空間認識能力

空間能力または視空間能力とは、物体または空間間の視覚的および空間的関係を理解し​​、推論し、記憶する能力である。^[1]

視覚空間能力は、ナビゲーション、機器の理解や修理、距離や測定の理解や推定、仕事の遂行など、日常生活で使用されます。空間能力は、スポーツ、技術的適性、数学、自然科学、工学、経済予測、気象学、化学、物理学などの分野で成功するためにも重要です。^{[2] [3]}空間能力は外の世界を理解することだけでなく、外部の情報を処理し、心の中で表現することで推論することも含まれます。

空間能力とは、物体または空間の視覚的および空間的関係を理解し​​、推論し、記憶する能力である。^[1]空間能力には、空間または視空間知覚、空間視覚化、精神的折り畳み、精神的回転の4つの一般的なタイプがある。^[4]これらの能力はそれぞれ、特定の仕事や日常生活にかかわらず、多くの種類のタスクに対して独自の特性と重要性を持っています。たとえば、空間知覚は、気を散らす情報にもかかわらず、自分の体の向きに関する空間関係を知覚する能力と定義されます。^[5] 一方、精神的回転は、空間内の2Dまたは3Dオブジェクトをすばやく正確に操作および回転させる精神的能力です。 ^[4] 最後に、空間視覚化は、空間的に提示された情報の複雑な複数ステップの操作として特徴付けられます。^[5]これらの3つの能力は、空間作業記憶と呼ばれる4番目の空間認知因子によって媒介され、サポートされています。空間作業記憶は、タスクを完了するために、注意の制御下で一定量の視覚空間記憶を一時的に保存する能力です。^[6]この認知能力は、精神的回転などの高次の空間能力の個人差を媒介します。

空間知覚とは、気を散らす情報にかかわらず、自分の体の向きに関する空間関係を知覚する能力と定義されます。^[4]空間知覚とは、特徴、特性、測定値、形状、位置、動きなどの外部の空間情報を知覚し、視覚的に理解できることです。^[7]たとえば、密林の中を移動しているとき、空間知覚と認識を使用しています。別の例としては、車内の関係とメカニズムを理解しようとするとき、視覚的な枠組みを理解するために空間知覚に頼っています。空間知覚を測定するテストには、ロッドとフレームのテストがあります。ロッドとフレームのテストでは、被験者は22度の角度のフレームの向きを見ながらロッドを垂直に配置する必要があります。また、水位タスクでは、被験者は傾いたボトルに水平線を描くか識別する必要があります。^[5]

空間認識はスポーツにも非常に関連している。例えば、ある研究では、短時間提示された視覚的表示から情報をより速く拾い上げるクリケット選手は、実際の試合で著しく優れた打者であったことがわかった。 ^[8] Journal of Visionに掲載された 2015 年の研究では、サッカー選手は、歩行者が道路を横断するマルチタスクの群衆シーンや複雑で動的な視覚シーンを処理するなど、身体運動学に対する知覚能力が高いことがわかった。^[9] Journal of Human Kineticsに掲載されたフェンシング選手に関する別の研究では、達成レベルは、視覚的弁別、視覚空間関係、視覚的連続記憶、狭い注意の焦点、視覚情報処理などの空間認識スキルと高い相関関係にあることがわかった。^[10] Neuropsychologia誌に掲載されたレビューでは、空間認識には物体または空間に意味を帰属させることが含まれ、そのため、その感覚処理は実際には入ってくる視覚情報の意味処理の一部であることがわかった。 [ ^11]このレビューでは、空間認識には脳内の人間の視覚系と、視覚運動処理と視覚的に目標を定めた行動を司る頭頂小葉が関与していることも判明した。 ^[11]研究では、一人称シューティングゲームをプレイした人は、周辺および識別タスクでより速く正確なパフォーマンスを発揮し、同時に中心探索を実行するなど、空間認識能力が優れていることも判明した。^[12]研究者らは、アクションゲームをプレイすると、注意を分散させる能力が向上するだけでなく、可能性のあるターゲットの場所へのトップダウンの注意誘導などの知覚能力も大幅に向上すると示唆した。^[12]

