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空間認知

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人喺腦海入便處理地圖嗰陣，會經過咩處理過程？

空間認知係認知心理學講到嘅一類認知功能，指個腦處理空間資訊嘅能力，包括腦部取得、組織、運用同埋更改呢啲資訊嘅能力。空間認知對人類嘅日常生活嚟講非常重要，由行埋飯檯食飯，至行花市嗰時探索周圍環境，至打機嗰陣撳掣操作角色移動，都會用到腦部嘅空間認知功能[1][2]。

由心理學同腦神經學等嘅科學嘅角度睇，空間認知涉及多種認知功能，包括視覺處理、記憶、注意力、推理以至心像等。腦入便嘅諸多構造，會處理呢啲認知功能所需嘅資訊，例如海馬體被指係負責記住空間資訊，喺空間認知研究上好受重視。

空間認知牽涉到多個唔同學科嘅研究者。除咗心理學同腦神經學之外，諸如人工智能、地理資訊系統、地圖學同埋視像遊戲嘅關卡設計[3]等多個學科，都有機會用到空間認知方面嘅知識。

基本概論

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二〇〇八年喺英倫一地影到嘅迷宮；人同其他動物能夠行迷宮，係展現緊佢哋嘅腦處理空間資訊嘅能力。
睇埋：空間、認知同捷思法

空間認知嘅概念，認知科學相關嘅學科會提到，泛指腦部處理資訊，思考有關周圍空間嘅嘢，尤其係關於身邊嘅嘢嘅位置嘅資訊，廣義化嘅可以包埋思考虛擬空間嘅嘢嘅能力。

齋靠日常觀察已經可知，人類同其他動物都有空間認知嘅能力，譬如係搵出想要嘅物品嘅位置、行去想去嘅地方、攞起想要嘅物體、避開有危險嘅物體... 等等，都屬於空間認知功能嘅體現。喺理論層面，呢種現象可以由進化論嘅角度睇：動物自從好耐以前開始，就一路都要探索自己身邊嘅環境，搵出食物同埋水等生存必需嘅嘢喺邊，而且仲要能夠正確噉向住呢啲物件移動；亦即係話喺進化史上，動物一直都有壓力，要進化出有返咁上下準確[註 1]嘅空間認知系統[註 2][4]。

自從人類文明起始嘅時侯，人類經已有不斷喺度諗空間嘅嘢，例如古希臘就已經有豐富嘅幾何學知識，當中有好多到咗現代都仍然廣受採用。而心理學對空間認知嘅研究，就可以追溯至十九世紀至二十世紀，當時開始有咗現代意義嘅心理學，即係用科學方法研究人類嘅心靈同行為。喺廿世紀初，心理學界廣受行為主義主導，因而冷落咗對認知嘅研究，佢哋認為要理解心靈同行為，唔洗考慮思緒等無法從外部觀察得到嘅嘢。但後來喺一九四〇年代尾就有人用大鼠同人嚟研究認知地圖[5]，以及係發育心理學上研究物件恆存等嘅現象，開拓咗現代嘅空間認知研究。

空間概念

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睇埋：圖論同測地線

空間認知，本質上就係講緊人腦點樣處理空間方面嘅資訊。一般嚟講，空間可以用幾何學概念嚟想像，諸如距離、角度同維度等嘅概念，幾何學上都有詳細探討：距離講緊兩點之間隔幾遠，係判斷物件位置同埋規劃路徑嘅基礎；角度反映物件之間嘅方向關係，例如向左 90° 或者斜前方等，係人類判斷方位同作出轉向決策必不可少嘅線索；至於維度，就係用嚟描述空間結構嘅層次，例如日常生活中嘅三維空間噉。呢啲基本概念一齊構成咗人類理解世界、辨識位置同埋進行空間推理嘅核心框架，而進一步講，假如研究者要做抽象化，佢哋可能會採用圖論上嘅概念，將重要位置想像成節點，例如計劃路徑嗰時，物件之間嘅距離被指係冇咁重要，反而物件之間嘅連結關係，例如某兩間房之間有冇通道，先至係重點資訊[6]。


