Prostorové schopnosti - Spatial ability

Vesmírní inženýři videohra: 3D prostorová navigace

Prostorové schopnosti nebo visuoprostorová schopnost je schopnost porozumět, uvažovat a pamatovat si prostorové vztahy mezi objekty nebo prostorem.[1]

Vizuálně prostorové schopnosti se používají pro každodenní použití od navigace, porozumění nebo upevnění vybavení, porozumění nebo odhadu vzdálenosti a měření a výkonu v práci. Pro úspěch v oblastech, jako je sport, technická zdatnost, matematika, přírodní vědy, inženýrství ekonomické prognózy, meteorologie, chemie a fyzika.[2][3] Nejen, že prostorové schopnosti zahrnují porozumění vnějšímu světu, ale zahrnují také zpracování vnějších informací a uvažování s nimi prostřednictvím reprezentace v mysli.

Definice a typy

Prostorová schopnost je schopnost porozumět, uvažovat a pamatovat si prostorové vztahy mezi objekty nebo prostorem.[1] Existují čtyři běžné typy prostorových schopností, které zahrnují prostorové nebo vizuoprostorové vnímání, prostorovou vizualizaci, mentální skládání a mentální rotace.[4] Každá z těchto schopností má jedinečné vlastnosti a význam pro mnoho typů úkolů, ať už v určitých zaměstnání nebo v každodenním životě. Například prostorové vnímání je definováno jako schopnost vnímat prostorové vztahy s ohledem na orientaci těla navzdory rušivým informacím.[5] Mentální rotace na druhé straně je mentální schopnost rychle a přesně manipulovat a otáčet 2D nebo 3D objekty v prostoru.[4] Nakonec je prostorová vizualizace charakterizována jako komplikovaná vícestupňová manipulace s prostorově prezentovanými informacemi.[5] Tyto tři schopnosti jsou zprostředkovány a podporovány čtvrtým prostorovým kognitivním faktorem známým jako prostorová pracovní paměť. Prostorová pracovní paměť je schopnost dočasně uložit určité množství vizuálně-prostorových vzpomínek pod kontrolou pozornosti za účelem dokončení úkolu.[6] Tato kognitivní schopnost zprostředkovává individuální rozdíly v kapacitě prostorových schopností na vyšší úrovni, jako je mentální rotace.

Prostorové vnímání

Akční střílečka: Využití prostorových percepčních dovedností

Prostorové vnímání je definováno jako schopnost vnímat prostorové vztahy s ohledem na orientaci těla navzdory rušivým informacím.[4] Spočívá v schopnosti vnímat a vizuálně porozumět vnějším prostorovým informacím, jako jsou vlastnosti, vlastnosti, měření, tvary, poloha a pohyb.[7] Například když se člověk pohybuje hustým lesem, využívá prostorové vnímání a vědomí. Dalším příkladem je, když se snaží porozumět vztahům a mechanice uvnitř automobilu, spoléhají na své prostorové vnímání, aby pochopili jeho vizuální rámec. Testy, které měří prostorové vnímání, zahrnují zkouška na tyči a rámu, kde subjekty musí umístit tyč svisle při sledování orientace rámečku v úhlu 22 stupňů, nebo úkol hladiny vody, kde subjekty musí nakreslit nebo identifikovat vodorovnou čáru v nakloněné lahvi.[5]

