戲中，玩家與設(shè)備互動并獲得視覺和聽覺上的反饋[17]。自20世紀七八十年代的視頻游戲革命以來，視頻游戲在游戲內(nèi)容、傳輸媒介、平臺設(shè)備等方面都發(fā)生了巨大的進步。作為一種兼具敘事性與互動性的媒體形式，視頻游戲種類繁多、形態(tài)各異，已經(jīng)形成涵蓋數(shù)十種細分類別的“游戲類型樹”[18]。根據(jù)Herz的分類，僅從游戲內(nèi)容來看，視頻游戲就可以被分為角色扮演游戲（Role-playing Games，RPG）、動作游戲（Action Games，ACT）、模擬游戲（Simulation Games，SIM）、策略游戲（Strategy Games，SLG）、冒險游戲（Adventure Games，AVG）、體育游戲（Sport Games，SPT）、益智游戲（Puzzle Games，PUZ）、格斗游戲（Fighting Games，F(xiàn)TG）等八個大類[19]。根據(jù)游戲玩法（Gameplay）的不同，以上分類又可以被進一步細分。

豐富的游戲類別為研究者選擇實驗材料提供了極大的便利，但同時也導致具體游戲特征和特定認知結(jié)果之間的因果關(guān)系更加模糊，也難以在不同的游戲研究之間進行橫向?qū)Ρ取榻鉀Q以上問題，理查德·梅耶（Richard E.Mayer）從視頻游戲的認知后果的角度將視頻游戲分類為益智游戲、第一人稱射擊游戲（First-Person Shooter Games，F(xiàn)PS）、即時戰(zhàn)略游戲（Real-Time Strategy Games，RTS）、大腦訓練游戲（Brain-Training Games）和競速游戲（Racing Games）五類，并基于游戲界面互動特征，提出了空間益智游戲（Spatial Puzzle Games）和空間動作游戲（Spatial Action Games）這兩個新類別[20]。梅耶的分類框架系統(tǒng)整理了游戲?qū)嵶C研究中特定類型游戲?qū)φJ知的影響，但是由于該框架未能深入把握游戲的內(nèi)在特征，常將幾種界面和玩法都截然不同的游戲歸為一類，降低了其結(jié)論的有效性。此外，以上兩個框架有交叉重疊的部分，例如：動作游戲包含第一人稱射擊游戲、格斗游戲；益智游戲包含空間益智游戲和大腦訓練游戲。

結(jié)合Herz和Mayer的視頻游戲分類框架，從視頻游戲影響認知加工的視角出發(fā)，重點關(guān)注與空間認知相關(guān)的游戲內(nèi)容和游戲玩法互動特征，將視頻游戲匯總分為七類（如表2所示），并重點考察其中幾種重要游戲類型對認知加工過程的影響。

（二 ）視頻游戲的界面特征

虛擬環(huán)境的空間維度，可以將視頻游戲分為2D游戲、2.5D游戲和3D游戲。2D游戲的角色和游戲場景都在同一平面中，玩家可以控制角色上下左右移動，游戲視角通常為全景固定視角或者在平面移動的平視視角，典型的2D游戲有《俄羅斯方塊》《吃豆人》《憤怒的小鳥》等；2.5D游戲介于2D游戲和3D游戲之間，此類游戲使用3D的游戲場景和角色，但采用2D游戲的玩法，玩家只能在固定的兩個軸上運動，玩家視角為平視或45度俯視，例如《英雄聯(lián)盟》《超級馬里奧2》《紅色警戒》等，絕大多數(shù)MOBA游戲和RTS游戲都是2.5D游戲；3D游戲的場景和物體都是三維的，并且支持玩家在三維空間的自由運動，玩家可以像現(xiàn)實世界一樣在虛擬環(huán)境中四處移動，玩家視角通常為360度視角，絕大多數(shù)FPS游戲都是典型的3D游戲。本研究在梅耶的分類基礎(chǔ)上，根據(jù)游戲玩法對玩家反應速度的要求，將3D游戲分為3D動作游戲（如FPS游戲）和3D益智游戲（如《傳送門2》和《超級馬里奧3D世界》），前者側(cè)重快速反應，后者則側(cè)重較慢的斟酌思考。

四、視頻游戲?qū)Σ煌愋涂臻g能力的影響

視頻游戲?qū)臻g能力影響研究始于近四十年前，20世紀80年代初期，個人電腦和游戲機開始大規(guī)模發(fā)售，視頻游戲隨之進入千家萬戶，成為流行的娛樂產(chǎn)品。研究者也由此開始探索玩視頻游戲是否能對空間能力產(chǎn)生積極變化，Uttal等人的元分析表明，空間能力具有“延展性”，視頻游戲能夠有效地提升空間能力，并且具有中等效應量（g=0.54）[21]。Bediou等人的元分析顯示，動作視頻游戲?qū)臻g認知具有中等偏大的效應量（g=0.75），其中干預研究具有接近中等的效應量（g=0.448）[22]，Mayer的綜述研究對視頻游戲教育教學效果的實驗研究進行了系統(tǒng)梳理，發(fā)現(xiàn)以《俄羅斯方塊》為代表的空間益智游戲?qū)ΧS空間旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)具有顯著正效應（p=0.82）[23]，這些都顯示出視頻游戲?qū)臻g能力的潛在教育價值。

梅耶將視頻游戲教育教學效果的實驗研究分為增值研究、認知后果研究和媒體比較研究。增值研究主要探索“哪些游戲功能和特征能產(chǎn)生教育效果”，此類研究通常使用相同的游戲，但在實驗組游戲中增加一個功能或特征（Feature），之后對比被試者游戲前后的測試分數(shù)，來確定游戲功能的影響；認知后果研究主要研究“玩某種游戲是否會導致某種技能的提升”，此類研究的實驗組玩視頻游戲，而對照組不玩游戲（被動對照）或者玩與目標認知技能無關(guān)的游戲（主動對照），以此確定游戲是否會導致目標認知技能的改善；媒體比較研究主要研究“人們從玩游戲中學習是否比從傳統(tǒng)媒體中學習得更好”，通常這類研究的實驗組玩包含學習內(nèi)容的游戲，而對照組用傳統(tǒng)媒體（如課本、幻燈片）學習相同內(nèi)容，來對比不同媒介對學習的影響[24]。本研究要確定的視頻游戲?qū)臻g能力的影響是典型的認知后果研究，而對于視頻游戲類型和交互特征的討論又涉及增值研究和媒體比較研究。因此，本文將根據(jù)空間能力分類框架，探討視頻游戲?qū)Σ煌愋涂臻g能力的影響。

