視聽通道雙任務對多目標追蹤的影響：干擾還是促進?*

2014-01-31 21:34:16魏柳青張學民李永娜

心理學報 2014年6期

關鍵詞：眼動資源實驗

魏柳青張學民李永娜馬玉

(1北京師范大學心理學院, 應用實驗心理北京市重點實驗室, 北京 100875)

(2河南省體育科學研究所, 鄭州 450044)

(3認知神經科學與學習國家重點實驗室, 北京 100875)

(4中國人民大學心理學系, 北京 100872)

(5寧夏工商職業技術學院思想政治教學部, 銀川750021)

1 引言

多目標追蹤(Multiple Object Tracking, MOT)范式最早由Pylyshyn和Storm (1988)提出, 被廣泛用于視覺認知的研究, 主要集中在動態和并行信息的注意加工機制的探討上。在多目標追蹤的基礎上,研究者提出了多身份追蹤(Multiple Identity Tracking, MIT, Oksama & Hy?n?, 2004, 2008)范式,主要考察多目標追蹤過程中身份識別的認知加工機制。

1.1 雙任務實驗范式下多目標追蹤的注意加工機制

多目標追蹤任務是否占用注意資源？占用什么類型的注意資源？這是自多目標追蹤范式提出以來, 研究者廣泛關注的問題。以往研究者多采用雙任務實驗范式來考察多目標追蹤的注意加工機制(Pylyshyn, 2006; Pylyshyn, Haladjian, King, &Reilly, 2008; Tombu & Seiffert, 2008; 張學民, 劉冰,魯學明, 2009; Drew, McCollough, Horowitz, &Vogel, 2009), 研究者通過比較多目標追蹤與同時進行的視覺或聽覺任務間干擾程度的問題, 來分析多目標追蹤過程是否需要占用注意資源或占用的資源類型(Alvarez, Horowitz, Arsenio, DiMase, &Wolfe, 2005; Allen, McGeorge, Pearson, & Milne,2004; Fougnie & Marois, 2006)。且主要以兩種理論—— 中央或單一容量理論(The Central or Single Capacity Theory)和多重資源理論(Multiple Resources Theory)來對研究結果進行解釋。

Alvarez等(2005)采用注意操作特征方法(Attentional Operating Characteristic Method, AOC)考察多目標追蹤和視覺搜索任務是否持續地占用同一注意資源, 即兩項任務是否是相互排斥的。結果發現被試可以同時完成多目標追蹤和視覺搜索任務, 盡管兩項任務存在一定程度的相互干擾, 但并不是完全排斥的。并且多目標追蹤與視覺搜索相結合的雙任務的注意操作特征曲線和多目標追蹤與聽覺監測任務相結合的雙任務的情況是類似的。這一結果可用注意切換(Attention Switching)假設來解釋：兩項任務占用單一的注意資源, 該注意資源在兩項任務間持續切換, 以確保兩項任務的完成。注意切換假設以中央或單一容量理論為基礎。Tombu和Seiffert (2008)采用多目標追蹤與音調判斷任務相結合的雙任務實驗范式探討了多目標追蹤任務中的注意需求(Attentional Demands)問題。研究者通過變化對象運動過程中的空間接近性和運動速度以控制追蹤難度。發現當音調呈現與追蹤難度的提高同時進行時, 被試在兩項任務上的表現均較差。而當音調呈現早于追蹤難度的提高時, 兩項任務間的干擾則較小。說明多個目標的時時追蹤是需要注意資源參與的, 并且多目標追蹤所需要的注意資源與聽覺通道(Auditory Modality)任務所需要的注意資源是共通的。也有研究者發現, 盡管多目標追蹤與聽覺通道任務并不共享視覺注意資源, 但兩者共享更加中央的注意資源(如執行功能,Alvarez et al., 2005; Baddeley & Hitch, 1974)。Allen等(2004)比較了專家(專業雷達操作員)與新手(大學生)在多目標追蹤表現上的差異, 發現專家在單一的多目標追蹤任務以及與需要持續注意的視覺數字分類任務同時進行的多目標追蹤任務上的表現均顯著高于新手, 且當數字分類任務在目標的獲取階段(線索階段)呈現時, 該任務對新手在多目標追蹤表現上的干擾程度要大于對專家的干擾程度。

綜合以上研究發現：多目標追蹤任務與以視覺方式呈現的任務占用相同的視覺注意資源, 兩項任務在同時進行時會相互干擾(Alvarez et al., 2005;Fougnie & Marois, 2006; Allen et al., 2004); 而與多目標追蹤任務同時進行的聽覺任務并不占用視覺注意資源, 但兩者共享更加中央的注意資源, 因此也會相互干擾(如執行功能, Alvarez et al., 2005;Tombu & Seiffert, 2008)。根據注意分配的多重資源模型(Wickens, 1984a, 1984b), 視覺注意資源指的是編碼階段的視覺編碼方式所占用的資源; 而中央注意資源指的是中央加工階段所占用的資源。視覺與聽覺任務對同時進行的多目標追蹤的干擾程度是否相同？雖然之前研究者分別考察了視覺任務(視覺搜索、數字分類任務等)對多目標追蹤的影響和聽覺任務(音調判斷、聽覺監測任務等)對多目標追蹤的影響, 但并沒有在相同條件下同時比較其對多目標追蹤干擾程度的差異。本研究將通過嚴格控制兩項任務的類型、反應方式等, 僅改變其呈現方式—— 視覺或聽覺形式, 考察其對多目標追蹤任務干擾程度的差異, 以更深入地探討多目標追蹤的注意加工機制(如所占用注意資源的類型和注意資源的分配方式等)。并且在以往關于多目標追蹤的研究中, 研究者多要求被試在追蹤目標過程中, 將眼睛保持在屏幕中央的十字形或方形注視點上, 但并沒有用眼動儀進行監測(Pylyshyn, 2006;Pylyshyn et al., 2008; Allen et al., 2004), 本研究將采用眼動儀對被試的眼動進行實時監測, 以保證被試始終將注視點良好地保持在屏幕中央, 比較在控制眼動與不控制眼動條件下視覺與聽覺任務對追蹤表現的影響差異。