左：靠住笛卡兒坐標系統嘅做法，研究者可以將研究緊嘅空間入便嘅位置及其他特性，用連續嘅數值表達出嚟。右：空間亦可以表達成圖論講嘅節點同埋節點間嘅線，假如研究重點在於考慮（例如）地點之間係咪有通道連接，呢種做法就可能比較可取。


空間認知上其中一個研究重點，在於人腦嘅認知過程會點樣將實際嘅空間資訊轉化成主觀嘅心智表徵：好似坐標值同埋節點圖等嘅方法，能夠相對客觀噉描述空間嘅實際特性；而人腦透過視覺等嘅途徑感知到空間資訊，就會喺腦海中有心智表徵，表示呢啲資訊；事實表明，呢個轉化過程中可以出現各種嘅扭曲[註 3]，而且人腦硬係會以某啲特定嘅方式扭曲空間資訊，所以呢啲扭曲係可預測嘅[7]，例如有證據指，人類硬係會以為實質上係測地線嘅線，當正係直線噉睇。

四層分法

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睇埋：比例尺

美國地理學家丹尼 · R · 蒙特洛主張，由普通人類嘅角度睇，空間可以分做四個層次，由狹窄到廣闊：

  • Figural：指人唔洗移動身體，都可以掂到嘅空間，例如喺可觸及範圍內物體。
  • Vistal：指人唔洗移動身體，都可以用肉眼睇到嘅空間，例如係身處嗰間房內嘅物件，雖然未必伸手可及，但唔洗郁都可以用肉眼望到。
  • 環境空間 (暫譯) [註 4]：遠遠大過 vistal，人無法一眼睇晒，要移動身體（行、跑）周圍郁先可以探索嘅環境，例如身處嘅社區至城市呀噉。[8]
  • 地理空間 (暫譯) [註 5]：最大最高層嘅空間，呢種空間大得滯，人類就算用身體郁動（行、跑）都無法探索，只要通過睇地圖先至有能力理解，例如係成笪大陸咁大嘅空間。[8]

有學者主張，環境空間係空間認知最常研究嘅，因為對呢種空間嘅探索，最接近人類日常生活活動嘅尺度。[9]

空間表示

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睇埋：心智表徵

腦部有各種功能，表示同記住空間資訊。

空間感知

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雙眼視覺嘅圖解；人類有兩隻眼，而呢點對於判斷物件（R P Q 等）喺三維空間中嘅位置嚟講不可或缺嘅。

空間感知係指一種認知能力，指緊一個腦有幾能夠感知周圍環境以及想做嘅郁動嘅空間資訊，從而產生有關空間嘅心智表徵，尤其係講緊呢啲資訊嘅表示有幾準確。舉例講，想像有個人企喺度伸手拎面前枱上隻杯或者枱上隻碗，佢個腦入面其實要即時估算自己隻手同目標物品嘅距離、角度同方向；又例如行樓梯、踢波、跳舞、揸車、甚至做手術等，都要靠住精確嘅空間感知，去協調身體動作同外界嘅相對位置，若果呢種能力出錯，手腳嘅動作就會唔準，容易失去平衡或者拎唔到目標。[10][11]

空間記憶

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内文：空間記憶
睇埋：工作記憶同知識

包括人類在內嘅好多動物，都有長期記憶嘅能力。對於人嚟講，長期記憶令到佢哋能夠認得見過嘅地方，以及諗返起以前行過嘅路線，而且呢啲資訊仲可以透過文化嚟傳播，例如想像父母教仔女，教佢哋街市同商場喺邊同埋點去。

有一種諗法係學習有關空間嘅知識，分做三個階段，所謂嘅三段論 (暫譯) [12]：首先，人類會學到地標知識[註 6]，即係會記住沿途有邊啲外形獨特易認嘅物體；然後佢哋會學路徑知識[註 7]，即係喺唔同交界點要轉去邊個方向，例如轉左、向前行、跟住轉右，或者過咗油站之後，轉右呀噉；到咗最後，人腦就會形成所謂嘅測地知識[註 8]，即係個腦裡便有咗幅認知地圖，描述周圍嘅空間係點嘅樣，能夠喺腦海中鳥瞰式噉望，想像自己探索緊嘅空間由上面望會係點嘅樣[13]。

