中國象棋經驗棋手與新手的知覺差異：來自眼動的證據*

王福興 侯秀娟 段朝輝 劉華山 李 卉

(1華中師范大學心理學院,武漢 430079) (2天津師范大學心理與行為研究院,天津 300074)

1 前言

專長(expertise)是指專家擁有不同于常人(或新手)且專屬于某領域的特殊能力,專長需要經過大量的、有目的訓練而獲得(Ericsson,2006;Ericsson &Charness,1994;Ericsson,Krampe,&Tesch-R?mer,1993)。專長的一個表現就是具備專長的專家可以對熟悉領域的刺激材料輕輕一瞥(約 1～5 s)就可以記住或再認看過的內容(Chase &Simon,1973b;Connors,Burns,&Campitelli,2011;Ferrari,Didierjean,&Marmèche,2008;Gobet &Simon,1996b),大量的研究發現,專家的這種專長優勢往往局限于其熟悉的領域,超出其特定領域知識也就表現得與新手無異(Bilali?,McLeod,&Gobet,2009;Chase &Simon,1973b;Gobet &Simon,1996a;Simon &Chase,1973)。雖然“專長具有領域特異性”的觀點得到了許多研究者的證實和認可,但圍繞著“專長是否具有遷移性”的問題,另一些研究者也同樣得出了肯定的答案(Gegenfurtner,Lehtinen,&S?lj?,2011;Gegenfurtner&Sepp?nen,2013)。持后一種觀點的研究者認為,專家所擁有的專長優勢并不是絕對具有領域特異性(domain-specific)或背景約定性(context-bound)的,相反,他們在某一領域的優勢也能夠遷移到其他領域,即出現跨領域(cross-domain)的優勢,這種現象被稱為專長的遷移效應(transfer effects) (Besson,Chobert,&Marie,2011;Bidelman,Gandour,&Krishnan,2011;Hutka,Bidelman,&Moreno,2015;Lima &Castro,2011;Rosalie &Müller,2014)

專家-新手的專長研究范式對于揭示專長發展的機制,以及經驗對人的認知加工影響提供了很好的途徑(Bilali?,Langner,Erb,&Grodd,2010;Bukach,Gauthier,&Tarr,2006;Ericsson &Williams,2007)?？v觀現有研究,在國際象棋(Chase &Simon,1973b;Gobet &Simon,1996a)、體育運動(Travassos et al.,2013)、汽車駕駛(Crundall,Chapman,France,Underwood,&Phelps,2005;Scialfa et al.,2011)、醫學(Koh,Park,Wickens,Ong,&Chia,2011;Reingold &Sheridan,2011)和教學(Sabers,Cushing,&Berliner,1991;連榕,2004)等領域都發現了專家的優勢效應。

專長的研究最早起源于國際象棋的研究。de Groot 1946年的研究(間接引自：Bilali?,McLeod,&Gobet,2008;Connors et al.,2011;原文：de Groot,1946)發現國際象棋大師的搜索效率和對棋盤的回憶都要優于專家水平的棋手。隨后,Chase和 Simon(1973b)從心理學視角系統研究了國際象棋專家的優勢表現及其機制。例如：Chase和Simon (1973a,1973b)發現國際象棋大師對真實棋局的回憶遠高于新手;而當棋子是隨機擺放在棋盤上,專家與新手則沒有差異。隨后的幾十年,研究者使用不同的任務和范式,采用不同的實驗技術得出了相似的結論,即專家在棋盤復盤率、對棋子回憶正確率和視覺搜索效率上都比新手有優勢(Bilali? et al.,2008;Reingold &Sheridan,2011)。甚至,Connors等(2011)在70年后又重復了de Groot的研究,發現雖然象棋大師的經驗優勢效應隨著時間有所提高,但是仍要優于新手和中段棋手。國際象棋的專長研究為了解人類專長技能的發展以及人工智能做出了重要貢獻(Ericsson &Charness,1994;Reingold &Charness,2005)。

研究者對于國際象棋大師或專家的經驗優勢效應也從理論的視角給出了解釋。其中有代表性理論為組塊理論(chunking theory)、模板理論(template theory)和長時工作記憶理論(long-term working memory,LTWM) (Gobet,1998;Guida,Gobet,Tardieu,&Nicolas,2012)。首先,組塊理論主張,專家經過刻意練習和大量實踐在大腦中存儲了大量的組塊(棋子間典型、獨特的組合或棋盤結構),這些組塊以節點的形式聯結且存貯在長時記憶中,不受短時工作記憶容量的限制(Chase &Simon,1973b;Gobet &Clarkson,2004)。當專家需要再認或加工熟悉棋盤時,這些存儲在長時記憶中的組塊就會發揮作用,可以為專家提供策略支持,讓專家在棋盤再認、復盤和知覺搜索上表現出優勢(Chase &Simon,1973b;Gobet,2005;Gobet et al.,2001;Gobet &Simon,1998)。其次,模板理論是在組塊理論基礎上發展而來,且包含了組塊理論的一些概念和內容,能夠解釋更高水平的大師或專家對象棋的記憶和加工優勢(Gobet&Simon,1996b,1998)。模板是大師或專家具有的特定知識結構,是包含了一些語義信息(比如：計劃、策略)的組塊或一些組塊的集合。模板不僅僅是低水平組塊信息的集合,同時包含了一些棋子移動、走法等圖式性內容(Gobet,1998;Gobet &Simon,1996b)。第三,長時工作記憶理論認為專家的記憶能力存在一種基于長時記憶的編碼系統和檢索機制,他們不受短時記憶容量影響,而是與專家廣泛的知識結構和豐富的經驗相聯系,所以專家的記憶能力是卓越的(Ericsson &Kintsch,1995)。LTWM可以很好地解釋專家為什么在熟練領域的認知活動中能很好地應對干擾信息而做出正確判斷。

