【图形拓扑性质对相似性判断和分类的影响】拓扑结构
摘要使用Stevens数量估计法研究了限时和不限时呈现材料条件下，图形的平面几何特征和拓扑特征对相似性判断及分类的影响。
结果表明：（1）材料特征对图形的相似性估计的影响显著，平面几何特征的差异对应着更大的差异估计量。
（2）呈现方式对平面几何特征差异的估计影响大，而并不影响对拓扑差异的估计。
（3）男性对拓扑特征差异的估计较女性大；对平面几何特征差异的估计没有显著的性别差异。
（4）不限时呈现时被试倾向于按平面几何特征分类；限时呈现时倾向于按拓扑特征分类。
分类号B842.5 1引言 分类研究实质上是对概念的获得和改变、概念的心理结构以及概括能力的研究。
分类是一项非常重要的认知活动。
当人们面对一个新的事物、问题或情境时，总是先把它归入某一类别，然后运用这一类别的有关知识决定采取何种行动。
因此分类可以使人们通达和运用有关类别的知识解决问题,分类在我们的现实生活中有着重要作用[1]。
在儿童的早期发展阶段，物体的形状和颜色比高度和宽度在分类时更突出[2]。
有学者的研究发现变化属性差异对儿童类标准选择的影响,存在着由按大小分类倾向向按形状分类倾向转变的趋势[3]。
但知觉特征有诸多方面，选择哪些方面作为类别标准，或者说个体已有的知觉特征的类别标准，其最基本的核心特征是哪些知觉特征是一个值得探讨的问题。
拓扑几何学不考虑图形大小的差异，只关心区域的封闭或开放、有界或无界、单连通或多连通，所以也被称为橡皮膜几何学。
例如，如果某个区域内的任意一点能够和其他区域的点相连通，那么称之为“连通”的区域。
图形拓扑等价的标准是通过一个连续变换的过程，如伸展或弯曲，只要没有改变区域内的连通关系。
在拓扑学上，圆、椭圆、规则的或不规则的任何边数的多边形都没有差异。
同样，球体、立方体、柱体和锥体之间，也没有差异。
有研究提出，视知觉组织的心理现象是视觉过程初期检测大范围拓扑性质的普遍而基本的功能反映[4]。
视知觉对拓扑差异更加敏感[5,6]，而且在此基础上提出封闭性和图形结构的优势效应、连通性和内容关系效应等[7,8]。
大量的实验结果一致地支持拓扑性质知觉的理论假设――与局部几何性质相比，拓扑性质发生在视知觉过程的早期[9,10]。
另一方面，有的实验也表明，注意对不同几何性质检测的影响可能来自于它们在知觉过程中的时间差异，在知觉过程中较早发生的处理，如拓扑性质的检测，受注意的影响较小；而发生较晚的过程，如局部几何性质的检测，受注意的影响较大[11]。
这些结果提示我们，材料的拓扑特征对知觉的决定作用是具有先决性的，那么这些拓扑特征对依据知觉相似性进行的分类具有怎样的作用呢？在分类这种在特定任务下进行的从知觉到概括的活动中，个体是否依据材料的拓扑特征形成类别标准呢？这就是本研究希望探讨的问题。
此外，有人通过实验研究探讨了心理差异量对分类活动的影响[12]，提出“心理差异”这一名词，并用反应时间这一指标为心理差异进行了量化。
这也从研究方法和材料上提供了新的思路。
基于这种看法，众多关于分类活动的研究结果相互矛盾现象可能都源于实验材料的差异。
材料的平面几何特征或拓扑特征，显然是物理量（对视觉的刺激），而对相似性的估计或类别标准则是心理量（对视觉材料的主观印象）。
Stevens采用的数量估计法是一种研究心理量与物理量之间关系的有效方法[13]。
其基本方式是把一系列刺激以随机方式呈现给被试，被试以数字方式来描述刺激的主观强度。
可以随意把第一个刺激确定为任意数字，然后按照主观印象对其他刺激进行描述。
在心理物理法的各种具体方法中，本实验选用了数量估计法作为基本方法。
2研究方法 2.1实验设计 实验包括实验一（相似性估计实验）和实验二（分类实验），实验一是采用数量估计法研究男女被试在材料是否限时呈现方式下对不同几何特征的图形的相似判断；实验二是请被试把一张图片上的6个图形（可以按照平面几何特征或拓扑特征分成不同的类别）分为两类。