  • 有證據指，人腦喺發育過程中的確係會以呢種次序嚟學識點樣探索周圍嘅空間[14]，但係有研究證據指，成年人理解周圍空間嗰陣唔一定會跟呢種固定次序[15][16]
  • 有個體差異，唔同人可能偏好唔同嘅空間思考方法，正如認知風格相關討論所講嘅噉[17][18]。而且亦有研究指，男女喺呢方面有差異，女性比較傾向使用路徑式嘅策略嚟搵路行[19]。
  • 人類能夠喺短時間內由一種地理知識轉去第種。[20]
  • 唔同嘅學習方法，被指係傾向推展唔同類嘅空間知識，親身行路會推廣路徑知識，而睇地圖則會推廣測地知識。[21]
  • 周圍環境嘅特性，亦有可能影響啲人用邊種方法嚟諗空間嘅嘢[22]。



參考系

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人腦要記住空間資訊，好多時都會用到參考系[註 9]。如果話思考者攞咗某件物體做參考系，意思係話佢以嗰件物體為中心去思考空間，例如某人用自己做參考系，佢諗起空間資訊上嚟就係思考物件相對於佢嚟講係咩位置，好似係目標物件喺佢左邊定右邊，喺佢嘅東南西北邊一便，仲有係離佢幾遠呀噉。

有關空間資訊同知識，一個重要嘅分野係講某人嘅知識係以自我為中心[註 10]定係以整體為中心[註 11]，前者係話某人個人以我嘅左邊或者我嘅右邊等嘅方式嚟處理空間資訊，而後者就會係以東南西北或者係唔同物件嘅相對位置等嘅方式，唔洗諗自己喺邊都可以指到目標物件喺邊。譬如三段論中嘅測地知識，就被指係以整體為中心嘅[23]。呢兩種參考系對空間認知來講都係不可或缺嘅[24]。

有學者做發育心理學噉嘅研究，探討參考系嘅使用會點樣隨年齡變化，發現三歲嘅細路已經識得用兩種唔同嘅參考系嚟思考空間[25]。

認知地圖

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内文：認知地圖

認知地圖係指人腦中對周圍空間嘅心智表徵：動物要做空間認知，就必然要喺腦入便表示描述周圖空間嘅資訊。

認知地圖呢個概念，由心理學者愛德華·托爾曼提出。托爾曼喺二十世紀上半做咗一系列嘅實驗。舊時嘅心理學界由行為主義主導，主張只有外顯行為等能夠由外在觀察到嘅嘢，先至值得研究，而好似心靈同思緒等嘅嘢無法客觀驗證嘅嘢係無意義嘅。不過托爾曼就持有唔同睇法，佢喺一九四〇年代做咗一輪實驗，俾大鼠行迷宮，發現就算冇即時獎勵，大鼠都會識得喺探索過程中慢慢理解周圍嘅環境，而唔只係單靠刺激至反應咁簡單：假如路徑突然改變，大鼠仍然能夠揀選新嘅替代路線去到目標位置，而呢種行為說明佢哋腦入便有「心靈地圖」描述迷宮嘅結構[5]。托爾曼嘅研究，打破咗行為主義嘅觀點，係現代認知科學上嘅重要突破。



人腦建立嘅認知地圖，通常都或多或少會出現一啲偏誤。研究者試過多次搵受試者返嚟做心理實驗，叫受試者對地圖上嘅距離作出判斷，佢哋發覺某啲因素（例如有彎位）會令到道路嘅長度被高估[26]，而兩樣嘢之間有邊界，亦傾向令到佢哋之間嘅距離被高估[27]。

語言描述

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語言係人類獨有嘅能力。有返咁上下複雜嘅動物，都有能力感知同理解周圍嘅空間，例如蜜蜂就識跳舞嚟話俾同伴知花蜜嘅來源喺邊，反映佢哋嘅認知系統有能力儲起一啲資訊，啲資訊係描述緊物品喺環境中嘅位置嘅。不過人類有別於第啲動物，有能力將自己腦中嘅資訊用言語表達出嚟，而單憑日常觀察已經可知，人類能夠用言語嚟描述各種空間資訊，能夠用言語描述物品喺邊，仲能夠同人講嘢，以言語傳授空間知識。