國際象棋專長的早期研究者對于專家的優勢表現推測可能來自其長期刻意練習而導致的知覺加工優勢(perceptual advantage),直到眼動技術介入才為這種推測提供了直接的證據(Charness &Tuffiash,2008;Connors et al.,2011;Reingold &Charness,2005)。早期的研究更多基于口頭報告或出聲思維(verbal reports/protocol analysis)的研究方式,眼動技術的發展為了解專家優勢背后的視覺搜索和認知加工機制提供了便利(Rayner,1998;Reingold&Charness,2005)。Charness和Reingold等人采用眼動技術對國際象棋專家和新手的視覺搜索進行了對比,結果發現專家在觀看棋盤時眼跳幅度更大,說明其知覺廣度更大;專家不需要精確地注視棋子,僅注視棋子周邊或棋子間的區域即可以獲取信息,說明專家可以利用副中央凹加工;專家的注視點更多落入與任務有關(task relevant)的區域或注視任務有關的棋子,而新手更多注視任務無關的(task-irrelevant)區域,說明專家可以根據經驗進行選擇性注意(Charness,Reingold,Pomplun,&Stampe,2001;Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,&Stampe,2001)。近期,Bilali?等人(2010)采用更加嚴謹的實驗設計仍然發現了相同的結論,即專家具有更大的知覺廣度和利用經驗引導注意任務相關的區域。

基于Chase和Simon假設,專家只需要一瞥就能提取、再認或回憶棋盤信息(Chase &Simon,1973b,p.64)。對于專家的視覺搜索優勢效應,Reingold和Sheridan (2011)認為專家對領域特定的信息加工具有“更強的知覺編碼能力”(superior perceptual encoding)和內隱的領域特定知識(tacit or implicit domain related knowledge)。首先,對于更強知覺編碼推測的直接證據來自象棋專家具有更大的知覺廣度,即能夠利用副中央凹提取和加工信息。比如：研究確實發現國際象棋專家更多關注棋子間而不是在棋子上,根據組塊理論和模板理論,專家更多把棋子看作一組而不是單個棋子(Bilali? et al.,2010;Charness et al.,2001;Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001)。其次,內隱的領域特定知識推測認為,國際象棋專家優勢更多來自于能夠自動化、平行提取棋子或棋子間關系表征,從而形成一個有意義的組塊,而新手則更多采用序列加工(Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Schultetus,&Stampe,2001)。此外,也有研究者提出了信息縮減假說 (information-reduction hypothesis)和圖像知覺的整體性模型(holistic model of image perception)。信息縮減假說認為專家的視覺搜索優勢是習得的選擇性信息加工能力,即專長會讓專家在視覺信息加工時忽視任務無關的信息,而有意識地加工任務相關的信息;體現在眼動上即專家會對任務相關的信息注視次數更多、時間更長(Haider &Frensch,1999)。整體性模型關注經驗導致的視覺廣度,即專家采取從整體到局部加工方式,會在信息加工的初期把呈現的視覺刺激當作一個整體來看待,所以專家的提取信息視覺廣度更大且可以利用副中央凹加工。體現在眼動上表現出更大的眼跳幅度和對任務相關區域的首次注視時間更短(Kundel,Nodine,Conant,&Weinstein,2007)。對專長眼動研究的元分析結果支持了這兩個理論觀點(Gegenfurtner et al.,2011)。

如果國際象棋存在專長效應,專長優勢表現出的更強的知覺編碼能力和搜索優勢是否也會在中國象棋中被發現呢？這是本研究關注的重點問題之一。中國象棋具有比較鮮明的中國文化特色,與國際象棋在布局和規則上存在很多類似之處,比如：都有32枚棋子,棋盤采用博弈雙方對稱的布局等。但也存在一些不同之處,比如：中國象棋棋盤由9道直線和10道橫線交叉組成,中間以“楚河漢界”相隔,棋子在兩條線的交叉點上活動;而國際象棋由8×8的黑白相間的格子組成,棋子在格子內活動;此外,在和棋、自然限招的規則上存在一些差異(劉適蘭,2003)。檢索現有研究發現,從心理學視角探討中國象棋專長效應以及專家的知覺編碼優勢的研究仍然較少。所以,了解中國象棋棋手的專長發展過程以及不同經驗棋手對棋盤的記憶與棋盤信息知覺編碼機制,對于中國象棋專家棋手的培養、訓練都具有潛在的意義。同時,也能擴展現有國際象棋研究的結論,為專長的視覺加工提供更加直接的數據和實證支持。