Prostorové vnímání je také velmi důležité ve sportu. Studie to například zjistila kriket hráči, kteří byli rychlejší v získávání informací z krátce prezentovaných vizuálních zobrazení, byli ve skutečné hře výrazně lepšími pálkaři.[8] Studie z roku 2015 zveřejněná v Journal of Vision zjistili, že fotbalisté měli vyšší vnímavost pro kinematiku těla, jako je zpracování multitaskingových davových scén, které zahrnují chodce přecházející přes ulici nebo složité dynamické vizuální scény.[9] Další studie zveřejněná v Journal of Human Kinetics na šermu sportovci zjistili, že úroveň úspěchu vysoce korelovala s prostorovými percepčními dovednostmi, jako je vizuální diskriminace, vizuálně prostorové vztahy, vizuální sekvenční paměť, úzké zaměření pozornosti a zpracování vizuálních informací.[10] Recenze publikovaná v časopise Neuropsychologie zjistili, že prostorové vnímání zahrnuje přisuzování významu objektu nebo prostoru, takže jejich smyslové zpracování je ve skutečnosti součástí sémantického zpracování příchozích vizuálních informací.[11] Přezkum rovněž zjistil, že prostorové vnímání zahrnuje: lidský vizuální systém v mozku a temenní lalůček který je zodpovědný za vizuomotorické zpracování a vizuálně cílené jednání.[11] Studie také zjistily, že jednotlivci, kteří hráli střílečky z pohledu první osoby, měli lepší prostorové vjemové dovednosti, jako je rychlejší a přesnější výkon v periferním a identifikačním úkolu, zatímco současně prováděli centrální vyhledávání.[12] Vědci navrhli, že kromě zvýšení schopnosti rozdělit pozornost hraní akčních her významně zvyšuje percepční dovednosti, jako je vedení pozornosti shora dolů k možným cílovým místům.[12]

Mentální rotace

Rubikova kostka: populární logická hra, která zahrnuje 3D mentální rotaci

Mentální rotace je schopnost mentálně reprezentovat a točit se 2D a 3D objekty v prostoru rychle a přesně, zatímco vlastnosti objektu zůstávají nezměněny. Mentální reprezentace fyzických objektů mohou pomoci využít řešení problémů a porozumění. Například Hegarty (2004) ukázal, že lidé manipulují mentální reprezentace za účelem uvažování o mechanických problémech, například o tom, jak fungují ozubená kola nebo kladky.[13] Podobně Schwartz a Black (1999) zjistili, že provádění takových mentálních simulací, jako je nalévání vody, zlepšuje dovednost lidí najít řešení otázek týkajících se množství náklonu požadovaného pro kontejnery různých výšek a šířek.[13] V oblasti psychologie sportu trenéři různých sportů (např. Basketbal, gymnastika, fotbal nebo golf) podporovali hráče v používání mentálních obrazů a manipulace jako jedné techniky výkonu ve své hře. (Jones & Stuth, 1997)[13] Nedávný výzkum (např. Cherney, 2008) také prokázal důkazy o tom, že hraní videoher konzistentním tréninkem může zlepšit dovednosti mentální rotace, například zlepšení skóre žen po tréninku pomocí hry, která zahrnovala závod v prostředí 3D.[13] Stejné efekty byly pozorovány při hraní akčních videoher, jako je Neskutečný turnaj stejně jako populární mainstreamová hra Tetris.[14] Vykružovačka hádanky a Rubikova kostka jsou také činnosti, které zahrnují vyšší úroveň mentální rotace a lze je praktikovat za účelem zlepšení prostorových schopností v průběhu času.[15][16][17]

Mentální rotace je také jedinečná a odlišná od ostatních prostorových schopností, protože zahrnuje také související oblasti motorická simulace v mozku.[18]

Prostorová vizualizace

Prostorová vizualizace je charakterizována jako komplikovaná vícestupňová manipulace s prostorově prezentovanými informacemi.[5] To zahrnuje vizuální snímky což je schopnost mentálně reprezentovat vizuální vzhled objektu a prostorové snímky který sestává z mentálního znázornění prostorových vztahů mezi částmi nebo místy objektů nebo pohybů.[19]

Prostorová vizualizace je obzvláště důležitá v oblastech vědy a techniky. Například astronom musí mentálně vizualizovat struktury sluneční soustavy a pohyby objektů v ní.[2] Inženýr mentálně vizualizuje interakce částí stroje nebo budovy, kterým jsou přiřazeny k návrhu nebo práci.[2] Chemici musí být schopni porozumět vzorcům, které lze považovat za abstraktní modely molekul s odstraněnou většinou prostorových informací; prostorové dovednosti jsou důležité pro obnovení těchto informací, když jsou ve vzorcích potřebné podrobnější mentální modely molekul.[2]

Prostorová vizualizace zahrnuje také představování a práci s vizuálními detaily měření, tvarů, pohybu, vlastností a vlastností pomocí mentálních obrazů a pomocí těchto prostorových vztahů k odvození porozumění problému. Zatímco prostorové vnímání zahrnuje porozumění zvenčí prostřednictvím smyslů, prostorová vizualizace je porozumění vnitřně prostřednictvím mentálních obrazů v mysli člověka.