1.2 多身份追蹤任務中的影響因素

視覺任務和聽覺任務都會對同時進行的多目標追蹤任務產生干擾。根據注意操作特征, 同時進行的兩項任務會相互干擾, 存在并行成本(Concurrent Cost); 但一項任務的表現也可能會被同時進行的第二項任務所促進, 即存在并行效益(Concurrent Benefit; Leclercq, 2002)。什么情況下視覺或聽覺任務會對同時進行的多目標追蹤任務產生促進作用？以往關于多身份追蹤的研究發現, 對象的身份特征會對追蹤表現和身份識別產生影響(Oksama &Hy?n?, 2004, 2008; Makovski & Jiang, 2009a, 2009b;Ren, Chen, Liu, & Fu, 2009; Pinto, Howe, Cohen, &Horowitz, 2010, 魏柳青, 張學民, 魯學明, 劉冰,李迎娣, 2010)。與新異物體相比, 熟悉物體作為目標對象的身份特征可以促進身份識別(Oksama &Hy?n?, 2004, 2008); 目標身份特征的特異性也會影響追蹤表現, 具體是促進還是干擾與身份特征的認知負荷有關。當對象身份特征為顏色、數字、形狀等簡單物理特征時, 目標身份特征的特異性(目標與非目標的身份特征兩兩不同, 且身份特征為兩個或多個特征維度的組合時, 目標與非目標不共享任何一個特征維度)可以促進追蹤表現(Makovski &Jiang, 2009a, 2009b); 但當對象身份特征為面孔等復雜社會性信息時, 與對象身份特征完全相同條件(目標和非目標為同一張面孔)相比, 對象身份特征的特異性(目標與非目標的面孔兩兩不同)反而會干擾追蹤表現(Ren et al., 2009)。多身份追蹤中, 重復區組(Repeated block, 目標和非目標的獨特身份特征在一個區組的各個試次間保持不變)也會促進追蹤表現和身份識別(Pinto et al., 2010)。以上對象身份特征對追蹤表現的促進作用或是由于熟悉物體從長時記憶中的提取速度較快(Oksama & Hy?n?,2004, 2008); 或是由于對象身份特征被保存在視覺工作記憶中, 在目標丟失的情況下可以利用儲存在視覺工作記憶中的信息重新找回目標(Makovski &Jiang, 2009a, 2009b); 或是由于目標身份特征的重復性促進了目標身份的再認和保持, 或促進了追蹤過程中身份—— 方位的綁定(Pinto et al., 2010)。

以上研究都是在單任務條件下, 通過改變對象的身份特征來探討其對追蹤表現的影響及其加工機制。在雙任務條件下, 同時進行的第二項任務在什么情況下會對多目標追蹤產生促進作用或是降低兩任務間的干擾程度？Green和Bavelier (2003)采用視覺搜索的外側分心物相容性效應范式(Flanker Compatibility Effect Paradigm)研究發現,外側呈現的與目標形狀相同的分心物會促進被試的反應, 而與目標形狀不同的刺激會使被試的反應速度變慢。盡管該范式并非雙任務實驗范式, 但由此可以看出, 在注意加工過程中, 某些刺激或信息的一致性也即相容性會促進任務表現。那么當視覺和聽覺任務中的某些信息與多目標追蹤尤其是多身份追蹤中的身份或特征信息存在一致時, 這種一致性或相容性是否會對追蹤表現產生促進作用或降低兩任務間的干擾程度？本研究也將對這一問題進行探討。

本研究采用雙任務實驗范式, 通過比較視覺與聽覺任務對多目標追蹤干擾程度的差異(實驗1)和探討可能降低視聽覺任務對追蹤任務干擾程度的因素(實驗2), 試圖理清多目標(身份)追蹤的注意加工機制, 如追蹤過程中消耗的注意資源類型和注意資源的分配方式等。本研究包括2個實驗, 其中實驗1A和B分別在控制眼動和不控制眼動的情況下比較了視覺與聽覺任務對追蹤表現的影響。實驗1中, 多目標追蹤與視、聽任務是相對獨立的兩項任務; 實驗2在實驗1的基礎上, 對視聽任務與多目標追蹤是否具有信息加工上的一致性也即兩任務的相容性進行操作, 以探討這一因素對追蹤表現的影響, 預期兩任務相容條件的追蹤正確率要顯著大于不相容條件。

2 實驗1 視覺和聽覺任務對多目標追蹤任務影響程度的差異研究

實驗1主要探討視覺和聽覺任務對多目標追蹤干擾程度的差異, 進一步分析多目標追蹤的注意加工機制。視覺和聽覺任務均為數字整除判斷任務,不同之處在于呈現通道(視覺或聽覺)的差異。

其中實驗1A對被試的眼動進行控制, 以排除視覺和聽覺任務間眼動模式的差異可能對實驗結果造成的影響。實驗1B不控制被試的眼動, 以更接近真實情境和增加生態化效度, 考察兩者干擾程度的差異。

2.1 實驗1A

實驗1A對被試的眼動進行控制, 使其始終保持在屏幕中央的注視點上。因為在視覺任務中, 需要判斷的數字在屏幕中央呈現, 被試要完成數字判斷與多目標追蹤的雙任務, 其注視點要在屏幕中央和追蹤對象間頻繁轉換或移動; 而在聽覺任務中,數字以聽覺形式呈現, 被試不需要時時注視屏幕中央。為了排除這一眼動模式的差異可能對實驗結果造成的影響, 在視覺和聽覺任務中, 均要求被試將注視點保持在屏幕中央, 僅用邊緣視覺追蹤目標,并用眼動儀實時監測被試的眼動情況。正式實驗前,對被試進行眼動控制訓練, 直至被試能夠做到在實驗過程中將其注視點較好地保持在屏幕中央注視點位置。