（一）視頻游戲?qū)ο蟛倏v的影響

對象操縱主要是指對心理表象的各種認知加工過程，包括傳統(tǒng)意義上的心理旋轉(zhuǎn)、心理折疊、可視化等一系列空間能力。因此，本研究根據(jù)文獻調(diào)研結(jié)果，從心理旋轉(zhuǎn)和空間可視化兩方面進行分析。心理旋轉(zhuǎn)是指人在頭腦中運用表象對自身或客體進行二維或三維旋轉(zhuǎn)的空間表征能力[25]。根據(jù)任務的空間維度，心理旋轉(zhuǎn)任務可以分為二維心理旋轉(zhuǎn)和三維心理旋轉(zhuǎn)。這兩者在認知操作和對應的神經(jīng)活動上都有明顯差異[26]。Moreau通過回歸分析發(fā)現(xiàn)，二維心理旋轉(zhuǎn)與三維心理旋轉(zhuǎn)的各類任務呈現(xiàn)出明顯的“維度分離”現(xiàn)象，即維度相同的任務具有強正相關(guān)性，而維度不同的任務則互不相關(guān)[27]。因此，視頻游戲的空間維度是影響被試者的心理旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)的重要因素，需要分別考察各類視頻游戲帶來的影響。

1.二維心理旋轉(zhuǎn)

二維心理旋轉(zhuǎn)（2D MRT）任務通常是要求被試者從一組圖形中通過對心理表象的旋轉(zhuǎn)找出與指定圖形相同的選項（如圖2所示）。在二維心理旋轉(zhuǎn)中，所有變換都限制在一個平面內(nèi)，其中圖形元素不會被遮擋，允許被試者直接進行心理模擬，而無需根據(jù)不完整的信息進行空間推斷。

研究顯示，與測試任務相匹配的視頻游戲訓練能夠顯著提升二維心理旋轉(zhuǎn)能力。文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，此類研究中，最常用的游戲是二維空間益智游戲《俄羅斯方塊》（Tetris），這可能是由于其游戲玩法“將圖形旋轉(zhuǎn)放置到合適位置并堆積消除”與二維心理旋轉(zhuǎn)任務非常相似，能夠支持技能遷移。Okagaki和Frensch發(fā)現(xiàn)：相比空對照組，玩6小時《俄羅斯方塊》的實驗組被試正確完成二維心理旋轉(zhuǎn)任務和可視化任務所用時間都顯著下降，而且無論男女在這兩項空間表現(xiàn)上都顯著提升[29]。De Lisi和Wolford發(fā)現(xiàn)玩5.5小時《俄羅斯方塊》的實驗組相比玩《神偷卡門》的對照組在二維卡片旋轉(zhuǎn)任務中表現(xiàn)更好[30]。Sims和Mayer發(fā)現(xiàn)，相比于重復練習測試題的控制組，玩12小時《俄羅斯方塊》的實驗組被試者的心理旋轉(zhuǎn)任務表現(xiàn)雖然并沒有顯著提升，但其旋轉(zhuǎn)策略會逐漸變得高效，呈現(xiàn)出特定技能的遷移[31]。Boot等人也發(fā)現(xiàn)玩《俄羅斯方塊》游戲會產(chǎn)生對此類圖形心理旋轉(zhuǎn)任務的特定遷移現(xiàn)象，接受游戲訓練的實驗組在反應時間上要顯著低于控制組[32]。Moreau證實《俄羅斯方塊》訓練能顯著提升二維心理旋轉(zhuǎn)的準確率和反應時間，對不同性別的被試都呈現(xiàn)出遷移效應[33]。此外，其他玩法相似的二維視頻游戲也對二維心理旋轉(zhuǎn)具有顯著效應，隨機對照試驗顯示，總時長僅30分鐘的旋轉(zhuǎn)拼圖視頻游戲訓練就能顯著提升兒童的心理旋轉(zhuǎn)得分，而且心理旋轉(zhuǎn)角度大的任務提升更多[34]。

多數(shù)三維視頻游戲?qū)ΧS心理旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)并無顯著影響。例如，Adams等人發(fā)現(xiàn)：玩《傳送門》（Portal）游戲的訓練組相比玩《俄羅斯方塊》和文字游戲《TextTwist》的對照組，在二維心理旋轉(zhuǎn)能力表現(xiàn)上并無顯著差異[35]。即時策略游戲《國家崛起》和FPS游戲《榮譽勛章》也都不會對二維心理旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)產(chǎn)生正向效應[36]。僅有Moreau發(fā)現(xiàn)3D益智游戲《BlockOut》能夠提高被試者在二維心理旋轉(zhuǎn)任務中的準確率，研究者將此現(xiàn)象歸因于其旋轉(zhuǎn)立方體的游戲玩法能夠刺激被試者產(chǎn)生技能遷移[37]。

2.三維心理旋轉(zhuǎn)

三維心理旋轉(zhuǎn)（3D MRT）任務主要考察被試者對三維心理表象旋轉(zhuǎn)的心理操縱能力，主要包括Shepard & Metzler心理旋轉(zhuǎn)測試、Vanderberg & Kuse心理旋轉(zhuǎn)測試（VMRT）、普度空間可視化測試（PSVT： R）等任務。被試者需要在一組圖形中找出與左側(cè)圖形結(jié)構(gòu)相同的選項（如圖3所示）。這個過程涉及“維度交叉”，即從二維圖形中提取深度信息、將二維圖形可視化并在工作記憶中保持，進而實現(xiàn)二維到三維心理表征的轉(zhuǎn)變，維度交叉也是男性在三維心理旋轉(zhuǎn)任務中產(chǎn)生優(yōu)勢的重要原因[38]。

視頻游戲能否對三維心理旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，取決于其游戲玩法和虛擬環(huán)境是否能產(chǎn)生相應的認知操作刺激。研究顯示，《俄羅斯方塊》等2D游戲?qū)θS心理旋轉(zhuǎn)并無顯著影響[40]，可能的解釋是這類游戲的畫面呈現(xiàn)和認知操作都發(fā)生在單一平面內(nèi)，不涉及對深度信息的加工和可視化。因此，《俄羅斯方塊》也常被用于對照組與其他三維視頻游戲?qū)Ρ取?/p>