Další kritický schopnost prostorové vizualizace je mentální animace.[20] Mentální animace je mentální vizualizace pohybu a pohybu komponent v jakékoli formě systému nebo obecně.[20] Je to schopnost velmi důležitá v mechanickém uvažování a porozumění, například mentální animace při mechanických úkolech může zahrnovat mentální dekonstrukci kladkového systému na menší jednotky a jejich animaci v odpovídajícím pořadí nebo zákonech v mechanickém systému.[21] Stručně řečeno, mentální animace je mentální představa, jak fungují mechanické objekty, analýzou pohybu jejich menších částí.

Mentální skládání je komplexní prostorová vizualizace, která zahrnuje skládací 2D vzoru nebo materiálu do 3D objektů a reprezentací.[22] Ve srovnání s jinými studiemi má mentální skládání relativně malý výzkum a studie. Ve srovnání s mentální rotací je mentální skládání netuhá prostorová transformační schopnost, což znamená, že vlastnosti manipulovaného objektu se nakonec na rozdíl od mentální rotace mění. Při rigidních manipulacích se samotný objekt nemění, ale spíše jeho prostorová poloha nebo orientace, zatímco u netuhých transformací, jako je mentální skládání, se mění objekt a tvary.[23] Mentální skládání v úkolech obvykle vyžaduje řadu mentálních rotací, aby se objekt postupně složil do nového. Klasické mentální skládací testy jsou úkolem skládání papíru, který je podobný Origami. Origami také vyžaduje mentální skládání tím, že vyhodnotí skládání 2D papíru tolikrát, aby vytvořilo 3D postavu.[22]

Vizuální penetrační schopnost je nejméně běžný úkol prostorové vizualizace, který zahrnuje schopnost představit si, co je uvnitř objektu, na základě vnějších rysů.[24]

Prostorová pracovní paměť

Prostorová pracovní paměť je schopnost dočasně ukládat vizuálně-prostorové paměti pod kontrola pozornosti za účelem dokončení úkolu.[6] Tato kognitivní schopnost zprostředkovává individuální rozdíly v kapacitě prostorových schopností na vyšší úrovni, jako je mentální rotace. Prostorová pracovní paměť zahrnuje ukládání velkého množství krátkodobých prostorových pamětí ve vztahu k visuoprostorovému náčrtu. Používá se při dočasném ukládání a manipulaci s vizuálně-prostorovými informacemi, jako je zapamatování tvarů, barev, umístění nebo pohybu objektů v prostoru. Podílí se také na úkolech, které spočívají v plánování prostorových pohybů, jako je plánování cesty složitou budovou. Visuospatial sketchpad lze rozdělit na samostatné vizuální, prostorové a případně kinestetické (pohybové) komponenty. Jeho neurobiologická funkce také koreluje uvnitř pravé strany polokoule mozku.[25]

Odborné aplikace

Vědci zjistili, že prostorové schopnosti hrají důležitou roli v pokročilých vzdělávacích pověřeních v oblasti vědy, techniky, inženýrství nebo matematiky (STEM).[26][27] Ze studií vyplývá, že pravděpodobnost získání vyššího stupně v oboru STEM se zvyšuje v pozitivním vztahu k úrovni prostorových schopností člověka. Například studie z roku 2009 zveřejněná v Časopis pedagogické psychologie zjistilo, že 45% osob s ZASTAVIT Doktorandi byli v rámci nejvyššího procenta vysokých prostorových schopností ve skupině 400 000 účastníků, kteří byli analyzováni po dobu 11 let, protože byli ve 12. ročníku.[26] Pouze méně než 10% pacientů s ZASTAVIT PhD byli v období dospívání pod horní čtvrtinou prostorových schopností.[26] Vědci poté dospěli k závěru, jak důležité jsou prostorové schopnosti ZASTAVIT a jako faktor k dosažení pokročilého vzdělávacího úspěchu v této oblasti.[26]

