心理旋转
来源：Jonathan Flombaum 实验室——约翰斯·霍普金斯大学
视觉心理表征是指在脑海中唤起图像的能力。这使得人们能够超越当前视角的限制来处理视觉信息；例如，一个人可以借助其心理视觉，想象某个物体呈现不同颜色时的样子，或由不同材料制成、或旋转后从不同角度观察时的外观。心理表征似乎在多种情境…
1. 刺激设计。
- 在本实验中呈现刺激材料——字母和数字及其镜像（图1）——并以不同旋转角度展示。
图1. 心理旋转任务的示例刺激材料。 上排显示两个字符（R 和 4）及其各自旋转后的副本。下排显示每个字符的镜像（每对中的右侧）以及各自旋转后的版本。心理旋转任务要求识别熟悉字符的旋转版本，并将其与这些字符镜像的旋转版本区分开来。 - 使用 PowerPoint、Keynote 或类似程序生成刺激材料。
- 本实验中使用大写字母“R”和小写字母“g”，以及数字“4”和“7”。
- 在 PowerPoint 中，制作上述四个字符的各一个副本。本实验使用 Helvetica Light 字体。
- 再制作每个字符的第二个副本，并将其翻转以生成每个字符的镜像。
- 对四个字符及其镜像分别制作 12 个副本。
- 将这 12 个副本中的每一个依次以 15° 的递增角度进行旋转。原始副本为 0°，下一个为 15°，然后是 30°，依此类推，直至 180°。参考 图2 查看本实验所使用的全部刺激材料。
图2. 心理旋转任务的完整刺激材料集。 四个字符（3、R、4 和 g），每个字符与其镜像配对，并在 0° 至 180° 之间以 15° 为增量进行旋转。 - 从每个刺激材料及其镜像的 13 个旋转副本中，生成各个独立试验的刺激材料。每次试验由一页纸顶部显示的四个非镜像字符之一组成，页面底部则包含该字符及其镜像中的一种，并以 12 种旋转角度之一呈现（图3 和 图4）。
- 为实验中的每一次试验制作一页纸。四个数字/字母各有 13 页试验材料，因此总共需制作 52 页，并将其打印出来。
- 在每页纸的背面编号 1–52。每页上的编号即为编号标签。页码的具体编号顺序无关紧要。但在编号时，需同时制作一份“编码表”，即一个记录每页试验内容及正确答案（左侧或右侧）的表格，以便后续将受试者的反应与具体试验对应。该编码表可设计为类似名为“心理旋转编码表”的 Excel 表格（表1）。
| 编号标签 | 字符 | 角度 | 正确答案 |
| 1 | 3 | 60 | RIGHT |
| 2 | g | 75 | RIGHT |
| 3 | g | 30 | RIGHT |
| 4 | g | 60 | LEFT |
| 5 | g | 165 | RIGHT |
| 6 | 4 | 105 | LEFT |
| 7 | 3 | 15 | LEFT |
| 8 | 3 | 165 | LEFT |
| 9 | 4 | 180 | LEFT |
| 10 | R | 15 | RIGHT |
| 11 | g | 180 | RIGHT |
| 12 | g | 45 | RIGHT |
| 13 | g | 105 | RIGHT |
| 14 | 3 | 45 | RIGHT |
| 15 | 4 | 15 | LEFT |
| 16 | R | 60 | LEFT |
| 17 | R | 45 | LEFT |
| 18 | R | 150 | LEFT |
| 19 | g | 0 | RIGHT |
| 20 | R | 30 | LEFT |
| 21 | 3 | 120 | LEFT |
| 22 | 4 | 90 | LEFT |
| 23 | R | 75 | LEFT |
| 24 | 4 | 135 | RIGHT |
| 25 | 3 | 180 | LEFT |
| 26 | 4 | 45 | LEFT |
| 27 | R | 90 | RIGHT |
| 28 | 4 | 0 | LEFT |
| 29 | 4 | 120 | LEFT |
| 30 | 3 | 135 | RIGHT |
| 31 | R | 135 | LEFT |
| 32 | 3 | 30 | LEFT |
| 33 | 4 | 75 | LEFT |
| 34 | 3 | 105 | LEFT |
| 35 | 3 | 150 | LEFT |
| 36 | R | 105 | RIGHT |
| 37 | 4 | 60 | RIGHT |
| 38 | 4 | 30 | LEFT |
| 39 | R | 120 | RIGHT |
| 40 | R | 180 | RIGHT |
| 41 | g | 135 | RIGHT |
| 42 | 3 | 0 | LEFT |
| 43 | 3 | 90 | LEFT |
| 44 | 4 | 150 | RIGHT |
| 45 | 4 | 165 | LEFT |
| 46 | 3 | 75 | RIGHT |
| 47 | R | 165 | LEFT |
