演绎推理是基于规则还是模型? 生活中演绎推理的例子

　　摘 要 对空间推理的研究有助于探明其加工机制以及验证心理逻辑理论和心理模型理论。行为研究通过考察多种影响空间推理的因素(如心理模型数量、前提的对象顺序等)证实了心理模型理论的预测，脑成像的研究表明，空间推理活动主要激活枕一顶一额脑区网络，顶区可能是推理的特异性脑区。研究的结果同样支持心理模型理论。未来的研究应该整合演绎推理的不同理论，加强对不同演绎推理任务的研究，井将脑成像技术与EEG或ERP结合起来，进一步探明人类空间推理的机制，
　　关键词 空间推理；心理模型理论；心理逻辑理论；功能磁共振成像；正电子发射断层扫描
　　分类号 B842
　　
　　人类是如何表征前提的?这是演绎推理研究中的一个重要问题，对此心理学上有两种不同的观点，即心理逻辑理论(Mental Logic Theory)和心理模型理论(Mental Model Theory)。心理逻辑理论主张人类以命题或语言来表征前提，并通过对形式规则(formal rules)的操作进行推理。推理问题的难度由得出结论所需要的规则数量和每条规则的难度决定(Braine&O"Brien，i998；Rips，1994)。相反，心理模型理论认为。推理不需要应用逻辑规则，而是通过对心理模型的建构与操作来实现的，心理模型的数量决定了推理问题的难度(Byrne&Johnson-Laird，1989；Johnson―Laird，2001)。
　　空间推理(spatial reasoning)或空间关系推理(spatial relational reasoning)是涉及空间领域的推理，它是演绎推理中关系推理的一种特殊形式，通常要求从描述空间关系的前提中推论出隐含在其中的结论(具体见表1)，根据前提所表述的整体关系是否确定，空间推理问题可以分为确定问题(如问题1、2)和不确定问题(如问题3、4)。确定问题只有一种心理模型，因而也被称为单模型问题。不确定问题至少有两种或两种以上心理模型。因此也被称为多模型问题，无论是确定问题还是非确定问题，都可能包含对结论没有影响的无关前提(如问题1和3中的第一条前提)。在不确定问题中，有些问题是存在有效结论的(如问题3)，而有些问题无法得出适合所有模型的结论，即无有效结论(如问题4)。
　　相对于其他的演绎推理任务，空间推理问题比较简单且容易理解，对于模型数量等变量的操作也比较方便。因此，它被广泛用于验证心理逻辑理论和心理模型理论。行为研究通过考察模型数量、前提对象顺序、问题材料等因素的影响从而证实了心理模型理论的观点，但这类研究仅通过反应时和正确率等外在指标来推测被试的加工过程，近年来，部分研究者借助于脑成像技术考察空间推理的大脑活动情况，并进一步对两种理论进行了验证。
　　
　　1　支持心理模型理论的证据
　　
　　1.1　行为研究
　　1.1.1　心理模型数量决定任务难度
　　支持心理模型理论的最直接证据来自于对不同模型数量空间推理问题的研究。根据心理模型理论的观点，模型而非规则数量决定了问题的难度，已有研究表明，在不同条件下，多模型问题均难于单模型问题，研究的结果证实了心理模型理论的观点。
　　Byme与Johnson-Laird(1989)比较了推理的步骤(即心理规则)和模型的数量在预测空间推理问题难度方面的差异，在第一个实验中。问题需要的推理步骤是不变的，但模型数量不同(问题2和问题3)。在第二个实验中单模型问题比多模型问题需要更多的步骤(问题Ⅱ和问题3)。研究结果表明，多模型问题比单模型问题更难，但需要更多推理步骤的问题并不比需要更少步骤的问题难。Byrne的研究仅以正确率为指标，Carreiras等(1997)对此做了改进，记录每类问题的前提阅读时间、问题回答时间及错误的百分比，并将空间与非空间的推理问题进行比较。实验所使用的问题与上述Byrne的研究相似，但使用系列呈现和同时呈现两种方式，结果表明，在两种呈现方式下，单模型问题都比多模型问题的正确率更高，反应时更短。对空间和时间推理问题的研究也得到相似的结果(Vandierendonck&Vooght，1996)。在空间和时间领域，单模型问题的前提阅读时间及结论反应时间都比多模型问题短，反应的正确率更高。Schaeken等(Ⅱ998)通过系统地操纵无关前提(即分别设置无或有无关前提的单模型和多模型问题)，进一步考察了模型数量对任务成绩的影响。结果发现，无论是否包含无关前提，多模型问题的正确率均低于单模型问题。