Prostorová vizualizace je zvláště důležitá v Věda a technologie. Například an astronom si musí vizuálně představit struktury sluneční soustavy a dráhu těl v ní.[2] Inženýr si musí vizuálně představit pohyby částí stroje nebo budovy, kterým jsou přiřazeny.[2] Chemici musí být schopni porozumět vzorcům, které jsou v podstatě abstraktními modely, které mají představovat prostorovou dynamiku molekul, a proto jsou prostorové dovednosti důležité při vizualizaci modelů molekul, které jsou ve vzorcích potřebné.[2] Schopnost prostorové manipulace je také důležitá v oblasti strukturní geologie, když si vizuálně představujeme, jak se horniny mění v čase, jako je migrace tělesa magmatu kůrou nebo postupné skládání strati-grafické posloupnosti. Další dovednost prostorové vizualizace známá jako vizuální penetrační schopnost je v geologii důležitý, protože vyžaduje, aby geologové na základě minulých znalostí vizualizovali, co je uvnitř pevného objektu.[24]

Současná literatura také naznačuje, že matematika zahrnuje visuoprostorové zpracování. Studie zjistily, že například nadaní studenti matematiky mají v prostorové vizualizaci lepší výsledky než studenti bez nadání.[19] Recenze z roku 2008 zveřejněná v časopise Neurovědy Biobehaviourální recenze našel důkaz, že visuoprostorové zpracování je intuitivně zapojeno do mnoha aspektů zpracování čísel a výpočtu v matematice. Například význam číslice ve víceciferném čísle je kódován podle prostorové informace vzhledem k jejímu vztahu k poloze v čísle.[28] Další studie zjistila, že numerický odhad se může při odvozování odpovědi spolehnout na integraci různých vizuálně-prostorových podnětů (průměr, velikost, umístění, měření).[29] Studie publikovaná v roce 2014 také našla důkaz, že matematický výpočet se spoléhá na integraci různých prostorových procesů.[30] Další studie z roku 2015 publikovaná v časopise Hranice v psychologii také zjistili, že číselné zpracování a aritmetický výkon se mohou spolehnout na vizuální vnímavost.[31]

Studie z roku 2007 publikovaná v časopise Kognitivní věda také zjistili, že pro řešení je zásadní schopnost prostorové vizualizace kinematický problémy ve fyzice. Současná literatura nicméně naznačuje, že prostorové schopnosti, zejména mentální rotace, jsou zásadní pro dosažení úspěchu v různých oblastech chemie, inženýrství a fyziky.[3][32]