| 48 | g | 90 | RIGHT |
| 49 | g | 150 | RIGHT |
| 50 | g | 15 | LEFT |
| 51 | R | 0 | RIGHT |
| 52 | g | 120 | RIGHT |
表1. 一个示例键，用于报告每页试验的性质以及正确答案（左或右）。
图3. 心理旋转实验一次试验的示例测试页面。 受试者需判断位于横线下方左侧或右侧的字符哪一个为旋转后的“R”（而非其镜像旋转）。
图4. 心理旋转实验一次试验的测试样页。 受试者需判断位于横线下方左侧或右侧的字符哪一个为旋转后的“4”（而非其镜像旋转）。
- 为了将实验结果与每次试验的内容相关联，需要一个记录结果的位置，因此需另建一个电子表格，包含试验编号列、该次试验的数字标签列、被试给出的反应（左或右）列，以及被试产生反应所需时间的列。打印出此反应记录表。
- 此外，制作一个演示页面用于解释实验指导语。页面应展示其中一个字符的示例、其镜像图像，以及该字符在某种旋转角度下的若干示例，并清晰标注（图5）。
图5. 一份指导说明表。该表格展示了一个字符、其镜像图像以及每个图像的旋转形式，以便向参与者清晰解释实验步骤。
- 除了试验页和演示页的打印版本外，还需为实验准备一块秒表，同时建议配备一名助手，以协助进行计时和记录反应结果。
2. 实验步骤。
- 使用演示页面向参与者说明指导语：“本实验将考察您通过视觉表象旋转物体的能力。在每一次试验中，您需要判断两个图像中哪一个是一个熟悉数字或字母的旋转版本。另一个选项则是该数字或字母的镜像旋转版本。例如：数字3，这是它的镜像。在试验中，您会看到原始的数字3，以及页面底部两个类似的示例：一个是旋转后的3，另一个是其镜像的旋转版本。您需要说出‘左’或‘右’，以表明您认为哪一个才是原始图像。请在保证准确性的前提下尽快做出反应。换句话说，一旦您确定了答案，请立即作答，但不要提前作答。”
- 将52张测试页面打乱顺序以实现随机化。打乱后，按照实际呈现顺序，在反应记录表上填写各试验的编号标签。
- 开始实验。将一叠测试页正面朝下放置在实验者与参与者之间，编号标签朝上。
- 让助手持握秒表。
- 在每次试验中，当助手启动计时器时，应说“开始”。接收到该信号后，立即翻转当前试验页面。让参与者观察页面内容，并说出“右”或“左”，以表明其认为哪一侧字符是该次试验的正确答案。
- 当参与者报告出反应结果时，助手应立即停止计时。随后，在反应记录表上记录反应时间和参与者的答案。
- 对全部52次试验重复上述步骤。
3. 分析。
- 实验结束后，分析数据。
- 将手写编号标签、应答及应答时间输入至应答表的电子版中，并以新名称保存，例如“参与者1 MR应答”（表2）。
| 试验编号 | 数字标签 | 给出的反应 | 反应时间 | 数字标签2 | 字符 | 角度 | 正确答案 | 答案是否正确？ |
| 4 | 1 | 向右 | 4876 | 1 | 3 | 60 | 向右 | 1 |
| 38 | 2 | 向右 | 6758 | 2 | g | 75 | 向右 | 1 |
| 40 | 3 | 向右 | 3579 | 3 | g | 30 | 向右 | 1 |
| 26 | 4 | 向左 | 8752 | 4 | g | 60 | 向左 | 1 |
| 10 | 5 | 向右 | 6494 | 5 | g | 165 | 向右 | 1 |
| 49 | 6 | 向左 | 6587 | 6 | 4 | 105 | 向左 | 1 |
| 16 | 7 | 向左 | 3434 | 7 | 3 | 15 | 向左 | 1 |
| 45 | 8 | 向左 | 9172 | 8 | 3 | 165 | 向左 | 1 |
| 35 | 9 | 向左 | 1856 | 9 | 4 | 180 | 向左 | 1 |
| 17 | 10 | 向右 | 6818 | 10 | R | 15 | 向右 | 1 |
| 12 | 11 | 向右 | 4797 | 11 | g | 180 | 向右 | 1 |
| 5 | 12 | 向右 | 5378 | 12 | g | 45 | 向右 | 1 |
| 21 | 13 | 向右 | 3301 | 13 | g | 105 | 向右 | 1 |
| 25 | 14 | 向右 | 1393 | 14 | 3 | 45 | 向右 | 1 |
| 33 | 15 | 向左 | 3937 | 15 | 4 | 15 | 向左 | 1 |
| 42 | 16 | 向左 | 5827 | 16 | R | 60 | 向左 | 1 |
| 31 | 17 | 向左 | 6004 | 17 | R | 45 | 向左 | 1 |
| 9 | 18 | 向左 | 6174 | 18 | R | 150 | 向左 | 1 |
| 46 | 19 | 向右 | 6619 | 19 | g | 0 | 向右 | 1 |