2.1.1 被試

被試為北京地區在校大學生14名, 其中男生10名, 女生4名, 年齡范圍為19～29歲(平均年齡22.6 ± 2.5歲)。所有被試視力或矯正視力正常, 聽力正常, 眼動控制良好。

2.1.2 實驗設計

單因素2水平被試內設計, 自變量為數字整除判斷任務的輸入通道(視覺通道和聽覺通道)。因變量為追蹤正確率、數字判斷正確率和判斷反應時,其中追蹤正確率為主要指標。追蹤正確率的計算方法如下：每試次追蹤正確率為被試正確選擇目標數占目標總數的比率(目標總數固定為4個, 若被試正確選擇了3個目標, 則追蹤正確率為75%; 選中4個目標則為100%), 總追蹤正確率即為各試次追蹤正確率的平均值。數字判斷正確率為被試做出正確判斷的次數占全部判斷次數的比率。判斷反應時為從數字呈現到被試做出按鍵反應的時間。

2.1.3 實驗儀器與材料

實驗儀器為Lenovo 2.8臺式計算機, 分別連接一臺顯示器和一臺Tobii T120眼動儀。被試在眼動儀顯示屏上完成任務。顯示屏為17英寸純平CRT監視器。屏幕分辨率設定為1024×768 pixel (每pixel約為0.032 cm), 垂直刷新頻率為85 Hz。被試眼睛距離屏幕約57 cm。使用Tobii Studio軟件的Live Viewer功能, 主試可以在電腦顯示器上實時監測被試在完成任務過程中的眼動軌跡, 并保證被試在對象運動過程中始終把注視點保持在屏幕中央的白色正方形上。

刺激呈現區域為屏幕中央800×600 pixel (水平視角85°, 垂直視角66°)的白線方框(寬度2 pixel,約0.2°), 背景為黑色。一個白色實心正方形呈現在屏幕中央作為注視點, 大小為40×40 pixel (約3.75°)。運動對象為8個白色實心圓形, 直徑為40 pixel (約3.75°)。所有運動對象的初始呈現方位隨機化, 兩兩之間的圓心距離均大于80 pixel, 且與注視點互不遮擋。所有運動對象的初始位置距離追蹤區域邊框也不小于80 pixel。對象運動過程中與中央白色實心正方形互不遮擋, 碰撞彈開。

視覺數字判斷任務中的數字大小為19.78 pixel(約1.85°, 字高), 顏色為紅色RGB (255, 0, 0), 呈現在白色實心正方形的中央。聽覺數字判斷任務中的數字讀音為女聲, 音量大小調節至被試覺得合適的程度。

2.1.4 實驗過程

多目標追蹤任務：被試按空格鍵開始每個試次。8個白色圓形以隨機方位呈現在屏幕上, 彼此之間互不遮擋, 其中4個圓形閃爍數次被標記為要追蹤的目標, 閃爍持續時間為1 s, 閃爍頻率為3次/s。閃爍消失后, 所有圓形仍靜止呈現1 s。之后, 所有圓形開始做隨機、獨立的運動, 要求被試追蹤剛才以閃爍形式標記出來的目標。運動持續時間為6.5 s。運動停止后, 要求被試用鼠標點出剛才所追蹤的目標。給被試的反應時間為20 s。注視點在整個任務過程中始終呈現。

視覺數字整除判斷任務：數字呈現在注視點中央區域, 呈現的數字從1～9中隨機選取, 要求被試判斷該數字是否能被3整除。每試次中, 被試一共要進行3次數字判斷任務, 3次任務在多目標追蹤的運動階段進行平均分配。第一個數字出現在運動階段開始后1 s, 呈現時間為0.5 s, 如果數字能被3整除, 則被試要快速按“←”進行反應, 如不能被3整除, 則按“→”鍵。給被試的反應時間為1 s。之后另一個數字呈現, 計算機自動記錄被試的判斷正確率和判斷反應時。

聽覺數字整除判斷任務：聽覺任務是以聽覺形式呈現的, 被試在實驗過程中要戴上耳機, 并對聽到的數字進行整除判斷, 數字呈現時間、反應間隔和反應方式均與視覺任務相同。

多目標追蹤任務與數字整除判斷任務同時進行(多目標追蹤與視覺數字整除判斷結合的雙任務簡稱“視覺任務”; 多目標追蹤與聽覺數字整除判斷結合的雙任務簡稱“聽覺任務”)。被試在追蹤目標過程中要對看到或聽到的數字進行反應, 且數字整除判斷任務為優先任務, 要求被試既準確又快速的優先完成。同時, 在對象運動過程中, 要求被試始終把注視點保持在屏幕中央的白色正方形上, 并用Tobii T120眼動儀進行實時監測。實驗過程見圖1和圖2。

圖1 多目標追蹤與視覺任務實驗過程示例

圖2 多目標追蹤與聽覺任務實驗過程示例

視覺任務與聽覺任務分區組進行, 區組順序在被試間進行平衡。每個區組包括40試次。在正式實驗前, 被試先進行練習實驗, 直到熟悉實驗任務并能較好地控制眼動, 即在對象運動過程中及在對數字進行反應時, 被試能夠始終把注視點保持在屏幕中央。完成一個區組后要求被試休息兩分鐘, 整個實驗共持續約40 min。

2.1.5 實驗結果

統計數據時, 首先刪除被試對數字進行提前反應、多次反應或反應次數不到3次的試次, 以此標準刪除的試次數占總試次數的1.61%, 以余下的試次數計算追蹤正確率、數字判斷正確率。單個試次被試數字判斷反應時的計算方法為3次正確判斷反應時的平均數, 因此, 計算數字反應時需要刪掉3次數字反應不完全正確的試次, 刪除的試次數占第一輪篩選后剩下試次數(1102)的15.88%, 以此試次數計算數字判斷反應時, 因數字判斷反應時僅為參考指標, 所以盡管此處刪除試次數較多, 但不會對主要指標產生影響。為了在控制兩任務權衡的基礎上進一步考察視覺和聽覺任務追蹤表現的差異, 同時也計算數字判斷完全正確時的追蹤正確率, 后續實驗的數據采用了同樣的剔除標準。

