信息加工理論對(duì)實(shí)際教學(xué)的啟示 [圖表加工的理論模型]

　　摘要 圖表作為一種以圖形和表格記錄、展示和傳遞信息的表征方式已得到廣泛應(yīng)用。圖表加工是指人們對(duì)圖表所呈現(xiàn)信息的認(rèn)知加工。文章首先說明并簡(jiǎn)要評(píng)述圖表加工的規(guī)則模型、認(rèn)知過程模型和計(jì)算模型，然后介紹2004年提出的層次框架模型，最后進(jìn)行小結(jié)并指出未來的研究方向。
　　關(guān)鍵詞 圖表加工，規(guī)則模型，認(rèn)知過程模型，計(jì)算模型，層次框架模型。
　　分類號(hào) B842
　　
　　古埃及人繪制地圖來表示復(fù)雜的空間信息，在某種意義上創(chuàng)作了第一種圖形顯示；在莎士比亞時(shí)代，人們使用“劃線”和“標(biāo)記”系統(tǒng)來記錄數(shù)量關(guān)系[1]。Playfair在《商業(yè)與政治地圖冊(cè)（The Commercial and Political Atlas）》一書中區(qū)分了餅圖、直條圖、直方圖和線形圖等，率先對(duì)圖表顯示進(jìn)行科學(xué)研究（參見文獻(xiàn)[2]）。Playfair明確指出，對(duì)于呈現(xiàn)定量數(shù)據(jù)，使用模擬符號(hào)比使用詞匯和數(shù)字更有效（參見文獻(xiàn)[3]）。
　　圖表（graph and table）作為一種重要的信息記錄、展示和傳遞方式，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到科學(xué)[1]、工程[4]、教育[5]、商業(yè)和媒體[6]等領(lǐng)域中，并發(fā)揮著重要的作用。圖表不僅有突出的視覺和空間特征，而且有表征數(shù)量關(guān)系的圖表構(gòu)成成分，因此，圖表加工與人們對(duì)圖表的知覺加工和對(duì)圖表構(gòu)成成分的概念加工密不可分。如何更好地設(shè)計(jì)和制作圖表以有效地記錄和展示信息，如何快速有效正確地理解并獲取圖表所傳遞的信息，已成為認(rèn)知心理學(xué)家關(guān)注的重要問題，其研究成果具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。
　　近年來，研究者們提出了許多有關(guān)圖表加工的理論模型，試圖說明圖表加工過程的特點(diǎn)與規(guī)律�；�于已有的圖表加工理論所涉及的認(rèn)知加工過程的復(fù)雜程度，我們將其區(qū)分為兩大類，第一類較為簡(jiǎn)單，包括規(guī)則模型（rule model）、認(rèn)知過程模型（cognitive process model）和計(jì)算模型（computational model），而第二類是2004年提出的層次框架模型（hierarchical framework model），涉及的認(rèn)知加工過程相對(duì)比較復(fù)雜。本文將首先介紹第一類模型，并進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)述；然后，介紹和評(píng)述層次框架模型；最后，在總結(jié)已有圖表加工理論的基礎(chǔ)上，試圖指出以往圖表加工研究中存在的問題，并提出未來的發(fā)展方向。
　　1 規(guī)則模型
　　規(guī)則模型指出了圖表設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循的基本準(zhǔn)則，主要可以分為分析模型（analytic model）和兼容模型（compatibility model）兩大類。分析模型主要側(cè)重于從圖表自身的角度出發(fā)來考慮圖表設(shè)計(jì)的原則，而兼容模型的特點(diǎn)在于從圖表和任務(wù)的兼容性方面來考慮圖表設(shè)計(jì)的原則。
　　1.1 分析模型
　　分析模型中所論述的圖表設(shè)計(jì)的基本原則，大多是基于認(rèn)知心理學(xué)家的直覺和經(jīng)驗(yàn)，只有少數(shù)基于實(shí)證數(shù)據(jù)。Bertin的《圖表記號(hào)學(xué)（Semiology of Graphics）》一書著重分析了圖表顯示的視覺特性，并詳細(xì)地闡述了用于設(shè)置和顯示數(shù)量變化的圖表生成技術(shù)[7]。他把圖表設(shè)計(jì)問題劃分為不同的類別，認(rèn)為在設(shè)計(jì)圖表時(shí)應(yīng)該考慮圖表擬顯示的信息成分的組織水平（名義的、順序的、等距的和比例的），并指出表征信息某一成分的變量必須具有和它們所表征的信息成分至少相同的組織水平。