三維心理旋轉(zhuǎn)具有可塑性，可以通過三維可視化內(nèi)容來培養(yǎng)提高。無論使用何種技術(shù)、針對哪種目標群體，三維可視化內(nèi)容（包括CAD軟件、視頻游戲、訓練軟件、谷歌地圖等）都能有效提升心理旋轉(zhuǎn)能力，并且高沉浸程度的心理旋轉(zhuǎn)訓練效果更好[41]。對于3D游戲而言，需要具體分析游戲場景和玩法，考察游戲是否要求玩家在頭腦中對虛擬空間中的物體和對象進行心理表征和認知操作，并在此基礎(chǔ)上解決空間問題。例如，McClurg 和Chaille發(fā)現(xiàn)《The Factory》和《Stellar 7》這兩款游戲?qū)?、7、9年級學生的三維心理旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)都產(chǎn)生顯著積極影響，而且無論是男生還是女生都在游戲中提升了空間能力[42]。Moreau發(fā)現(xiàn)3D益智游戲《BlockOut》顯著提升了三維心理旋轉(zhuǎn)的準確率，而且女性的提升幅度大于男性，在12小時游戲訓練后，女性在三維心理旋轉(zhuǎn)任務中的準確率追平了男性[43]。Shute等人發(fā)現(xiàn)玩3D益智游戲《傳送門2》的被試比玩《Lumosity》的被試在三維心理旋轉(zhuǎn)任務中得分更高[44]。《BlockOut》和《傳送門2》的游戲界面如圖4所示。Carbonell-Carrera使用3D游戲《Minecraft》作為空間能力訓練工具，發(fā)現(xiàn)該游戲?qū)τ谛睦硇D(zhuǎn)和維度轉(zhuǎn)換都具有積極影響[45]。

有研究表明，F(xiàn)PS游戲?qū)θS心理旋轉(zhuǎn)具有顯著正向影響。Feng等人通過10小時隨機對照干預實驗發(fā)現(xiàn)，相比玩益智游戲《Ballance》的控制組，玩FPS游戲《榮譽勛章：太平洋之戰(zhàn)》的實驗組被試在有效視野任務（UFOV）和三維心理旋轉(zhuǎn)任務（VMRT）中都表現(xiàn)得更好，而且女性提升得更多。Feng等人將這種效應歸因于FPS游戲訓練了玩家低層次的空間選擇性注意[46]。Wu等人的研究支持了以上解釋，雖然FPS游戲沒有改善“自下而上”的注意，但是能通過抑制干擾而增強“自上而下”的空間選擇注意[47]。綜上所述，能提升三維心理旋轉(zhuǎn)的游戲在游戲玩法上要能夠激發(fā)玩家對空間場景和物體的可視化想象，而且通常要有可供自由探索的三維虛擬空間。

3.空間可視化

空間可視化（Spatial Visualization）是指對空間信息進行復雜的“表征、轉(zhuǎn)換、生成和回憶”。與相對簡單的心理旋轉(zhuǎn)不同，空間可視化通常涉及復雜、多步驟的認知操作[48]。積木搭建、空間折疊、心理切割等都是典型的空間可視化任務。視頻游戲?qū)臻g可視化的影響研究相對較少，當前研究主要是基于研究者面向教學和研究目標而開發(fā)的教育游戲。例如，尚俊杰等人基于學習科學理論視角和國家課程標準，開發(fā)了面向心理折疊的教育游戲《方塊消消樂》，并將其應用在小學數(shù)學課堂教學中。結(jié)果顯示，經(jīng)過三個課時的課堂干預，使用《方塊消消樂》的學生在數(shù)學知識學習和心理折疊能力上均有顯著提升[49]。郭文琛等人開發(fā)了一款三維視頻游戲《Magic World》，并通過對照干預實驗發(fā)現(xiàn)，玩游戲的實驗組在心理旋轉(zhuǎn)測試與抽象推理測試（ART，即折紙測試）表現(xiàn)上有顯著提升，而未接受游戲任務的對照組則無顯著變化[50]。以上面向空間可視化能力培養(yǎng)開發(fā)的視頻游戲都是嚴肅游戲，不僅有三維空間場景元素，還強調(diào)認知支架設(shè)計，而關(guān)于商業(yè)視頻游戲?qū)臻g可視化能力的影響還有待探索。《方塊消消樂》和《Magic World》的游戲界面如圖5所示。

（二）視頻游戲?qū)咭曂敢暤挠绊?/p>

1.掃視

掃視（Scanning）任務主要考察個體在場景中對特定物體的識別，該能力依賴于低層次的空間注意。視頻游戲?qū)咭暼蝿罩苯佑绊懙淖C據(jù)相對較少，多數(shù)研究選用視覺搜索任務和有效視野任務（UFOV）來測量被試者的空間注意能力水平來間接測量視頻游戲帶來的影響。以FPS游戲為代表的動作視頻游戲?qū)ψ陨隙碌目臻g注意具有顯著正向影響，對視覺搜索任務和有效視野任務也都有積極作用。Oei和Patterson的對比研究顯示，玩動作視頻游戲的被試者消除了注意閃爍，提高了被試者認知控制能力和多目標跟蹤能力，而玩其他游戲的被試者的視覺搜索和空間記憶未能獲得提升[51]。對此一種可能的解釋是，動作視頻游戲的游戲節(jié)奏較快，要求玩家迅速識別游戲環(huán)境中的“敵人”并及時有效地應對，對玩家的視覺檢索、注意和視覺靈敏度都提出了較高的要求，也考驗玩家的視覺空間技能，從而影響掃視任務表現(xiàn)，但視頻游戲?qū)咭暤挠绊懭孕枰唷⒏苯拥膶嵶C研究證據(jù)支持。

2.透視

透視也稱視角選取（Perspective Taking），主要包括視圖投影、空間定向測試（Spatial Orientation Test，SOT）[52]、空間布局任務（Spatial Configuration Task，SCT）[53]、皮亞杰三山測試等任務，此類任務考察從特定視角“觀察和想象”物體的能力，這種能力又依賴于個體基于自我中心參考系的視角轉(zhuǎn)換。例如，空間定向測試要求被試者觀察一組物體的空間位置關(guān)系，想象自己站在第一個物體上，面對第二個物體，并通過圓心畫一條線來指示第三個物體，通過角度誤差來判斷空間定向能力。