檢索現有的研究發現,采用專長范式和眼動技術探討專家—新手的視覺搜索差異的研究涉及國際象棋(Bilali? et al.,2010;Charness et al.,2001;Reingold &Charness,2005)、醫學訓練(Bertram,Helle,Kaakinen,&Svedstr?m,2013;Reingold &Sheridan,2011)、體育運動(Raab &Johnson,2007;張學民,廖彥罡,&葛春林,2008)、多媒體學習(Hegarty,Canham,&Fabrikant,2010;Jarodzka,Scheiter,Gerjets,&van Gog,2010)和課堂教學(王福興,蘆詠莉,段朝輝,周宗奎,2013;王福興,申繼亮,田宏杰,周宗奎,2010)等領域。這足以看出,眼動技術在專長研究中已經屬于一項成熟且常用的心理學研究技術。這就為本研究采用眼動技術探討中國象棋經驗棋手和新手的知覺編碼優勢提供了研究范式和技術保障。

基于以上論述,本研究采用3個實驗探討了中國象棋的經驗棋手和新手在棋局復盤和視覺搜索上的差異,揭示中國象棋專長的經驗優勢效應。實驗 1采用了國際象棋研究的經典任務(棋局復盤),呈現真實棋局和隨機棋局,檢驗中國象棋的經驗棋手是否存在與國際象棋類似的經驗優勢效應和更強的知覺編碼能力;同時,進一步檢驗信息縮減假說和圖像知覺的整體性模型。實驗2和實驗3在實驗1基礎上,進一步采用移動窗口范式和閃爍范式探討象棋專長是否會影響棋手利用副中央凹提取信息和基于視覺編碼的快速覺察能力。研究預期假設認為,經驗棋手在真實棋局中復盤率更高,觀看棋盤的注視廣度更大;經驗棋手可以更好地利用副中央凹提取和加工信息;當覺察快速呈現的棋盤時,經驗棋手的覺察能力更好。

2 總方法

2.1 被試

在被試選擇上,由于中國象棋積分和排名沒有完全量化和公開化,且本研究被試都為大學生,所以沒有使用專家一詞。根據Simon和Chase的觀點(1973),國際象棋棋手如果有超過10000小時的經驗或10年實踐經驗就可以達到專家層次。為了嚴謹表述,參照已有研究稱謂,本研究使用了經驗棋手(experienced players)來指代實驗中的專業棋手(Ferrari et al.,2008)。經驗棋手通過湖北省大學生象棋協會招募,所有經驗棋手均曾為省大學生象棋錦標賽前 7名,經驗棋手共10人(男10人,經驗棋手共招募12人,其中2人完成材料評定,由于材料熟悉性問題未參與正式實驗),平均年齡21.1歲(

SD

=2.2);中國象棋從業經驗平均年限為13.5年(

SD

=1.7)。經驗棋手的從業經驗符合以往研究中特定領域的專家應具有不低于10年從業經驗的標準(Ericsson,2006;Ericsson et al.,1993;Simon &Chase,1973)。新手15人(女6人)來自在校大學生,均為中國象棋愛好者,懂得中國象棋基本規則,但實戰經驗較少,且在參與實驗前一周下象棋時間小于2小時。所有被試視力或矯正視力正常,實驗前采用色盲檢查圖譜檢查(俞自萍,曹愈,曹凱.色盲檢查圖(第五版).北京：人民衛生出版社,1996年版),均無色盲、色弱。所有被試給予一定費用作為其參加實驗報酬。每個實驗都有10名經驗棋手,15名新手,共25人。經驗棋手參加了所有3個實驗,每個實驗間隙休息20min;15名新手被試參加了實驗1和實驗3,平均年齡24.5歲(

SD

=1.7),兩個實驗間隙同樣休息20min。實驗2的15名新手被試(女6人)為重新招募,平均年齡23.2歲(

SD

=1.3)。

2.2 實驗儀器及眼動指標

3個實驗眼動數據均采用 EyeLink 1000 (SR Research,Canada) Desktop眼動儀,采樣率1000 Hz,19英寸顯示器(1024 × 768分辨率),單眼瞳孔-角膜反射記錄,9點校準,采用下巴-前額托架(chin and forehead rest)固定被試眼睛到刺激屏幕距離(60cm)。刺激材料的可視區域的水平視角33.9度,垂直視角37.3度。

實驗 1整體棋盤的注視,選取了眼跳幅度(Average Saccade Amplitude,指棋盤觀看過程中被試眼跳的平均幅度,幅度越大說明被試注視范圍越廣)、眼跳次數(Saccade Count,指棋盤觀看過程眼跳發生的次數)和瞳孔直徑(Average Pupil Size,指在某個單元內被試的平均瞳孔直徑大小,瞳孔直徑越大說明越感興趣且進入視網膜信息量越大)3個指標對比棋手對棋盤的注視。

實驗 1對棋子和棋子間注視,則選取了在興趣區上的停留時間(Dwell Time of AOI,指被試的眼睛停留在興趣區內的時間,時間越長說明加工越多)、停留時間比率(Dwell Time Percent of AOI,指被試在興趣區內的停留時間與注視整個棋盤時間的比值)、注視次數(Fixation Count of AOI,指被試在興趣區內超過 100 ms的注視次數)和注視次數比率(Fixation Count Percent of AOI,指被試在興趣區內的注視次數占整個棋盤注視次數的比值)4個指標進行分析。