　　Tufte則提出了數(shù)據(jù)－筆墨比率（data-ink ratio）原則（參見文獻(xiàn)[3]）。這一原則認(rèn)為，圖應(yīng)該只用來表示重要的信息，因此，應(yīng)該使不能表達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)或數(shù)據(jù)點(diǎn)之間關(guān)系的描述減至最少，以減少混淆。Gillan和Richman進(jìn)一步指出，數(shù)據(jù)筆墨比率越高，則完成系列判斷所用的時(shí)間越短，準(zhǔn)確性越高；整合性的任務(wù)（如總體比較、綜合判斷）比聚焦性任務(wù)（如單值提�。└�易受數(shù)據(jù)－筆墨比率的影響[8]。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，圖形背景的使用可能會(huì)干擾讀者對(duì)圖表信息的加工（尤其是當(dāng)讀者完成整合性任務(wù)時(shí)），其結(jié)果會(huì)增加反應(yīng)時(shí)間，降低準(zhǔn)確性[8]。
　　Kosslyn在編碼、知覺和表征的不同層面上對(duì)圖表進(jìn)行了句法的（syntactic）、語義的（semantic）和實(shí)效的（pragmatic）分析，指出了影響圖表閱讀難易程度的因素[9]。Zhang關(guān)注表征維度（representing dimensions）和被表征維度（represented dimensions）之間的關(guān)系，指出只有當(dāng)表征維度能夠充分必要地表征被表征維度時(shí)，表征方式才是最優(yōu)的，也就是說，表征維度和被表征維度應(yīng)該在量尺類型上匹配[10]。
　　綜上所述，分析模型主要側(cè)重于從圖表自身出發(fā)來考慮圖表設(shè)計(jì)的原則。分析模型的主要問題在于，它們很少考慮任務(wù)類型、圖表讀者的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)以及這些因素之間的交互作用，并且缺乏實(shí)證研究支持。具體而言，Bertin側(cè)重于對(duì)圖表設(shè)計(jì)原則的敘述，并沒有提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。Kosslyn的圖表理論[9]和Zhang的表征原則[10]也缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。雖然Tufte的數(shù)據(jù)－筆墨比率原則得到了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，但其概念卻有點(diǎn)擴(kuò)大化了。例如，在線形圖中，數(shù)據(jù)是由各個(gè)點(diǎn)來表達(dá)的，點(diǎn)與點(diǎn)的連線并不傳遞數(shù)據(jù)，根據(jù)Tufte提出的原則，這些多余的連線應(yīng)該被刪除。但是，如果刪除這些多余的連線就會(huì)削弱人們完成某些任務(wù)（如趨勢(shì)評(píng)估）的能力，因?yàn)檫@些連線為圖表讀者提供了線條斜率的突顯特征（參見文獻(xiàn)[3]）。
　　1.2 兼容模型
　　兼容模型即任務(wù)－顯示兼容性（task-display compatibility）模型[3]，認(rèn)為不同的顯示方式適用于不同的任務(wù)，如果任務(wù)不同，那么最佳的顯示方式也應(yīng)有所不同。Vessey在“認(rèn)知匹配理論”（cognitive fit theory）中對(duì)這一模型進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，旨在說明圖和表兩種信息呈現(xiàn)方式之間的差別以及它們所支持的任務(wù)類型[11,12]。Vessey指出，圖主要用來呈現(xiàn)空間信息，而表主要用來呈現(xiàn)符號(hào)信息。任務(wù)主要可以區(qū)分為兩大類：一類為“符號(hào)”（symbolic）任務(wù)，包括提取離散數(shù)值；而另一類為“空間”（spatial）任務(wù)，包括覺察或判斷數(shù)值之間關(guān)系（如大小比較、趨勢(shì)判斷等）。根據(jù)兼容模型，當(dāng)呈現(xiàn)方式和任務(wù)均為空間的或均為符號(hào)的時(shí)候，兩者是兼容的，其任務(wù)績(jī)效要明顯高于兩者不兼容情景下的任務(wù)績(jī)效。但是，Vessey的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是部分地符合模型的預(yù)測(cè)。
　　兼容模型的一個(gè)主要變式是“接近―兼容性原則”（proximity-compatibility principle，簡(jiǎn)稱為PCP），即任務(wù)和顯示方式應(yīng)該同時(shí)是低接近性的或者同時(shí)是高接近性的[3,13,14]。低接近性任務(wù)要求使用單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（如提取具體數(shù)值）；而高接近性任務(wù)則要求使用數(shù)據(jù)點(diǎn)的構(gòu)型（如比較趨勢(shì)）。在低接近性的顯示方式中，數(shù)值之間距離較大或者分開顯示（如數(shù)據(jù)表）；而在高接近性的顯示方式中，數(shù)據(jù)之間分布緊密并可組成視覺構(gòu)型（如客體顯示，object display）。PCP表明，當(dāng)任務(wù)的接近性與顯示方式的接近性相兼容的時(shí)候，績(jī)效最好。Renshaw 等人使用眼動(dòng)技術(shù)對(duì)圖例的位置進(jìn)行考察，結(jié)果表明在遵循PCP的條件下，讀者的操作績(jī)效較好[15]。需要說明的是，PCP不僅包括顯示方式的空間接近性，還包括所使用的顏色、形狀和尺寸的相似性。