(1)眼動的注視點

采用Clearview軟件的分析功能, 分別提取被試在視覺與聽覺任務上對象運動過程中的注視點數據, 計算被試注視點中心縱橫坐標值, 并與屏幕中心的中央注視點縱橫坐標值進行差異比較。并根據被試注視點中心到屏幕中央的距離, 計算被試注視點的視角, 如表1所示。

分別將視覺與聽覺任務被試的注視點中心坐標值與中央注視點中心坐標值進行單樣本

檢驗發現, 視覺任務X軸與中央注視點X軸差異顯著,

(13) = -2.85,

= 0.014; Y軸與中央注視點Y軸差異不顯著,

(13) = 1.85,

= 0.087。聽覺任務X軸與中央注視點X軸差異顯著,

(13) = -2.53,

= 0.025;Y軸與中央注視點Y軸差異不顯著,

(13) = 1.92,

= 0.077。雖然視覺與聽覺任務中注視點中心X軸坐標值與中央注視點中心X軸坐標值差異顯著, 但因實驗里中央注視點大小設置為40×40 pixel, 所以被試的注視點中心基本保持在中央注視點范圍內, 表明本實驗中眼動控制是有效的。從視角來看, 被試注視點中心偏離屏幕中央的視角為1°左右, 因眼動儀的空間精確參數為0.5°, 這說明被試的注視點基本保持在屏幕中央, 眼動控制良好。

(2)追蹤正確率

追蹤正確率見表2。對視覺與聽覺任務的追蹤正確率進行配對樣本

檢驗, 發現視覺任務追蹤正確率顯著大于聽覺任務,

(13) = 3.22,

= 0.007。

(3)數字判斷正確率和反應時

對視覺與聽覺任務的數字判斷正確率和反應時進行配對樣本

檢驗, 結果顯示視覺任務數字判斷正確率顯著大于聽覺任務,

(13) = 3.00,

= 0.01;視覺任務反應時也顯著快于聽覺任務,

(13) =-48.21,

＜ 0.001。

(4)數字判斷完全正確時的追蹤正確率

對視覺和聽覺任務數字判斷完全正確時的追蹤正確率進行配對樣本

檢驗, 發現視覺任務也顯著大于聽覺任務,

(13) = 2.45,

= 0.029。.

2.1.6 小結

在本實驗的視覺和聽覺任務中, 在客體對象運動和數字判斷過程中, 被試的注視點始終保持在屏幕中央, 僅用邊緣視覺來完成多目標追蹤。Oksama和Hy?n? (2008)在多身份追蹤模型中提出多個運動對象的方位信息是由邊緣視覺(Peripheral Vision)來執行加工的。本實驗結果表明：被試在執行一項需耗費注意資源任務的同時, 僅用邊緣視覺追蹤4個目標, 仍可以達到75%以上的正確率。

聽覺任務的追蹤正確率顯著小于視覺任務, 說明聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度顯著大于視覺任務。出現這一結果的原因可能有兩種：一是由于當數字判斷任務以聽覺形式呈現時, 被試完成該任務需要耗費更多的中央注意資源, 與多目標追蹤任務所耗費的中央注意資源產生競爭, 由此對追蹤表現產生更大程度的干擾(Alvarez et al., 2005)。二是由于在完成聽覺任務時, 要求被試把注視點保持在屏幕中央相當于給被試增加了另外一項視覺注意任務, 占用了額外的視覺注意資源, 導致用于追蹤的視覺注意資源減少。而視覺任務在執行過程中,本來就需要被試時時注意中央注視點, 眼動的控制與聽覺任務相比要相對簡單。

表1 視覺與聽覺任務被試的注視點中心坐標值與中央注視點坐標值比較

表2 視覺和聽覺任務的追蹤正確率、數字判斷完全正確時的追蹤正確率、數字判斷正確率和反應時

從視覺數字判斷正確率顯著大于聽覺數字判斷正確率以及視覺數字判斷反應時顯著小于聽覺數字判斷反應時可以看出, 在視覺數字判斷任務與多目標追蹤任務之間、聽覺數字判斷任務與多目標追蹤任務之間并不存在追蹤正確率與數字判斷正確率或判斷反應時的權衡。并且在視覺和聽覺任務的數字判斷完全正確條件下, 視覺任務的追蹤正確率仍顯著大于聽覺任務, 說明被試在追蹤任務上的表現是穩定、可靠的, 不受第二任務表現的影響。

2.2 實驗1B

實驗1A對被試的眼動進行控制, 雖然排除了視覺和聽覺任務眼動模式的差異可能對實驗結果造成的混淆, 但在聽覺任務中, 被試可能需要占用額外的視覺注意資源來把注視點保持在屏幕中央,同時還要占用中央注意資源來完成聽覺任務; 而被試在完成視覺任務的過程中需要時時注視屏幕中央, 無需再付出額外的視覺注意資源或僅需很少的視覺注意資源來保持眼動。與生態化情境相比, 控制眼動相當于為聽覺任務增加了一項額外的視覺注意任務。這一實驗操作可能是導致聽覺任務對多目標追蹤干擾程度大于視覺任務的原因。因此, 在實驗1B中, 不再控制被試的眼動, 以更接近真實情境, 進一步考察視覺和聽覺任務對多目標追蹤干擾程度的差異。

2.2.1 被試

被試為北京地區在校大學生13名, 其中男生4名, 女生9名, 年齡范圍為23～28歲(平均年齡24.7 ±1.6歲)。所有被試視力或矯正視力正常, 聽力正常。

2.2.2 實驗設計、實驗儀器與材料、實驗過程

與實驗1A基本相同, 不同之處在于, 實驗1B不控制被試的眼動, 被試的注視點可在屏幕上隨意轉移。

2.2.3 實驗結果

數據剔除標準與實驗1A相同。首先刪除被試對數字進行提前反應、多次反應或反應次數不到3次的試次, 刪除的試次數占總試次數的5.87%。刪掉3次反應不完全正確的試次數占第一輪篩選后剩下試次數(979)的20.12%。各個條件下追蹤正確率、數字判斷完全正確時的追蹤正確率、數字判斷正確率和判斷反應時見表3。

