表象的操作
心理旋转
用实验证实心理旋转（mental rotation）现象是表象研究史上的一件大事。心理旋转现象不但说明了表象的存在，更重要的是说明了表象是可以加以操作的。
图5-15 心理旋转实验刺激材料示意图
（来源：Shepard＆Metzler，1971）
谢泼德和梅茨勒（Shepard＆Metzler，1971）最早进行了经典的心理旋转实验。在实验中，向被试呈现一些配对的图片，每张图片上都有一个立体物体。图片之间的区别在于，有些图片上的物体的立体结构是相同的，只是旋转了一定的角度而已；有些图片上物体的立体结构却是不同的。例如，图5-15中，物体（a）和（b）在结构上相同，只是角度不同；物体（c）和（d）也是如此；但是物体（e）和（f）在结构上是不同的。被试的任务就是判断这些配对图片上的物体在结构上是否相同。主试通过操纵物体旋转角度的大小，考察由此造成的反应时的变化。
实验结果（见图5-16）表明，随着旋转度数的增加，被试的反应时也随之延长，两者之间呈线性关系；二维旋转和三维旋转情况下反应时的差异不大。可见，视觉表象在头脑中的旋转类似于外界物体的旋转，且旋转速度比较恒定。
图5-16 心理旋转实验结果示意图
（来源：Shepard＆Metzler，1971）
后来，库珀和谢泼德（Cooper＆Shepard，1973，1975）还发现，对于那些容易辨别的刺激（例如字母、数字等），被试也会对它们进行心理旋转操作。以字母为例，在实验中，用不同倾斜度的正面和反面的R作为刺激物。其中一些试验是这样进行的：每次试验都先呈现一个正面或反面的字母R，接着呈现一个箭头作为线索，提示后面的测试字母的旋转方向，最后呈现测试字母，要求被试确定呈现的字母是正面的（R）还是反面的（Я）（如图5-17所示）。
图5-17 字母用于心理旋转实验示意图
（来源：Cooper＆Shepard，1973）
结果表明，如果先前呈现的字母和箭头出现得足够早（例如早于测试字母1 000毫秒），则无论字母旋转角度是多大，被试的反应时都保持恒定。但是，如果先前呈现的字母和箭头与测试字母之间的时间间隔比较短，甚至在测试字母前不出现那两个提示刺激，则随着字母旋转角度的增大，被试的反应时也就相应延长；但是，当旋转角度超过180°以后，反应时不再延长，反而逐渐缩短。显然，被试头脑中的心理旋转并非总是顺时针方向，字母旋转角度超过180°后，心理旋转就改为逆时针方向。实验结果见图5-18，其中“结合信息”表示在另一些试验中，先行呈现的字母本身就同时提示了正反和倾斜度。
图5-18 字母刺激心理旋转实验的结果
（来源：Cooper＆Shepard，1973）
这里还存在这样一个问题：被试在上述实验当中是在头脑中对整个刺激进行了心理旋转，还是仅仅观察了刺激的某些部分？为了回答这个问题，库珀（Cooper，1975）采用不规则多边形为刺激材料进行了新的实验。这些多边形的边数各不相同（如图5-19所示）。结果发现，无论多边形有几条边，心理旋转的速度都是相同的。可见，被试不是根据多边形的枝节信息作出判断，而是对整个多边形进行了心理旋转。
图5-19 库珀的多边形刺激材料
（来源：Cooper，1975）
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图5-20 与心理旋转有关的脑区
（来源：Zacks，2008）
关于心理旋转的神经机制，扎克斯（Zacks，2008）综合了一系列研究报告，指出心理旋转时，大脑顶内沟及其附近区域激活水平提高（见图5-20）。这些脑区包括空间地图表征。此外，心理旋转伴以模拟动作时，内侧中央前沟皮层（其实就是运动辅助区）也被激活。
心理扫描
对于表象除了可以进行心理旋转操作以外，还可以进行心理扫描（mental scanning）操作。科斯林等人从20世纪70年代就开始进行心理扫描的研究。他们在实验中先让被试产生一个视觉表象，然后对表象进行观察，以确定其中的客体或其空间特性，记录反应时。
在科斯林（Kosslyn，1973）的一个实验中，被试先记住一些图片，例如飞机、小船、花卉等等，这些图片很容易被区分成首、尾、中间三个组成部位，而且它们之间要么垂直排列，要么水平排列（如图5-21所示）。识记阶段结束后，要求被试产生某张图片的表象，并且从某个部位出发，去“寻找”另一个组成部位，并回答这个部位有没有某个物件。例如，想象一架飞机，先想象自己注视着机尾，然后去“寻找”飞机的机头，并告诉主试那里有没有螺旋桨。科斯林发现，出发部位与目标部位距离越远，被试的反应时越长。例如，同样是报告机头有没有螺旋桨，从飞机的机尾出发的反应时就长于从机翼出发。这与对实际图片进行知觉搜索的结果是一致的，可见表象带有很多实际图片的特点。