實驗 3“經驗棋手與新手對變化棋子的注視”對比中,為了分析經驗棋手與新手在覺察棋局有變化時是否真正注視到了棋子才做出報告,研究分析了被試在中央凹區域(注視到變化棋子)以及在副中央凹區域(注視點落在變化棋子周圍一個棋子大小的區域)的注視情況。同實驗1類似,把超出1個棋子空間,但 9個棋子(約 3×3)內空間界定為副中央凹區域(9個棋子的可視半徑約40 mm,約3.8度視角)。剔除了報告不正確的反應,選用了第幾次呈現時首次注視到中央凹(比如：被試A在第3次呈現時注視點第一次落到變化的棋子上,所以被試 A的此項值為3。值越小,說明越早真正注視到了變化的棋子)、首次注視中央凹持續時間(即第一次注視到變化棋子的注視持續時間)、第幾次呈現時首次注視到副中央凹(即在第幾次呈現時出現了第一個落到副中央凹區域內的注視點)、首次注視副中央凹持續時間(即首次落到副中央凹內注視點的持續時間)和第幾次正確報告有變化(即第幾次出聲報告注意到了棋子有變化)。

所有數據正式進入統計分析前,剔除了3個標準差之外的數據。

2.3 實驗材料

實驗材料(見圖1～圖3)為中國象棋棋盤圖片,棋盤為棕色實木顏色,每個棋盤上共 14枚棋子,紅藍各 7枚(3個實驗的材料都使用了這種棋子數量設置)。刺激材料采用PhotoShop制作,原始顯示尺寸為 925(寬)×1024(高)像素(正式實驗中左右兩側空白區域采用灰色填充)。所有的實驗材料均由 2名經驗棋手對其真實性或難度進行了5點評定。

實驗1的材料在5點量表上(1代表存在,5代表不存在)評定所有棋局在真實對戰場景中是否存在,兩個評分者一致性系數為

r

=0.99 (Pearson相關,

p

＜0.01)。最后的真實度值為兩個評分者的平均數。獨立樣本 t檢驗顯示,評分者對真實棋局真實度評定(

M

=5)高于隨機棋局(

M

=1.1),

t

(12)=55,

p

＜0.001,Cohen’s

d

=29.3(下同)。對棋局的難度進行5點(1代表非常難,5代表非常容易)評定,兩個評分者一致性系數為0.83 (

p

＜0.01),評分者對隨機棋局的難度評定(

M

=3)高于真實棋局(

M

=2.5),

t

(12)=2.65,

p

＜0.05,

d

=1.5。實驗 2所有棋局真實性也經過了 5點評定(計分同實驗 1),兩個評分者一致性系數為 0.96 (

p

＜0.01)。兩個評分者對實驗2的21幅棋局圖片真實性評定均值為4.6 (

SD

=1.2)。實驗2對棋局的難度(計分同實驗1)的評分者一致性為0.80 (

p

＜0.01)。兩個評分者對實驗2棋局難度評定均值為2.3 (

SD

=0.6)。對實驗3需要覺察變化的棋盤進行了發現難度的5點評定(1代表非常難,5代表非常容易),兩個評分者一致性為0.85 (

p

＜0.01)。兩個評分者對14幅棋局評定均值為3.2 (

SD

=0.6)。

3 實驗1

已有的研究表明在國際象棋領域存在專長效應,專家棋手對棋盤的記憶、知覺編碼都存在明顯的優勢(Bilali? et al.,2010;Reingold &Sheridan,2011)。實驗1在復制中國象棋領域是否也可以發現類似于國際象棋的專長效應基礎上,進一步改進實驗設計探討基于象棋專長的信息縮減假說、圖像知覺的整體性模型和更強的知覺編碼能力假設。為了保證結論生態效度,材料呈現沒有采用3×3矩陣呈現(Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001),而是使用了完整真實的棋盤,同時把記憶任務與眼動結合,呈現真實棋局(領域特定任務)和隨機棋局(非領域特定任務) (Chase &Simon,1973b;Gobet &Simon,1996a;Simon &Chase,1973),記錄棋盤記憶過程中的視覺搜索過程以及在不同任務上的復盤率。

3.1 方法

3.1.1 實驗材料與設計

材料為14幅象棋圖譜,其中7張真實的中國象棋棋局,均為實戰殘局;7張隨機棋局,完全打亂棋子間關系,隨機擺放形成(見圖1)。實驗為 2(經驗：經驗棋手、新手)×2(棋局類型：真實、隨機)的混合實驗設計,其中棋局類型為被試內變量。

圖1 實驗1材料示意圖

3.1.2 程序

實驗開始前首先向被試呈現指導語,被試明白后進行眼睛校準,然后進行一個練習實驗,練習實驗結束后進入正式實驗。正式實驗中每幅棋盤的呈現時間為5 s (參照：Chase &Simon,1973b;Ferrari et al.,2008),之后刺激圖片消失。然后,被試在與刺激圖片相似的真實棋盤上復盤。要求盡可能快的復盤,且盡量保持棋子的種類和顏色與原有棋局圖片一致。復盤結束后,由主試操作進行下一個棋局觀看。實驗中真實棋盤和隨機棋盤隨機呈現。