Viz také

externí odkazy

Reference

  1. ^ A b „Prostorová schopnost“ (PDF). www.jhu.edu. Univerzita Johna Hopkinse.
  2. ^ A b C d E F G Univerzita Johna Hopkinse. „Co je to prostorová schopnost?“ (PDF). Univerzita Johna Hopkinse.
  3. ^ A b (nás), Národní akademie věd; (us), National Academy of Engineering; Engineering and and Institute of Medicine (US) Committee on Maximizing the Potential of Women in Academic Science and (2006-01-01). „Ženy ve vědě a matematice“. National Academies Press (USA). Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  4. ^ A b C Donnon, Tyrone; DesCôteaux, Jean-Gaston; Violato, Claudio (01.10.2005). „Dopad kognitivního zobrazování a rozdílů mezi pohlavími na rozvoj laparoskopických dovedností sešívání“. Canadian Journal of Surgery. 48 (5): 387–393. ISSN  0008-428X. PMC  3211902. PMID  16248138.
  5. ^ A b C d Linn, Marcia C .; Petersen, Anne C. (1985). „Vznik a charakterizace pohlavních rozdílů v prostorové schopnosti: metaanalýza“. Vývoj dítěte. 56 (6): 1479–1498. doi:10.1111 / j.1467-8624.1985.tb00213.x.
  6. ^ A b Shelton, Jill T .; Elliott, Emily M .; Hill, B. D .; Calamia, Matthew R .; Gouvier, Wm. Drew (2009-05-01). „Srovnání testů laboratorní a klinické pracovní paměti a jejich predikce fluidní inteligence“. inteligence. 37 (3): 283. doi:10.1016 / j.intell.2008.11.005. ISSN  0160-2896. PMC  2818304. PMID  20161647.
  7. ^ Simmons, Alison (2003). „Prostorové vnímání z kartézského hlediska“ (PDF). Filozofická témata. 31.
  8. ^ Deary, I. J .; Mitchell, H. (01.01.1989). „Čas kontroly a vysokorychlostní míčové hry“. Vnímání. 18 (6): 789–792. doi:10.1068 / p180789. ISSN  0301-0066. PMID  2628929.
  9. ^ Romeas, Thomas; Faubert, Jocelyn (01.09.2015). „Hodnocení sportovně specifického a nespecifického biologického vnímání pohybu u fotbalových sportovců ukazuje zásadní výhodu vjemové schopnosti oproti ne-sportovcům pro rozpoznání tělesné kinematiky“. Journal of Vision. 15 (12): 504. doi:10.1167/15.12.504. ISSN  1534-7362.
  10. ^ Hijazi, Mona Mohamed Kamal (2013-12-31). „Pozornost, vizuální vnímání a jejich vztah ke sportovnímu výkonu v oplocení“. Journal of Human Kinetics. 39: 195–201. doi:10,2478 / hukin-2013-0082. ISSN  1640-5544. PMC  3916930. PMID  24511355.
  11. ^ A b Jeannerod, M .; Jacob, P. (01.01.2005). „Visual cognition: a new look at the two-visual systems model“ (PDF). Neuropsychologie. 43 (2): 301–312. doi:10.1016 / j.neuropsychologia.2004.11.016. ISSN  0028-3932. PMID  15707914.
  12. ^ A b Wu, Peking; Spence, Ian (01.05.2013). „Hraní stříleček a řízení videohier zlepšuje vedení shora dolů při vizuálním hledání“. Pozornost, vnímání a psychofyzika. 75 (4): 673–686. doi:10,3758 / s13414-013-0440-2. ISSN  1943-393X. PMID  23460295.
  13. ^ A b C d „Laboratoř psychologie online - o duševní rotaci“. opl.apa.org. Citováno 2016-01-09.
  14. ^ Latham, Andrew J .; Patston, Lucy L. M .; Tippett, Lynette J. (2013-09-13). „Virtuální mozek: 30 let hraní videoher a kognitivních schopností“. Hranice v psychologii. 4: 629. doi:10.3389 / fpsyg.2013.00629. ISSN  1664-1078. PMC  3772618. PMID  24062712.
  15. ^ Levine, S.C .; Ratliff, K.R .; Huttenlocher, J .; Cannon, J. (01.03.2012). „Early Puzzle Play: Prediktor schopnosti prostorové transformace předškoláků“. Vývojová psychologie. 48 (2): 530–542. doi:10.1037 / a0025913. ISSN  0012-1649. PMC  3289766. PMID  22040312.
  16. ^ Baron-Cohen, Simon; Ashwin, Emma; Ashwin, Chris; Tavassoli, Teresa; Chakrabarti, Bhismadev (2009-05-27). „Talent v autismu: hyper-systemizace, hyper-pozornost k detailu a smyslová přecitlivělost“. Filozofické transakce Královské společnosti B: Biologické vědy. 364 (1522): 1377–1383. doi:10.1098 / rstb.2008.0337. ISSN  0962-8436. PMC  2677592. PMID  19528020.
  17. ^ Hopkins, J. Roy (10.05.2014). Adolescence: The Transitional Years. Akademický tisk. ISBN  9781483265650.