(1)追蹤正確率

對視覺與聽覺任務的追蹤正確率進行配對樣本

檢驗, 發現視覺任務追蹤正確率顯著小于聽覺任務,

(12) = -2.15,

= 0.053。

(2)數字判斷正確率和反應時

對視覺與聽覺任務的數字判斷正確率和反應時進行配對樣本

檢驗, 結果顯示視覺任務數字判斷正確率顯著大于聽覺任務,

(12) = 2.76,

= 0.017;視覺任務反應時也顯著快于聽覺任務,

(12) =-32.38,

＜ 0.001。

表3 視覺和聽覺任務的追蹤正確率、數字判斷完全正確時的追蹤正確率、數字判斷正確率和反應時

(3)數字判斷完全正確時的追蹤正確率

對視覺和聽覺任務數字判斷完全正確時的追蹤正確率進行配對樣本

檢驗, 發現視覺任務顯著小于聽覺任務,

(12) = -2.31,

= 0.040。

2.2.4 小結

在不控制眼動的情況下, 聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度小于視覺任務。這與上文推測的第二種原因相一致：即在不控制眼動的情況下, 被試在完成聽覺任務時, 不需要再耗費額外的視覺注意資源來保持眼動, 而只需要占用中央注意資源, 所以與視覺任務相比, 聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度減小。

在該實驗中, 視覺任務的追蹤正確率顯著小于聽覺任務, 但視覺任務的數字判斷正確率顯著大于聽覺任務, 且視覺數字反應時也顯著小于聽覺任務。需要說明的是, 以上并不是由于出現了多目標追蹤與數字判斷任務間的權衡, 而很可能是由數字判斷任務的呈現方式決定的。因為在數字判斷完全正確條件下, 也即視覺和聽覺數字判斷正確率均為100%的情況下, 聽覺任務的追蹤正確率仍顯著大于視覺任務。

2.3 討論

實驗1A和B發現, 視覺任務和聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度存在差異, 且該差異與是否控制眼動有關。被試在完成雙任務過程中始終把注視點保持在屏幕中央, 僅用邊緣視覺追蹤目標時, 聽覺任務的追蹤正確率顯著小于視覺任務, 聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度大于視覺任務; 當不控制被試的眼動也即被試的眼動可在屏幕上任意轉移時, 聽覺任務的追蹤正確率顯著大于視覺任務, 聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度小于視覺任務。

以上結果排除了被試在完成雙任務過程中單個注意焦點或單一注意資源在兩項任務間連續切換的可能性。有研究者(Alvarez et al., 2005; Tombu& Seiffert, 2008)認為被試能同時完成多目標追蹤和第二項任務的原因之一可能是注意資源在兩項任務間的連續切換。在實驗1A和B中, 聽覺數字判斷反應時均顯著大于視覺數字判斷反應時。從時間進程來看, 聽覺任務占用注意資源的時間較長,用于追蹤的間歇期較短, 如果在完成雙任務過程中單一注意資源是在兩任務間連續不斷切換的話, 那么視覺任務的切換速度和頻率要大于聽覺任務, 無論是否控制眼動, 視覺任務的追蹤表現應該好于聽覺任務。而實驗結果則表明, 視覺和聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度隨是否控制眼動而變化：控制眼動時, 聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度大于視覺任務; 而不控制眼動時, 聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度小于視覺任務, 從而不支持單一注意資源轉移假設, 而傾向于支持注意資源的分配理論(Kahneman, 1973; Norman & Bobrow, 1975; Leclercq,2002)。在綜合討論中將對其注意分配機制進行詳細分析。

3 實驗2 視覺或聽覺任務的信息相容性對多身份追蹤的影響

實驗1A和B探討了視聽任務對多目標追蹤干擾程度的差異, 著重的是雙任務實驗范式下兩任務如占用相同的認知資源會產生并行成本的問題。實驗2則嘗試探討在什么情況下一項任務的表現可能會被同時進行的第二項任務所促進也即產生并行效益的問題。實驗1中, 多目標追蹤與同時進行的視、聽任務是相對獨立的兩項任務, 而實驗2對視聽任務與多目標追蹤是否具有信息加工上的一致性也即兩項任務的相容性進行操作, 以探討這一因素對追蹤表現的影響。實驗2采用多身份追蹤范式,每個運動對象都帶有獨特的數字身份特征, 視覺和聽覺任務仍為數字整除判斷任務。

3.1 被試

被試為北京地區在校大學生14名, 其中男生6名, 女生8名, 年齡范圍為20～24歲(平均年齡21.6 ±1.3歲)。所有被試視力或矯正視力正常, 聽力正常。

3.2 實驗設計

2×2被試內設計, 自變量為數字判斷任務的輸入通道(視覺通道和聽覺通道)和多身份追蹤與數字判斷任務的相容性(相容與不相容)。相容是指數字判斷任務中的數字與追蹤目標的身份相一致, 不相容是指數字判斷任務中的數字與非目標的身份相一致, 而與目標的身份完全不一致。因變量為追蹤正確率和數字判斷正確率、反應時。

3.3 實驗儀器與材料

與實驗1基本相同。不同之處在于：在該實驗的多身份追蹤任務中, 目標和非目標即全部白色實心圓形在運動開始的同時內部均填充黑色數字, 數字位于圓形中央, 大小為19.78 pixel (約1.85°, 字高)。數字從1～9中隨機選取。

3.4 實驗過程

與實驗1基本一致。不同之處在于：在多身份追蹤任務中, 8個白色實心圓形以隨機方位呈現在屏幕上, 互不遮擋, 其中4個圓形閃爍數次被標記為要追蹤的目標, 閃爍持續時間為1 s。閃爍消失后,所有圓形仍靜止呈現1 s。之后, 所有圓形開始做隨機、獨立的運動, 與此同時, 有相應的黑色數字出現在圓形內部, 數字從1～9中隨機選取, 每個圓形內僅填充一個數字。圓形內部填充數字在運動過程中一直呈現。運動持續時間為8 s。具體實驗過程見圖3、圖4。