3.2 結果

3.2.1 正確復盤數

表1 經驗棋手和新手的正確復盤數及眼動數據

3.2.2 整個棋盤的注視

在眼跳次數上,棋盤類型的主效應不顯著,

F

(1,23)=2.54,

p

＞0.05,經驗的主效應不顯著,

F

＜1,

p

＞0.05,二者的交互作用也不顯著,

F

＜1,

p

＞0.05。

3.2.3 棋子和棋子間的注視

為對比經驗棋手和新手是否會在加工棋子和棋子間區域上有差別,即經驗棋手是否會利用副中央凹提取更多信息和擁有更大的知覺廣度(Bilali? et al.,2010;Charness et al.,2001;Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001;Reingold&Sheridan,2011),研究對棋盤劃分了興趣區(見圖1)。由于棋盤是由棋子以及棋子以外的區域組成,所以興趣區數據是根據注視位置在棋子上和棋子間作為劃分標準劃定了兩個興趣區：棋子和棋子間。所有棋子興趣區以外的數據統計為棋子間注視(見表2)。

表2 經驗棋手與新手在興趣區內的眼動數據

3.3 討論

棋局的復盤結果顯示,中國象棋經驗棋手表現確實好于新手,這個結果與預期結果一致,也與國際象棋研究結論一致,即經驗選手或專家對棋盤記憶效果好于新手(Chase &Simon,1973b;Connors et al.,2011;Ferrari et al.,2008;Gobet &Simon,1996b)。此外,研究還發現不僅在真實棋局上經驗棋手好于新手,在隨機棋局上經驗棋手的正確復盤數也要高于新手。Gobet和Simon (1996a)的研究也曾發現專家在隨機棋局回憶上要好于新手。他們認為即便是在隨機棋局中,專家也可以利用其存儲的大量組塊、更多地使用策略來記憶隨機棋局。關于專長遷移效應的研究也發現,專家的優勢也會存在超出其特定領域的優勢,即可以遷移到相關的領域中(Gegenfurtner &Sepp?nen,2013;Marie,Delogu,Lampis,Belardinelli,&Besson,2011;Rosalie &Müller,2014)。從這個角度而言,經驗棋手的對真實棋局的記憶優勢也遷移到了隨機棋局的記憶。

對棋盤的注視發現,經驗棋手對整個棋盤的眼跳幅度要大于新手,而且在真實棋局下的眼跳幅度大于隨機棋局,而新手則沒有這種差異。這個結果說明中國象棋專長使經驗棋手具有更大的知覺廣度,這個結果也與國際象棋研究一致(Charness et al.,2001;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001)。此外,研究還發現經驗棋手在記憶棋盤時的瞳孔直徑大于新手,這在以往國際象棋研究中沒有被提及。瞳孔直徑放大反應了視覺任務認知要求增加和心理加工活動增大,說明被試需要通過放大瞳孔獲取更多視覺信息(Goldinger &Papesh,2012;Laeng,Sirois,&Gredeb?ck,2012;閆國利,白學軍,2012,pp.54-62)。此外,信息的重要性程度會影響瞳孔大小,當被試加工認為重要的信息時會出現瞳孔放大的現象(Ariel&Castel,2014)?；诖?研究推測經驗棋手會自動調節瞳孔大小以獲取更多有用且重要的信息。

棋子和棋子間注視對比發現趨勢一致的結果,即經驗棋手更多注視棋子間,而新手更多注視棋子,這與國際象棋的研究結論也一致。比如：Reingold等人研究發現,國際象棋專家要比新手對棋子注視更少,而對棋子間注視更多(Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001;Reingold &Sheridan,2011)。類似地,Charness等人(2001)的研究也發現專家要比中段棋手更多注視棋子間區域而不是棋子本身。研究者也認為,對棋子間注視說明專家在編碼信息時使用了組塊,而不是編碼單個棋子信息,因為組塊涉及的是棋子間邏輯關系,而不是單個棋子相加(Reingold &Charness,2005)。此結論說明具備象棋專長的專家是在對棋盤的結構進行編碼和加工,而不是獨立的棋子,也支持了國際象棋專長的模板理論(Gobet &Simon,1996b)。

4 實驗2

實驗1發現,經驗棋手的復盤正確更高、眼跳幅度更廣、對棋子間注視更多,說明具有更廣的知覺范圍,也為驗證象棋專長的知覺編碼優勢提供了有力的證據。實驗2利用移動窗口范式直接驗證經驗棋手是否能利用副中央凹加工,進一步驗證象棋專長的更強知覺編碼假設和圖像知覺的整體性模型。移動窗口范式被廣泛應用于閱讀、場景知覺和視覺搜索研究中(McConkie &Rayner,1975;Rayner,1998,2009;閆國利,王麗紅,巫金根,白學軍,2011),縱觀已有研究,雖然Reingold等人在其國際象棋研究中使用過移動窗口范式,但僅僅是作為一種呈現技術,既沒有報告使用的窗口有多大,也沒有控制不同大小的窗口(Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001)。所以,以往國際象棋的研究結果對專家使用副中央凹加工主要是來自間接推測,而沒有直接操縱副中央凹視野(Charness et al.,2001;Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001)。實驗2假設認為：經驗棋手利用副中央凹(16個和4個棋子區域大小窗口)對棋盤進行加工時要優于新手。