メンタルローテーションとは、物体の特徴を変えずに、2D および 3D 物体を空間内で素早く正確に精神的に表現し、回転させる能力のことです。物理的な物体の精神的表現は、問題解決や理解に役立ちます。例えば、 Hegarty (2004) は、歯車や滑車の仕組みなど、機械的な問題について推論するために、人々が精神的表現を操作することを示しました。^[13]同様に、Schwartz と Black (1999) は、水を注ぐなどの精神的シミュレーションを行うと、高さや幅の異なる容器に必要な傾きの量に関する質問の解決策を見つけるスキルが向上することを発見しました。^[13]スポーツ心理学の分野では、さまざまなスポーツ (バスケットボール、体操、サッカー、ゴルフなど) のコーチが、選手がゲームでのパフォーマンスを高めるテクニックの 1 つとして、精神的イメージと操作を使用するように奨励しています。 (Jones & Stuth, 1997) ^[13]最近の研究 (例えば Cherney, 2008) では、ビデオゲームを継続的に練習することでメンタルローテーションスキルが向上するという証拠も示されており、例えば、3D 環境でのレースを含むゲームを練習した後、女性のスコアが向上しました。^{[13]同様の効果は、} Unreal Tournamentなどのアクションビデオゲームや、人気のある主流のゲームであるテトリスでも確認されています。^[14] ジグソーパズルやルービックキューブも、より高いレベルのメンタルローテーションを伴うアクティビティであり、時間をかけて練習することで空間認識能力を向上させることができます。^{[15] [16] [17]}

精神的回転は、脳内の運動シミュレーションに関連する領域も関与するため、他の空間能力とは独特で異なります。 ^[18]

空間視覚化は、空間的に提示された情報の複雑な多段階操作として特徴付けられる。^[5]視覚イメージとは、物体の視覚的外観を精神的に表す能力であり、空間イメージとは、物体または動きの部分または位置間の空間的関係を精神的に表す能力である。^[19]

空間視覚化は、科学技術の分野で特に重要です。たとえば、天文学者は、太陽系の構造と太陽系内の物体の動きを頭の中で視覚化する必要があります。^[2]エンジニアは、設計または作業するように割り当てられた機械または建物の部品の相互作用を頭の中で視覚化します。^[2] 化学者は、空間情報のほとんどが削除された分子の抽象的なモデルとして見ることができる式を理解できなければなりません。空間スキルは、式で分子のより詳細なメンタルモデルが必要な場合にその情報を復元するために重要です。^[2]

空間視覚化には、心的イメージを通して、寸法、形状、動き、特徴、特性の視覚的詳細を想像し、操作し、この空間関係を使用して問題に対する理解を導き出すことも含まれます。空間知覚には感覚を介した外部の理解が含まれますが、空間視覚化は心の中の心的イメージを介した内部の理解です。

もう一つの重要な空間視覚化能力は、メンタルアニメーションです。^[20]メンタルアニメーションとは、あらゆる形式のシステム内または一般に、コンポーネントの動きや動作を精神的に視覚化することです。^[20]これは機械的な推論と理解において非常に重要な能力で、例えば、機械的なタスクにおけるメンタルアニメーションには、プーリーシステムを精神的に小さな単位に分解し、機械システム内の対応する順序や法則に従ってアニメーション化することが含まれます。^[21]つまり、メンタルアニメーションとは、小さな部品の動きを分析することで、機械的なオブジェクトがどのように機能するかを精神的に想像することです。

メンタルフォールディングは、2D パターンまたはマテリアルを 3D オブジェクトおよび表現に折りたたむ複雑な空間視覚化です。 ^[22]他の研究と比較して、メンタルフォールディングに関する研究と調査は比較的少ないです。メンタルローテーションと比較すると、メンタルフォールディングは非剛性の空間変換能力であり、メンタルローテーションとは異なり、操作されたオブジェクトの特徴が最終的に変化することを意味します。剛性の操作では、オブジェクト自体は変更されませんが、その空間的な位置または方向が変更されますが、メンタルフォールディングのような非剛性の変換では、オブジェクトと形状が変更されます。^{[23]タスクでのメンタルフォールディングでは通常、オブジェクトを順番に新しいものに折りたたむために、一連のメンタルローテーションが必要です。古典的なメンタルフォールディングテストは、}折り紙に似た紙折りタスクです。折り紙でも、2D の紙を十分な回数折って 3D 図形を作成するというメンタルフォールディングが必要です。^[22]