　　我們認(rèn)為，兼容模型提出了圖表設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，但并未說明為什么遵循兼容性原則的圖表能提高圖表讀者的任務(wù)績(jī)效。此外，兼容性模型只闡述了圖表與任務(wù)之間的關(guān)系，并沒有考慮圖表讀者的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)等因素。由于圖表讀者、圖表和任務(wù)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，三者之間存在著一定的交互作用，圖表－任務(wù)之間的關(guān)系可能會(huì)受到圖表讀者知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的影響。前面提到的Vessey的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)期不一致，可能是圖表讀者不同的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)造成的。
　　2 認(rèn)知過程模型
　　認(rèn)知過程模型認(rèn)為，圖表理解的過程可以分解為一系列的認(rèn)知加工過程，主要包括圖表理解理論（theory of graph comprehension）、理解認(rèn)知信息工程（understanding cognitive information engineering，簡(jiǎn)稱為UCIE）的計(jì)算機(jī)程序和知覺與概念加工模型（model of perceptual and conceptual processes）。
　　2.1 圖表理解理論
　　Pinker在其提出的圖表理解理論中，將圖表界定為向讀者傳達(dá)數(shù)學(xué)量尺中一組N維數(shù)值的一種表征方式，用客體的視覺維度（如：長(zhǎng)度、位置、亮度和形狀等）對(duì)應(yīng)于各自表征的量尺（如：名義的、順序的、等距的或比例的），每一個(gè)維度值對(duì)應(yīng)于相應(yīng)量尺的值[16]。Pinker指出，要理解圖表，讀者需要做兩件事情。首先，他必須在心理上以一定的方式來表征圖表中的元素。當(dāng)讀者看一張圖表時(shí)，圖表中的信息就會(huì)以一種強(qiáng)度的二維模式即網(wǎng)膜上的視覺陣列（visual array）作用于其神經(jīng)系統(tǒng)，視覺陣列的原始信息通過視覺描述（visual description）被轉(zhuǎn)換為記憶表征來指代圖表中視覺標(biāo)記的意義。其次，讀者必須記住或推論出圖表視覺成分所代表的相應(yīng)的數(shù)學(xué)量尺。為此，Pinker提出圖表圖式（graph schema）的概念，即在某些領(lǐng)域已經(jīng)被記住的圖表信息，包括對(duì)至今未知信息的參量和插槽的描述。讀者通過圖表圖式可以獲得圖表的視覺成分與相應(yīng)的數(shù)學(xué)量尺之間的正確對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　Pinker指出，為了回答特定的問題，圖表讀者需要把從視覺描述中獲得的信息轉(zhuǎn)換成概念消息（conceptual messages），并把問題轉(zhuǎn)換成能夠通過視覺描述來回答的形式。這將包括下面的一系列過程：（1）匹配（matching），即將圖表歸類為某一特定的圖表類型；（2）消息匯集（message assembly），即從圖表圖式中產(chǎn)生概念消息的過程，值得注意的是，并不是圖表中的所有信息都必須被轉(zhuǎn)換成概念消息；（3）查詢（interrogation），即基于概念問題對(duì)新信息進(jìn)行編碼和提��；（4）推論過程（inferential processes），即將數(shù)學(xué)和邏輯規(guī)則應(yīng)用到概念消息中去，以獲取新的信息。