4.1 方法

4.1.1 實驗材料與設計

材料為21幅中國象棋真實圖譜(每個窗口條件下各7幅),均為真實棋局。實驗為2(經驗：經驗棋手、新手) × 3(窗口：1個棋子大小、4個棋子大小、16個棋子大小)的混合設計,其中窗口大小為被試內變量(見圖2)。根據視網膜構造,中央凹(foveal region)是視敏度最高的區域,約 1～2度視角;副中央凹(parafoveal region)在一定程度上加工信息但效率不高,約2～5度視角;邊緣視覺區(peripheral region)幾乎看不到信息(大于5度視角),不能進行信息加工(中央凹和副中央凹視野參見：Rayner,1998,p.374;2009,p.1459)。實驗中眼睛距屏幕的距離為60cm,1個棋子的可視區域半徑為14 mm,視角約1.3度,在中央凹視野區內;4個棋子(約2×2大小)可視半徑為30 mm,視角約2.9度,在副中央凹視野區內;16個棋子(約4×4大小)可視半徑為53 mm,視角約5.1度,接近邊緣視野區。實驗 2沒有使用前人研究中斑點屏蔽(具體見：Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001),而是使用了經典的窗口掩蔽范式的灰屏來掩蔽窗口外信息。因為預實驗發現,僅使用黑點掩蔽棋子信息而呈現棋盤信息會存在干擾和預視,影響被試觀看。所以實驗2完全屏蔽了窗口外信息。

圖2 實驗2中1個棋子窗口大小、4個大小和16個棋子大小材料示意圖

4.1.2 程序

實驗之前先告知被試,接下來會呈現一些中國象棋圖譜,只有當眼睛注視棋譜時窗口區域才是可見的,需要移動眼睛才能看到棋譜的全貌。每幅圖片呈現時間為12 s,圖片消失后需要把該幅圖片中的棋子位置在現實棋盤上復制出來,復盤完成后按任意鍵進入下一張圖片。正式實驗前有一個練習實驗幫助被試熟悉實驗程序。

4.2 結果

4.2.1 正確復盤數

表3 不同視野范圍條件下經驗棋手和新手的復盤數及眼動

4.2.2 中央凹和副中央凹條件下的棋盤注視

4.3 討論

正確復盤數顯示,經驗棋手在副中央凹視野下(16和4個棋子窗口,5度和3度視角的副中央凹視野)復盤率要高于中央凹視野(1個棋子窗口),而新手在兩種視野條件下沒有表現出差異。這個結果與預期假設相符合,說明經驗棋手可以利用副中央凹提取和加工棋盤信息。在 Charness等人(2001)和 Reingold,Charness和Pomplun等人(2001)兩項國際象棋知覺廣度的研究中,雖然發現專家棋手更多關注棋子間,以及更大的眼跳幅度。但是,卻沒有利用移動窗口大小控制副中央凹呈現直接驗證專家是否在副中央凹視野下具有更好記憶和視覺加工優勢。不同于以往研究的更大眼跳幅度和棋子間注視的推測(Charness et al.,2001;Reingold &Charness,2005;Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001),實驗2直接控制了視野可視區域的大小來控制副中央凹呈現,從而給國際象棋和其他研究中關于專家可以利用副中央凹視野加工信息提供了最直接的證據(Bilali? et al.,2010;Gegenfurtner et al.,2011)。此外,在閱讀中也有研究發現,高技能或有經驗讀者能夠更好地利用副中央凹進行預視(Chace,Rayner,&Well,2005;閆國利等,2011)。

移動窗口技術控制了被試可見的視野范圍,結果發現在副中央凹加工的情況下(16窗口大小),經驗棋手的眼跳幅度更大;且經驗棋手的眼跳幅度隨著窗口由中央凹視野增加到副中央凹以至邊緣視野也依次增加。這說明當窗口增大到接近邊緣視野的5度視角時,經驗棋手可以利用副中央凹的優勢提取信息。類似地,專長的視覺加工研究發現專家可以有效利用副中央凹加工而具有更大的眼跳幅度(Gegenfurtner et al.,2011),但在平均注視時間和注視次數上卻沒有發現相同趨勢的差異。以往研究中,也有發現注視時間不敏感,經驗棋手與新手差異不顯著現象(Charness et al.,2001)。實驗2對移動窗口的直接操作,也為專長研究如何操縱和使用移動窗口技術探討自然場景下知覺廣度提供了很好的借鑒。

5 實驗3

實驗1和2發現經驗棋手確實比新手具有更好的棋盤記憶和副中央凹加工優勢,證實了象棋專長的知覺編碼優勢。實驗 3進一步使用變化盲視(change blindness)的閃爍范式了解經驗棋手的視覺搜索優勢,即經驗棋手是否能夠更快的變化覺察,以及在報告變化前利用副中央凹和中央凹提取信息。閃爍范式要求被試判斷前后兩個快速變化的棋盤是否有棋子變化,如果有變化,需要指出是哪個棋子有變化(Rensink,O'Regan,&Clark,1997;Simons &Rensink,2005)。雖然閃爍范式在先前研究中也被使用過,但是更多報告行為判斷結果差異,而沒有報告棋手是否真正注視到了變化的棋子(Ferrari et al.,2008)。對于閃爍范式而言,對變化棋子的注視分析更能體現象棋專家的知覺編碼優勢,但是以往研究中并未對此進行分析(Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001)。實驗 3計劃在被試報告有變化情況下,分析在發現變化前是否利用中央凹和副中央凹注視到了變化的棋子。這個改進的實驗范式將會為專長視覺加工的知覺編碼優勢提供更加直接的證據。研究假設認為,經驗棋手會更早地知覺到變化有無;當有變化時,經驗棋手在做出判斷前就已經通過中央凹和副中央凹注意到了變化的棋子。