　　
　　对不同材料的空间推理问题的研究进一步支持了上述的结果。研究中使用的任务类似于表1中问题1、2和]，以句子或图表(女“AB”，表示A在B的左边)的形式呈现。结果发现，图表形式的问题比句子形式的更容易，但两种材料的多模型问题均比单模型问题难(Boudreau&Pi~eau，2001)。虽然前提的顺序及空间的维度都影响被试的成绩，但在所有条件下，多模型问题均难于单模型问题(Boudreau，Pigeau，&McCann。2002)。
　　心理模型理论以工作记忆理论对模型数量影响任务难度的现象进行了解释，认为工作记忆容量限制了被试处理并比较多个模型的能力，从而影响被试的推理成绩(Johnson-Laird，2001)，Oberauer等(2006)证实了工作记忆容量对心理模型建构的影响。研究表明，工作记忆容量高与低的被试在空间推理方面的差异主要表现为成功建构心理模型的概率不同。虽然研究证实了心理模型理论的观点，但也有研究者提出了质疑。批评者认为，心理模型理论并没有提出一个明确计算心理模型数量的方法。模型数量是每条前提模型数量的总和，还是符合所有前提的结论的模型数量，或者是每条前提的模型数量加上结论的模型数量(Bonatti，1998)?
　　1.1.2　前提的对象顺序影响推理过程
　　心理模型理论认为，演绎推理包括三个阶段：(1)前提加工阶段。被试通过阅读第一条前提建构一个最初的心理模型。(2)前提整合阶段，被试将其他前提整合形成一个整体的模型，并得出假定的结论。(2)确认阶段，被试通过建构前提的其他模型来确定假定的结论是否正确(Johnson-Laird&Byrne，1998)。已有研究表明，前提的对象顺序对不同的加工阶段都有重要影响，研究的结果支持心理模型理论的观点，
　　在前提加工阶段，对象的位置影响其被加工的过程，空间关系的前提引导被试以某个物体为参照物，另一个物体为目标物(Logan，1994)。如“教堂在车站的左边”，车站被看作为参照物，教堂则为目标物，Oberauer等人在此基础上进一步提出关系推理任务中存在方向性(directionality) 的观点，例如，关系词“在…左(右)边”存在反向的作用，对于“A在B的左边”这一前提，个体是先加工B，其次是A。这一观点得到句子一图片证实任务的支持。在单个前提的空间描述中，如果图片中的参照物先于目标物出现时，被试的证实反应时明显更短(Oberauer&Wilhelm，2000)。
　　在前提整合阶段，第二条前提中新的元素被整合到第一条前提所建构的最初的心理模型。因此，这一整合过程应该对第二条前提的特点非常敏感(HOmig，Oberauer,&Weidenfeld，2005))，Oberauer等人(2005)总结了关系推理中前提整合的三条原则：(1)参照物=已知原则(relatum=givenprinciple、。如果第二条前提的参照物在第一条前提中已经给出了，第二条前提更容易被整合。(2)先进先出原则(f3rst-in-first-out principle，FIFO)，首先进入工作记忆的信息容易成为最先的输出结果。(3)旧一新原则(8iven-newprinciple)，当第一条前提中的第二个对象在第二个前提中首先提及时，前提的整合更为容易。对条件推理、关系推理(涉及空间、时间、比较关系)和三段论推理的研究表明，“参照物=已知”原则和"IN一新”原则能够解释大多数的对象顺序效应。对规范(如“A在B的左边”)和不规范(如“B的左边是A”)表述的推理问题、四种不同表述方式的德语推理问题以及“在…之间”的推理均证实了“参照物＝已知”原则和“旧一新”原则(H6rnig，Oberauer，&Weidenfeld，2005；H6rnig，Weskott，Kliegl，&Fanselow，2006；HOmig，Oberauer，&Weidenfeld2006)。