視頻游戲?qū)τ谕敢暤挠绊懗尸F(xiàn)正反兩方面證據(jù)。一方面，對游戲玩家和非游戲玩家的對比研究顯示：游戲玩家的空間定向、注意力分配、注意力轉(zhuǎn)移技能比非游戲玩家更準確、更迅速。在SOT測試中，游戲玩家定位角度偏差顯著低于非游戲玩家[54]。在干預研究中，Carbonell-Carrera等人發(fā)現(xiàn)使用游戲引擎Unity3D作為訓練環(huán)境能夠顯著提升學習者在空間思維能力測試（STAT）和視角采擇-空間定向測試（PTSOT）中的表現(xiàn)[55]。McLaren-Gradinaru等人使用近似于游戲的三維虛擬環(huán)境開展為期12天的訓練，結(jié)果顯示：在控制年齡后，訓練組在空間布局任務中的得分顯著高于未參加訓練的控制組[56]。David的研究顯示，《BlockOut》《Shapes》兩款游戲能夠顯著提升被試者的心理旋轉(zhuǎn)能力和空間定向能力[57]，并且，初始空間定向能力越低，視頻游戲訓練帶來的提升就越大[58]。另一方面，部分干預研究未發(fā)現(xiàn)顯著結(jié)果，Shute等人發(fā)現(xiàn)10小時《傳送門2》和《Lumosity》游戲訓練對被試者的空間定向測試表現(xiàn)沒有顯著影響，且這兩個實驗組之間也無顯著差別[59]。McLaren-Gradinaru等人也發(fā)現(xiàn)三維虛擬環(huán)境未改變被試者在心理旋轉(zhuǎn)任務和皮亞杰三山任務中的表現(xiàn)[60]。當前對透視的視頻游戲影響研究仍然較少，對于這種分歧暫時難以形成合理的解釋。亟需研究者開發(fā)更有效的測評量表和工具對此進一步探索。

（三）視頻游戲?qū)臻g導航的影響

空間導航是指人或動物在不同地點間移動時，基于自身與環(huán)境線索來判斷和維持路線的能力[61]。傳統(tǒng)的空間導航任務來自于對認知地圖的研究，通常是在真實的迷宮和城市之中導航，隨著3D可視化技術(shù)的發(fā)展，研究者也在三維虛擬場景復刻了經(jīng)典空間測試任務，Morris水迷宮、八臂迷宮的虛擬版本也已經(jīng)被廣泛應用于行為測試之中[62]。與此同時，研究者也開發(fā)了各種虛擬空間導航任務場景來模擬真實世界中的導航。例如，Ventura等人基于游戲引擎Unity開發(fā)的虛擬空間導航測試（Virtual Spatial Navigation Assessment，VSNA）[63]、天普大學空間學習中心開發(fā)的導航能力測試Virtual SILCton[64]、以及Malanchini等人開發(fā)的Spatial Spy虛擬導航測試[65]等（如圖6所示）。

視頻游戲?qū)臻g導航能力的影響已經(jīng)有較多討論。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，個體的視頻游戲經(jīng)驗與其導航任務表現(xiàn)相關(guān)，并且在虛擬導航任務中，具有導航游戲經(jīng)驗的玩家會使用更有效的導航策略，并且能在更短時間內(nèi)完成導航任務[66]。此外，由于男性更偏好有導航成分的視頻游戲（如動作游戲、模擬游戲、角色扮演游戲），因而男性玩家在空間導航、空間定向和心理旋轉(zhuǎn)等空間認知任務上比女性獲得了更多優(yōu)勢[67]。虛擬Morris水迷宮測驗顯示：男性能比女性更快、更準確地定位隱藏平臺，而女性更依賴虛擬環(huán)境中的近端地標（Proximal Landmarks），而且能從游戲經(jīng)驗中受益更多[68]。對于女性來說，更多的視頻游戲經(jīng)驗意味著更好的導航表現(xiàn)，不僅能減少導航方向錯誤，也能提升對迷宮結(jié)構(gòu)回憶的正確率，從而縮小與男性的差距[69]。干預研究提供了更直接的證據(jù)，Clemenson和Stark將無游戲經(jīng)驗的被試者分為三組，分別玩3D益智游戲《超級馬里奧3D世界》（實驗組）、2D游戲《憤怒的小鳥》（主動對照組）和不玩游戲（被動對照組），其游戲界面如圖7所示。結(jié)果顯示，實驗組在虛擬水迷宮測試中的表現(xiàn)顯著優(yōu)于兩個對照組，不僅在隱藏平臺位置停留的時間更長，而且導航路徑也更加直接高效[70]。Shute等人對比玩3D益智游戲《傳送門2》的實驗組和玩2D益智游戲《Lumosity》的對照組，發(fā)現(xiàn)實驗組完成虛擬空間導航測試（VSNA）的用時顯著低于對照組[71]，以上證據(jù)都進一步證明3D游戲（尤其是3D益智游戲）具有提升空間導航能力的應用價值。

視頻游戲?qū)μ厥馊后w導航能力的影響也是研究者關(guān)注的重點。對于老年人來說，導航能力和獲取空間知識的能力會隨著年齡增長而下降[72][73]。對比實驗發(fā)現(xiàn)，玩3D益智游戲《CityQuest》的老年人，在許多空間記憶測量和執(zhí)行功能方面的總體表現(xiàn)有所改善，并且在地標定位任務中的表現(xiàn)也有顯著提升[74]。對于患有獲得性腦損傷或發(fā)育性地形定向障礙的人群而言，有針對性的視頻游戲訓練具有促進空間導航和空間定向技能發(fā)展的潛力[75]。事實上，類似簡單視頻游戲的虛擬環(huán)境已經(jīng)作為空間記憶的神經(jīng)康復技術(shù)而得到初步應用[76]。

五、視頻游戲影響空間能力的作用機制

（一）視頻游戲影響空間能力的認知機制

自20世紀80年代以來，研究者就開始關(guān)注視頻游戲?qū)臻g能力的影響。早期研究者通常是從心理測量學的視角出發(fā)，主要關(guān)注游戲經(jīng)歷和空間能力紙筆測試表現(xiàn)之間的關(guān)系[77]。2003年，Green與Bavelier開創(chuàng)性地揭示了動作視頻游戲?qū)咀⒁膺^程的影響[78]。此后，實驗研究多集中于探索視頻游戲如何改變那些支持空間認知的基本感知和認知過程，并通過各種空間認知任務考察個體行為表現(xiàn)。因此，本文從信息加工理論的視角出發(fā)，探討個體在玩視頻游戲時的認知加工過程，從而分析視頻游戲影響空間能力的認知機制。根據(jù)Wickens的信息加工階段模型，人腦能夠整合外界信息與內(nèi)在目標需求，在注意和記憶這兩個重要系統(tǒng)的參與下，通過“刺激接收-感知-認知加工-決策與反應選擇-反應執(zhí)行”這五個階段的信息加工過程，最終實現(xiàn)各種行為（如圖8所示）。