語言相對論方面嘅討論，就有講到唔同語言對方向同空間嘅描述，發現某啲語言嘅空間概念同粵語等嘅主流語言好唔同。其中一個經典例子，就係澳洲土著使用嘅辜古依密舍話。據研究指，呢種語言表達位置同方向嗰陣，幾乎全部都係用東、南、西、北呢一類絕對嘅方位詞，而唔似得粵語、普通話或者英語等，會用前後左右呢啲以個人為中心嘅相對方位嚟講位置。研究顯示，當研究者要求佢哋指出某個方向（例如南面）喺邊嗰時，佢哋往往能夠即時而且極準確噉作答；相比之下，講其他語言嘅人通常需要花幾秒去思考，先至回答得到。呢個現象支持語言相對論嘅觀點：語言結構有機會影響人類對方向同空間概念嘅認知方式[28]。

應用研究

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呢幅相影到有個人喺度睇地圖。佢個腦入便發生緊咩空間認知處理？知道咗呢樣嘢，可以點樣改善地圖嘅設計？

透過空間認知研究，科學家可以得知人類思考空間資訊嗰陣會用咩捷思法，或者出現咩偏差，而呢啲研究嘅結果相當有用，例如可以幫助做設計嘅人諗空間數據系統要點設計[29]。

空間認知同人機互動（HCI）相輔相成。研究空間認知嗰陣，好多研究者都會用虛擬實境嚟做實驗。憑住虛擬實境，研究者可以砌出虛擬空間，觀察受試者點樣喺入便探索、記路、搵地標，亦可以量度佢哋嘅行走軌跡、反應時間等。呢種方法有個大優勢，就係高度受控：研究者可以精準控制環境嘅光暗、地形、障礙物、地標位置，甚至可以複製同一個空間，俾唔同參與者反覆測試，而且相對於真實環境，呢種研究既安全又容易操作各種條件，成為空間認知研究嘅重要工具之一[30]。亦因為呢個緣故，用家體驗設計方面嘅工作者時會同空間認知專家合作，仲可以用呢啲實驗嚟測試有關虛擬實境設計嘅諗頭。

亦有視像遊戲相關研究會睇空間認知方面嘅嘢。視像遊戲本質上係，玩家要控制住佢哋嘅角色，角色喺遊戲嘅虛擬空間之中郁動，並且尋求達致遊戲嘅目的。而事實係有唔少空間認知研究，都有探討打機嗰陣個腦會做乜嘢空間認知過程[31]。

智能相關嘅研究，亦有提到空間能力嘅概念。空間能力泛指一個人處理空間資訊嘅能力，譬如係睇地圖搵路嗰陣反應有幾快、喺腦入便想像空間嗰陣有幾準確等等。呢種能力可以用多種標準化嘅測試嚟量度，而且係智能嘅其中一個重要組成元素，例如對數學相關教育做嘅研究就指出，空間能力高數學表現都會好啲，而且空間能力係可以訓練嘅[32]。

認知相關

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睇埋：空間能力

同空間認知有直接關係嘅認知功能概念：

神經相關

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圖中嘅係人腦旋轉立體模型，當中紅色嗰忽係海馬體。根據神經心理學研究，海馬體有份做空間認知，尤其係幫個腦記住空間性質嘅資訊[33]。

以下呢啲腦區，被指係同空間認知關係密切：

另見

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註釋

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  1. ↑ 有返咁上下準：事實表明，由物競天擇等過程形塑而成嘅系統，唔洗完美，夠用就得。亦可以睇睇捷思法嘅概念。
  2. ↑ 呢種進化機制為遠因，詳情亦可以睇睇廷貝根四大問題。
  3. ↑ 亦可以睇睇認知偏誤嘅概念。
  4. ↑ 英文：environmental space
  5. ↑ 英文：geographical space
  6. ↑ 英文：landmark knowledge
  7. ↑ 英文：route knowledge
  8. ↑ 英文：survey knowledge
  9. ↑ 英文：reference frame，留意呢個詞有別於物理學上講嗰啲參考系。
  10. ↑ 英文：egocentric
  11. ↑ 英文：allocentric
  12. ↑ 英文：posterior hippocampus
  13. ↑ 英文：anterior hippocampus