　　前提的对象顺序同样影响结论的产生。这在三段论推理的研究中已经得到证实，如前提“所有的A是B，所有的B是C”，被试更容易得到“所有的A都是C”而不是“所有的C都是A”的结论。在涉及关系词“在…左(右)边”的三个对象空间推理问题中，AB。BC的对象顺序更容易得出A-C的结论，而BA-CB的对象顺序更容易得出C-A的结论(0berauer，H6rnig，Weidenfel，&Wilhelm，2005)。
　　1.1.3　图表推理易于句子推理
　　根据心理模型理论的观点，心理模型是图标形式的。因而图表的前提比句子的前提更容易形成心理模型。而从心理逻辑理论的角度来看，推理是通过对规则的操作来实现的，这种操作部分是基于句法结构而进行的，因而句子形式的前提应比图表易于进行规则的操作。对涉及不同材料的空间推理问题的研究证实了心理模型理论的预测。
　　Boudreau与Pigeau(2001)对图表材料与文字叙述的空间推理问题进行了比较。实验设置了四种条件：(1)图表(图像)，如“A，”。(2)图表(名词)，如“三角形圆形”，(3)句子(图像)，如“厶在，的左边”。(4)句子(名词)，如“三角形在?形的左边”，研究结果显示，图表形式的问题均比句子形式显著容易。在不同的前提顺序和空间维度条件下，这一效应仍旧存在(Boudreau，Pigeau，&McCann，2002)。Copeland等人(2007)对空间推理年老化的研究进一步支持了上述的结论。其研究表明，以句子和词语形式呈现前提时，老年组的推理成绩明显不如青年组，在不连续的前提条件下尤其明显。但图片形式的前提对老年组的推理成绩影响不大，
　　
　　1.2　脑成像研究
　　随着脑成像技术的发展，关于两种理论的争论也从行为研究转向了对于推理如何在大脑中进行的问题。按照心理模型理论，推理是通过对模型的操作而实现的，这一活动应与大脑的视空间加工系统有关(Johnson-Laird，2001)，，这一预测得到多数空间推理的脑成像研究的证实。
　　对具体和抽象的空间推理任务的研究表明，两种任务激活了相似的双侧枕一顶一额脑区网络，即双侧枕区(BAl7，Ⅱ8，Ⅱ9)、双侧顶区(BA7，40)、双侧额叶背部(BA6)、左侧背外侧前额皮层(BA9)等(Goel&Dolan，2001)。这些脑区主要与视空间加工系统有关，研究的结果支持心理模型理论的预测，Knaff等人(2002)对不同通道(听觉和视觉)的两种推理任务(空间推理与和条件推理)的研究进一步证实了上述研究结果。研究发现，无论是听觉还是视觉呈现，两种推理任务均激活了相似的枕一顶一额脑区网络，包括前额叶皮层(BA6，9)和扣带回(BA32)、顶区上部与前部(BA7，40)、前楔叶(precuneus)(BA 7)、及视觉相关皮层(BAl9)。上述的研究结果也得到了比较空间推理与空间工作记忆任务研究的支持(Ruff，KnauffFangmeier，&Spreer，2003)，Ruff等人的研究表明，空间推理主要激活枕。顶一额脑区网络，两种任务共同激活的神经网络包括双侧的次级视觉皮层、扣带皮层后部。ostenor cingulate cortex)和内侧前额皮层。
　　虽然上述研究均表明空间推理主要激活枕一顶一额脑区网络，但也发现某些视觉有关皮层的激活，为了进一步考察视觉信息对空间推理的影响，Knauff对听觉上呈现的四种关系推理任务(通过操纵视觉与空间上的可想像程度分为视空间关系、视觉关系、空间关系、控制关系)进行了考察。研究表明，所有的推理问题激活了相似的脑区，视空间关系与空间关系的推理主要导致了左侧颞回中部(BA21)、双侧顶区皮层上部(BA7)、左侧额回中部(BAll)活动增加，然而，视觉关系的问题除上述激活脑区外，同时也激活了与V2相应的视觉联系皮层(KnaufI＼Fangmeier,Ruff,&Johnson―Laird，2003)。与上述研究不同的是，这一研究发现了左侧颞区的激活。这种差异可能与研究中使用的基线任务不同有关。前面所述的研究使用与推理相匹配的记忆任务为基线，而本研究以被试休息时的大脑活动为基线。Knauff(2006)总结认为，听觉呈现的任务中也发现视觉有关皮层的激活，这可能与问题包含视觉化信息且必须在视觉工作记忆中储存与加工有关。但一般的推理过程不需要视觉表象的参与，更多依赖储存于顶区皮层的抽象的空间表征。只有这些空间表征对真正的推理过程来说是关键的。