一般來說，認知加工過程是指感覺之后，反應選擇之前的整個過程，包含感知、注意、記憶等要素間的相互作用。具體來說，在玩視頻游戲時，玩家不斷接收游戲環(huán)境呈現(xiàn)的信息刺激（圖像、聲音、觸碰等），并將其在短時感覺儲存中短暫存放。之后，知覺基于以往經(jīng)驗（長時記憶），對感覺到的信號和事件的意義進行判斷，再根據(jù)不同情況，直接做出反應選擇或者進入相對較慢的認知加工過程中，即在注意和長時記憶的參與下，在工作記憶中儲存和思考信息，對感知到的信息形成解釋。人做出的反應選擇會驅(qū)動反應執(zhí)行，并導致環(huán)境發(fā)生進一步變化，變化的環(huán)境產(chǎn)生新異的信息模式，表現(xiàn)在視頻游戲中就是新的交互反饋和信息刺激。以上過程不斷迭代，形成一個認知加工反饋循環(huán)[80]。綜上所述，要想厘清視頻游戲影響空間能力的認知機制，首先要明確視頻游戲?qū)Ω兄⒆⒁狻⒂洃浀然拘畔⒓庸み^程的影響，并且要對人的認知策略加以討論。

1.視頻游戲?qū)Ω兄挠绊?/p>

視頻游戲?qū)Ω兄^程的影響主要體現(xiàn)在視覺和聽覺。視覺是個體形成對空間環(huán)境的心理表征的主要通道，空間智能的大多數(shù)感知和呈現(xiàn)形式都與視覺密切相關(guān)。當前影響視覺表現(xiàn)的游戲主要是動作視頻游戲（如FPS游戲），此類游戲會在游戲者視野中呈現(xiàn)豐富且動態(tài)的信息，需要游戲者準確識別并迅速加以應對，對游戲者的視覺能力提出更高挑戰(zhàn)。研究顯示，F(xiàn)PS游戲能夠顯著提升視覺的空間分辨率、時間分辨率和靈敏度[81]。具體而言，Green和Bavelier發(fā)現(xiàn)動作視頻游戲玩家相比于非游戲玩家，能夠從更密集接近的干擾物中識別目標并保證高準確度，并且干預實驗證明，動作視頻游戲訓練能夠提升非游戲玩家的識別能力[82]。動作視頻游戲玩家相比于非游戲玩家也表現(xiàn)出更好的視覺時間分辨率，能夠處理時間頻率更高的任務[83]。Li等人的研究還發(fā)現(xiàn)：視頻游戲玩家的視覺對比敏感度更強，能夠識別圖片上更微小的灰度變化[84]。在外部視覺噪聲下，動作視頻游戲玩家相比非玩家在條紋方向識別任務中表現(xiàn)更好，而且動作游戲訓練能夠更好地提升條紋識別表現(xiàn)[85]。

視頻游戲?qū)β犛X影響的研究相對較少，主要是對比視頻游戲玩家與非游戲玩家在聽覺定位決策中的表現(xiàn)。研究顯示，視頻游戲訓練能夠提升被試者對復雜、非語言聲音的分類能力[86]。Green的研究發(fā)現(xiàn)，視頻游戲玩家相比非游戲玩家能夠更快地獲取聽覺信息，并且能夠更有效地收集有用信息來做出正確決策[87]。更進一步的研究表明，視頻游戲玩家具有更精確的多感官時間知覺加工能力，能夠更好地區(qū)分視覺和聽覺刺激是在同一時刻發(fā)生還是在時間上略有偏移，并且在時間順序判斷任務中具有更好的表現(xiàn)[88]。綜上所述，視頻游戲（尤其是動作視頻游戲）能夠提升個體的視覺和聽覺，而這兩者都是完成空間認知任務的重要信息通道。根據(jù)多媒體學習認知理論，視頻游戲同時呈現(xiàn)畫面和聲音的特點能夠利用視覺聽覺“雙通道”表征信息，從而有效降低認知負荷，促進學習者的認知加工[89]。

2.視頻游戲?qū)ψ⒁獾挠绊?/p>

注意過程主要分為自下而上的注意（外源性注意）和自上而下的注意（內(nèi)源性注意），前者是由外界顯著刺激激發(fā)的自動化過程，而后者是個體根據(jù)自身意圖和目標主動分配的自主過程[90]。動作視頻游戲主要影響自上而下的注意。研究顯示，在玩動作視頻游戲后，被試者自下而上的注意方面沒有改善，但自上而下的空間選擇性注意會通過抑制干擾而得以增強[91]。自上而下的注意任務包括空間注意、視覺搜索、多目標跟蹤、雙重任務和多任務切換等，都與空間能力表現(xiàn)密切相關(guān)。空間注意是指在其他空間元素的競爭下對某個空間元素的選擇，對于人和動物處理繁雜多變的空間信息具有重要意義。Feng等人的研究表明，動作視頻游戲能夠顯著提升空間注意，而非動作游戲則沒有任何影響[92]；視覺搜索任務要求被試者在一系列干擾項中尋找某個特定目標。Castel等人的研究顯示，動作視頻游戲玩家在視覺搜索任務中反應更快，并表現(xiàn)出更高效的搜索策略[93]；多目標跟蹤考察被試者將注意力長時間分配到多個目標上的能力。在此方面，動作視頻游戲也顯現(xiàn)出積極影響：Oei和Patterson的研究對比了不同類型視頻游戲?qū)Ρ辉囌咴斐傻挠绊懀l(fā)現(xiàn)玩動作視頻游戲的被試者消除了注意瞬脫，提高了認知控制能力和多目標跟蹤能力，而其他視頻游戲（三消游戲、空間記憶游戲、隱藏物體游戲）僅提升了被試者的視覺搜索表現(xiàn)和工作記憶[94]。在后續(xù)研究中，Oei和Patterson證明動作視頻游戲產(chǎn)生的技能遷移，來源于視頻游戲訓練和目標任務之間對加速響應、選擇性注意力、多物體跟蹤、注意力切換等感知和注意技能具有的共性要求[95]。Green和Bavelier也發(fā)現(xiàn)玩動作視頻游戲的實驗組跟蹤多個動態(tài)物體的能力顯著增強，而相比之下，玩非動作游戲（俄羅斯方塊）的對照組在跟蹤任務上的表現(xiàn)沒有太大變化[96]；雙重任務和多任務切換考察個體同時完成兩件任務和在任務之間切換的效率和靈活性。Strobach等人發(fā)現(xiàn)，相比于玩益智游戲的被試者和無游戲訓練的被試者，玩動作視頻游戲的被試者在雙重任務和多任務切換方面有顯著提升，證明動作視頻游戲訓練能夠降低任務切換的認知成本，提升多任務切換和處理能力[97]。干預研究也證實了其他類型游戲?qū)ψ⒁獾姆e極影響，Baniqued等人發(fā)現(xiàn)注重工作記憶和推理的休閑游戲同樣也能提升被試者在注意力分配任務中的表現(xiàn)，并且能夠降低注意瞬脫[98]；Basak等人發(fā)現(xiàn)即時戰(zhàn)略游戲《國家崛起》對視覺注意和執(zhí)行功能也都具有積極效應[99]。綜上所述，視頻游戲影響注意的認知后果研究主要聚焦于動作視頻游戲，此類游戲節(jié)奏較快，要求玩家能夠快速發(fā)現(xiàn)目標并及時有效應對，同時要求監(jiān)控并執(zhí)行多個任務，來不斷適應瞬息萬變的游戲環(huán)境，對注意的空間和時間分配都提出了較高的要求，對空間注意、視覺搜索、多目標跟蹤、雙重任務和多任務切換等注意任務都有顯著正向效應。與此同時，非動作視頻游戲（如益智游戲和即時戰(zhàn)略游戲）也具有提升注意的潛在價值，但需要對游戲內(nèi)容和機制進行具體分析。

