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本世纪六十年代以来，由于信息论、控制论的兴起，计算机科学的迅猛发展，启发人们用信息加工的观点解释和说明人的复杂的认识活动，于是出现了认知心理学。现代认知心理学侧重于研究人的心理现象自身的规律和机制。在研究方法和手段上有许多独到之处。
一九七一年美国斯坦福大学的心理学家谢帕德（R.Shepard）和梅茨勒（Metzler）等做了一系列实验。实验的材料是一对对不同方位的立方体的二维形式图（见左图）。要求被试判断所用的时间。（见左图）中的A和B是两对完全相同的图形，所不同的仅仅是它们的方位，A中两个物体在平面上相差80°角，B中两个物体的深度上相差80度角。C中的一对物体是两个方位和结构都不同的物体。谢帕德和梅茨勒制作了一千六百对这类图片，他们请了八位成人被试者进行判断实验。被试者报告了他们判断时使用的方法：首先是把一个物体图形在心理旋转，直到与另一物体的方位相同，然后进行匹配比较，从而作出完全相同或完全不同的判断。以被试者对八百对同物图片判断的结果，可以看出，无论图片所示的物体是在平面上调转（即通过旋转画纸就可以实现），还是在三维深度中旋转（把物体方位旋“进”画纸中去），判断所用的时间同两物图片上的角度差异成线性关系，即旋转的度数越多，反应所用的时间越长见（见上图）。这就是著名的心理旋转的实验。
一九七三年谢帕德和库珀（Cooper）合作，以不同倾斜角度的正向和反向的字母R为实验材料，对心理旋转作了进一步的研究。（见右图），左边为六个正写的R，但R的倾斜度各不相同，右边为反向的字母R，倾斜度与正向的R相同。把这十二个字母随机地呈现出一个，要被试者判断它是正向还是反向的。被试者报告说，他们的头脑中，先把这个字母旋转到正常的正立位置，然后才能作出判断。主试者记录他们每一判断所用的时间。这一实验结果也证明了字母在心理旋转的角度越大，作出的判断所用的时间就越长。当然，人是聪明的，对字母进行心理旋转的方式并非固定不变，并非都按顺时针方向进行，这要看哪边离正常位置近，就向哪边旋转。 上述两类心理旋转实验说明了以下重要事实：（1）表象这一心理现象是客观存在的，是可以用科学的实验方法证明的。心理旋转的实验恰恰证明了表象的存在，并非像行为主义心理学所断言的那样，外界刺激传入大脑，就如同进了黑箱子，人们无法知道头脑是怎样活动的。也不像机能主义心理学那样，单凭被试者的内省报告就来分析人的心理活动。认知心理学用实验进一步揭露信息在大脑中进行加工的过程。（2）心理旋转实验证明了表象是物体的抽象的类似物的再现。在没有刺激呈现的情况下，头脑中出会对视觉信息和空间信息进行加工。表象是真实物体的类似物，它是以观念的形式存在于头脑中的，它具有直观性。大脑对表象的加工操作类似于对真实物体进行知觉时的信息加工。事实上，心理旋转正是真实的物理旋转的一种类似物。只不过表象是这种实物旋转在头脑中的复现而已，并且复现时不受任何感觉通道的束缚。
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