　　Fangmeier等人以图表形式的前提为材料，以事件相关功能磁共振成像技术来证实了心理模型理论所提出的三个加工阶段的观点。对被试大脑活动的扫描结果表明，在不同的加王阶段出现了不同的脑区活动特征：(1)在前提加工阶段，双侧枕颞皮层出现更大的激活。(2)在前提整合阶段，除双侧枕颞皮层外，前额叶皮层(BAl0，32) 出现更大的激活。这与，临床上对脑损伤病人的研究结果一致，即前额叶损伤严重影响需要整合关系的演绎推理与归纳推理任务的成绩，但对记忆任务影响不大(Waltz，Knowlan，et al。，1999)。(3)结论的确认阶段激活的脑区除前额叶皮层外，还有顶区后部。具体脑区包括额中回(BA9，8，6)、右侧前扣带回(BA32)、顶叶上部和下部(BA7，40)(Fangmeter，Knauff’Ruff，&Sloutsky，2006)。虽然在前提加工阶段发现颞区的激活，但这可能反映了对前提的理解过程，而前提整合阶段与结论确认阶段额区和顶区皮层的更大激活才反映了真正的推理过程，研究的结果不但表明了存在三个不同的加工阶段，同时也证实了空间推理活动主要激活与视空间系统有关的脑区，从而进一步证实了心理模型理论的观点。
　　
　　2　支持心理逻辑理论的证据
　　
　　2.1　行为研究
　　虽然空间推理的行为研究基本支持心理模型理论，但也有研究者持不同的意见。Van derHenst(1999)认为，已有的对单模型与多模型问题比较的研究中。无关前提均放在首位。可能是无关前提的位置而非模型数量影响问题的难度，因此，他使用类似于Byrne等人的单模型和多模型问题，并在多模型问题中设置两种无关前提的位置(分别放在首位或末位)，结果发现，无关前提在末位的多模型问题比无关前提在首位的多模型问题更容易，葚至与单模型问题同样容易。此后，他进一步提出，已有研究主要以确定问题(表1中的问题2)与不确定(问题])进行比较，问题]的第一条前提使得问题产生了非确定性。大多数研究者从心理模型理论的观点出发，认为如果是以规则进行推理，则应不考虑第一条前提。但这种预测是一种错误的观点。被试是否考虑第一条前提，这取决于推理的启发式或策略的方面，并不依赖于推理的途径(即基于规则或模型)。实际上，从心理逻辑理论的观点来看，问题3与问题2需要同样多的步骤，而问题3由于涉及不确定性，某些步骤需要储存更多的信息，从而导致难度加大。因此，从心理逻辑理论的观点来看，多模型问题也应该难于单模型问题(Van der Henst，2002)。
　　此后，Van der Henst等(2005)考察了前提的措词、不同呈现方式等因素对结论措词的影响。首先，前提措词影响结论的表述。这一结果证实了心理逻辑理论。因为如果被试建构前提的心理模型，则前提的措词应不影响结论的措词；相反，如果被试通过规则进行推理，则结论的措词应与前提保持一致。其次，不同的呈现方式也会影响被试的推理过程。任务(包括前提与问题)同时呈现时，被试倾向于使用规则进行推理。而在系列呈现时，被试倾向于使用心理模型进行推理。第三，前提的顺序、提问的方式(D和E之间是什么关系?或者E和D之间是什么关系?)等影响结论的措词，这一结果支持心理模型理论，据此，研究者提出了一种折衷观点，即演绎推理涉及两种推理机制，被试在具体的推理过程中使用哪种方法，可能与任务的特点和被试的策略等因素有关。
　　
　　2.2　脑成像研究
　　从心理逻辑理论的角度来看，推理是通过对规则的操作而实现的，应与大脑左半球的语言加工脑区有关(Rips。1994)，这一点得到早期临床研究的证实。Hier等人的研究表明，左脑语言有关区域损伤的被试虽然能使用抽象的词语，但很难理解空间关系的介词(如在…后面、旁边等)，这些病人在理解视觉空间逻辑关系的任务上成绩明显比正常组差，但右半球损伤的被试并没有表现出这种困难(Hier,Mogil，Rubin，&Komros，]980)。
　　Goel等人以Ⅱ2名正常人为被试，并以PET技术扫描被试执行三种类型的演绎推理任务(直言三段论、三个对象的空间关系和非空间关系推理)时的脑区激活情况。研究的结果表明，三种推理任务的激活区域主要是左脑，包括左侧额回下部(BA45、47)、左侧额回中部(BA46)、左侧颞回中部(BA21、22)、左侧颞回外侧下部及颞回上部(BA32、34)，并没有发现右半球或顶区显著的激活(Goel，Gold，Kapur，&Houle，1998)。这一结果进一步支持了心理逻辑理论，
