注意力資源限制與雙任務的相互干擾機制*

吳彥文 游旭群 李海霞

(1天水師范學院心理系, 天水 741001) (2陜西師范大學心理學院, 西安 710062)

1 引言

雙任務操作是指被試同時或繼時操作兩種快速的反應時任務, 當這兩個任務呈現的起點時間間隔不同步(Stimulus onset asynchrony, 簡稱SOA)時,通常發現隨著SOA的縮短, 任務1 (簡稱T1)和任務2 (簡稱T2)在加工時間上有較高重疊時, T2的反應時(簡稱RT2)會顯著延遲(Pashler, 1994a, 1994b)。SOA縮短導致 RT2延遲的現象即心理不應期(Psychological refractory period, 簡稱 PRP)效應(Pashler, 1994b; Pashler, Harris, & Nuechterlein,2008)。

1931年Telford首次運用PRP范式揭示了雙任務的干擾現象。他發現在較長的SOA條件下, 被試有足夠的時間首先完成對 T1的反應選擇(response selection)后再進行T2的反應選擇時, 對T2的反應并不受T1加工的干擾。若SOA較短, 當T1正在進行反應選擇加工時 T2 也隨即出現, 由于 T1暫時占據了單通道瓶頸加工器(single-channel bottleneck processor), T2的反應選擇必須等待T1完成其反應選擇加工后才能進入容量有限的瓶頸加工器。SOA越短, T2到達的越快, T1和T2的重疊程度越高, T2等待 T1完成瓶頸加工的時間越長,任何延長T1加工的因素就越容易延長RT2。

在總結前人研究的基礎上, Pashler提出了反應選擇瓶頸(response-selection bottleneck, 簡稱RSB)模型。該模型認為, 任何一個任務的加工過程由 3個獨立的階段組成(如圖 1所示)：瓶頸前階段(A),主要負責刺激識別和特征提取; 瓶頸階段(B, 中樞加工器), 主要負責反應選擇; 瓶頸后階段(C), 主要負責反應執行和動作調整。A和C兩個階段允許多個刺激同時輸入, 也能和另一任務的瓶頸階段并行進行加工。但中樞加工器一次只能加工一個任務,當T1正在進行中樞加工時, T2的反應選擇必須等待T1釋放中樞瓶頸后才能進入中樞加工器, PRP效應是由于 T1的反應選擇導致 T2受到中樞瓶頸(central bottleneck)限制機制的制約(Pashler, 1994a,1994b)。

根據其理論基礎, RSB模型對RT1(T1的反應時)和 RT2作出了預測：在 RT1上, 無論 SOA和T2難度如何變化, RT1始終不受SOA長短和T2難度變化的影響(Case A和Case B)。但RT2和RT1顯著不同, 在長SOA條件下(Case A), 無論是較簡單的T2還是較難的T2, 如果T1已經完成了反應選擇加工后再進行T2的反應選擇加工, 那么T2的反應選擇不會因 T1占據中樞瓶頸而延遲, 因此RT2值為A、B和C三個獨立階段加工時間的總和。但在短SOA條件下(Case B), 當T1占據中樞瓶頸時, T2的反應選擇必須等待T1完成瓶頸加工, 中樞瓶頸被釋放后才可進行。SOA越短, T2等待T1完成瓶頸加工的時間越長。RT2值為等待瓶頸的“認知延遲(PRP效應)”時間和T2加工過程之和。同樣, T2的難度也不影響RT2值的大小, 因為復雜的、難度大的 T2可以充分利用等待瓶頸釋放的時間來完成其知覺加工(瓶頸測試原理 3,Pashler, 1994a), 因此較難和較簡單條件下的RT2基本相等。

圖1 RSB模型的加工過程示意圖

Tombu和Jolicoeur (2003)在總結了Pashler的RSB模型的基礎上, 再綜合 Kahneman (1973, 見Meyer & Kieras, 1997)一般能量共享模型(general capacity sharing model)以及 Navon和 Miller (2002)多資源模型(multiple types of resources model)加工思想的基礎上提出了中樞資源共享模型(central capacity sharing model, 簡稱CCS模型, 如圖2所示), 該模型同樣認為一個任務的加工過程有刺激識別、反應選擇和反應執行三個階段。但和 RSB模型不同, 該模型認為中樞加工器是一個并行加工器, 兩個任務的反應選擇可以并行進行, 但有限的注意資源必須按照任務的需求在兩個任務間進行共享(sharing)。當有限的注意資源被兩個或多個任務共享時, 兩個或多個任務的加工速度都會減慢。

圖2 CCS模型加工過程示意圖

在其模型的基礎上, Tombu和Jolicoeur (2003)列舉了6種T1和T2在反應選擇階段可能重疊或不重疊的特例。但圖2中的Case C和D兩種特例基本上概括了絕大多數PRP效應的加工過程。