　　Pinker的圖表理解理論主要以命題表征為基礎(chǔ)，關(guān)注的是人們從圖表中提取信息的過程。該理論存在著以下幾個(gè)方面的問題：（1）Ratwani等人指出，圖表理解理論對(duì)讀者的任務(wù)績(jī)效不能提供很好的解釋，沒有說明讀者在理解圖表的過程中是如何整合信息的，如“群組”（cluster）信息是單個(gè)讀取的還是以格式塔的方式形成的[17]；（2）不能很好地解釋問題類型對(duì)信息加工過程的影響。Ratwani等人指出，根據(jù)圖表理解理論，讀者讀取和整合問題應(yīng)該有著相同的掃描模式。然而，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，問題類型對(duì)讀者的掃描模式有著強(qiáng)烈的影響，視覺加工的操作是服務(wù)于讀者所要回答的問題[17]；（3）聲明了推論是圖表理解過程的一部分，但是并沒有給出推論過程發(fā)生的細(xì)節(jié)；（4）沒有提及領(lǐng)域知識(shí)的問題；（5）Trickett等人指出，這一理論沒有涉及到空間轉(zhuǎn)換的概念，對(duì)需要空間轉(zhuǎn)換的問題難以理解[18]。
　　2.2 UCIE的計(jì)算機(jī)程序
　　在Pinker圖表理解理論的基礎(chǔ)上，Lohse采用UCIE的計(jì)算機(jī)程序來模擬讀者使用圖表的認(rèn)知加工過程，對(duì)讀者提取特定信息的加工過程做出定量預(yù)測(cè)[19]。Lohse指出圖表理解包括以下認(rèn)知加工過程：（1）早期的視覺加工即檢測(cè)和編碼圖表的視覺特征；（2）短時(shí)記憶即形成從早期視覺加工過程中獲得的視覺描述；（3）短時(shí)記憶的信息激發(fā)了和長(zhǎng)時(shí)記憶中記憶痕跡的聯(lián)系。他使用GOMS（goals, operators, methods, and selection rules）模型和視線追蹤技術(shù)來研究圖表理解的過程，同時(shí)考慮到短時(shí)記憶容量（3個(gè)組塊）和持續(xù)時(shí)間（7s）有限，以及掃描過程中獲取信息的難易程度不同等方面的因素，通過使用大量的“認(rèn)知工程參數(shù)”（cognitive engineering parameters）來估計(jì)在假定的顯示方式下完成一個(gè)具體任務(wù)所需要的時(shí)間。他進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)掃描模式做出了具體的預(yù)測(cè)，將讀者的實(shí)際績(jī)效和計(jì)算機(jī)程序的預(yù)測(cè)績(jī)效相比較，部分結(jié)果支持UCIE模型。
　　Lohse的UCIE模型為定量預(yù)測(cè)圖表的理解過程邁出了重要的一步。但仍然存在諸多問題：（1）Lohse指出，實(shí)驗(yàn)中任務(wù)績(jī)效的個(gè)體差異非常大，需要額外的研究來解釋[19]；（2）UCIE模型的預(yù)測(cè)會(huì)受到顯示信息復(fù)雜程度的影響，F(xiàn)oster指出，這或許是由于UCIE模型使用的是較低水平的操作，而這些較低水平的操作對(duì)圖表的信息復(fù)雜程度的變化比較敏感[20]；（3）Meyer指出這個(gè)模型不太容易使用，因?yàn)樗�具有大量的認(rèn)知參數(shù)，難以對(duì)各種新任務(wù)建模[21]；（4）沒有提供恰當(dāng)?shù)恼�合機(jī)制。Lohse認(rèn)為在整合信息的過程中，將出現(xiàn)多次重復(fù)掃描的可能性，通過大量的掃描形成類群，把類群聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)多類群的推理，直到建構(gòu)完所有的相關(guān)類群并做出比較[19]。然而，Ratwani等人的研究表明，圖表讀者一般是一次性形成類群，然后利用這些信息進(jìn)行推理[22]；（5）同Pinker的圖表理解理論一樣，UCIE也沒有提及領(lǐng)域知識(shí)和空間成分。
　　2.3 知覺與概念加工模型
　　Carpenter和Shah在前人的基礎(chǔ)上提出了圖表理解的知覺與概念加工模型[23]。她們將圖表理解看作是整合一系列復(fù)雜的知覺和概念加工過程，提出了三種類型的加工：（1）模式再認(rèn)過程，即編碼圖表中主要的視覺模式，如線條是直的還是鋸齒狀的，是否有多條，它們之間是平行的還是交叉的關(guān)系。準(zhǔn)確的編碼是圖表理解的前提條件；（2）模式解釋過程，即對(duì)視覺模式的代碼進(jìn)行操作，將視覺特征轉(zhuǎn)換為它們所表征的概念關(guān)系，并提取出定性、定量的關(guān)系。這些過程包括提取和視覺模式相聯(lián)系的知識(shí)，如上行曲線表示增函數(shù)。當(dāng)視覺模式容易激發(fā)適當(dāng)?shù)臄?shù)量概念的時(shí)候，圖表的理解就變得相對(duì)容易，然而，有些數(shù)量的或函數(shù)的信息獲取需要復(fù)雜的推論過程；（3）整合過程，即將這些數(shù)量關(guān)系和從標(biāo)簽、標(biāo)題中推論的指代物聯(lián)系起來，包括確定被量化概念的指代物，將這些指代物和已編碼的函數(shù)聯(lián)系起來。指代過程的一個(gè)方面就是標(biāo)定過程，包括閱讀坐標(biāo)軸上的圖例和數(shù)量值，并將它們和相應(yīng)的線條和數(shù)據(jù)點(diǎn)聯(lián)系起來。標(biāo)定過程很可能與模式再認(rèn)、相關(guān)概念知識(shí)的提取發(fā)生交互作用。
