次任務法腦力負荷度量實驗的分析與改進

廖 斌，馮海榮，王文軻

(四川師范大學 商學院，四川 成都 610101)

隨著科學技術的進步，特別是計算機等先進技術的快速發展，人類生產活動逐步向自動化、智能化轉變。在當今人機系統中，人的角色正在由直接的生產行為者變為監視控制的決策行為者[1]，很多傳統的體力勞動正逐漸被腦力勞動所代替。整個社會中，由體力勞動所創造的價值所占的比重減少，而腦力勞動所創造價值所占的比重增加，研究勞動者的腦力工作負荷問題越來越重要。研究與評價腦力工作負荷對于人機系統的負荷設計、避免因負荷不合理而導致的工效下降和預防作業事故具有重要意義[2-4]。

通過一定的測量技術研究腦力負荷是人因工程學科中重要的內容，“腦力負荷度量實驗”可以幫助學生學習和掌握該部分內容。但目前尚不能對腦力負荷進行直接測量，而只能用間接的方法進行評估。常用的評估技術有任務績效測量、主觀評定和生理測量等3類[5-6]，其中任務績效測量又分為主任務測量和次任務測量兩種。主任務測量法由于帶有明顯的缺陷，在實踐中的應用有限，所以目前應用比較多的是次任務(雙任務)測量法。次任務測量法要求作業人員在一定的時間內同時完成兩項任務，即除執行主任務外再完成一項額外任務(次任務)，通過考察雙任務作業情境下次任務績效受影響的程度(相對于單任務情境)來間接評價主作業的腦力負荷[7]。一般情況下，隨著主任務的腦力負荷的增加，次任務的績效會隨之下降[8]，所以經典理論認為：次任務完成水平越好，則主任務的腦力負荷越低，反之則越高[9-10]。但是筆者在多年的教學過程中獲得的實驗數據卻與這一理論存在較大的矛盾。本文將對次任務法相關因素進行分析，并對該實驗進行重新設計，讓學生在學習過程中能真正體會理論和實踐的結合。

1 次任務法實驗方案存在的問題及分析

1.1 原實驗方案

1.1.1雙任務設計

主任務為模擬網絡引擎搜索。每次實驗時在計算機顯示器上相繼呈現2幅畫面：第一幅畫面呈現搜索目標，包括要搜索的人物名稱和2個指定特征(例如國籍、性別)；第二幅畫面呈現搜索結果，包括5個人物，每個人物包含4個方面的特征(例如學歷、國籍、性別和職業)。告知被試：5個人物中有1至4個符合搜索目標要求的目標項，要求被試查找出所有的目標項，同時記住目標項的另外二個特征(如學歷和職業)。第二幅畫面呈現時間為16s，被試完成搜索后按鍵或在16s后第二幅畫面消失，被試口頭報告搜索到的各個目標項的另外2個特征。主任務分成3個復雜水平，通過改變第二幅畫面5個搜索結果中包含的目標項數目來加以控制，分別為5個搜索結果中包含1、2和4個目標項，代表低、中、高三種主任務復雜水平。

次任務為以聽覺信號為刺激源的選擇反應時測定。每次實驗時，當被試完成主任務后將聽到隨機出現的“A、B、C、D”4個字母的讀音，然后按照“A-紅、B-黃、C-藍、D-綠”的規則按下鍵盤上的紅、黃、藍、綠4個按鍵當中的一個鍵。

選擇大三本科學生作為被試參加實驗，年齡為19～22歲，所有被試視力、聽力正常。

1.1.2實驗設備和測試工具

實驗在計算機上進行，配備選擇反應時測試專用鍵盤，利用E-Prime心理實驗專用軟件編程，實現主任務和次任務的控制以及測量相應反應時的數據。主任務主觀難度采用任務Kalyuga, Chandler和Sweller (1999)制定的量表，采用7級評分制，從1到7任務難度依次遞增，1表示非常容易，4表示中等難度，7表示非常困難。

1.1.3實驗步驟及數據采集處理

實驗采用被試內設計。實驗前，每名被試完成10次聽覺信號選擇反應時的單獨任務測量，并以這10次的平均時間為tR單任務。

然后對每個被試單獨進行數據采集，按復雜水平低、中、高的順序，每種實驗任務條件(復雜水平)下實施6次搜索和選擇反應時的測量，持續時間大約3～5min，不同復雜水平實驗之間休息10min。記錄每名被試的主任務主觀難度值C主任務、反應時tR主任務、正確率T主任務；記錄被試在雙任務下的選擇反應時tR雙任務。

次任務反應時變化率：

讓學生分析被試RtR次任務值與腦力負荷之間的關系。

1.2 原實驗存在問題分析

經典理論認為：次任務完成水平越好，則主任務的腦力負荷越低，反之則越高。在原實驗方案的3種復雜水平下的實驗中，每個等級分別獲取了C主任務、tR主任務、T主任務、RtR次任務值720組，分別取平均值，并作方差分析，結果見下表1。