在長SOA條件下(Case C), T1反應選擇加工的開始和結束均先于T2的反應選擇加工, T1和T2的加工過程等同于 RSB模型對雙任務加工的預測。但在短SOA條件下(Case D), 只要T1和T2的反應選擇發生重疊, 中樞瓶頸會自動根據任務需求把注意資源按一定的比例分配到兩個任務中去, 若 T2的反應選擇占據了部分注意資源, 那么可供 T1進行反應選擇的注意資源量會相應減少, 將導致 T1的反應選擇過程延長, RT1隨即延長。在相同的SOA條件下, T2知覺加工時間越長將推遲T2和T1反應選擇重疊的時間, T1將有充裕的注意資源進行其反應選擇, 從而縮短RT1, 但延長T1的其他任何加工階段將會延長RT1。

從兩個模型的理論基礎來看, 爭論主要集中在以下兩個方面：(1) 中樞反應選擇階段能否同時處理多個刺激; (2) RT1是否受SOA長短以及T2難度與復雜度變化的影響。目前兩個模型都得到了大量實驗證據的支持, Pashler等人所作的一系列研究均發現 RT1獨立于 SOA和 T2難度變化(Pashler &Johnston, 1989; Pashler, 1994b; Pashler et al., 2008),因而結論支持 T1和 T2的反應選擇為系列加工方式。近年來有更多的研究發現RT1顯著隨SOA長短和不同難度T2的變化而變化(Tombu & Jolicoeur,2002, 2003, 2005; Lehle & Hübner, 2009; Miller,Ulrich, & Rolke, 2009; Pannebakker et al., 2011; Piai& Roelofs, 2013; Lien, Croswaite, & Ruthruff, 2011;吳彥文, 游旭群, 2007)。Watter和Logan (2006)指出, RT1受SOA和不同難度T2的影響表明T1在進行中樞反應選擇加工時 T2也進入了中樞加工器,T1和T2的反應選擇并行得到了有效的加工。

到目前為止, 在絕大多數 PRP效應的研究中,對 T2主要采用較簡單的刺激分類任務 (如箭頭朝上還是朝下, 圖形的顏色是綠色還是紅色等), 但對于較復雜的需要進行語義加工的T2材料還尚未涉及。另外由于RSB模型關于RT1不受 SOA和T2難度影響這一預測的強影響力, 以往絕大多數研究者常把關注點放在T1對T2各階段加工的影響上(Pashler & Johnston, 1989; Pashler, 1994b; Pashler et al., 2008), 近年來一些研究報告開始考察SOA和 T2難度是否同樣對 T1各加工階段產生影響(Tombu & Jolicoeur, 2002, 2003, 2005; Miller et al.,2009; Pannebakker et al., 2011; Piai & Roelofs,2013; Lien et al., 2011; T?llner, Strobach, Schubert,& Müller, 2012), 但鮮有研究關注T1和T2的相互影響。

針對瓶頸的位置也存在較多的爭議, 目前大量的證據顯示PRP效應產生于反應選擇階段, 瓶頸的調節機制源于中樞神經系統的結構性限制(如 RSB模型), 導致兩個任務在反應選擇水平上必須選擇系列加工方式(Pashler & Johnston, 1989)。即使是認為在反應選擇階段能實現注意資源最優共享的CCS模型也認為干擾產生于兩個任務的反應選擇階段。也有少量的研究顯示瓶頸可能發生于兩個任務的動作執行階段, 如De Jong (1993)提出的雙瓶頸模型(dual-bottleneck model)認為, 中樞瓶頸(central bottleneck)阻止兩個任務的中樞加工平行進行, 反應觸發(response initiation)瓶頸阻止兩個反應被相繼觸發。De Jong (1993)認為RT2延遲是由于執行 T1的反應動作導致 T2的反應觸發被延遲。對于反應觸發瓶頸的驗證, T?llner等人 (2012)運用單側化準備電位(Lateralized readiness potential)發現, 當 T1產生動作執行需求時, T2的反應選擇和動作執行被顯著延遲。Ulrich等人(2006)發現, 當T1開始其反應執行動作時, RT2同樣被顯著延遲,以上兩項研究都認為動作執行系統也屬于心理不應(refractoriness)的一部分。目前對 PRP效應的研究成果難以有效整合起來。

為了進一步拓展 PRP效應受瓶頸機制限制的范圍, 本研究依然采用標準的PRP范式, 但和傳統PRP方法不同的是, 本研究融合Stroop任務來探討PRP范式下當T1 (高低音辨別)處于中樞加工時, T1和 T2 (Stroop任務)的中樞反應選擇能否被同時執行。采用 Stroop任務主要基于以下兩點考慮：(1)Stroop任務一直被作為測量注意資源分配的“金標準” (gold standard, 見Roelofs, 2010)。當前Stroop任務的研究結果表明, 當顏色字的字色與字義兩個維度沖突時, 對顏色字的顏色命名被顯著延遲(Brown, Gore, & Carr, 2002; Appelbaum, Boehler,Won, Davis, & Woldorff, 2012), 以Stroop任務為材料除了能進一步拓展 PRP效應受瓶頸機制限制的已知范圍外, 還能更好地揭示雙任務加工中注意力資源分配的特征。(2) 在PRP范式中, 常常采用具有難度級差的T2, 以考察T2的難度效應是否對T1產生相應的影響。Stroop任務的特定屬性表明它在控制任務難度上有獨特的效果。大量的Stroop效應研究表明, 無論采用何種實驗形式, 當字色與字義兩個維度沖突時相比兩個維度一致時被試表現出非常穩定的認知沖突, 用Stroop任務來控制T2的難度級差具有更好的穩定性。