數字整除判斷任務與實驗1的不同之處是：在該實驗中, 共有4個數字呈現。數字呈現(視覺呈現與聽覺呈現)時間仍為0.5 s, 給被試的反應時間為1 s。

多身份追蹤任務與數字整除判斷任務是否相容主要表現在：在相容條件下, 數字判斷任務所呈現的4個數字與多身份追蹤中目標圓形內填充的數字完全相同; 在不相容條件下, 數字判斷任務所呈現的4個數字與目標圓形內填充的數字完全不同,而與非目標圓形內填充的數字相同。

每種實驗條件包括40個試次, 共有160個試次,其中視覺和聽覺任務分區組進行。是否相容在視覺和聽覺任務中以隨機順序呈現。在正式實驗前, 均讓被試練習10個試次; 正式實驗中, 被試完成40個試次后休息兩分鐘。整個實驗持續約70 min。

3.5 實驗結果

數據剔除標準與實驗1相同。首先刪除被試對數字進行提前反應、多次反應或反應次數不到4次的試次, 以此標準刪除的試次數占總試次數的5.09%。刪掉4次反應不完全正確的試次數占第一輪篩選后剩下試次數(2126)的22.25%。各個條件下追蹤正確率、完全正確追蹤正確率、數字判斷正確率和反應時見表4。

3.5.1 追蹤正確率

對追蹤正確率進行2(視覺與聽覺任務)×2(相容與不相容)重復測量方差分析發現：數字判斷任務的輸入通道(視覺和聽覺通道)主效應顯著,

(1, 13)= 16.89,

= 0.001,

= 0.565; 多身份追蹤與數字判斷任務的相容性(相容與不相容)主效應顯著,

(1,13) = 44.03,

＜ 0.001,

= 0.772; 兩因素交互作用不顯著,

(1, 13) = 0.071,

= 0.793。

圖3 多身份追蹤與視覺任務實驗過程示例

對相容條件下視覺和聽覺任務的追蹤正確率進行配對樣本

檢驗發現, 視覺任務的追蹤正確率顯著小于聽覺任務,

(13) = -3.33,

= 0.005; 不相容條件下視覺任務的追蹤正確率也顯著小于聽覺任務,

(13) = -3.10,

= 0.008。

3.5.2 數字判斷正確率

對數字判斷正確率進行2(視覺與聽覺任務)×2(相容與不相容)重復測量方差分析發現：輸入通道主效應顯著,

(1, 13) = 10.57,

= 0.006,

=0.448; 相容性主效應顯著,

(1, 13) = 9.44,

=0.009,

= 0.421; 兩因素交互作用不顯著,

(1, 13)= 1.70,

= 0.215。

3.5.3 數字判斷反應時

對數字判斷反應時進行2(視覺與聽覺任務)×2(相容與不相容)重復測量方差分析發現：輸入通道主效應顯著,

(1, 13) = 372.67,

＜ 0.001,

=0.966; 相容性主效應顯著,

(1, 13) = 20.23,

=0.001,

= 0.609; 兩因素交互作用顯著,

(1, 13) =9.67,

= 0.008,

= 0.426。

圖4 多身份追蹤與聽覺任務實驗過程示例

表4 各個條件下的追蹤正確率、完全正確追蹤正確率、數字判斷正確率和反應時

圖5 各個條件下的追蹤正確率、數字判斷完全正確時的追蹤正確率

對兩者的交互作用進一步分析發現：視覺任務中相容條件的數字判斷反應時顯著小于不相容條件,

(13) = -3.03,

= 0.01; 聽覺任務中相容的數字反應時也顯著小于不相容,

(13) = -4.43,

= 0.001。相容條件下視覺任務的數字反應時顯著小于聽覺任務,

(13) = -18.11,

＜ 0.001; 不相容條件下視覺任務的數字反應時也顯著小于聽覺任務,

(13) =-19.28,

＜ 0.001。

3.5.4 數字判斷完全正確時的追蹤正確率

對數字判斷完全正確時的追蹤正確率進行2(視覺與聽覺任務) × 2(相容與不相容)重復測量方差分析發現：輸入通道主效應顯著,

(1, 13) = 18.60,

= 0.001,

= 0.589; 相容性主效應顯著,

(1, 13)= 36.35,

＜ 0.001,

= 0.737; 兩因素交互作用不顯著,

(1, 13) = 0.215,

= 0.651。

3.6 討論

實驗2發現當多身份追蹤的目標身份特征與數字判斷任務的數字相一致時, 其追蹤正確率顯著大于多身份追蹤的非目標身份特征與數字判斷任務的數字相一致的情況, 也即多身份追蹤與數字判斷任務相容條件下的追蹤正確率顯著大于兩者不相容的情況。并且在數字判斷任務中, 相容條件下的數字判斷正確率顯著大于不相容條件, 相容條件下的數字判斷反應時顯著小于不相容條件。該結果表明多身份追蹤與同時進行的第二項任務的相容性不僅促進了追蹤表現, 而且促進了第二項任務的表現, 對兩項任務均產生了易化作用, 降低了兩項任務間的干擾程度。

實驗2的結果也驗證了實驗1B的發現, 即在不控制眼動的情況下, 聽覺任務的追蹤正確率顯著大于視覺任務, 聽覺任務對視覺追蹤的干擾程度小于視覺任務。即使在數字判斷完全正確條件下即排除了多身份追蹤與數字判斷任務相互權衡時也是如此。值得注意的是, 在實驗1A、B和實驗2中, 聽覺數字判斷正確率均顯著小于視覺數字判斷正確率, 且聽覺數字判斷反應時均顯著大于視覺數字判斷反應時, 該結果的一致性表明其并不是由數字判斷任務與視覺追蹤任務間的權衡造成的, 而是由數字判斷任務的呈現方式所決定的。