图5-21 科斯林的心理扫描实验材料
（来源：Kosslyn，1973）
图5-22 科斯林的地图扫描实验材料
（来源：Kosslyn，Ball＆Reiser，1978）
不过，这个实验没有考虑到扫描的出发部位与目标部位之间的项目对反应时的影响。反应时延长不一定就是因为两者距离比较远，而可能是因为它们中间的项目也需要扫描。为此，科斯林等人（Kosslyn，Ball＆Reiser，1978）设计了另一组实验。其中有一个实验后来成为非常著名的心理扫描实验之一。在这个实验中，先向被试呈现一个假想小岛的地图。这个小岛上有7个地点，分别是房屋、树、石头、水井、池塘、沙地和草地。7个地点之间可以配成21对，就有21个距离（2～19 cm），但是任意两个地点之间的连线上都没有任何其他事物（中间项目），如图5-22（图中的“×”表示7个地点的准确位置）。要求被试识记这个地图，构成精确的表象。识记完成后，告诉被试，当他们听到实验者说出一个地点名称后，要回想地图的表象，并“注视”着实验者说的那个地点（“注视”时间为5秒）；随后实验者说出另一个地点名称，如果这个地点在地图中是存在的，被试就应该将“注视点”从原来的地点“转移”（扫描）到新的地点，并在扫描完成后按键作出反应。扫描的办法是想象一个小黑点从一个地点沿最短的直线尽快地运动到第二个地点。如果实验者讲的第二个地点不存在，就按另一个键作出反应。实验结果同样表明，对表象进行扫描所需的时间随着扫描距离的增加而增加。这就再一次说明表象与实际图片的相似性。
科斯林的实验还引发了关于地图记忆的研究。特沃斯基（Tversky，1981）在地图记忆的研究中发现，人们对于地图的记忆往往存在系统误差。人们在记忆地图时会采用各种启发式方法，将地图上的事物排列得更加有序。于是，说到“南美洲”，人们就觉得它在北美洲的正南方（其实在东南方）。
大小效应
科斯林的心理扫描实验证实表象类似于对图画的知觉，那么，知觉中的图画有大小，表象应该也有大小；小的图画不如大的看得清楚，小的表象也应该不如大的表象清楚。是不是这样呢？科斯林（Kosslyn，1975）对此问题进行了一系列实验研究。在一个实验中，他先让被试想象四种不同的动物配对：第一种是一头大象和一只兔子配对；第二种是一只兔子和一只苍蝇配对；第三种是一只兔子与一只比例如大象般大小的苍蝇配对；第四种是一只兔子与一头比例如同苍蝇般大小的大象配对（如图5-23所示）。然后，他向被试提出有关于兔子的特征的一些特定的问题，并测定被试的反应时。正如科斯林事先估计的，被试用与大象或大象般大小的苍蝇配对的兔子的表象（第一、三种情况）来回答关于兔子的问题，其反应时要长于用与苍蝇或苍蝇般大小的大象配对的兔子的表象（第二、四种情况）。这说明，对较小的表象进行扫描要难于较大的表象。
图5-23 被试想象任务示意图
（来源：Kosslyn，1975）
在另一个实验中，科斯林先让被试形成四个大小不同的正方形的表象，每种大小的正方形都有一个颜色代号（例如，从最小的到最大的正方形的颜色分别是：橙色、绿色、淡红色、褐色）。经过一段时间的练习后，被试能够在听到一个颜色名称后想象出相应大小的正方形。在此基础上，实验者说出一个颜色，再说出一个动物名称，要求被试将动物想象成与该颜色对应的正方形一样大。例如，当被试听到“橙色、老虎”，就要想象有一只老虎，它的大小正好可以填满橙色正方形（最小的正方形）。最后，实验者说出该动物可能具有的一个特征（例如“老虎身上有条纹吗？”），要求被试作出肯定或否定的判断，并记录反应时。结果发现，与动物名称配对的正方形越大，被试的反应就越快。这与上面的实验一样，也说明小的表象难以扫描。
科斯林（Kosslyn，1976b）还进行了一项研究，考察比较一年级学生、四年级学生和大学生对于动物的生理特征问题的回答。这些问题都很简单，例如猫有没有爪子（爪子是猫的一个比较特别的特征），猫有没有头（头是猫的一个普通特征），等等。实验还分两种条件：第一种条件是，要求被试先想象自己看到问题中提到的动物，即产生其表象，然后才能回答问题；第二种条件是，不要求被试产生表象就回答问题。
在第一种实验条件下，被试可以更迅速地回答出类似于“猫有没有头”的问题；而在第二种实验条件下，被试的反应与年龄有关。四年级学生和大学生能够更迅速地回答类似于“猫有没有爪子”的问题，虽然猫的头比爪子要大得多，但是这个因素并没有对被试的反应产生促进效应。与此相对照的是，一年级学生仍然更迅速地回答出类似于“猫有没有头”的问题，这说明大小因素还是影响了他们的反应。进一步的询问证实，多数年幼的儿童无论在哪一种条件下都利用表象来回答问题。这些结果进一步说明，事物的物理大小在表象中得到了体现，并影响到个体对于它们的扫描。