2 實驗一 注意力資源強競爭與雙任務干擾

已有研究表明, 漢字的形、音、義具有無意識自動激活的特征(張積家, 陸愛桃, 2010)。按照CCS模型的假設, 當SOA較短時, 兩個任務的中樞反應選擇會快速重疊, T2和T1將會對有限的注意資源進行激烈的競爭, 只要 T2獲得少量的注意資源,RT1會被延遲, SOA越短, RT1應該越長。同樣, 在T2的 Stroop任務中, 字色和字義在沖突條件下對注意資源競爭的激烈程度要遠高于二者一致條件下對注意資源的競爭。假如T1和T2可以共享有限的注意資源, 那么在沖突條件下T2將從T1上分享更多的注意資源, 因此, T2在字色和字義沖突條件下的RT1應長于一致條件下的RT1。但是按照RSB模型的假設, 無論SOA和T2難度如何變化都不會對 RT1產生顯著的影響。本研究一方面驗證 RSB模型和 CCS模型的核心假設, 另一方面為當代認知心理學研究中的并行加工和系列加工問題提供進一步的實驗證據。

2.1 研究方法

2.1.1 被試

本科生49名, 男20名, 女29名。視力或矯正視力正常, 無色盲或色弱患者, 聽力正常, 沒有參加過類似的實驗。

2.1.2 實驗材料與儀器

本實驗在聯想奔Ⅳ計算機上完成, 所有刺激均呈現在 17英寸純平顯示器中央, 顯示器分辨率為1024×768, 刷新頻率為75 Hz。聽覺材料為持續150 ms的低音和高音, 頻率分別為300 Hz和1000 Hz,位速1144 Kbps, 音頻采樣大小16位, 音頻采樣級別44 kHz, 立體聲。實驗前要求被試認真傾聽并能夠非常清晰地辨別出兩種聲音的差異才能參加實驗。視覺刺激由 3個顏色字(紅、綠、藍, 簡稱“色字”)和 3種顏色(紅色、綠色、藍色, 簡稱“字色”)相互組合構成, 字符大小均為56×54像素。3種顏色的色調、飽和度和亮度分別為：紅色：0、240和120; 綠色：80、240和120; 藍色：160、240和120。字色與字義的條件匹配有：匹配一致共3種,紅字–紅色、綠字–綠色、藍字–藍色; 匹配沖突共6種, 如紅字用綠色或藍色書寫。考慮到匹配一致和沖突條件下的平衡因素, 匹配一致在每種處理條件下重復呈現2次。為了消除高音和低音可能存在的差異, 所有刺激組合在高音和低音條件下出現的概率相同。因此, 每種實驗處理條件下有12 (條件匹配) × 6 (SOA) × 2 (高音、低音) = 144 次刺激組合,重復呈現4次, 正式實驗總次數為576次。所有色字均呈現在白色背景上。

2.1.3 實驗設計

為了檢驗T2對T1的影響, T1和T2均采用2條件匹配(字色與字義一致、沖突) × 6 SOA (50 ms、100 ms、200 ms、300 ms、500 ms、800 ms)被試內設計。因變量為被試的反應時和正確率。

2.1.4 實驗程序

實驗程序用E-prime 1.1軟件編制。每次實驗開始時在屏幕中央呈現注視點“＋”500 ms, 接著出現500 ms的空屏, 空屏結束后出現聲音刺激, 呈現時間為 150 ms, 視覺刺激從聲音呈現后 50 ms、100 ms、200 ms、300 ms、500 ms或 800 ms出現, 時間為200 ms, 視覺刺激消失后為2300 ms的空屏等待被試作出反應, 被試作出反應后呈現1000 ms的空屏。對 T1要求被試聽到低音用左手中指按“Z”鍵, 聽到高音用左手食指按“X”鍵。對T2要求被試忽略字義只對字色作出反應, 紅色用右手食指按右側小鍵盤“1”鍵, 綠色用右手中指按“2”鍵, 藍色用右手無名指按“3”鍵。告知被試兩個任務都非常重要, 對兩個任務都做快而準確的反應, 但對 T2作出反應之前必須先完成對T1的反應。當聲音刺激或視覺刺激在2500 ms (視覺刺激控制時間為視覺呈現 200 ms＋空屏等待2300 ms)內沒有作出反應時, 該次實驗的反應時數據不被記錄, 算作一次錯誤反應。正式實驗前被試先進行50次實驗練習, 熟練掌握實驗對左手和右手的按鍵反應要求, 只有練習正確率達到90%以上才能進入正式實驗。正式實驗每呈現50次刺激休息一次, 共休息11次, 休息時間由自己確定, 整個實驗過程約持續60 min。