3.視頻游戲?qū)τ洃浀挠绊?/p>

記憶是編碼、儲存和提取信息的能力。根據(jù)信息維持時間的長短，可以將記憶分為工作記憶和長時記憶。信息通過感覺輸入，通過注意編碼到工作記憶中短時儲存，再通過復述鞏固進入長時記憶。人在解決空間問題時，主要依靠空間工作記憶來儲存和加工空間信息，而長時記憶也參與導航、掃視識別等任務中。

在工作記憶方面，視頻游戲（尤其是動作視頻游戲）中的許多任務都依賴于空間工作記憶。面對同時出現(xiàn)各種信息，玩家需要快速分配注意，在工作記憶中保持對目標的表征，并迅速決策確定問題的優(yōu)先級與解決方式，這個過程需要視覺空間工作記憶和空間注意緊密配合。橫截面研究顯示，與非游戲玩家相比，動作視頻游戲玩家和移動視頻游戲玩家能夠更準確、更快速地處理任務信息，表現(xiàn)出更好的工作記憶容量[100][101]。動作視頻游戲玩家相比非動作視頻游戲玩家在記憶驅(qū)動的注意方面更有優(yōu)勢，當需要在工作記憶中保持多個項目，并同時完成視覺搜索任務時，動作視頻游戲玩家的反應時間與首次注視時間都顯著優(yōu)于非動作視頻玩家[102]。隨機對照實驗提供了更多證據(jù)：Blacker等人的干預研究表明，30小時的游戲訓練后，玩動作視頻游戲的實驗組在視覺工作記憶表現(xiàn)顯著優(yōu)于玩模擬游戲《The Sims 3》的對照組[103]。然而，研究者也找到不同方向的證據(jù)，Oei和Patterson的研究也對比了動作視頻游戲和非動作視頻游戲?qū)φJ知的影響，但在20小時的游戲訓練后發(fā)現(xiàn)只有空間記憶游戲《Memory matrix 1.0》和隱藏物體游戲《Hidden Expedition-Everest》提升了空間工作記憶[104]。Baniqued等人的實驗證明側(cè)重工作記憶和推理的休閑游戲并不能提升工作記憶[105]。由此可見，仍需控制游戲類型、訓練時長、測試項目等變量來進一步探究視頻游戲?qū)ぷ饔洃浀挠绊憽?/p>

在長時記憶方面，視頻游戲帶來的影響同樣存在爭議。Clemenson等人認為，三維視頻游戲的虛擬空間能夠有效激發(fā)海馬體來構(gòu)建基于空間的情境記憶[106]，面向老年人和認知功能受損人群的視頻游戲訓練也逐漸顯示出對于長時記憶保持的有效性[107]。也有研究者認為視頻游戲?qū)τ陂L時記憶的需求并不能為其空間能力提供“任何獨特的或是有用的訓練機會”[108]。視頻游戲是否會通過影響長時記憶而影響空間能力還有待進一步的研究。但值得注意的是，基于空間的記憶方法，如記憶宮殿方法（Method of Loci）已經(jīng)被人們長期應用于對符號信息的表征和記憶。該方法的基本策略就是將符號信息編碼在空間心理表象之中，使用空間關(guān)系定位所要記憶的信息，視頻游戲虛擬環(huán)境為這種記憶方法提供了新的情境[109]。這在一定程度上揭示了視頻游戲?qū)﹂L時記憶發(fā)展的潛在價值。

視頻游戲有可能通過影響情緒而調(diào)節(jié)空間記憶。研究顯示，消極情緒會打斷空間工作記憶的復述，從而影響被試者空間能力[110]。消極情緒對空間工作記憶的保持和刷新的影響大于言語工作記憶，這種選擇性影響與消極情緒參與對注意資源的競爭，導致提高認知負荷密切相關(guān)[111]。此外，與情緒密切相關(guān)的杏仁核能夠調(diào)節(jié)海馬對于陳述性記憶的鞏固能力，促進或抑制短時記憶轉(zhuǎn)化為長時記憶[112]。這些證據(jù)都為更好地理解視頻游戲的認知影響奠定了基礎(chǔ)。