4 綜合討論

本研究通過3個實驗探討了與多目標追蹤同時進行的視覺或聽覺任務對其干擾程度的差異, 以及當視覺和聽覺任務的信息加工與多身份追蹤的身份特征相一致時, 該一致性或相容性是否會降低兩任務間的干擾程度。通過以上實驗, 旨在更深入地探討多目標追蹤的注意加工機制。

4.1 多目標追蹤占用視覺注意資源還是中央注意資源？

實驗1發現在嚴格控制眼動, 即被試注視點始終保持在屏幕中央的情況下, 聽覺數字判斷任務對多目標追蹤的干擾程度大于視覺任務。而在不控制眼動, 被試注視點可在屏幕上隨意轉移的情況下,聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度小于視覺任務。這一結果排除了單一注意焦點或單一注意資源在兩項任務間連續切換的可能性, 被試之所以能夠同時完成兩項任務, 是注意資源在兩項任務間分配的結果。

目前注意資源的分配模型有兩種主要理論：中央或單一容量理論和多重資源理論。中央或單一容量理論代表性的模型是由Kahneman (1973)提出的注意能量分配模型, 其將注意看做一組對信息進行加工的認知資源或認知能力。這些認知資源是有限的(Norman & Bobrow, 1975), 可根據情境的限制或任務的要求分配到不同的任務上。只要不超過可利用認知資源的限制, 個體就能夠同時接收兩種或多種信息輸入, 或者從事兩種或多種認知活動。多重資源理論不僅基于可利用資源的數量, 而且還基于可利用資源的類型。研究者認為特定類型的認知加工分別消耗特定類型的認知資源。根據該模型, 兩項或多項任務間不存在干擾是因為每項任務都依賴不同的認知資源。如各個感覺通道的信息加工都消耗或占用特定類型的資源(Leclercq, 2002)。反之,如果兩項任務存在干擾, 則兩項任務共同占用了相同的認知資源。最詳細的一種多重資源模型是由Wickens (1984a, 1984b)提出來的, 他根據編碼方式(視覺和聽覺)、編碼類型(空間編碼和言語編碼)、加工階段(編碼、中央加工和輸出)、反應類型(手動、口頭)區分出不同類型的資源。

如果用中央或單一容量理論來解釋實驗1的結果, 實驗1A表明在控制眼動的情況下, 與視覺任務相比, 聽覺任務與多目標追蹤共同占用更多的認知資源; 實驗1B表明在不控制眼動的情況下, 與視覺任務相比, 聽覺任務與多目標追蹤共同占用較少的認知資源。而在以往研究中, Fougnie和Marois(2006)曾把多目標追蹤作為典型的視覺注意任務來探討視覺工作記憶的容量限制是否基于視覺注意的認知資源有限性。Tombu和Seiffert (2008) 研究表明多目標追蹤所需要的注意資源與聽覺任務所需的注意資源是共通的。Alvarez等(2005)的研究表明盡管多目標追蹤與聽覺任務并不共享視覺注意資源, 但兩者共享更加中央的注意資源(如執行功能)。以上研究表明, 研究者在探討多目標追蹤的注意加工機制時, 已經開始區分注意資源的類型, 而不再局限于注意的單一容量理論。

本研究結果進一步為注意分配的多重資源模型(Wickens, 1984a, 1984b)和視聽通道共享中央的注意資源的觀點(Alvarez et al., 2005; Baddeley &Hitch, 1974)提供了支持。根據多重資源理論, 在控制眼動的情況下, 被試在視覺和聽覺任務中的眼動模式完全相同, 此時被試在同時完成聽覺任務和多目標追蹤的過程中, 與完成視覺任務和多目標追蹤任務相比, 保持注視點在屏幕中央要耗費視覺注意資源, 執行聽覺任務要耗費聽覺資源和中央資源(Alvarez et al., 2005; Baddeley & Hitch, 1974), 這些認知資源的占用與多目標追蹤所耗費的注意資源(Tombu & Seiffert, 2008)形成競爭, 由此對多目標追蹤造成較大程度的干擾。而被試在完成視覺任務過程中, 需要常常注視屏幕中央的注視點, 也即執行視覺任務所占用的視覺注意資源與保持注視點所耗費的視覺注意資源存在一定程度的重合, 因而視覺任務對多目標追蹤的干擾程度小于聽覺任務。

在不控制眼動的情況下, 被試在完成聽覺任務和多目標追蹤時, 無需耗費額外的視覺注意資源來保持注視點, 聽覺任務僅占用聽覺注意資源(根據編碼方式劃分)和中央注意資源(根據加工階段劃分); 而在完成視覺任務和多目標追蹤時, 視覺任務的執行需要耗費視覺注意資源, 由視覺任務對多目標追蹤的干擾程度大于聽覺任務這一實驗結果可以推斷：當聽覺任務與多目標追蹤同時進行時,兩者僅占用相同的中央注意資源(如中央加工,Wickens, 1984b; Tombu & Seiffert, 2008); 而視覺任務與多目標追蹤同時進行時, 兩者既要占用中央注意資源, 又要占用相同的視覺注意資源。比較之下,聽覺任務與多目標追蹤僅相互競爭一種類型的資源; 而視覺任務與多目標追蹤要競爭兩種類型的資源(中央加工和視覺注意資源), 所以視覺任務對多目標追蹤的干擾程度要大于聽覺任務。