以上实验均为2（呈现方式：限时、不限时）×2（材料的特征：平面几何特征、拓扑特征）×2（性别：男、女）的混合实验设计，其中材料的特征为被试内因素，呈现方式和性别为被试间因素。
2.2被试及分组 选取大学生52名作为被试，随机指定26名被试接受不限时呈现材料的实验条件（以下简称不限时组），另外26名被试接受限时呈现材料的实验条件（以下简称限时组），两组均为男女各13名。
2.3实验仪器 实验在IBM PentiumⅢ微机上完成，采用VB软件编程，完成指导语和实验材料的呈现并记录被试反应。
每组材料都由1张绘有标准图形和7张绘有与标准图形相似的几何图形的图片组成，相似图形具有不同的非拓扑特征或拓扑特征。
另有一组材料用于准备实验，由1张绘有标准图形和7张绘有与标准图形相似的几何图形的图片组成，与标准图形相似的图形具有不同的形状。
实验材料示例： 3.2实验步骤 进行相似性估计时，每组材料由标准刺激和一个待估计的相似图形作为成对刺激一起呈现，每组材料组成7对图形刺激，被试对各对图形的相似程度进行估计。
不限时组由被试自己按键呈现材料，直至其估计完毕，再次按键呈现下一对图形，在被试进行相似性估计时材料始终呈现在其面前。
限时组被试按键后呈现材料，被试开始进行相似性估计，该材料呈现时间为300ms。
如果在此300ms内被试完成相似性估计，则按键呈现下一对图形。
如果被试在材料呈现的时间内未完成估计，材料消失后可以继续进行估计，直至其估计完毕，再次按键呈现下一对图形。
3.3结果 共有52名被试参加了本实验，实验完成后剔除了反应时的平均值在±3个标准差以外的4个数据，限时组和不限时组各有符合基本要求的24名被试（每组中男女各12名）。
为避免被试使用的主观估计数字大小对结果的影响，使用了几何平均值作为每位被试原始估计值数据的平均数，将被试的主观估计值转化为Z分数，并对该Z分数（相似估计值）进行方差分析。
即： 几何平均值=(原始估计值1×原始估计值2×…原始估计值n)1/n （相似估计值差异）Z=(原始估计值—几何平均值)/S 3.3.1材料的特征、呈现方式和被试的性别对相似性估计值的影响 材料的特征、呈现方式和被试的性别对相似性估计值的影响见表1。
由表1可知，被试对材料的平面几何特征估计的差异较大，而对材料拓扑特征估计的差异较小。
被试对图形的相似性估计受材料特征的影响非常显著，F（1,44）=261.412，p＜0.01；材料呈现方式的主效应是显著的。
材料的特征与呈现方式的交互作用显著，F（1,44）=9.289，p＜0.01。
在不限时呈现方式下，对材料的平面几何特征估计的差异较大，在限时呈现方式下，对材料的平面几何特征估计的差异较小。
3.3.2材料的特征、呈现方式和被试的性别对相似 性估计反应时的影响 材料的特征、呈现方式和被试的性别对相似性估计反应时的影响见表1。
呈现方式与材料特征的交互作用对反应时指标的影响显著，F（1,44）=10.869，p＜0.01。
呈现方式在材料的拓扑特征水平上的简单效应显著，限时呈现材料时，相似性估计的反应时较短。
性别对图形的相似性估计的反应时影响的主效应显著，F（1,44）=5.129，p＜0.05；男性被试比女性被试的反应时短。
4实验二 4.1实验材料 实验使用了6张图片，每张图片上绘有6个图形，各个图形分别包含的拓扑特征为封闭性、连通性拓扑特征和有洞或无洞；各个图形同时分别包含的平面几何特征为图形组成的直线或曲线、结构的长宽比和图形的方向。
实验材料示例： 4.2实验步骤 被试完成实验一后休息30分钟，开始实验二。
不限时组由被试自己按键呈现材料，直至其分类完毕，再次按键呈现下一张图片，在被试进行分类时材料始终呈现在其面前。
限时组被试按键后呈现材料，被试开始分类，该材料呈现时间为800ms。