2.2 結果

對數據進行統計分析前, 剔除4名T1或T2正確率低于80%或對T1沒有作反應的被試, 剔除2.5個標準差以外的反應時數據。由于T1和T2的平均正確率均在93%以上, 故對正確率不再做進一步的處理和分析, 各處理條件下的 RT1和 RT2結果如表1和表2所示。

2.2.1 聲音任務

按照RSB模型, T1的難度和復雜度使其中樞和中樞前階段延長1 ms, RT1和RT2將相應延長1 ms。那么本研究中的高音和低音這兩種不同的音調辨別任務在刺激難度上存在顯著的差異嗎？為了驗證這種可能性, 事先對高音和低音條件下的數據進行配對t檢驗, 結果發現二者的差異不顯著,

t

(44)= 1.51,

p

>0.05, 說明兩種不同的音調辨別任務在刺激難度上無顯著的差別, 假如RT1隨T2和SOA組合條件的變化而變化, 那么這個變化不是 T1本身的難度差異造成的, 原因只能來自于T2和SOA組合產生的難度和復雜度的變化。因此, 對RT1的數據同樣以條件匹配和SOA為組內變量進行2×6的重復測量多元方差分析。

表1 不同SOA條件下聲音任務的反應時(ms)及標準差

表2 不同SOA條件下視覺任務的反應時(ms)及標準差

對RT1的方差分析發現, 條件匹配的主效應顯著,

F

(1,44) = 8.67,

p

<0.01, 當T2在字色和字義一致時RT1 (1007 ms)更快, 當T2在字色和字義沖突時RT1 (1021 ms)顯著變慢; SOA的主效應非常顯著,

F

(5,220) = 15.84,

p

<0.001, SOA在50 ms、100 ms、200 ms、300 ms、500 ms和 800 ms時的 RT1分別為 993 ms、981 ms、982 ms、999 ms、1036 ms和1093 ms。進一步的配對比較發現, SOA在50 ms、100 ms和200 ms三種條件下的RT1兩兩差異均不顯著(

p

>0.05), SOA在300 ms條件下的RT1除了和SOA在50 ms與100 ms條件下的差異不顯著外, 和其他三種 SOA條件下的 RT1兩兩差異均顯著(

p

<0.05), SOA在500 ms和800 ms兩種條件下的RT1與其他所有SOA條件下的RT1兩兩差異均顯著(

p

<0.01)。總體上出現隨著SOA的延長, RT1延長的趨勢。條件匹配和 SOA的交互作用不顯著,

F

(5,220) = 0.50,

p

>0.05。

2.2.2 視覺任務

對RT2的方差分析發現, 條件匹配的主效應非常顯著,

F

(1,44) = 142.29,

p

<0.001, 一致條件下的RT2 (936 ms)顯著快于沖突條件下的 RT2 (1015 ms); SOA的主效應非常顯著,

F

(5,220) = 289.09,

p

<0.001, 隨著SOA的縮短, RT2線性延長, SOA在50 ms、100 ms、200 ms、300 ms、500 ms和 800 ms條件下的RT2分別為1149 ms、1092 ms、1006 ms、946 ms、863 ms、780 ms。進一步的配對比較發現,兩兩差異均達到了非常顯著的水平(

p

<0.001)。條件匹配和 SOA的交互作用不顯著,

F

(5,220) = 1.07,

p

>0.05。

2.2.3 聲音任務和視覺任務的相互關系

為了進一步檢驗T1和T2的加工是否產生相互影響, 對RT1和RT2的數據作進一步的處理和分析,圖3為各SOA條件下RT1和RT2的交互效應圖。方差分析結果表明, RT1和RT2的交互作用非常顯著,

F

(5,220) = 320.66,

p

<0.001。進一步的簡單效應分析發現, SOA在200 ms條件下的RT1和RT2差異不顯著, 其余5種SOA條件下的RT1和RT2差異均達到了顯著或非常顯著的水平, 分別為：50 ms:

F

(1,44) = 60.77,

p

<0.001; 100 ms:

F

(1,44) = 27.87,

p

<0.001; 300 ms:

F

(1,44) = 6.81,

p

<0.05; 500 ms:

F

(1,44) = 44.17,

p

<0.001; 800 ms:

F

(1,44) = 65.39,

p

<0.001, 表明 T1和 T2之間產生了實質性的相互影響。

圖3 實驗一 T1和T2的交互效應圖

2.3 討論

在RT2上出現隨著SOA的縮短RT2線性延長,PRP效應非常顯著的現象, 說明 T1的反應選擇對T2的加工產生了非常顯著的影響, 即使字色和字義一致條件下依然存在。條件匹配的主效應顯著,出現一致條件下的 Stroop促進效應和沖突條件下的Stroop干擾效應, 說明字義被無意識激活后和當前的顏色任務產生相互影響。在RT1上, 條件匹配和SOA的主效應同樣顯著, 說明不同長短的SOA和不同難度的T2對T1的加工產生了顯著的影響。T1和T2的交互作用非常顯著, 說明T1和T2的加工相互影響、相互制約, 該結果并不支持RSB模型的假設。但本研究卻發現RT1隨著SOA的延長而延長, 隨著 SOA的縮短而縮短, 這一點用CCS模型也無法作出合理的解釋。