　　总之，从行为研究来看，虽然Van der Henst等人(2005)的研究表明前提的措词影响结论从而支持心理逻辑理论，但这项研究中前提的对象顺序与措词两项因素混合在一起，且仅以结论的正确率为反应指标。很可能是前提的对象顺序而非措词影响了最终的结论。已有的行为研究从模型数量、前提的对象顺序效应等方面证实了心理模型理论的预测，研究的结果基本支持心理模型理论，
　　从脑成像研究的结果来看，多数研究结果表明空间推理活动主要激活视空间加工系统有关的脑区。虽然Goel等人98年的研究表明空间推理主要激活左侧脑区，但进一步的审查发现，该研究使用的是[7区组(block design)设计，对被试脑区的扫描时间超过1分钟以上，扫描的结果主要反映被试阅读前提时的大脑活动，而并非真正的推理过程(Goel&Dolan，2001)。另外，Goel等人的研究发现对熟悉内容的空间推理主要激活额一顶通道，而对不熟悉内容的空间推理激活枕一颞通道(Goel，Makale，&Grafman，2004)，研究的结果支持主张人类存在两种不同的推理系统的双加工理论(Evails，2003)。但是在这项研究中，使用的任务涉及信念信息，可能是这种信念的信息导致了颞区的激活。另一种可能的解释是，颞区的激活可能仅反映了对词语材料前提的理解过程，这是进行推理的前提条件(Knauff，Fangmeier,Ruff&Johnson―Laird，2003)，多数的空间推理问题激活了与视空间加工系统有关的枕，顶一额脑区网络，研究的结果支持心理模型理论的观点。
　　
　　3　结语
　　
　　心理逻辑理论与心理模型理论都是对推理表征形式的一般假设，二者都是一种理论框架。只有两种理论或建立在其基础之上的理论对推理机制作出详细的说明，通过分析支持和反对不同理论的证据，对于推理机制的研究才能取得较大的突破。但目前的研究显然还没有达到这一条件，就空间推理而言，虽然心理模型理论提出了较为详细的解释，但来自心理逻辑理论的解释却相对匮乏，因而研究虽然证实了心理模型理论，却也难以驳斥心理逻辑理论。
　　总体上看，已有的行为研究及脑成像研究结果基本支持心理模型理论，但不同的脑成像研究结果之间仍存在某些差异，这可能与以下原因有关：(1)研究多以要求判断给定结论的方式考察被试的反应，有的研究只分析正确反应时的脑区激活情况，而有的研究并没有区分两种情况。而被试对错误与正确结论判断时的大脑活动过程可能是不同的。(2)可能与不同研究中使用的实验设计、刺激类型(如视觉或听觉、言语或图表材料)、图像分析技术等方面的差异有关。(3)不同研究中的任务难度不同，例如，有的研究中使用一维(左与右)的空间推理问题，而有的研究中使用了二维(东西南北)的空间推理问题。(4)不同研究中使用的基线任务不同。有的研究中，基线任务的前提与推理任务相同，但结论与前提无关或者与前提1相同(或不同)。有的研究中将被试休息时间的脑区活动作为基线。
　　未来的研究应从以下几方面加强：(1)整合心理逻辑理论、心理模型理论与双加工理论，形成更为合理的推理理论。三种理论分别得到不同研究的支持，它们可能反映了同一问题的不同方面。Schroyens等人(2003)认为，心理模型理论也是双加工理论。系统1负责在语言与信念的基础上建构前提的最初模型，系统2负责搜索其他可能的模型，虽然这一观点还需要进一步验证，但这无疑是对不同推理理论进行整合的一种有益探索，(2)心理模型理论与心理逻辑理论都声称是解释所有演绎推理的一般理论，因而需要结合不同演绎推理任务来对二者进行验证。由于空间推理问题本身包含空间信息，有可能是这种空间信息导致了视空间加工系统的激活。因此，在加强对空间推理研究的同时，大力开展对其他演绎推理的研究，并将不同研究的结果进行比较，形成更为普遍的研究结论。(])将脑成像的研究与EEG或ERP结合起来，进一步探明空间推理的脑机制。

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