| 3 | 20 | 向左 | 2276 | 20 | R | 30 | 向左 | 1 |
| 18 | 21 | 向左 | 4176 | 21 | 3 | 120 | 向左 | 1 |
| 28 | 22 | 向左 | 7819 | 22 | 4 | 90 | 向左 | 1 |
| 24 | 23 | 向左 | 7368 | 23 | R | 75 | 向左 | 1 |
| 6 | 24 | 向右 | 4984 | 24 | 4 | 135 | 向右 | 1 |
| 47 | 25 | 向左 | 4495 | 25 | 3 | 180 | 向左 | 1 |
| 7 | 26 | 向左 | 5476 | 26 | 4 | 45 | 向左 | 1 |
| 50 | 27 | 向右 | 7919 | 27 | R | 90 | 向右 | 1 |
| 27 | 28 | 向左 | 7182 | 28 | 4 | 0 | 向左 | 1 |
| 48 | 29 | 向左 | 5793 | 29 | 4 | 120 | 向左 | 1 |
| 13 | 30 | 向右 | 8986 | 30 | 3 | 135 | 向右 | 1 |
| 36 | 31 | 向左 | 9457 | 31 | R | 135 | 向左 | 1 |
| 11 | 32 | 向左 | 7903 | 32 | 3 | 30 | 向左 | 1 |
| 29 | 33 | 向左 | 9703 | 33 | 4 | 75 | 向左 | 1 |
| 51 | 34 | 向左 | 9565 | 34 | 3 | 105 | 向左 | 1 |
| 1 | 35 | 向左 | 9341 | 35 | 3 | 150 | 向左 | 1 |
| 8 | 36 | 向右 | 2849 | 36 | R | 105 | 向右 | 1 |
| 52 | 37 | 向右 | 2355 | 37 | 4 | 60 | 向右 | 1 |
| 2 | 38 | 向左 | 2094 | 38 | 4 | 30 | 向左 | 1 |
| 32 | 39 | 向右 | 7338 | 39 | R | 120 | 向右 | 1 |
| 43 | 40 | 向右 | 5431 | 40 | R | 180 | 向右 | 1 |
| 37 | 41 | 向右 | 2734 | 41 | g | 135 | 向右 | 1 |
| 19 | 42 | 向左 | 5978 | 42 | 3 | 0 | 向左 | 1 |
| 14 | 43 | 向左 | 3305 | 43 | 3 | 90 | 向左 | 1 |
| 22 | 44 | 向右 | 5273 | 44 | 4 | 150 | 向右 | 1 |
| 41 | 45 | 向左 | 4472 | 45 | 4 | 165 | 向左 | 1 |
| 23 | 46 | 向右 | 2353 | 46 | 3 | 75 | 向右 | 1 |
| 34 | 47 | 向左 | 8211 | 47 | R | 165 | 向左 | 1 |
| 20 | 48 | 向右 | 2049 | 48 | g | 90 | 向右 | 1 |
| 44 | 49 | 向右 | 9719 | 49 | g | 150 | 向右 | 1 |
| 39 | 50 | 向左 | 9562 | 50 | g | 15 | 向左 | 1 |
| 15 | 51 | 向右 | 1282 | 51 | R | 0 | 向右 | 1 |
| 30 | 52 | 向右 | 3548 | 52 | g | 120 | 向右 | 1 |
表2. 完成的应答表样例。
- 打开反应键并按编号标签排序。将反应键中的内容复制粘贴到包含参与者反应的表格中，使得现在表格中包含报告参与者反应和反应时间的列，以及每个试验的详细信息。
- 在表格末尾新增一列，命名为“反应是否正确？”。逐行比较参与者给出的反应与正确反应，若答案正确，则在“反应是否正确？”列中输入 1，若不正确则输入 0。
- 汇总结果。对“反应是否正确？”列取平均值，以获得正确反应试验的整体比例。对于大多数参与者而言，该值应非常高或达到满分。对反应时间列取平均值，以了解整体反应时间水平。该列也可在按试验中的字母和/或字母朝向进行筛选后分别计算平均值。
个体必须依赖视觉心理意象——即在脑海中唤起图像的能力——来准确感知世界并指导行为。
例如，在规划前往特定地点的路线时，会使用心理意象来想象该路线，或设想一栋房屋在改建后可能呈现的样子。
实验心理学家可以通过心理旋转范式来测量一个人的视觉心理表象能力，该范式包括识别熟悉字符的不同旋转版本，并将其与这些字符镜像的旋转版本区分开来。
通过心理旋转实验程序，本视频将演示如何设计刺激材料并开展实验，以及如何分析和解释视觉心理意象的研究结果。
在本实验中，向参与者呈现刺激材料，并要求其判断后续刺激是原始项目的旋转图像，还是其镜像的旋转图像。