  18. ^ Zacks, Jeffrey M. (01.01.2008). „Neuroimagingové studie mentální rotace: metaanalýza a recenze“. Journal of Cognitive Neuroscience. 20 (1): 1–19. doi:10.1162 / jocn.2008.20013. ISSN  0898-929X. PMID  17919082.
  19. ^ A b Van Garderen, Delinda (2006). „Prostorová vizualizace, vizuální snímky a matematické řešení problémů studentů s různými schopnostmi“ (PDF). Journal of Learning Disabilities. 39 (6).
  20. ^ A b Sims, V. K .; Hegarty, M. (01.05.1997). „Mentální animace ve visuospatial sketchpad: důkazy ze studií se dvěma úkoly“. Paměť a poznání. 25 (3): 321–332. doi:10.3758 / bf03211288. ISSN  0090-502X. PMID  9184484.
  21. ^ Hegarty, M. (01.09.1992). "Mentální animace: odvození pohybu ze statických zobrazení mechanických systémů". Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition. 18 (5): 1084–1102. CiteSeerX  10.1.1.167.8298. doi:10.1037/0278-7393.18.5.1084. ISSN  0278-7393. PMID  1402712.
  22. ^ A b Glass, Leila; Krueger, Frank; Solomon, Jeffrey; Raymont, Vanessa; Grafman, Jordan (01.07.2013). „Výkon skládání mentálního papíru po proniknutí traumatického poranění mozku u bojových veteránů: studie mapující lézi“. Mozková kůra. 23 (7): 1663–1672. doi:10.1093 / cercor / bhs153. ISSN  1047-3211. PMC  3673178. PMID  22669970.
  23. ^ Harris, Justin; Hirsh-Pasek, Kathy; Newcombe, Nora S. (2013-05-01). "Porozumění prostorovým transformacím: podobnosti a rozdíly mezi mentální rotací a mentálním skládáním". Kognitivní zpracování. 14 (2): 105–115. doi:10.1007 / s10339-013-0544-6. ISSN  1612-4790. PMID  23397105.
  24. ^ A b Titus, Sarah (2009). "Charakterizace a zlepšení dovedností prostorové vizualizace". Journal of Geoscience Education. 57 (4): 242–254. Bibcode:2009JGeEd..57..242T. doi:10.5408/1.3559671.
  25. ^ Baddeley, A.D. (2000). "Epizodická vyrovnávací paměť: nová součást pracovní paměti?". Trendy v kognitivních vědách. 4 (11): 417–423. doi:10.1016 / S1364-6613 (00) 01538-2. PMID  11058819.
  26. ^ A b C d Wai, Jonathan (2009). „Prostorová schopnost pro STEM domény: sladění více než 50 let kumulativních psychologických znalostí posiluje jejich význam“ (PDF). Časopis pedagogické psychologie. 101 (4): 817–835. doi:10.1037 / a0016127.
  27. ^ Tosto, Maria Grazia; Hanscombe, Ken B .; Haworth, Claire M.A .; Davis, Oliver S.P .; Petrill, Stephen A .; Dale, Philip S .; Malykh, Sergey; Plomin, Robert; Kovas, Yulia (01.05.2014). „Proč prostorové schopnosti předpovídají matematický výkon?“. Vývojová věda. 17 (3): 462–470. doi:10.1111 / popis.12138. ISSN  1363-755X. PMC  3997754. PMID  24410830.
  28. ^ de Hevia, Maria Dolores; Vallar, Giuseppe; Girelli, Luisa (01.10.2008). „Vizualizace čísel v oku mysli: role vizuoprostorových procesů v numerických schopnostech“. Neurovědy a biobehaviorální recenze. 32 (8): 1361–1372. doi:10.1016 / j.neubiorev.2008.05.015. ISSN  0149-7634. PMID  18584868.
  29. ^ Gebuis, Titia; Reynvoet, Bert (01.01.2012). „Role vizuálních informací při odhadu numerosity“. PLOS ONE. 7 (5): e37426. Bibcode:2012PLoSO ... 737426G. doi:10.1371 / journal.pone.0037426. ISSN  1932-6203. PMC  3355123. PMID  22616007.
  30. ^ Marghetis, Tyler; Núñez, Rafael; Bergen, Benjamin K. (01.01.2014). "Ruční aritmetika: pohyby rukou během přesné aritmetiky odhalí systematické, dynamické prostorové zpracování". Quarterly Journal of Experimental Psychology. 67 (8): 1579–1596. doi:10.1080/17470218.2014.897359. ISSN  1747-0226. PMID  25051274.
  31. ^ Zhou, Xinlin; Wei, Wei; Zhang, Yiyun; Cui, Jiaxin; Chen, Chuansheng (01.01.2015). „Vizuální vnímání může odpovídat za úzký vztah mezi zpracováním numerosity a výpočetní plynulostí“. Hranice v psychologii. 6: 1364. doi:10.3389 / fpsyg.2015.01364. ISSN  1664-1078. PMC  4563146. PMID  26441740.
  32. ^ Ha, Oai; Fang, Ning (2016). „Prostorová schopnost ve výuce technických mechanismů: kritická recenze“. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice. 142 (2): 04015014. doi:10.1061 / (ASCE) EI.1943-5541.0000266. Citováno 2016-01-15.