引咗

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  1. ↑ spatial cognition. APA Dictionary of Psychology.
  2. ↑ Sadalla, E.K., Burroughs, W.J. and Staplin, L.J., 1980. Reference points in spatial cognition. Journal of experimental psychology: human learning and memory, 6(5), p.516，呢篇文 522 頁講 results 嗰度，提到其實驗發現，人腦處理空間資訊嗰陣會攞空間中嘅某啲嘢做對照點，而佢哋用對照點做參照判斷距離嗰時反應會快啲。
  3. ↑ Albarracín, L., Hernàndez-Sabaté, A. and Gorgorió, N., 2022. Designing levels of a video game to promote spatial thinking. International journal of mathematical education in science and technology, 53(11), pp.3138-3150.
  4. ↑ Mallot, H.A., 2024. From geometry to behavior: An introduction to spatial cognition. MIT Press，佢哋第一章就提起廷貝根四大問題。
  5. 1 2 Tolman, E. C. (1948). Cognitive maps in rats and men. Psychological Review, 55(4), 189-208.
  6. ↑ Mallot, H.A., 2024. From geometry to behavior: An introduction to spatial cognition. MIT Press. 1.3，佢哋亦有講到一啲諗法，例如：" Strictly speaking, we could say that the brain uses a particular coordinate system if we find neurons that have a specificity for one of the coordinate values while being indifferent to the other, and vice versa."
  7. ↑ Klippel, A., Knuf, L., Hommel, B. and Freksa, C., 2004, October. Perceptually induced distortions in cognitive maps. In International Conference on Spatial Cognition (pp. 204-213). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.
  8. 1 2 Montello, Daniel R. (2005-07-18), Shah, Priti; Miyake, Akira (編), "Navigation", The Cambridge Handbook of Visuospatial Thinking (第1版), Cambridge University Press, pp. 257–294, doi:10.1017/cbo9780511610448.008, ISBN 978-0-511-61044-8, 喺2022-05-06搵到
  9. ↑ Denis, Michel (2018). Space and spatial cognition: a multidisciplinary perspective. New York. ISBN 978-1-351-59617-6. OCLC 1011544230.
  10. ↑ Kaufman HH, Wiegand RL, Tunick RH. Teaching surgeons to operate — principles of psychomotor skills training. Acta Neurochir (Wien) 1987;87:1-7.
  11. ↑ Lippert FG, Spolek GA, Kirkpatrick GS, Briggs KA, Clawson DK. A psychomotor skills course for orthopaedic residents. J Med Educ 1975;50:982-3.
  12. ↑ Chrastil ER. Neural evidence supports a novel framework for spatial navigation. Psychonomic Bulletin & Review. 2013;20(2):208-227.
  13. ↑ Kim, K. and Bock, O., 2021. Acquisition of landmark, route, and survey knowledge in a wayfinding task: in stages or in parallel?. Psychological Research, 85(5), pp.2098-2106.
  14. ↑ Hermer L, Spelke ES. A geometric process for spatial reorientation in young children. Nature. 1994; 370(6484): 57-59.
  15. ↑ Buchner A, Jansen-Osmann P. Is route learning more than serial learning? Spatial Cognition & Computation. 2008; 8:289-305，呢篇論文討論三個階段喺成年人之中係咪逐個逐個發生，定係平行噉發生。
  16. ↑ Montello, D.R., 1998. A new framework for understanding the acquisition of spatial knowledge in large-scale environments. Spatial and temporal reasoning in geographic information systems, pp.143-154，呢篇論文提出咗一個新嘅模型解釋呢種現象。
  17. ↑ Pazzaglia, F., Cornoldi, C. and De Beni, R., 2000. Differenze individuali nella rappresentazione dello spazio: presentazione di un questionario autovalutativo [Individual differences in spatial representation and in orientation ability: presentation of a self-report questionnaire]. Giornale italiano di psicologia, 3, pp.627-650.
  18. ↑ Pazzaglia, F. and De Beni, R., 2001. Strategies of processing spatial information in survey and landmark-centred individuals. European journal of cognitive psychology, 13(4), pp.493-508.