在此情况下，任务刺激材料包括字母（如 R 和 g）以及数字（如 4 和 7），全部采用 Helvetica Light 字体印刷。
生成了字母和数字的两个版本：原始版本和翻转的镜像版本。随后对这些字符进行操作，使每个字符依次旋转递增的15°角度，从0°开始，到180°结束。
在每次试验中，向参与者呈现四个经过操纵的字符之一，然后要求其从两个可能的选项中尽快且准确地判断哪一个为原始项目的旋转版本。
因此，因变量是反应时间，即参与者做出反应所需的时间。
假设对于旋转角度较小的字符，其反应时间会比旋转角度最大的字符更短。换句话说，字符相对于其标准朝向的旋转角度越大，反应时间就越长。
开始实验时，收集为每个单独试验制作的刺激图页。每次试验中，注意页面顶部印有四张非镜像图片中的一张，而两个选项位于页面底部。
将每页背面从 1 到 52 编号，该编号称为“编号标签”。为打乱顺序，需将测试页进行随机排序。
为了更方便地将结果与每次试验的内容相关联，创建一份反应记录表，其中包含试验编号、按呈现顺序的数字标签、受试者的反应以及反应时间。
作为最后的准备步骤，准备一块秒表并安排一名助手。
当参与者到达后，使用演示页面向其讲解说明。请注意，页面上会显示其中一个字符、该字符的镜像，以及该字符在某一旋转角度下的几个示例。
接下来，将测试页字面朝下放置在实验者与参与者之间。
每次试验中，当助手启动计时器并说出“开始”时，为参与者翻过一页。
当受试者报告反应时，停止计时器，然后在反应记录表上记录反应时间和答案。对全部52次试验重复此操作。
实验完成后，创建一份应答表的数字副本，包括按数字顺序排列的编号标签、给出的答案、应答时间以及正确答案。
通过在“答案是否正确？”列中输入 1 表示回答正确，输入 0 表示回答错误。
对于正确试次，绘制每个字符的平均反应时间随旋转角度变化的曲线图。注意，反应时间随旋转角度的增加而呈比例增长。这些结果表明，大脑模拟了这种物理变换过程。
现在您已经熟悉了心理旋转实验的设计方法，可以应用这种方法来回答有关视觉心理意象的具体问题。
从实际角度来看，可以通过心理旋转任务来识别那些特别擅长对物理空间进行视觉化思考的人。某些个体在利用心理意象来指导自身行为方面表现尤为出色，例如建筑师和机械工程师。
此外，研究人员使用功能性磁共振成像来研究参与心理旋转的脑区。
当人们在不观察物体的情况下在脑海中进行物体旋转时，大脑的视觉皮层尤其会出现大量脑部活动，此外顶叶等通常被认为参与视觉感知的脑区也会被激活。换句话说，大脑中用于实际感知视觉刺激的系统，同样也被用于想象视觉刺激。
最后，研究人员通过虚拟现实研究心理旋转，以探讨心理意象在穿越不同空间环境和障碍物过程中的作用。
您刚刚观看了 JoVE 关于开展心理旋转实验的介绍。现在，您应该已经很好地掌握了如何设计和实施该实验，以及最终如何分析和解释实验结果。
感谢观看！
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Q1: What is visual mental imagery and why is it important?
Visual mental imagery is the ability to conjure images in your mind's eye, allowing you to process visual material beyond your current viewpoint. This capacity supports important behaviors like visualizing routes when planning directions, imagining how objects might look if remodeled, and mentally rotating objects to consider how they fit into spaces or clear barriers.
Q2: How does the mental rotation paradigm measure visual mental imagery?
The mental rotation paradigm presents participants with rotated characters and asks them to distinguish whether each is a rotation of the original item or its mirror image. Participants respond as quickly and accurately as possible, with response time serving as the dependent variable. This procedure reveals how the brain simulates physical transformations of objects.