4.視頻游戲?qū)φJ知策略的影響

視頻游戲類型同樣會影響被試者的認知策略。Nelson與Strachan發(fā)現(xiàn)，玩FPS游戲《虛幻競技場》（Unreal Tournament）的被試者比玩空間益智游戲《傳送門》的被試者在位置任務和圖形匹配任務中反應時間更短、但準確率更低[113]。也就是說，玩過動作視頻游戲的學生在互動中反應速度更快但耐心較少，而那些玩過益智游戲的學生表現(xiàn)出更慢但更準確的互動模式。Dye等人發(fā)現(xiàn)，在不降低準確性的情況下，動作視頻游戲玩家的反應速度通常比非視頻游戲玩家要快11%[114]。Safaei等人也探討了被試者的速度-準確度權(quán)衡，發(fā)現(xiàn)控制該變量后，空間益智游戲訓練未能提升三維心理旋轉(zhuǎn)和空間折疊表現(xiàn)[115]。West等人指出，在玩動作視頻游戲時，一部分游戲者會使用快速的“反應策略”來應對游戲中層出不窮的任務和挑戰(zhàn)，而另一部分游戲者則使用較慢的“空間策略”來理解游戲復雜多變的虛擬空間環(huán)境。實驗結(jié)果表明，動作類視頻游戲玩家更傾向于使用反應策略，而非空間策略[116]。而根據(jù)相關(guān)研究，使用空間策略與海馬體灰質(zhì)體積與活性增加相關(guān)，而使用反應策略與紋狀體中灰質(zhì)體積與活性的增加相關(guān)，兩者呈現(xiàn)相反的變化關(guān)系。為驗證以上假設(shè)，West等人分別使用《使命召喚》（Call of Duty）等動作視頻游戲和3D益智類游戲《超級馬里奧64》對隨機分配的非游戲者進行了總時長90小時的視頻游戲訓練，并用fMRI測量不同認知策略的被試者的腦結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果顯示：動作視頻游戲會減小反應策略被試者的海馬灰質(zhì)體積，但卻會增大空間策略被試者的海馬灰質(zhì)體積，而在玩3D益智游戲的對照組中，空間策略被試者的內(nèi)嗅皮層灰質(zhì)和反應策略被試者海馬體灰質(zhì)出現(xiàn)體積增長[117]，神經(jīng)結(jié)構(gòu)的改變顯示出認知策略和游戲類型對空間能力的潛在影響。因此，在使用視頻游戲培養(yǎng)空間能力時，要同時考察視頻游戲類型和學習者的認知策略，否則就有可能適得其反。

綜上所述，視頻游戲（尤其是動作視頻游戲）能夠?qū)Ω兄⒆⒁夂陀洃浀日J知加工過程的關(guān)鍵階段施加影響。首先，動作視頻游戲能夠提升視覺和聽覺的分辨率和靈敏度，使玩家具有更精確的多通道信息加工能力。這意味著，視頻游戲玩家能夠更快、更準確地處理各類視聽信息，為其更高層次的空間認知能力奠定基礎(chǔ)。其次，動作視頻游戲顯著提升了玩家在自上而下的注意過程中的表現(xiàn)，而非動作視頻游戲（如益智游戲）也能提升視覺搜索和注意分配[118]。可見，視頻游戲能夠讓玩家更有效地管理注意資源，使其在處理重要空間信息的同時，保持對其他目標的關(guān)注，這對于掃視檢索、圖像識別等任務具有重要影響。第三，視頻游戲具有提升工作記憶容量的可能性，這將直接影響被試者在視覺工作記憶中保持和加工心理表象的能力，這與心理旋轉(zhuǎn)、空間可視化等空間能力直接相關(guān)。并且，視頻游戲環(huán)境對長時記憶的潛在影響，可能會在空間導航任務中得以顯現(xiàn)。

（二）視頻游戲影響空間能力的交互特征

視頻游戲相較于其他媒體形式最顯著特征是其具有豐富的交互性。視頻游戲積極鼓勵各種體驗，側(cè)重于使用過程（游戲玩法），而不是該過程的結(jié)果，其目標通常是在游戲世界中定義和激勵的，游戲使用聲音和圖形傳達情緒和環(huán)境，其內(nèi)容和操控系統(tǒng)的創(chuàng)新程度往往超過生產(chǎn)力應用程序[119]。在玩視頻游戲時，玩家不是單向被動地接受信息，而是主動與游戲內(nèi)容雙向建構(gòu)，并在與游戲創(chuàng)建的虛擬環(huán)境之間的互動中實現(xiàn)認知發(fā)展、技能遷移和情感體驗。從班杜拉三元交互決定論的視角來看，人與視頻游戲?qū)嶋H上構(gòu)成了“人-行為-環(huán)境”的交互系統(tǒng)[120]。視頻游戲為玩家構(gòu)建了具有豐富可供性的虛擬環(huán)境，同時也限定了玩家的行為邊界，因此是決定行為的潛在因素；玩家基于自身的動機、認知和策略與游戲環(huán)境交互產(chǎn)生行為，而各種互動行為則是三者交互作用的外在表現(xiàn)。因此，要想考察視頻游戲?qū)臻g能力表現(xiàn)的影響，不僅要分析人的認知加工過程，而且也要分析視頻游戲中哪些交互特征對于空間能力具有潛在影響。

根據(jù)教學交互層次塔模型，人機交互行為由低到高可以分為操作互動、信息互動和概念互動三個層次[121]（如圖9所示）。在操作交互層，玩家通過各種界面和設(shè)備與游戲系統(tǒng)實現(xiàn)信息的輸入和輸出；在信息交互層，玩家在游戲環(huán)境中與其他玩家、智能體或游戲環(huán)境本身互動，獲取信息并通過交互行為改變環(huán)境，從而產(chǎn)生新的信息模式與信息分布狀態(tài)；在概念交互層，玩家在前兩者基礎(chǔ)之上通過感知、記憶、推理、決策、反思等認知加工過程，改變自身內(nèi)在認知圖式，實現(xiàn)舊概念向新概念的轉(zhuǎn)變。