此外,對于以往國際象棋研究設計的一些不足(Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001),實驗3進行了改進：①使用了真實、全景的棋盤以及真實棋子,而不是3×3矩陣材料(僅棋盤一部分),以提高研究生態效度;②使用具有一定象棋經驗的被試作為新手(見 2.1),而不是完全沒有經驗的新手,這樣更具有代表性(Ericsson &Charness,1994;Ericsson et al.,1993)。預實驗發現,對于完全不懂象棋的新手被試而言,基于閃爍范式的棋盤覺察難度過大,對揭示專長視覺編碼優勢意義不大。

5.1 方法

5.1.1 實驗材料與設計

材料為7對有變化真實棋局圖片,為真實對弈時走 20步以后形成的棋局,兩幅棋盤只有一個位置上的棋子發生了變化,其它部分完全一致;7對無變化棋局圖片(見圖3)。實驗為 2(經驗：經驗棋手、新手) × 2(變化：有、無)的混合實驗設計,其中變化有無為被試內變量。

5.1.2 程序

首先,告知被試接下來將會看到一組連續間隔呈現的兩幅棋盤圖片,這兩幅間隔呈現的棋盤可能是完全一樣,也可能不一樣;需要盡可能快地辨別兩幅間隔棋譜是否一樣,如果沒有發生變化,則口頭報告“無”;如果有變化,在報告“有”的基礎上需要準確報告是哪個棋子發生了什么變化。正式實驗中第一張棋譜呈現1000 ms,然后出現100 ms的灰屏掩蔽,接著呈現第二張棋譜1000 ms,然后是100 ms的灰屏掩蔽,然后再呈現第一張棋譜 1000 ms,100 ms灰屏后再呈現第二張棋譜1000 ms,依次類推(見圖3或Ferrari et al.,2008,p.1269;Rensink et al.,1997)。每對圖片重復呈現次數設定為 15次?？偣灿?4對棋局需要覺察。

圖3 實驗3流程

5.2 結果

5.2.1 覺察有無變化的反應時

表4 經驗棋手和新手的反應時及注視到變化的差異

5.2.2 覺察變化的次數差異

圖4 經驗棋手與新手在第2至15次時報告有無變化的次數

5.2.3 經驗棋手與新手對變化棋子的注視

在第幾次呈現時首次注視到中央凹(棋子)上差異顯著,

t

(23)=3.12,

p

＜0.05,

d

=1.33,經驗棋手以更少的呈現次數就可以首次注視到棋子;首次注視中央凹持續時間差異不顯著,

t

(23)=-0.10,

p

＞0.05;第幾次呈現時首次注視到副中央凹的差異顯著,

t

(23)=2.45,

p

＜0.05,

d

=1.04,經驗棋手以更少的呈現次數就可以首次注視到副中央凹;首次注視副中央凹持續時間差異不顯著,

t

(23)=-0.29,

p

＞0.05。在第幾次正確報告有變化上邊緣顯著,

t

(23)=1.97,

p

=0.06,

d

=0.84,相對于新手(

M

=6.8),經驗棋手(

M

=4.9)更早地報告且發現了差異有無。

5.3 討論

與預期假設一致,在棋盤場景的變化覺察上,經驗棋手的覺察時間快于新手,在覺察正確率上也高于新手。這個結果也與已有研究結論一致(Reingold,Charness,Pomplun,et al.,2001),國際象棋專家在覺察變化反應時上優于新手。此外,經驗棋手在刺激循環呈現早期(第3、4次呈現)即發現了變化有無;而新手在后期才發現變化有無(第14次)。這說明經驗棋手能夠更早地覺察到變化有無,與預期假設一致。

對變化棋子的覺察注視分析發現,無論是對變化棋子注視還是變化棋子周邊的區域(副中央凹)注視,經驗棋手都是更早地注視到了變化棋子,這說明具備象棋專長的經驗棋手對任務相關棋子的知覺編碼要優于新手。Charness等人(2001)對國際象棋研究發現,當要求對棋盤進行判斷和走棋時,專家要比中段棋手更多注視與任務有關的棋子。Bilali?等人(2010)研究也發現國際象棋專家能快速注意任務相關的區域,而新手更多注視任務無關的區域。這種專家對任務相關區域注視多于任務無關區域的知覺加工差異在動態刺激加工與歸類(Jarodzka et al.,2010)、基于圖片學習的推理(Hegarty et al.,2010)、手術助理護士(Koh et al.,2011)和機場安檢的X光片判斷(Liu &Gale,2011)中均有被證實。

棋子注視和主觀報告的對比發現,經驗棋手確實是先看到了變化的棋子,然后才做出口頭報告,而且經驗棋手無論是更早看到棋子變化還是更早口頭報告都要早于新手。對棋子周邊區域分析也發現相同趨勢結果,說明經驗棋手可以利用副中央凹來提取和加工棋盤信息。