Q3: What stimuli are used in a mental rotation experiment?
Mental rotation experiments typically use letters and numbers, such as R, g, 4, and 7, printed in Helvetica Light font. Two versions of each character are created: the original and a flipped mirror image. Each character is then rotated by increasing increments of 15 degrees, starting at 0 degrees and ending at 180 degrees.
Q4: What does the relationship between rotation angle and response time reveal?
Response times increase proportionally with the degree of rotation, meaning participants respond faster to characters with little rotation and slower to those rotated the most. This pattern suggests that the brain simulates the physical transformations of objects, mentally rotating them step-by-step rather than instantly recognizing rotated versions.
Q5: How is a mental rotation experiment conducted with participants?
Participants are presented with test pages one at a time. An assistant starts a timer and says 'Go,' then the experimenter flips over a page. The participant reports their response, the timer stops, and the response time and answer are recorded. This procedure repeats for all trials, typically 52 pages, with responses and times documented on a response sheet.
Q6: What brain regions are active during mental rotation?
Functional magnetic resonance imaging shows enormous brain activity in the visual cortex and parietal lobe during mental rotation, areas typically involved in seeing. This indicates that the brain systems used to actually see visual stimuli are also used to imagine visual stimuli, demonstrating the neural overlap between perception and mental imagery.
Q7: Who benefits from strong mental rotation abilities and how are they identified?
Individuals exceptionally good at using mental imagery to guide actions, such as architects and mechanical engineers, excel at mental rotation tasks. The mental rotation paradigm effectively identifies people with strong visual thinking abilities about physical spaces. Researchers also use virtual reality to study how mental imagery supports spatial navigation and obstacle avoidance.