　　Carpenter和Shah采用視線追蹤技術(shù)來考察圖表加工過程中涉及的認(rèn)知過程，明確提出應(yīng)將知覺加工和概念加工結(jié)合起來[23]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，圖表理解需要讀者閱讀和重讀坐標(biāo)軸和圖標(biāo)區(qū)以獲得的必要信息，而且人們并不總是能夠保持從這些區(qū)域所獲得的信息。她們的研究為圖表中不同區(qū)域的設(shè)計(jì)提供了一定的心理學(xué)依據(jù)。
　　此外，認(rèn)知過程模型還包括Cleveland和McGill提出的圖表知覺模型（graph perceptional Model）[24,25]，Gillan和Lewis提出的人－圖表交互的成分模型（componential model）中的混和算法知覺（mixed arithmetic perceptual，簡(jiǎn)稱為MA-P）模型[26]，Meyer提出的視覺搜索模型（visual search model）[21]，Gillan和Callahan提出的人－圖表交互的成分模型中餅圖的錨定－對(duì)齊－調(diào)整模型（anchor- align-adjust model）[27]，Hollands和Spence提出的用于條圖和餅圖中數(shù)量辨別任務(wù)的遞增估計(jì)模型（the incremental estimation model）[28]，F(xiàn)reedman和Shah提出了基于知識(shí)的圖表理解模型（a model of knowledge-based graph comprehension）[29]以及Katz等人提出的圖表理解中的視覺組塊假說（the visual chunks hypothesis）[30]。
　　3 計(jì)算模型
　　Peebles和Cheng對(duì)基于圖表推理（graph-based reasoning，簡(jiǎn)稱為GBR）的模型予以擴(kuò)展，提出了計(jì)算模型[31,32]。
　　GBR模型（參見文獻(xiàn)[31，32]）類似于Lohse的UCIE的計(jì)算機(jī)程序，不同之處在于它認(rèn)為圖表推理過程中的讀者行為是推理者的知覺技巧、所使用圖表特性和任務(wù)的特定要求三者交互作用的函數(shù)。它假設(shè)，對(duì)于一個(gè)特定的信息提取任務(wù)，有經(jīng)驗(yàn)的讀者將利用一種程序來獲得眼跳序列和對(duì)目標(biāo)任務(wù)的固視信息。最終的掃描路線是否是最優(yōu)的，或多或少依賴于被試有關(guān)圖形的一般知識(shí)、對(duì)任務(wù)類型的熟悉程度以及完成任務(wù)所需的概念和程序。GBR模型也存在一定的局限性：（1）最優(yōu)路線的假設(shè)掩蓋了個(gè)體水平上重要的認(rèn)知和策略因素的影響，例如，在加工的過程中，讀者可能需要權(quán)衡額外的眼動(dòng)與減少工作記憶負(fù)荷的策略性決策；（2）有關(guān)時(shí)間的預(yù)測(cè)停留在陳述性的水平上，需要更強(qiáng)有力的模型來產(chǎn)生定量的結(jié)果。
　　Peebles和Cheng以認(rèn)知理論為基礎(chǔ)，將GBR模型與具體化認(rèn)知（embodied cognition）、執(zhí)行加工/交互控制（executive process/interactive control）和ACT理性知覺運(yùn)動(dòng)（ACT rational perceptual motor）相結(jié)合，提出了圖表理解的計(jì)算模型。這一模型能夠結(jié)合并測(cè)試相關(guān)的認(rèn)知因素（如陳述性和程序性的知識(shí)、所采取的策略和工作記憶的局限性）以及知覺運(yùn)動(dòng)因素（如鼠標(biāo)的運(yùn)動(dòng)和視覺注意的轉(zhuǎn)移）。與其他的認(rèn)知任務(wù)分析方法一樣，計(jì)算理論結(jié)合了成分單元任務(wù)執(zhí)行潛伏期的假設(shè)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)完成單一任務(wù)的時(shí)間。此外，計(jì)算模型還能夠提供解釋任務(wù)的重要的足夠的證據(jù)，包括學(xué)習(xí)機(jī)制，可以模擬練習(xí)對(duì)績(jī)效的影響。