3 實驗二 注意力資源弱競爭與雙任務干擾

實驗一結果證實在中樞階段T1和T2的反應選擇能夠同時得到加工。目前解釋Stroop效應的自動化加工理論認為, 字義屬于自動化加工過程, 無需人的意識控制; 而字色屬于控制性加工過程, 需要人有意識地進行控制, 字義的激活速度要比字色的激活速度快100 ms～200 ms (Roelofs, 2010), 字義的自動激活除了在T2上產生了非常顯著的Stroop效應外, 在T1上也存在當T2的字色和字義一致時RT1更快, 當T2的字色和字義沖突時RT1顯著變慢的類似Stroop效應, 說明當T2的難度較大時T2確實從T1上分享了更多的注意資源, T2和T1對有限的注意資源展開了激烈的競爭。若實驗要求被試忽略字色, 那么對具有控制性加工特征的字色的激活將會大幅減弱, 這是否將有效避免字色和字義兩個維度對有限注意資源的競爭, 從而減弱 T2從 T1上搶奪有限的注意資源, 從而減弱或消除雙任務的相互干擾？基于以上假設, 實驗二重在考察被試在忽略字色, T2兩個維度對注意資源弱競爭或無競爭條件下, T1和T2的中樞反應選擇能否同時得到加工以及 RT1是否不受 SOA和T2變化的影響。

3.1 研究方法

3.1.1 被試

本科生52名, 男19名, 女33名。視力或矯正視力正常, 無色盲或色弱患者, 聽力正常, 沒有參加過類似的實驗。

3.1.2 實驗設計

T1和T2均采用2條件匹配(字色與字義一致、沖突) × 6 SOA (50 ms、100 ms、200 ms、300 ms、500 ms、800 ms)被試內設計。因變量同實驗一。

3.1.3 實驗材料與儀器

同實驗一。

3.1.4 實驗程序

實驗程序基本同實驗一。不同之處在于：對T2要求被試忽略字色只對字義作出反應, 看到“紅”字用右手食指按右側小鍵盤“1”鍵, “綠”字用右手中指按“2”鍵, “藍”字用右手無名指按“3”鍵。

3.2 結果

對資料進行統計分析之前, 剔除3名T1或T2正確率低于 80%的被試, 剔除 2.5個標準差以外的反應時數據。由于T1和T2的平均正確率均在94%以上, 同樣對正確率不再做進一步的處理和分析, 各處理條件下的RT1和RT2結果如表3和表4所示。

3.2.1 聲音任務

對高音和低音條件下的RT1數據進行檢驗, 發現二者的差異不顯著,

t

(48) = 1.47,

p

>0.05。因此對RT1的數據以條件匹配和SOA為組內變量進行2×6的重復測量多元方差分析。對RT1的方差分析發現, 條件匹配的主效應顯著,

F

(1,48) = 8.77,

p

<0.01, 當T2在字色和字義一致時RT1 (913 ms)更快, 當T2在字色和字義沖突時的RT1 (925 ms)顯著變慢; SOA的主效應非常顯著,

F

(5,240) = 14.50,

p

<0.001, SOA在50 ms、100 ms、200 ms、300 ms、500 ms和 800 ms條件下的RT1分別為 896 ms、894 ms、895 ms、896 ms、947 ms和983 ms。進一步的配對比較發現, SOA在50 ms、100 ms、200 ms和300 ms四種條件下的RT1兩兩差異不顯著(

p

>0.05), 但SOA在500 ms和800 ms兩種條件下的 RT1與其他所有 SOA條件下的RT1兩兩差異均顯著 (

p

<0.001)。總體上出現隨著SOA的延長, RT1延長的趨勢。條件匹配和SOA的交互作用不顯著,

F

(5,240) = 0.80,

p

>0.05。

表3 不同SOA條件下聲音任務的反應時(ms)及標準差

表4 不同SOA條件下視覺任務的反應時(ms)及標準差

3.2.2 視覺任務

對RT2的方差分析發現, 條件匹配的主效應非常顯著,

F

(1,48) = 43.56,

p

<0.001, 一致條件下的RT2 (878 ms)顯著快于沖突條件下的RT2 (908 ms);SOA 的主效應非常顯著,

F

(5,240) = 315.49,

p

<0.001, 隨著SOA的縮短, RT2線性延長, SOA在50 ms、100 ms、200 ms、300 ms、500 ms和 800 ms條件下的RT2分別為1063 ms、1013 ms、920 ms、853 ms、789 ms和719 ms。進一步的配對比較發現,兩兩差異均達到了非常顯著的水平(

p

<0.001)。條件匹配和 SOA的交互作用不顯著,

F

(5,240) = 0.59,

p

>0.05。

3.2.3 聲音任務和視覺任務的相互關系

對RT1和RT2的數據作進一步的處理和分析,圖4為各SOA條件下RT1和RT2的交互效應圖。方差分析結果表明, RT1和RT2的交互作用非常顯著,

F

(5,240) = 337.33,

p

<0.001。進一步的簡單效應分析發現, 除SOA在200 ms條件下的RT1和RT2差異不顯著外, 其余SOA條件下的RT1和RT2兩兩差異均達到了顯著或非常顯著的水平, 分別為：50 ms:

F

(1,48) = 115.48,

p

<0.001; 100 ms:

F

(1,48) =65.78,

p

<0.001; 300 ms:

F

(1,48) = 7.29,

p

<0.05; 500 ms:

F

(1,48) = 77.35,

p

<0.001; 800 ms:

F

(1,48) =86.37,

p

<0.001, 表明T1和T2之間產生了實質性的相互影響。

圖4 實驗二 T1和T2的交互效應圖

3.3 討論

實驗二同樣發現, 在RT2上存在隨著SOA縮短, RT2線性延長, PRP效應非常顯著的現象。條件匹配的主效應顯著, 說明字色依然被有效激活。在RT1上SOA和T2的主效應均顯著, 說明不同SOA和不同難度T2的變化對T1的加工產生了顯著的影響。T1和T2的交互作用非常顯著, 說明T1和T2的加工相互影響、相互制約。本研究同樣發現RT1隨著SOA的延長而延長, 隨著SOA的縮短而縮短,這一點用CCS模型同樣無法作出合理的解釋。

4 綜合討論

RSB模型基于離散加工階段的假設, 認為 T1和T2的反應選擇是獨立的、系列的, 在T1的反應選擇完成之前, T2的反應選擇無法開始, 因此RSB模型認為RT1獨立于SOA和T2難度的變化。而CCS模型認為T1和T2的反應選擇能并行進行, 二者可以共享有限的中樞注意資源, RT1顯著受SOA和T2難度變化的影響。由于RSB模型的巨大影響力, 以往心理學家采用PRP范式來考察人類對重疊任務的認知加工時, 經常把注意力放在T1對T2所產生的影響上, 往往忽略了T2對T1是否產生相應的影響。Tombu和Jolicoeur (2003)指出, 對PRP效應的分析必須考慮T1的反應模式。本研究不僅關注T1對T2各加工階段的實質性影響, 同時還關注SOA和T2難度級差對T1各加工階段的間接影響以及在不同SOA條件下T1和T2的動態變化關系,以全面了解PRP效應的特征。

在T1上, 兩個實驗結果均發現RT1隨著SOA的縮短而變快, 隨著SOA的延長而延遲, 這一結果和RSB模型的預測相矛盾。按照RSB模型的假設,T1的中樞瓶頸階段(B)和T2非瓶頸階段(A或C) 的加工能夠并行進行, 若T2對T1產生干擾, 那么干擾只能來自于T1和T2的中樞反應選擇發生重合,T2對T1的干擾來自于T2的中樞反應選擇階段。另外, 兩個實驗結果均發現了T1和T2間存在顯著的交互效應, 這些結果用 RSB模型都無法作出合理的解釋。

但按照 CCS模型的假設, 當有限的注意資源被分配到兩個任務上時, 由于兩個任務可用的注意資源量都相應減少, RT1和RT2都會隨著SOA的縮短而延長。但本研究發現在短 SOA條件下的 RT1更快, 而長SOA條件下的RT1顯著變慢, 這一點用RSB模型和CCS模型關于瓶頸只產生于反應選擇階段的假設無法作出合理的解釋, 但該結果支持反應觸發瓶頸(De Jong, 1993)以及反應執行屬于瓶頸加工的一部分的觀點(Ulrich et al., 2006; T?llner et al., 2012), 該結果說明 T1的動作執行仍然受到類似瓶頸機制的制約(理由見修正模型重疊情境三)。綜合數據結果, 本研究認為, 反應選擇屬于主瓶頸,反應執行屬于次瓶頸, 二者的認知加工都需要占用注意資源, 但反應選擇需要更多的注意資源才能保證任務的正常進行, 而反應執行需要較少的注意資源就能完成。CCS模型之所以不能解釋本研究結果,主要原因在于 CCS模型沒有考慮到反應執行仍然屬于瓶頸加工的一部分, 圖5為本研究對CCS模型的修正圖。

圖5 CCS模型修正圖

根據修正的模型圖, 本研究認為, 在重疊的任務情境中, T1和T2在反應選擇和反應執行階段仍然采用注意資源共享的并行加工方式, 但分配到兩個任務上的注意資源總量是固定的、有限的(總量為1), 為了提高雙任務的操作效率, T1和T2對資源的共享遵循速度和效益權衡的原則, T1和T2在不同的加工階段有以下4種重疊情境：

(1)重疊情境一：T1的知覺加工和部分反應選擇與T2的知覺加工重疊, 主要適合于圖5中Case E以及本研究中SOA為50 ms等很短SOA條件下的重疊情境。在該情境下, 由于 T1的知覺加工屬于非瓶頸加工階段(由于本研究沒有操縱對不同難度 T2的知覺識別加工, 無法對該階段的加工進行精確檢測, 所以仍然認為該階段為非瓶頸階段), T1和 T2的知覺加工雖然共享有限的注意資源, 但二者的加工速度都接近單任務條件下的速度。當 T1完成知覺加工開始反應選擇加工時, T1的反應選擇仍占有100%的注意資源, T1反應選擇加工的速度仍然接近單任務條件下的加工速度。