  19. ↑ Lawton, C.A., 1994. Gender differences in way-finding strategies: Relationship to spatial ability and spatial anxiety. Sex roles, 30(11), pp.765-779.
  20. ↑ Taylor, H.A. and Tversky, B., 1992. Spatial mental models derived from survey and route descriptions. Journal of Memory and language, 31(2), pp.261-292.
  21. ↑ Montello, D.R., Waller, D., Hegarty, M. and Richardson, A.E., 2004. Spatial memory of real environments, virtual environments, and maps. In Human spatial memory (pp. 271-306). Psychology Press.
  22. ↑ Taylor, H.A. and Tversky, B., 1996. Perspective in spatial descriptions. Journal of memory and language, 35(3), pp.371-391.
  23. ↑ Nori, R. and Piccardi, L., 2011. Familiarity and spatial cognitive style: How important are they for spatial representation. Spatial memory: Visuospatial processes, cognitive performance and developmental effects, pp.123-144. Introduction
  24. ↑ Burgess, N., 2006. Spatial memory: how egocentric and allocentric combine. Trends in cognitive sciences, 10(12), pp.551-557.
  25. ↑ Nardini, M., Burgess, N., Breckenridge, K. and Atkinson, J., 2006. Differential developmental trajectories for egocentric, environmental and intrinsic frames of reference in spatial memory. Cognition, 101(1), pp.153-172.
  26. ↑ Byrne, R. W. (February 1979). "Memory for Urban Geography". Quarterly Journal of Experimental Psychology. 31 (1): 147-154.
  27. ↑ Stevens, Albert; Coupe, Patty (1978-10-01). "Distortions in judged spatial relations". Cognitive Psychology. 10 (4): 422-437.
  28. ↑ Haviland, J. B. (1998). Guugu Yimithirr cardinal directions. Ethos, 26(1), 25–47.
  29. ↑ Medyckyj-Scott, D. and Blades, M., 1992. Human spatial cognition: Its relevance to the design and use of spatial information systems. Geoforum, 23(2), pp.215-226，呢篇論文探討空間認知方面嘅知識對空間資訊系統嘅設計有何啟示。
  30. ↑ Clay, V., König, P. and Koenig, S., 2019. Eye tracking in virtual reality. Journal of eye movement research, 12(1), pp.10-16910.
  31. ↑ Spence, I. and Feng, J., 2010. Video games and spatial cognition. Review of general psychology, 14(2), pp.92-104.
  32. ↑ Hawes, Z.C., Gilligan-Lee, K.A. and Mix, K.S., 2022. Effects of spatial training on mathematics performance: A meta-analysis. Developmental Psychology, 58(1), p.112.
  33. ↑ O'Keefe, J., & Nadel, L. (1978). The hippocampus as a cognitive map. Oxford University Press.

文獻

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歐美文獻：

  • Denis, Michel (2017-11-13). Space and Spatial Cognition: A Multidisciplinary Perspective (1 ed.). Routledge.
  • Mallot, H.A., 2024. From geometry to behavior: An introduction to spatial cognition. MIT Press，呢本書題為由幾何學至行為：空間認知入門簡介，本書嘅作者概要式噉講解空間認知研究嘅基礎。
  • Montello, D.R., 1993, September. Scale and multiple psychologies of space. In European conference on spatial information theory (pp. 312-321). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.
  • Siegel, A.W. and White, S.H., 1975. The development of spatial representations of large-scale environments. Advances in child development and behavior, 10, pp.9-55.
  • Zheng, L., Dobroschke, J.G. and Pollmann, S., 2021. Egocentric and allocentric reference frames can flexibly support contextual cueing. Frontiers in Psychology, 12, p.711890.

資源

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