　　計(jì)算模型不僅僅涉及圖表理解中人的認(rèn)知過程，還涉及到人在完成任務(wù)過程中的知覺運(yùn)動(dòng)因素，它將人－圖表－任務(wù)看作一個(gè)系統(tǒng)，在認(rèn)知－人造物－任務(wù)（cognition-artifact- task）的系統(tǒng)框架下來探討人－圖表－任務(wù)之間復(fù)雜的交互行為，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。這一模型對(duì)于簡(jiǎn)單任務(wù)（如，單值提取）績(jī)效的預(yù)測(cè)已經(jīng)相當(dāng)完美，但是它難以預(yù)測(cè)復(fù)雜任務(wù)（如整合任務(wù)、推論任務(wù)）的績(jī)效。
　　4 層次框架模型
　　上面所論述的規(guī)則模型、認(rèn)知過程模型和計(jì)算模型主要集中在從顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)較少的簡(jiǎn)單圖形中進(jìn)行數(shù)據(jù)直接讀�。ㄈ鐔沃底x�。┖蛿�(shù)據(jù)間讀取（如差異比較、確定趨勢(shì)等）的操作。然而，現(xiàn)實(shí)生活中的圖表使用還涉及更復(fù)雜的信息提取過程，如股票分析家和氣象預(yù)報(bào)員不僅要確定當(dāng)前的數(shù)值，還要對(duì)未來的數(shù)值進(jìn)行預(yù)測(cè)[33]。Trickett等人發(fā)現(xiàn)，以往的圖表加工模型能夠準(zhǔn)確地解釋簡(jiǎn)單圖表和復(fù)雜圖表中的數(shù)據(jù)直接讀取問題；但是當(dāng)應(yīng)用于整合問題時(shí)，在解釋讀者如何從含有多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的復(fù)雜圖表中整合信息進(jìn)行數(shù)據(jù)間讀取，特別是對(duì)數(shù)據(jù)間讀取的任務(wù)績(jī)效進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)出現(xiàn)了困難；此外，更重要的是以往的圖表加工模型也不能解釋推論過程，因?yàn)橥普撔枰�讀者超越外顯呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)外讀取[18]。
　　針對(duì)以往圖表加工理論模型的不足，Ratwani等人提出了層次框架模型（hierarchical framework model）[17,34,35]。這一模型認(rèn)為，（1）從圖表中提取信息的復(fù)雜性是有層次的，數(shù)值讀取是最簡(jiǎn)單的信息提取任務(wù)，其次是整合與推論；（2）提取不同類型信息所需要的認(rèn)知過程隨著任務(wù)的難度以層次的形式逐漸提高的，讀取數(shù)值是最基本的信息提取任務(wù)，復(fù)雜的信息整合任務(wù)除了需要簡(jiǎn)單地讀取信息之外，還需要進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換（spatial transformation）�？臻g轉(zhuǎn)換是指對(duì)圖表的數(shù)據(jù)進(jìn)行的心理操作，例如，為了做出比較，需要在心理上將一條線移動(dòng)到另一條線上，空間轉(zhuǎn)換允許圖表讀者結(jié)合圖表的不同區(qū)域，這一操作可以幫助讀者比較量值和預(yù)測(cè)趨勢(shì)[18]，F(xiàn)eeney和Webber也指出，人們?cè)趫?zhí)行圖表理解任務(wù)時(shí)，應(yīng)該盡可能自發(fā)地產(chǎn)生與空間特性有關(guān)的模擬表征（analogical representation）[36]；（3）為了做出推論，圖表讀者不僅要使用整合過程，還需要使用模式外推（pattern extrapolation）和心理模型（mental model）。模式外推是指圖表讀者先考察已知的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后在這些數(shù)據(jù)點(diǎn)所組成模式的基礎(chǔ)上做出推論；心理模型也能夠用來做出推論。Trafton等人表明，當(dāng)從可視化的氣象圖中做出推論時(shí)，氣象專家能夠形成定性的心理模型[33]；（4）其他的一些因素如知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)知努力等也會(huì)影響心理操作的執(zhí)行。盡管層次框架模型指出圖表讀者在提取不同類型的信息時(shí)會(huì)使用不同的認(rèn)知過程，但這并不是必然的，由于認(rèn)知經(jīng)濟(jì)原則，圖表讀者會(huì)盡可能地使用最簡(jiǎn)單的過程去提取所需要的信息。例如，當(dāng)整合信息時(shí)，如果可能的話，圖表讀者主要還是使用讀取信息的操作，因?yàn)樽x取信息是最簡(jiǎn)單的信息提取方式，與空間轉(zhuǎn)換相比需要的認(rèn)知努力非常少。
