n-back任务下视觉工作记忆负荷研究，本文主要内容关键词为：负荷论文,视觉论文,记忆论文,工作论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
分类号 B849
1 引言
在人机交互作用中，工作记忆负荷过高（或过低）是产生操作错误的重要原因之一。人机界面的优化设计必须使工作记忆负荷与用户的水平相适应[1]。
在心理负荷理论中，Wickens的多重资源理论(multiple-resource theory)是最具影响的理论之一。Wickens的多重资源概念包括三个维度：第一个维度是加工阶段，包括早期和晚期的加工，这一维度包含着两类独立的资源，即与知觉相关的认知操作（如：监控、心理旋转、计算等）和与反应相关的操作（如：操纵、声音控制等）；第二个维度是输入通道，指听觉、视觉和触觉等通道占用的不同资源；第三个维度是编码，指言语的或空间的编码方式[2]。
根据Wickens的多重资源理论，从编码方式可将工作记忆区分为言语工作记忆和视觉工作记忆。Baddeley的理论中工作记忆包含中枢执行系统(central executive)、语音回路(phonological loop)和视觉空间记事本(visuospatial sketch pad)三个成分。其中，中枢执行系统是一个注意控制系统，它在人类技能中（比如下棋）起着重要的作用。语音回路和视觉空间记事本是中枢执行系统的两个子系统。语音回路包含语音存储(store)和发音控制加工(articulatory control process)两部分[3]。随后有研究者又将视觉记忆分成视觉空间位置记忆(visual-spatial memory)和视觉客体记忆(visualobject memory)两个成分，这种分类得到了脑成像实验的支持[4]。
有研究者采用n-back范式对工作记忆负荷进行了大量的研究。n-back范式要求被试将刚刚出现过的刺激与前面第n个刺激相比较，通过控制当前刺激与目标刺激间隔的刺激个数来操纵负荷。该范式的优点在于将任务设计成在工作记忆上施加一连续的、参数可变的负荷，而其它任务需求保持恒定[1,5,6]。然而这些研究大多集中于言语记忆子系统，即便是在视觉空间记忆的研究中也往往针对空间位置，而对视觉客体的研究尚属少见[7]。然而人们对语言材料与视觉图形材料的加工过程存在差别，在言语方面获得的结果可能与视觉空间记忆的研究结果并不一致；视觉空间位置与视觉客体的记忆也可能存在着不同的加工规律[8]。
本实验采用n-back范式，考察了视觉工作记忆负荷与反应时、辨别力和主观评价的关系，以及空间位置记忆负荷与图形记忆负荷的差异，旨在为人机系统的优化设计提供心理学依据。
2 方法
2.1 被试
16名（9男7女）在校本科生和研究生，身体健康，右利手，视力（或矫正视力）正常，年龄在19～25岁之间，平均年龄为23.2±1.9岁。
2.2 实验材料
制作8幅黑色背景下的白色抽象几何图形作为实验刺激，其高度和宽度均为2.6cm。实验刺激的6个呈现位置均匀分布在以屏幕中心为圆心，以5cm为半径的圆周上。实验装置主要由一台带19″Dell显示器的PⅡ450型兼容机和头部支架构成。
2.3 实验设计与程序
实验采用2（任务类型）×3（任务难度）的被试者内设计。以n-back范式操作任务难度。当n=1时，要求被试比较当前刺激和与它相邻的前一个刺激；当n=2时，则比较当前刺激和它前面隔一个位置上的刺激；当n=3时，要比较的是当前刺激和它前面隔两个位置上的刺激，由此获得低、中、高三种相应的任务难度，每种任务难度下包含有240+n个刺激，实验时间约为9分钟，整个实验需花费大约2小时。
任务类型包括位置匹配任务和图形匹配任务两类。在位置匹配任务中，要求被试判断两个刺激呈现的位置是否相同，而不管两者是否为同一个图形；在图形匹配任务中，则要求被试判断两个刺激是否为同一个图形，而不管它们的呈现位置如何。
实验中，先向被试呈现一个“＋”作为注视点，然后立即呈现实验刺激200毫秒，从实验刺激消失到下一个实验刺激出现的时间间隔为2秒。要求被试分别以左（或右）手食指对实验刺激序列中的匹配刺激或不匹配刺激作相应的按键反应（“是”或“否”），由计算机记录反应结果。匹配刺激与不匹配刺激呈现数目的比例为1:2。被试的观察距离为1米。