視覚浸透能力は、物体の外側の特徴に基づいて物体の内部を想像する能力を伴う、最も一般的でない空間視覚化タスクである。^[24]

空間ワーキングメモリとは、タスクを完了するために、注意制御下で視覚空間記憶を一時的に保存する能力である。 ^[6]この認知能力は、精神的回転などの高レベルの空間能力の能力における個人差を媒介する。空間ワーキングメモリは、視覚空間スケッチパッドに関連して、大量の短期空間記憶を保存することを伴う。これは、空間内の物体の形、色、位置、または動きを記憶するなど、視覚空間情報の一時的な保存と操作に使用されます。また、複雑な建物を通る経路を計画するなど、空間移動の計画からなるタスクにも関与している。視覚空間スケッチパッドは、視覚、空間、およびおそらく運動美的（動き）の個別のコンポーネントに分割できます。その神経生物学的機能も、脳の右半球内で相関しています。 ^[25]

マコービーとジャックリンは性差に関する研究の広範なレビューで、他の研究結果と一致して、男性は一般的に女性よりも空間能力の課題で優れた成績を収めると報告しました。^[4]また、練習によって男女ともに空間能力が急速に向上することもわかりました。^[4]

研究者らは、空間能力が科学、技術、工学、数学（STEM）の高度な教育資格において重要な役割を果たすことを発見した。 ^{[26] [27]}研究から、STEMの高度な学位を取得する可能性は、空間能力のレベルに正の相関関係で増加することが示唆されている。例えば、教育心理学ジャーナルに掲載された2009年の研究では、12年生から11年間分析された40万人の参加者のグループで、STEMの博士号を持つ人の45％が高い空間能力の上位％内にあったことがわかった。^[26] STEMの博士号を持つ人のうち、思春期に空間能力が上位4分の1以下だった人はわずか10％未満だった。 [26]そして研究者らは、空間能力がSTEMにとって、そしてその分野で高度な教育の成功を達成するための要因としていかに重要であるかを結論付けた。 [ ^{26 ]}

空間視覚化は科学技術において特に重要である。例えば、天文学者は太陽系の構造と太陽系の中の天体の軌道を視覚的に想像しなければならない。^[2]エンジニアは、自分が担当する機械や建物の部品の動きを視覚的に想像しなければならない。^[2] 化学者は、分子の空間的ダイナミクスを表すための抽象的なモデルである式を理解できなければならないため、式に必要な分子モデルを視覚化する上で空間スキルが重要となる。^[2]空間操作能力は、マグマ体が地殻を移動する様子や地層の連続的な褶曲など、岩石が時間とともにどのように変化するかを視覚的に想像する構造地質学の分野でも重要である。視覚浸透能力として知られる別の空間視覚化スキルは、地質学者が過去の知識に基づいて固体物体の内部を視覚化する必要があるため、地質学において重要である。^[24]

現在の文献では、数学には視覚空間処理が関係していることも示されています。たとえば、数学の才能のある生徒は、そうでない生徒よりも空間視覚化の成績が良いことが研究でわかっています。^[19] Neuroscience Biobehavioral Reviews誌に 2008 年に発表されたレビューでは、視覚空間処理が数学における数字の処理と計算の多くの側面に直感的に関係しているという証拠が見つかりました。たとえば、複数桁の数字の数字の意味は、数字内の位置との関係を与えられた空間情報に従ってコード化されます。^[28]別の研究では、数値の推定は、答えを推測するためにさまざまな視覚空間の手がかり (直径、サイズ、場所、測定) を統合することに依存している可能性があることがわかりました。^[29] 2014 年に発表された研究でも、数学の計算はさまざまな空間プロセスの統合に依存しているという証拠が見つかりました。^[30] Frontiers in Psychology誌に 2015 年に発表された別の研究でも、数値処理と算術のパフォーマンスは視覚知覚能力に依存している可能性があることがわかりました。^[31]

2007年に認知科学誌に掲載された研究でも、空間視覚化能力は物理学における運動学の問題を解決するために重要であることがわかっています。^[32]それにもかかわらず、現在の文献では、空間能力、特に心の回転が化学、工学、物理学のさまざまな分野で成功を収めるために重要であることが示されています。^{[3] [33]}

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