6 總討論

通過3個實驗可以發現中國象棋也存在明顯的專長效應和專家知覺編碼優勢,同時,實驗的結果支持了專長視覺加工的信息縮減假說(information-reduction hypothesis)、圖像知覺的整體性模型(holistic model of image perception)和更強的知覺編碼能力假設(superior perceptual encoding)。相對于新手,經驗棋手僅僅對棋盤一瞥也能很好地復盤看過的棋局,經驗棋手的這種記憶優勢可能來自于其更強的視覺編碼能力,即更大的知覺廣度和更加高效的視覺信息搜索策略。經驗棋手在加工棋盤時更多注視棋子間而不是棋子,說明其更多基于經驗來編碼棋盤的結構而不是單個棋子。另外,經驗棋手也能更快覺察變化的棋子,表現出更好的知覺覺察能力和視覺搜索技能。利用眼動技術解釋象棋(國際象棋和中國象棋)知覺加工進程的特點,為專家基于經驗加工特定領域知識的知覺編碼優勢提供了強有力的證據(Reingold &Sheridan,2011)。

3個實驗的眼動數據一致表明,相對于新手,經驗棋手可以利用副中央凹加工棋盤信息。實驗1結果顯示,經驗棋手提取棋盤信息時主要加工棋盤的結構(棋子間注視)而不是單個棋子的識記。這些結果都證實了Reingold和Sheridan (2011)提出的專家對領域特定的信息加工具有更強的知覺編碼能力假設和整體性模型假設(Gegenfurtner et al.,2011;Kundel et al.,2007)?；谥袊笃鍖ｉL而言,長期的刻意練習和經驗積累使得這些經驗棋手具有更大的知覺廣度,會本能放大瞳孔以獲取更多有用的信息,且利用副中央凹來加工信息。經驗棋手也會采取整體感知的加工方式,會把需要記憶的棋盤當作一個整體來看待。此外,實驗 3還發現,當面對需要視覺搜索的覺察任務時,經驗棋手對任務相關棋子注視要早于新手,而且在副中央凹加工上也表現出優勢。這些結論支持了專長經驗影響視覺加工的信息縮減假設(Gegenfurtner et al.,2011;Haider &Frensch,1999)。即經驗棋手面在領域特定的視覺信息加工時會忽視任務無關的信息,而有意識地加工任務相關的信息。

從對棋盤記憶來看,實驗1和實驗2中經驗棋手均表現出了很好的記憶及復盤能力。從理論觀點解釋,經驗棋手的優勢來自于其存儲的大量中國象棋有關的組塊和模板?；诮M塊理論,經驗棋手存儲的這些組塊在其再認或回憶棋盤布局時發揮作用,可以為其提供加工策略或者記憶線索,使其在棋盤復盤和知覺搜索上表現出優勢(Chase &Simon,1973b;Gobet,1998,2005;Gobet &Simon,1998)。比如：國際象棋研究認為,專家的優異表現是其使用了長時記憶中存儲的組塊,能夠在短暫的視覺加工中更好地分配注意和進行視覺搜索(Ferrari et al.,2008;Gegenfurtner et al.,2011;Reingold &Sheridan,2011)。其次,按照模板理論觀點,中國象棋的經驗棋手存儲了大量的棋盤結構和棋子間關系的圖式或模板,所以在面對實驗 1中棋盤記憶任務時,經驗棋手才更多關注棋子間結構關系和棋盤結構,而不是單個棋子的死記硬背。雖然LTWM理論也可以用來解釋很多領域專長效應及專家的記憶優勢,但是對于專長的視覺搜索優勢解釋卻略顯不足(Gobet,1998)。

由于專長研究的特殊性,研究也存在一些不足,希望未來研究注意。第一,專家的識別和鑒別存在困難,造成一部分研究被試量偏少(Reingold &Charness,2005)。本研究中由于受到評估篩選限制,所選的經驗棋手并沒有達到國際象棋研究中大師級別,僅僅算是一般意義上的專家。第二,棋盤呈現時間長短是否會影響到知覺加工的表現。一般研究都選擇 1～5秒左右時長,而 Reingold和 Charness(2005)報告的一批未發表數據顯示,當分析呈現時間前5秒和后5秒時(前10秒數據切分),經驗棋手的前后 5秒注視次數和注視持續時間存在顯著差異,而低經驗的中段棋手卻沒有差異。研究者推測前專家在前5秒更多是視覺編碼和提取,后5秒可能已經進入到問題解決階段。第三,結合其他技術和方法深入探討專長的發展機制。例如,有研究者采用fMRI技術對比了國際象棋和中國象棋專家-新手的腦激活差異,結果發現專家在額葉、顳葉腦區有更高的激活(Bilali? et al.,2010;梁東梅等,2010)。第四,除了專長的領域特定性,未來研究也要關注專長的遷移效應。

7 結論

綜上,本研究通過3個實驗得出以下結論：第一,中國象棋經驗棋手在棋盤復盤上正確率更高,具有更好的棋盤記憶;第二,經驗棋手在棋盤記憶任務中更多注視棋子間而不是棋子本身,說明經驗棋手可以提取棋子間結構關系;第三,經驗棋手在棋盤視覺搜索中可以利用副中央凹加工信息,具有更大的知覺廣度;第四,經驗棋手可以更快、更準確的覺察棋盤上變化的棋子,且對變化棋子注視更早,體現了專長的知覺編碼優勢效應。3個實驗結果均說明中國象棋也存在和國際象棋類似的專長優勢效應,眼動和行為數據支持了專長視覺加工的信息縮減假說、圖像知覺的整體性模型和更強的知覺編碼能力假設。研究結果對中國象棋運動員訓練,中國象棋專家的認知機制具有一定理論意義。

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