表1 原實驗方案實驗數據表

對表1數據進行分析可以發現以下問題。

1.2.1 次任務對主任務存在干擾

主任務主觀難度C主任務表現出極顯著的差異(P<0.01)。在腦力負荷度量技術中，主觀度量法在1995年之前的發展體系已經較為完備，而且近10多年來的相關研究較多，是腦力負荷度量有效的方法[11-12]。所以表1數據顯示：任務復雜度水平高、中、低分別對應2.32、3.85、6.16變化顯著且可信。

但觀察tR主任務和T主任務變化的差異不明顯(P>0.05)。而且tR主任務從中等難度到高等難度變化非常小，在最高難度的平均用時為15.898 s，并沒有達到規定的16 s，然而正確率T主任務從低到高的難度變化中下降得很快，這表明：除了任務難度本身的影響外，被試在中等特別是高等難度測試時可能沒有盡全力去完成主任務，這個推測從RtR次任務在測試任務復雜水平從低到高變化中變化不明顯也可以得到部分證明。究其原因，被試并沒有注意主任務操作的絕對優先權，特別在高復雜度任務的測試中消極對付主任務，而故意預留一定的腦力資源去完成次任務，從而影響研究者通過次任務績效判斷主任務的腦力負荷高低，這可視為次任務對主任務的干擾。

1.2.2 主任務與次任務心理資源性質差異大

從表1中可見RtR次任務在復雜水平高、中、低3個等級變化不明顯，而且數據還顯示：高復雜水平任務下RtR次任務小于中等復雜水平任務下RtR次任務，說明次任務績效在高復雜水平任務時還優于中等復雜水平任務時，這跟相關理論矛盾很大。究其原因：第一，被試消極對付主任務，而故意預留一定的腦力資源去完成次任務(前面已經提到)；第二，主任務為視覺信息處理，而次任務為聽覺信息處理，心理資源性質差異大，相互之間的競爭小，從而導致次任務的完成績效與主任務腦力負荷高低關系較小，通過次任務評估主任務腦力負荷的敏感性低；第三，在不同復雜水平測試時，次任務都是一樣的，這也導致被試在完成后期次任務時經過了充分的訓練，產生了一定的學習效應，繼而提高次任務的完成績效。

2 實驗方案的改進設計

為了解決原實驗存在的問題，讓學生真正感受到實踐和理論的結合，在原實驗方案的基礎上做相應改進和調整。

(1) 增加對被試實驗前的自我檢查和培訓環節：要求被試自查自己的生理和心理狀態是否正常，如感覺處于非良好狀態，則該被試本次暫停實驗。對可以進行實驗的被試強調實驗的目的和要求，特別反復強調主任務操作具有絕對優先權，要求被試在各種主、次任務組合情境下保持最佳的主任務績效。

(2) 重新設計次任務：原方案中次任務為聽覺信號的選擇反應時測量，而主任務是視覺信息處理，心理資源性質不一樣。考慮主任務的類型特點，將次任務設計為視覺信號選擇反應時測試。具體為：通過E-Prime軟件編程功能，在顯示器上隨機呈現“紅、黃、藍、綠”顏色塊(10 cm×10 cm)，然后按照對應規則選擇鍵盤上的紅、黃、藍、綠4個按鍵當中的一個進行按鍵操作。

(3) 對次任務選擇反應時測試鍵盤進行改進：在調整紅、黃、藍、綠4個按鍵排列方式的基礎上，為每名被試提供3種不同按鍵排列方式的測試鍵盤，分別對應3種復雜水平測試，保證不同復雜水平測試中用的鍵盤不一樣，消除學習效應的影響。

(4) 統計數據時，通過±3σ法剔除異常數據，把被試由于估計間隔期而提前按鈕或者其他因素(比如：注意力不集中)而延遲按鍵的選擇反應時異常數據剔除掉，數據更為客觀。

3 新實驗方案的實踐

由于課程安排的時間原因，新的實驗方案目前還沒有在課程教學中實施。但是筆者正在進行相關科研課題的研究，需使用該實驗完成。為了對比原實驗方案和新實驗方案，安排原大三男生(共計38名)按照新的實驗方案進行測試，并對數據進行了相關記錄和統計(見表2)。

表2 新實驗方案實驗數據表

從數據可以看出，RtR次任務在復雜水平高、中、低3個等級變化明顯，表現出極顯著的差異(P<0.05)，表明通過次任務績效評估主任務腦力負荷具有高敏感性。同時RtR次任務的與C主任務的關系也與經典腦力負荷理論相一致。經過改進后，能讓學生比較清楚、直觀地體會次任務法評估腦力負荷的可行性，并進一步理解次任務績效與腦力負荷之間的關系，感受理論與實踐相結合的樂趣。

但是，不同的刺激類型、反應方式對次任務績效有顯著效應，這也提醒教師在設計次任務法腦力度量實驗時要注意：次任務的設計一定是以主任務的類型為基礎的；同一主任務不應該使用多種不同的次任務。

4 結束語

實驗是教學過程中非常重要的環節。教師應該在設計實驗方案、指導學生實驗的過程中不斷發現問題并改進之，這樣才能真正讓學生通過實驗更好地學習理論知識、掌握實踐技能、探索新問題。

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