当每个实验序列结束时，要求被试完成NASA-TLX量表[9]，对任务负荷进行主观评价。NASA-TLX量表包括心理要求、生理要求、时间要求、作业成绩、努力和挫折水平六个维度。对量表的评价由两部分构成，首先要求被试对这六个维度进行两两比较，以确定各维度在负荷中的权重，共比较15次；随后要求被试在100mm线段上标记各个维度的负荷量。
正式实验前一天对被试进行训练，使被试熟悉实验情景，以减低练习效应。
3 结果
3.1 反应时
反应时的结果见表1。表1中显示，随着记忆负荷增大，反应时增长。
表1 各难度任务下平均反应时(ms)
注：括号中的数字为反应时的标准差。
对反应时进行2（反应类型：匹配与不匹配）×2（任务类型）×3（任务难度）的被试者内三因素方差分析。结果发现，上述三个因素的主效应均显著。其中反应类型：F(1,15)=6.163,p＜0.05；任务类型：F(1,15)=77.583,p＜0.001；任务难度：F(2,30)=16.838,p＜0.001。图形匹配任务的反应时长于位置匹配任务，对匹配刺激的反应时大于非匹配刺激；低、中和高三种负荷水平的两两差异显著(p＜0.01)，高难度任务的反应时最长，中等难度次之，低难度任务的反应时最短。
反应类型与任务类型的交互作用显著，F(1,15)=5.514,p＜0.05。简单效应（见图1）分析发现，在匹配和不匹配两类反应中图形匹配任务的反应时均比位置匹配任务长，匹配：F(1,15)=96.97,p＜0.001；不匹配：F(1,15)=51.56,p＜0.001；但只有在图形匹配任务中匹配刺激的反应时长于不匹配刺激，位置匹配：F(1,15)=1.07,p＞0.05；图形匹配：F(1,15)=10.77,p＜0.01。
图1 反应类型与任务类型的交互作用
反应类型与任务难度的交互作用显著，F(2,30)=7.446,p＜0.05。简单效应（见图2）分析发现，在匹配和不匹配两类反应条件下，反应时总是随着任务难度增大而增长，其中匹配：F(2,30)=22.93,p＜0.001；不匹配：F(2,30)=30.63,p＜0.001；但只有在低难度条件下匹配反应的反应时长于不匹配反应，低难度：F(1,15)=14.38,p＜0.01；中难度：F(1,15)=0.63,p＞0.05；高难度：F(1,15)=1.45,p＞0.05。
图2 反应类型与任务难度的交互作用
3.2 辨别力
根据信号检测论的原理，将被试对匹配刺激的正确反应计为“击中”，对非匹配刺激的错误反应计为“虚报”，由公式(1)和公式(2)分别计算各种实验条件下被试的辨别力(d′)和反应倾向（β），见表2。
表2 各难度任务下的辨别力与反应倾向
对d′进行2（任务类型）×3（任务难度）的被试者内二因素方差分析。结果发现：d′的任务类型和任务难度主效应均显著，任务类型：F(1,15)=136.074,p＜0.001；任务难度：F(2,30)=121.655,p＜0.001，其中位置匹配任务的d′大于图形匹配任务；三种负荷水平的两两差异显著(p＜0.001)，即随任务难度提高，被试的辨别力逐渐下降。
任务类型与任务难度的交互作用显著(F(2,30)=12.217,p＜0.001)。简单效应（见图3）分析发现，随任务难度提高，辨别力下降(p＜0.001)，位置匹配任务的d′大于图形匹配任务(p＜0.001)。
图3 n-back任务下不同任务情景的辨别力
对β进行方差分析后发现，各种效应均未达到显著水平。其中任务类型：F(1,15)=0.770,p＞0.05；任务难度：F(2,30)=2.857,p＞0.05；交互作用：F(2,30)=1.696,p＞0.05。因此可以认为，被试行为反应的差异与判断标准无关。
3.3 主观评价
根据NASA-TLX量表计算出主观心理负荷各维度的权重，将各维度评价值加权之和作为总负荷。
各维度权重的计算步骤如下：
(1)维度间配对比较，将在被试主观体验到的负荷中作用较大者记为1，较小者记为0。
(2)计算某种实验条件下所有被试某一维度上的得分之和与该实验条件下所有维度得分之和的比值，以此作为该维度在该实验条件下的权重。