根據多重資源模型, 根據編碼方式來劃分, 多目標追蹤的追蹤過程(Moment-to-moment Tracking)需要占用視覺認知資源, 因為多目標追蹤是典型的視覺任務, 在追蹤過程中需要時時進行視覺編碼;根據加工階段來劃分, 追蹤過程主要涉及編碼階段和中央加工階段, 編碼階段正如上面所分析的, 主要是視覺編碼; 而中央加工階段, 根據前人研究(Tombu & Seiffert, 2008; Alvarez et al., 2005)及本研究的結果, 其所需要的注意資源與聽覺任務所需的注意資源是相同的。因此, 由視覺和聽覺任務對同時進行的多目標追蹤任務干擾程度的差異可以得出：多目標追蹤任務的追蹤過程不僅占用視覺注意資源, 而且占用中央加工資源; 因此, 只要同時進行的第二任務也需要占用中央加工資源, 即使不以視覺通道呈現, 也會對多目標追蹤任務造成干擾。這是本研究的理論發現之一。這可能也是前人研究中手指的順次輕敲(Trick, Guindon, & Vallis, 2006)或自身的主動或被動位移(Thomas & Seiffert, 2010)都會干擾多目標追蹤表現的原因。

4.2 多身份追蹤與第二任務相容性對追蹤表現的影響及其注意加工機制

實驗2發現：當數字判斷任務的數字與多身份追蹤的目標身份特征相一致時, 不管是在視覺任務還是在聽覺任務中, 該一致性或相容性都顯著促進了追蹤表現和數字判斷表現, 使兩項任務都表現出了易化效應, 兩項任務間的干擾程度降低。表現在與不相容條件相比, 相容條件下的追蹤正確率顯著更高, 且數字判斷正確率也更高, 反應時更短。

根據以往多身份追蹤研究, 追蹤過程中對象身份特征被保存在視覺工作記憶中, 在目標丟失的情況下, 利用儲存在工作記憶中的目標身份信息可以重新找回目標(Makovski & Jiang, 2009a, 2009b)。實驗2中, 在追蹤開始階段, 目標對象獨特的數字身份被儲存在視覺工作記憶中。在相容條件下, 被試在完成數字判斷任務時, 因為需要判斷的數字與追蹤目標的數字身份相一致, 一方面兩者可以相互驗證, 另一方面也節約了用于數字加工和儲存的認知資源, 因此兩項任務間的干擾程度會下降, 產生并行效益。而在不相容條件下, 因為需要判斷的數字與儲存在視覺工作記憶中的數字不一致, 被試需要付出額外的認知資源來對數字進行加工, 并且需要判斷的數字與非目標身份特征相一致也容易導致目標和非目標間的混淆, 因此與相容條件相比, 不相容條件下兩項任務相互間的干擾程度較大。

在實驗2中, 聽覺任務相容條件的追蹤正確率顯著大于視覺相容條件; 且聽覺任務不相容條件的追蹤正確率也顯著大于視覺不相容條件。盡管多身份追蹤與聽覺數字判斷任務在同時進行時, 需要對不同感覺通道的信息進行加工融合, 如追蹤過程中儲存在視覺工作記憶中的數字需要與聽覺輸入的數字特征相匹配, 在跨通道信息交互過程中, 即使在不相容條件下, 聽覺任務的追蹤表現也比視覺任務要好。這在一定程度上說明視聽跨通道信息融合所消耗注意資源, 并沒有兩項任務同時競爭視覺編碼所消耗注意資源多。且該結果進一步表明：多目標追蹤過程所消耗視覺注意資源可能要遠多于中央注意資源, 所以導致在相容和不相容條件下, 視覺任務對追蹤任務的干擾程度都要大于聽覺任務。這也是本研究一個新的發現。這一點還需要后續更為精細化的實驗設計進行進一步研究。

綜上所述, 采用視聽通道雙任務實驗范式探討多目標追蹤的注意加工機制發現：多目標追蹤既占用視覺注意資源(視覺編碼), 也占用中央加工資源;且所消耗視覺注意資源可能要遠多于中央加工資源。當第二任務與多目標追蹤存在相容性時, 與不相容條件相比, 相容條件會對多目標追蹤和視覺或聽覺任務產生促進作用或降低兩任務間干擾程度,兩任務間產生了并行效益。說明信息加工一致性可以節省多身份追蹤過程的認知資源。研究結果從理論上進一步支持了注意的多重資源模型(Wickens,1984a, 1984b), 同時, 視聽跨通道雙任務的結果也為視聽通道共享中央的注意資源的觀點(Alvarez et al., 2005)提供了實驗依據, 說明中央注意資源在不同通道注意資源分配中具有調控作用。研究結果為注意資源分配的理論提供了實證依據。

5 結論與展望

本研究通過3個實驗分別考察了視覺和聽覺任務對同時進行的多目標追蹤任務干擾程度的差異,以及當視覺與聽覺任務的某些信息加工與多目標追蹤的身份特征相一致時, 視覺與聽覺任務是否會對多目標追蹤產生促進作用。結果發現：①在控制眼動、被試注視點始終保持在屏幕中央的情況下,聽覺任務對多目標追蹤任務的干擾程度大于視覺任務; 而在不控制眼動, 被試注視點可在屏幕上任意轉移的情況下, 聽覺任務對多目標追蹤的干擾程度小于視覺任務。說明多目標追蹤過程既要占用編碼階段的視覺注意資源, 又要占用中央加工階段的中央注意資源, 如執行功能。②當視覺或聽覺數字判斷任務中的數字與多身份追蹤任務中目標的數字身份相一致時, 該相容性會對追蹤表現產生促進作用并降低兩任務間的干擾程度。這是由于追蹤過程中目標的數字身份被儲存在視覺工作記憶中, 相容條件下節約了用于數字加工的認知資源, 同時促進了兩項任務的表現。

本研究探討了多身份追蹤與第二任務的相容性對追蹤表現的促進作用, 以及視聽任務對注意資源分配的影響機制, 在后續的研究中將開展更加精細的實驗設計來進行深入探討。此外, 是否還有其他因素會使與多目標追蹤同時進行的第二項任務對追蹤表現產生促進作用及其背后的認知機制也是值得研究的重要問題。另外, 對雙任務實驗范式下可能影響追蹤表現或兩任務間干擾程度的其他因素(如雙任務的通道及難度均衡匹配、高運動速度和高容量以及生態化情境的追蹤識別任務等)以及這些因素對注意資源分配與調控的影響機制及其神經機制還有待于進一步的探討。

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