(2)重疊情境二：T1的反應選擇與T2的反應選擇重疊, 主要適合于圖 5中 Case E以及本研究中SOA為100 ms和200 ms等較短SOA條件下的重疊情境。在該情境下, T1正在進行其反應選擇但還沒有完成其反應選擇加工時, T2也進入中樞加工器開始其反應選擇, 這時由于注意資源的總量有限,二者的反應選擇對有限的注意資源展開激烈的競爭。為了避免中樞加工器的超負荷, 被試會策略性的把趨近100%的注意資源優先分配到T1上供其完成反應選擇, 但在調整注意資源的過程中有效分配到 T1上的注意資源量會相應減少(如從 100%減少到90%), T1的加工速度相比占有趨近100%注意資源時的加工速度開始變慢, RT1出現少量的延遲。T2由于得到的注意資源量非常少(如10%), T2的反應選擇進展非常緩慢, RT2顯著延遲。但在稍長的SOA條件下(如300 ms或更長), T1與T2的反應選擇重疊越來越少, T1占有絕大部分注意資源量的時間越少, T2可得到的注意資源量越多, RT2越快。

(3)重疊情境三：T1的反應執行與T2的反應選擇重疊, 主要適合于圖5中的Case E以及本研究中SOA為500 ms和800 ms等較長SOA條件下的重疊情境。在該情境下, T1占有趨近100%的注意資源量完成其反應選擇后T2才進入中樞加工器開始其反應選擇。這時 T1開始反應執行, 由于反應選擇屬于主瓶頸, 被試會策略性地把絕大部分甚至100%的注意資源分配到T2上, RT2迅速加快。而T1用于其反應執行的注意資源量非常少, RT1顯著延遲, T2的反應選擇持續時間越長, RT1越長。這就是本研究中兩個實驗均發現RT1隨著SOA的延長而延長, 隨著SOA的縮短而縮短的主要原因。從這個意義上講, 兩個任務的反應執行階段確實并非無需注意監控的非瓶頸加工階段, 對T1和T2的反應執行加工同樣需要分配較多的注意資源量且在人的意識控制條件下才能有效完成。中樞加工器對注意資源的調節和支配不僅存在于反應選擇階段,在反應執行甚至在整個認知加工過程中都可能存在, 這一點支持De Jong (1993)、Ulrich等人(2006)和 T?llner等人(2012)關于反應執行屬于瓶頸加工的觀點。當兩個任務的反應選擇和反應執行重疊后,被試似乎會依據任務是否超出認知加工負荷的極限而策略性地調整注意資源的分配方案, 在認知加工模式上也會根據認知加工負荷的極限與可得到的注意資源的多少策略性地采用序列加工或并行加工模式。

隨著 T2完成反應選擇開始其反應執行時, T1的反應執行和 T2的反應執行重疊, 由于二者都為次瓶頸加工階段, T1和T2的反應執行能夠均分注意資源, 二者對反應的動作執行速度都會減慢。但當T1的反應執行完成后, T2的反應執行速度接近單任務條件下的加工速度。

(4)重疊情境四：T1的反應選擇和T2的知覺加工重疊, 主要適合于圖5中的Case F以及更長SOA條件下(如1000 ms及以上)的重疊情境。在該情境下, T2的知覺加工對注意資源的需求量很少, 二者認知加工的重疊對有限的注意資源不會產生激烈的競爭, T1將擁有絕大部分甚至100%的注意資源進行其反應選擇。隨著加工的進展, 當 T1的反應執行和 T2的反應選擇重疊后, 就出現重疊情境三描述的加工過程, 即 T1的反應執行速度下降, T2的反應選擇和部分反應執行被延遲。

對于 T2的難度變化對 RT1的影響這一問題,RSB模型假設RT1始終不會受T2難度變化的影響,但CCS模型認為RT1會顯著受T2難度變化的影響。本研究兩個實驗結果都發現當T2在字色和字義沖突時的RT1要顯著慢于一致時的RT1, 這一點驗證了本研究關于字色和字義在沖突條件下T2從T1上分享了更多的注意資源以及T1和T2的加工可以共享有限的注意資源的假設。SOA同樣對T1產生了顯著的影響, 盡管SOA和T2的難度與復雜度對T1的影響相對于T1對T2的影響來說要小得多, 但這種影響實質性的存在, 這一點完全符合本研究CCS修正模型的預測但拒絕RSB模型的假設。

在 T2上, 兩個實驗結果一致性地表明, 隨著SOA的縮短, RT2顯著延遲, PRP效應十分顯著, 這和前人對PRP效應的研究結果一致(Pashler, 1994b;Tombu & Joliceor, 2002, 2005; Pashler et al., 2008;Pannebakker et al., 2011), 說明PRP效應是人類認知加工中的固有限制機制, 這種限制機制廣泛存在于人類的認知、反應選擇以及動作執行系統中。黃琳和葛列眾(2001)認為, 結構限制、信息干擾和資源競爭是造成雙任務操作成績下降的三個相互獨立的因素。結合本研究結果, 我們認為, 瓶頸的結構限制機制可能是存在的, 但在雙任務加工中, 類似瓶頸性質的調節和制約機制主要反映了人類對多重信息加工能力的限制機制。由于注意資源量的有限性, 當兩個任務同時需要進行反應選擇和反應執行加工時, 人總是尋求對有限的注意資源進行最優的分配和共享, 一個任務占用更多的注意資源將導致另一任務可獲得的注意資源量減少, 注意資源量的多寡直接決定了該任務的加工效率, 注意資源限制是產生典型PRP行為結果的主要原因。