表3显示，主观心理负荷的不同维度具有不同的权重，除了位置匹配1-back任务外，其余条件下权重最高的维度均为心理要求，各任务条件下权重最低的是挫折水平维度。
表4显示了不同实验条件下的总负荷及各维度的负荷值。对总负荷及其六个维度上的负荷值分别进行2（任务类型）×3（任务难度）的方差分析，结果如表5所示。图形匹配任务的总负荷高于位置匹配任务，其中心理要求和努力两个维度的任务类型主效应显著。随任务难度增加，总负荷增大，低、中、高三种负荷水平的两两间差异显著(p＜0.05)。除了生理要求和作业成绩维度之外，其余四个维度的任务难度主效应均显著。总负荷在任务类型与任务难度上的交互作用显著。进一步的简单效应（图4）分析发现，只有图形匹配任务的总负荷随难度提高而增大，而位置匹配任务的总负荷则不随难度变化而变化；高任务难度下，图形匹配任务的总负荷大于位置匹配任务，低、中任务难度下的两种任务类型的总负荷之间无显著差异。其中低：F(1,15)=1.33,p＞0.05；中：F(1,15)=4.32,p＞0.05；高：F(1,15)=9.06,p＜0.01。对挫折水平的任务类型与任务难度的交互作用的简单效应分析得到了与总负荷相一致的结果，图形匹配任务的挫折水平随难度提高而增大，高难度任务下图形匹配任务的挫折水平大于位置匹配任务(p＜0.01)。这表明总负荷任务类型与任务难度的交互作用主要体现在挫折水平上，主观负荷量表在较高任务难度下对负荷更敏感。
图4 不同难度任务下的总负荷
4 讨论
本实验在位置匹配任务中，匹配刺激与非匹配刺激的反应时之间无显著性差异，而在图形匹配任务中，匹配刺激的反应时长于非匹配刺激。笔者认为，这一结果可能是由图形匹配过程较空间位置匹配过程更为复杂所致。Watter发现，n-back任务可能包含工作记忆编码搜索子任务和匹配子任务，被试在探测刺激呈现之前能充分完成对n-back刺激的搜索和选择加工[6]。可见，反应时不包括被试对探测刺激之前的刺激序列的搜索过程，它只与探测刺激与目标刺激的匹配的过程和反应决策过程相关。笔者推测，被试在进行图形匹配过程中，对图形所包含的众多特征进行逐一比较，一旦发现探测刺激的某个特征与比较刺激不一致，随即自动中止比较过程，否则继续比较过程。在匹配刺激条件下，人们必须完成所有特征的匹配，而在非匹配条件下，特征匹配过程将随机地自动中止，从而导致前者的反应时较后者长。在位置匹配任务中，空间位置关系可能作为一个整合特征，不论在匹配刺激，还是在非匹配刺激条件下，均只需进行一次比较，因此这两种条件下的反应时不存在差别。可见，上述结果为视觉空间记忆与客体记忆存在着不同的加工过程提供了实验证据。
本实验还发现，仅在低难度任务下匹配刺激的反应时长于非匹配刺激，中、高任务难度下匹配刺激与非匹配刺激反应时无差异。笔者认为反应时由三部分组成：对新刺激进行编码的时间、刺激匹配的时间以及做反应的时间。在低任务难度下，对新刺激编码时间相对较短，做反应的时间相对稳定，反应时主要受刺激匹配时间的影响，使得匹配刺激的反应时较非匹配刺激长。随任务难度增大，对新刺激编码的时间延长，刺激匹配时间在反应时中所占的比重相对减小，这就缩小了匹配刺激与非匹配刺激反应时的差距，因此中、高难度下两类刺激反应时无差异。
此外，在本实验中被试对两类任务的辨别力和主观评价均存在差异。位置匹配任务的辨别力总是显著高于图形匹配任务，并且随任务难度提高，辨别力降低。图形匹配任务的主观负荷随任务难度提高而增大，位置匹配任务的主观负荷则不随难度提高而增加；在低、中难度条件下，两类任务的主观负荷差异不显著，只在高负荷条件下图形匹配任务主观负荷大于位置匹配任务。据此推论，上述两类任务在辨别力和主观负荷上的差异反映了前者对视觉工作记忆负荷的测定比后者更为敏感。
应该指出，本研究的所有刺激均随机呈现在以屏幕中央为圆心，半径为5cm的圆周上，笔者推测，被试是将视觉刺激的位置信息和客体信息进行整合加工，位置的改变也可能对行为反应和主观评价等指标产生影响。这一假设已经得到了一些实验支持[10-12]，但还需要进一步的更直接的实验证据。
5 小结
n-back任务可以作为视觉记忆有效的负荷作业，反应时、辨别力以及主观负荷水平都随负荷增大而相应变化。视觉图形记忆任务的负荷水平高于视觉空间位置记忆任务，它们可能存在着不同的加工过程。