　　圖表加工的層次框架理論目前還處在起步階段，還有許多的問題需要解決。例如圖表讀者是如何從不同類型的圖表中獲取信息的？如何整合這些信息并做出推論的？在獲取信息、整合信息并做出推論的過程中進(jìn)行了哪些心理操作？獲取信息、整合信息和做出推論所需要的心理操作有何區(qū)別與聯(lián)系？讀者如何進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換？如何形成心理模型？后續(xù)的研究有必要結(jié)合口語報(bào)告和視線追蹤技術(shù)，進(jìn)一步探討上述問題，以完善現(xiàn)有的理論。
　　5 小結(jié)
　　綜上所述，圖表加工理論的發(fā)展可以分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段提出了規(guī)則模型、認(rèn)知過程模型和計(jì)算模型。最初的規(guī)則模型側(cè)重于圖表設(shè)計(jì)的原則，由強(qiáng)調(diào)圖表顯示的視覺特性（分析模型）發(fā)展到強(qiáng)調(diào)圖表和任務(wù)的關(guān)系（兼容模型）。認(rèn)知過程模型側(cè)重于圖表理解涉及的認(rèn)知過程，由定性的認(rèn)知過程描述（Pinker的圖表理解理論和Carpenter等人的知覺與概念加工模型）發(fā)展到認(rèn)知過程的定量預(yù)測(cè)（Lohse的UCIE的計(jì)算機(jī)程序和Peeble等人的計(jì)算模型）。計(jì)算模型不僅強(qiáng)調(diào)了對(duì)認(rèn)知過程的定量預(yù)測(cè)，而且在人－圖表－任務(wù)這一廣闊的背景下來考察人－圖表之間的交互作用。到目前為止，第一階段的發(fā)展成果卓著，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖表理解過程的定量預(yù)測(cè)和計(jì)算機(jī)模擬。第二個(gè)階段提出了層次框架模型。這一模型是第一階段模型的擴(kuò)展，目前還剛剛起步，側(cè)重于從復(fù)雜圖表中來提取信息并做出推論以回答高度整合的任務(wù)，代表了未來圖表加工理論的發(fā)展趨勢(shì)。因此，在未來的研究工作中，在完善定量顯示的信息提取模型的同時(shí)，有必要把工作重心轉(zhuǎn)移到發(fā)展與完善層次框架模型上。圖表加工研究的未來發(fā)展方向?qū)⒖赡苤饕�表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。
　　首先，在研究廣度方面，所研究的圖表不再僅僅局限于靜態(tài)的、二維的、簡(jiǎn)單的圖表。目前，已有少數(shù)研究者開始涉及動(dòng)態(tài)的[37]、三維的[38]、復(fù)雜的[39]（如動(dòng)畫、股票走勢(shì)圖、天氣預(yù)報(bào)圖等）圖表研究。在未來的研究中，研究者可能會(huì)更關(guān)注對(duì)動(dòng)態(tài)的、三維的、復(fù)雜的圖表的研究，考察圖表讀者在動(dòng)態(tài)的、三維的、復(fù)雜的圖表中提取、加工和推論信息的特點(diǎn)和規(guī)律。同時(shí)，由于所研究圖表復(fù)雜性的增加，需要注重圖表讀者的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)圖表加工的影響。專家具備專業(yè)知識(shí)的優(yōu)勢(shì)，他們對(duì)圖表中信息的獲取、加工特別是做出推論的方式可能不同于新手，這也是未來研究需要探討的一個(gè)問題。
　　其次，在研究深度方面，從重視圖表閱讀績(jī)效轉(zhuǎn)向探索圖表表征機(jī)制，以及圖表和文本信息的整合機(jī)制。以往研究試圖尋求適合不同任務(wù)的最佳的圖表顯示方式，而很少關(guān)注圖表表征的機(jī)制。圖表是一種重要的信息表征方式，對(duì)圖表表征機(jī)制的探索必定能進(jìn)一步深化人們對(duì)圖表加工過程的理解，而且人們對(duì)圖表的加工與對(duì)其他相關(guān)的信息（如文本信息、音頻信息等）的加工關(guān)系密切，因此，未來的研究不僅要考察圖表表征機(jī)制，也要考察與之相關(guān)的背景信息或上下文信息的作用。近期研究已開始涉及圖表和文本信息的整合機(jī)制問題。Hegarty曾給被試呈現(xiàn)描述滑輪系統(tǒng)的文本和圖片，觀察其注視點(diǎn)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被試閱讀有圖片伴隨的文本時(shí)，其理解過程在很大程度上是以文本導(dǎo)向的，觀察圖片是為了構(gòu)建他們?cè)谧罱�閱讀文本的過程中獲得的信息的表征[40]。Rayner等人考察了被試閱讀印刷廣告（既有文本，也有圖片信息）的過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，被試并沒有在廣告的圖片和文本之間交替注視，而是傾向于先閱讀大的印刷區(qū)，然后閱讀小的印刷區(qū)，最后才看圖片[41]。