從操作交互、信息交互和概念交互三個層次分別探討視頻游戲影響空間能力的交互特征。首先，在操作交互層次上，研究者通常對比虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）和計算機桌面顯示設(shè)備對空間能力的影響。例如，Guzsvinecz等人發(fā)現(xiàn)使用桌面顯示器相比，使用VR設(shè)備完成心理旋轉(zhuǎn)測試所用時間要比使用桌面顯示器用時更長[122]。這可能是因為VR游戲在帶來更強臨場感的同時，產(chǎn)生了更高的認知負荷[123]。Safadel等人發(fā)現(xiàn)學習者的空間能力水平與其所使用的互動媒介之間存在顯著的交互作用，兩者共同影響學習者對DNA分子的空間識別，VR顯示對空間能力低的學生具有正向補償作用[124]。基于腦電的研究也支持上述交互作用，Sun等人證明VR環(huán)境有助于減少低空間能力學習者的認知負荷，相比在基于幻燈片的環(huán)境下，其腦電P2成分振幅更小[125]。其次，在信息交互層次上，視頻游戲能否對空間能力產(chǎn)生影響，一方面取決于視頻游戲的內(nèi)容玩法是否與空間能力測試具有相對應的認知操作，另一方面取決于視頻游戲虛擬環(huán)境的空間維度是否能提供適切的空間信息刺激。如上文所述，從整體上來看，2D游戲主要影響二維心理旋轉(zhuǎn)，對三維心理旋轉(zhuǎn)和空間可視化基本沒有影響，對于掃視透視和空間導航也基本沒有提升；在2.5D游戲中，只有那些游戲玩法與空間元素變化直接相關(guān)的游戲?qū)臻g能力有提升作用，如《方塊消消樂》，其他2.5D游戲均無顯著正向影響；對于3D游戲需要分情況討論，3D益智游戲?qū)τ谌S心理旋轉(zhuǎn)、空間可視化和空間導航都具有顯著正向影響，是最有研究前景的游戲類型之一，例如《BlockOut》《傳送門》《Minecraft》等；而3D動作游戲的認知影響研究主要集中在感知和執(zhí)行功能（如認知靈活性、抑制控制、工作記憶等）方面，雖然有證據(jù)顯示此類游戲能夠提升三維心理旋轉(zhuǎn)和掃視表現(xiàn)，但是對于空間能力的整體影響仍有待進一步探索。最后，在概念交互層次上，由于視頻游戲是基于其游戲機制和動態(tài)反饋來呈現(xiàn)信息的，人們會根據(jù)自身認知策略和先前概念水平，對視頻游戲呈現(xiàn)的信息進行選擇性加工，并將其建構(gòu)整合，實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。因此，視頻游戲?qū)臻g能力的影響也來源于游戲機制和動態(tài)反饋對認知策略的影響，并且游戲類型和認知策略之間存在交互效應，共同作用于空間能力，對于上述效應和作用機制還有待進一步探索。

六、總結(jié)與啟示

從以上分析可以看出，視頻游戲?qū)臻g能力具有重要影響。具體來說，從空間能力類型來看，以《俄羅斯方塊》為代表2D益智游戲，能夠提升二維心理旋轉(zhuǎn)能力，而以《BlockOut》《傳送門2》為代表的3D益智游戲能夠提升三維心理旋轉(zhuǎn)、空間可視化和空間導航能力；動作視頻游戲（FPS游戲）能夠提升掃視能力，而對于透視能力（如視角采擇，空間定向）和空間導航的影響還沒有一致結(jié)論。本文分析了以上影響產(chǎn)生的作用機制，發(fā)現(xiàn)視頻游戲影響空間能力的關(guān)鍵在于游戲交互特征與玩家認知策略。在界面特征上，游戲的虛擬場景要能夠提供豐富的空間刺激；在游戲玩法上，視頻游戲的游戲節(jié)奏和反饋速度要相對較慢，鼓勵玩家使用“空間策略”而非“反應策略”，因此，同時滿足兩者的3D益智游戲具有重要研究和應用價值。此外，從認知加工的視角來看，視頻游戲能夠影響感知、注意、記憶等基本信息加工過程，對空間能力具有潛在影響，但與此有關(guān)的直接證據(jù)相對有限，且當前此類研究集中于動作視頻游戲，對于其他類型游戲帶來的認知變化仍有待進一步探索。

研究給我們的啟示主要有三點：第一，要選取能夠激發(fā)空間認知加工過程的視頻游戲。視頻游戲豐富的虛擬環(huán)境為研究者和教育者提供了前所未有的可供性。使用視頻游戲作為學習環(huán)境的優(yōu)勢在于，可以呈現(xiàn)各種現(xiàn)實中難以創(chuàng)建的空間信息，例如通過創(chuàng)設(shè)迷宮環(huán)境來刺激游戲者在大尺度中的導航能力。更進一步地，視頻游戲還能夠提供與現(xiàn)實完全不同的空間刺激，比如改變重力的方向、實現(xiàn)瞬間傳送或者扭曲環(huán)境空間，給學習者完全新奇的空間體驗，這種特殊的空間刺激為揭示空間認知過程提供了新的可能，同時也為基于游戲虛擬空間的學習和訓練提供了更多機會。第二，要重點考察人與視頻游戲互動時的認知參與。使用腦電、眼動、皮電等多模態(tài)生理測量技術(shù)記錄人在游戲過程中的生理狀態(tài)變化，并結(jié)合外在行為表現(xiàn)與游戲后臺記錄，共同揭示與空間能力相關(guān)的認知加工過程。第三，視頻游戲可以作為空間能力的評價工具。隨著視頻游戲技術(shù)的不斷發(fā)展，游戲化測評（Game-Based Assessment，GBA）逐漸受到研究者的關(guān)注。視頻游戲能夠?qū)崟r記錄學習者在虛擬環(huán)境中的探索過程，包括其行動軌跡、與環(huán)境的互動操作和各種交流行為，從而為認知診斷和行為分析提供豐富、多模態(tài)的數(shù)據(jù)。對于空間能力而言，當前對空間能力的測評工具主要來源心理測量學的經(jīng)典實驗和量表，這種去情境化的測量方式，在一定程度上限制了對空間能力的整體理解。視頻游戲有相對成熟的開發(fā)工具，可以用于開發(fā)相對復雜的空間能力測評系統(tǒng)，例如Ventura等人開發(fā)虛擬空間導航測試所用的Unity游戲引擎[126]。并且也可以使用視頻游戲內(nèi)置的可編輯模組開發(fā)空間能力測評工具，例如Foroughi等人使用《傳送門2》游戲內(nèi)置的迷宮編輯器設(shè)計了一組包含15個游戲迷宮的《傳送門2》測試量表，并用該量表測量了35名玩家完成游戲迷宮的能力[127]。更進一步地，有研究者開始探索使用計算建模方法，在游戲過程中實現(xiàn)“隱形測量”（Stealth Assessment）。例如，Shute和Rahimi使用物理模擬游戲《Physical Playground》，通過游戲內(nèi)嵌的隱形測評計算游戲者的創(chuàng)造力[128]；Peters等人基于《我的世界》開發(fā)了自動化的智力測試工具[129]。由此可見，基于視頻游戲環(huán)境開發(fā)空間能力測評工具也是一個具有廣闊前景的研究方向。

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作者簡介：

石祝：在讀博士，研究方向為學習科學、游戲化學習（教育游戲）、科學教育。

尚俊杰：研究員，博士生導師，研究方向為學習科學與技術(shù)設(shè)計、游戲化學習（教育游戲）、教育數(shù)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

責任編輯：李雅瑄