對于認知延遲位置, RSB模型認為在短的SOA條件下, 當 T1進行反應選擇時, T2的反應選擇處于暫時的停頓(delay)狀態, 只有 T1完成其反應選擇后 T2才能進入瓶頸開始其反應選擇, 假如實驗控制使難度較大的T2延長其知覺加工10 ms, RT2則不會相應地增加 10 ms, 因為復雜的、難度大的T2可以充分利用等待瓶頸釋放的時間來完成其知覺加工, T2的難度不影響RT2值的大小(圖1, 瓶頸測試原理3, Pashler, 1994a)。而在長SOA時, 由于T1已經完成了反應選擇, T2能順利得到加工, 難度大、知覺加工時間長的T2會產生與其難度相應的延遲, 這就是 SOA與 T2難度間的低加交互(underadditive interaction)效應。RSB模型最基本的預測是 SOA和 T2難度間存在顯著的低加交互效應。但本研究兩個實驗均發現當字色和字義一致時的RT2顯著快于字色和字義沖突時的RT2, 且SOA和T2難度間不存在交互效應, 這一點符合RSB模型瓶頸測試原理4 (Pashler, 1994a)。按照原理4, 如果不同難度的T2與SOA無交互作用, 那么各SOA條件下T1對T2的延遲正好處于T2的瓶頸或瓶頸后的加工階段, 延遲的時間正好等于 T2在瓶頸中加工復雜的反應選擇所花費的時間, 二者具有相加效應(additive effect)。按照瓶頸測試原理4, 在本研究中各SOA條件下, 無論T1正在進行反應選擇還是反應執行加工, T1對T2的認知延遲主要產生于T2的反應選擇或反應執行階段, T1的反應選擇或反應執行對 T2的反應選擇或反應執行產生延遲,同樣說明在反應執行階段仍然可能產生類似瓶頸的制約機制。在短SOA條件下, T1對T2延遲的始點產生于T1的反應選擇階段, 反應選擇是主瓶頸,所以在短SOA條件下T1對T2的延遲更多; 在長SOA條件下, T1對T2延遲的始點產生于T1的反應執行階段, 反應執行是次瓶頸, 所以長SOA條件下T1對T2的延遲較少。同樣, 難度較大的T2由于知覺加工的延長, T1和T2的反應選擇重合較晚,二者反應選擇的重疊部分較少, T1能更快地進入到反應執行階段, 當 T2的反應選擇占用了大量的注意資源時, T1的反應執行速度大幅下降, 因此較難T2條件下的 RT1要顯著慢于較簡單 T2條件下的RT1。

本研究兩個實驗也一致性地發現了 T1和 T2間顯著的交互作用, 說明 T1和 T2的加工相互影響、相互制約, 這一點有力地說明RSB模型關于雙任務加工中只存在 T1對 T2的單向干擾, 不存在T1和T2相互干擾的預測是站不住腳的, 同時也充分證明了本研究修正模型中關于反應選擇和反應執行都屬于瓶頸階段, 且兩個瓶頸階段都能同時處理兩個或多個刺激的假設。

本研究僅僅檢測了在重疊的雙任務加工中, 兩個任務在中樞反應選擇和反應執行階段的相互干擾效應, 進一步的研究重在探討兩個任務的知覺加工階段是否同樣需要占用較多的注意資源, 即 T2的知覺加工是否對T1各階段的加工產生顯著的影響, 以全面揭示雙任務干擾的實質。本研究的實驗證據對于理解人類自身加工能力的有限性具有非常重要的實際價值, 因為在當前人機系統中對機器的設計主要依賴于人類操作能力的水平, 更好地理解人類認知和操作能力的限制機制, 在機器和程序設計系統中充分利用人工智能具有的強大記憶力、信息的快速搜索和準確的執行能力來輔助人類認知加工和操作能力的不足, 以最大限度地提高人類在復雜認知和決策任務中的工作效率。

5 結論

(1)在重疊的雙任務情境中, T1的中樞加工導致在T2上出現顯著的PRP效應, T2的中樞反應選擇對T1的反應選擇和反應執行加工同樣產生顯著的影響。SOA以及T2的難度與復雜度實質性地影響了T1的反應選擇和反應執行加工。

(2)當兩個任務同時需要進行中樞反應選擇加工時, 一個任務占用更多的注意資源將導致另一任務獲得較少的注意資源, 注意資源量的多寡直接決定了該任務的加工效率。

(3)兩個任務的加工相互影響、相互制約, 這種制約機制不僅僅存在于中樞反應選擇階段, 在反應執行階段仍然存在。

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