　　最后，在研究方法方面，將綜合運(yùn)用多重?cái)?shù)據(jù)采集技術(shù)。在研究的初期階段，可以采用觀察、問卷和訪談等傳統(tǒng)的方法來了解在不同任務(wù)條件下讀者對(duì)圖表形式的需求。在正式實(shí)驗(yàn)階段，可以采用嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)室研究，記錄被試回答相關(guān)問題的反應(yīng)時(shí)、正確率。在未來對(duì)復(fù)雜圖表加工的研究中，還將重視使用口語報(bào)告和視線追蹤技術(shù)，甚至對(duì)被試完成任務(wù)的行為攝像，然后進(jìn)行動(dòng)作分析�？谡Z報(bào)告盡管有其不足之處，但是在研究讀者有意識(shí)的信息獲取、加工等高級(jí)的心理過程方面仍然具有一定的優(yōu)勢(shì)。重要的是，我們可以將讀者的口語報(bào)告作為一個(gè)指標(biāo)，與其他的客觀指標(biāo)如反應(yīng)時(shí)、正確率相結(jié)合，以探討讀者獲取、加工信息的特點(diǎn)和規(guī)律。視線追蹤技術(shù)能夠?qū)ψx者認(rèn)知活動(dòng)提供相對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)測(cè)量，在探討讀者獲取、加工和推論圖表信息的細(xì)節(jié)方面有其優(yōu)勢(shì)。在研究過程中，可以記錄被試在圖表不同區(qū)域的注視持續(xù)時(shí)間、注視次數(shù)、區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間的眼跳距離、掃描路線等指標(biāo)。研究表明，讀者在獲取、加工和推論圖表信息的過程中有其相應(yīng)的眼動(dòng)模式，不同的眼動(dòng)模式反映了被試加工過程中的不同狀態(tài)。例如，注視時(shí)間的長(zhǎng)短、注視次數(shù)的多少在一定程度上能夠反映被試加工信息時(shí)認(rèn)知負(fù)荷的高低，眼跳的距離在某種程度上能夠反映被試的知覺廣度和所要加工的信息密度[41]。根據(jù)讀者的眼動(dòng)模式可以揭示圖表加工過程中所包含的認(rèn)知成分，從而增進(jìn)人們對(duì)圖表加工過程的理解。
　　
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　　Review on Graph and Table Processing Theories
　　
　　Ren Yanju 1,2Fu Xiaolan 1
　　(1 State Key Laboratory of Brain and Cognitive Science, Institute of Psychology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
　　(2 Graduate School, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)
　　
　　Abstract: Graph and table, as important information representation modes, had been applied broadly. Graph and table processing refer to human cognitive processing of information in graph and table. Firstly, the article reviewed rule model, cognitive process model, and computational model; secondly, it commented the hierarchical framework model which had been put forward in 2004; and finally, it summarized the graph and table processing theories and pointed out research directions in the future.
　　Key words: graph and table processing, rule model, cognitive process model, computational model, hierarchical framework model.
　　
　　收稿日期：2005-03-03
　　 本研究得到中國科技部973項(xiàng)目（2002CB312103）、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（60433030）和面上項(xiàng)目（30270466）、中國科學(xué)院心理研究所創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（0302037）經(jīng)費(fèi)支持。
　　通訊作者：傅小蘭，E-mail：fuxl@psych.省略

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