N-BACK任務(wù)下視覺工作記憶負荷研究

1、摘要實驗采用n-back范式，考察了視覺工作記憶負荷與反響時、區(qū)分力和主觀評價的關(guān)系， 以及空間位置記憶負荷與圖形記憶負荷的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著記憶負荷的增大，反響時延 長，區(qū)分力降低，主觀負荷提高。視覺圖形記憶任務(wù)的負荷水平高于視覺空間位置記憶任務(wù) 的負荷水平；同時也為視覺圖形記憶和視覺空間記憶具有不同的加工過程提供了證據(jù)。關(guān)鍵詞視覺工作記憶負荷，n-back范式，nasa-tlx量表。分類號b8491引言在人機交互作用中，工作記憶負荷過高或過低是產(chǎn)生操作錯誤的重要原因之一。人 機界面的優(yōu)化設(shè)計必須使工作記憶負荷與用戶的水平相適應(yīng)1。有研究者采用n-back范式對工作記憶負荷進行了大量的研究

2、。n-back范式要求被試將剛剛出現(xiàn)過的刺激與前面第n個刺激相比擬，通過控制當前刺激與目標刺激間隔的刺激個數(shù)來操縱負荷。該范式的優(yōu)點在于將任務(wù)設(shè)計成在工作記憶上施加一連續(xù)的、參數(shù)可變的負荷，而其它任務(wù)需求保持恒定1,5,6。然而這些研究大多集中于言語記憶子系統(tǒng)，即便是在視覺空間記憶的研究中也往往針對空間位置，而對視覺客體的研究尚屬少見7。然而人們對語言材料與視覺圖形材料的加工過程存在差異，在言語方面獲得的結(jié)果可能與視覺空間記憶的研 究結(jié)果并不一致；視覺空間位置與視覺客體的記憶也可能存在著不同的加工規(guī)律8。本實驗采用n-back范式，考察了視覺工作記憶負荷與反響時、區(qū)分力和主觀評價的關(guān)系，以及空

3、間位置記憶負荷與圖形記憶負荷的差異，旨在為人機系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供心理學依據(jù)。2方法2.1被試16名9男7女在校本科生和研究生，身體健康，右利手，視力或矯正視力正常，年齡在1925歲之間，平均年齡為23.2土1.9歲。2.2實驗材料制作8幅黑色背景下的白色抽象幾何圖形作為實驗刺激，其高度和寬度均為2.6cm。實驗刺激的6個呈現(xiàn)位置均勻分布在以屏幕中心為圓心，以5cm為半徑的圓周上。實驗裝置主要由一臺帶19 dell顯示器的pii 450型兼容機和頭部支架構(gòu)成。2.3實驗設(shè)計與程序?qū)嶒灢捎?任務(wù)類型x 3任務(wù)難度的被試者內(nèi)設(shè)計。以n-back范式操作任務(wù)難 度。當n=1時，要求被試比擬當前刺激和與

4、它相鄰的前一個刺激；當n=2時，那么比擬當前刺 激和它前面隔一個位置上的刺激；當n=3時，要比擬的是當前刺激和它前面隔兩個位置上的 刺激，由此獲得低、中、高三種相應(yīng)的任務(wù)難度，每種任務(wù)難度下包含有240+n個刺激，實驗時間約為9分鐘，整個實驗需花費大約2小時。任務(wù)類型包括位置匹配任務(wù)和圖形匹配任務(wù)兩類。在位置匹配任務(wù)中，要求被試判斷兩 個刺激呈現(xiàn)的位置是否相同，而不管兩者是否為同一個圖形；在圖形匹配任務(wù)中，那么要求被 試判斷兩個刺激是否為同一個圖形，而不管它們的呈現(xiàn)位置如何。實驗中，先向被試呈現(xiàn)一個“ +作為注視點，然后立即呈現(xiàn)實驗刺激200毫秒，從實驗刺激消失到下一個實驗刺激出現(xiàn)的時間間隔為

5、2秒。要求被試分別以左或右手食指對實驗刺激序列中的匹配刺激或不匹配刺激作相應(yīng)的按鍵反響“是或“否，由計算機記錄反應(yīng)結(jié)果。匹配刺激與不匹配刺激呈現(xiàn)數(shù)目的比例為1:2。被試的觀察距離為1米。當每個實驗序列結(jié)束時，要求被試完成nasa-tlx量表9,對任務(wù)負荷進行主觀評價。nasa-tlx量表包括心理要求、生理要求、時間要求、作業(yè)成績、努力和挫折水平六個維度。 對量表的評價由兩局部構(gòu)成，首先要求被試對這六個維度進行兩兩比擬，以確定各維度在負 荷中的權(quán)重，共比擬15次；隨后要求被試在100mmi段上標記各個維度的負荷量。正式實驗前一天對被試進行訓練，使被試熟悉實驗情景，以減低練習效應(yīng)。3結(jié)果3.1反響

6、時反響時的結(jié)果見表1。表1中顯示，隨著記憶負荷增大，反響時增長。對反響時進行2反響類型：匹配與不匹配X 2任務(wù)類型X 3任務(wù)難度的被試 者內(nèi)三因素方差分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上述三個因素的主效應(yīng)均顯著。其中反響類型：f 1,15=6.163 , pv0.05 ;任務(wù)類型:f 1,15 =77.583 , pv 0.001 ;任務(wù)難度:f 2,30 =16.838 , p v 0.001。圖形匹配任務(wù)的反響時長于位置匹配任務(wù)，對匹配刺激的反響時大于非匹配刺激；低、中和高三種負荷水平的兩兩差異顯著pv 0.01 ,高難度任務(wù)的反響時最長，中等難度次之，低難度任務(wù)的反響時最短。反響類型與任務(wù)類型的交互作用顯

7、著，f 1,15 =5.514 , p V 0.05。簡單效應(yīng)見圖1分析發(fā)現(xiàn)，在匹配和不匹配兩類反響中圖形匹配任務(wù)的反響時均比位置匹配任務(wù)長，匹配：f1,15 =96.97, p V 0.001 ;不匹配:f 1,15 =51.56 , pv 0.001 ;但只有在圖形匹配任務(wù) 中匹配刺激的反響時長于不匹配刺激，位置匹配：f 1,15 =1.07 , p0.05 ;圖形匹配：f 1,15 =10.77 , pv0.01。反響類型與任務(wù)難度的交互作用顯著，f 2,30 =7.446 , pV 0.05。簡單效應(yīng)見圖2分析發(fā)現(xiàn)， 在匹配和不匹配兩類反響條件下， 反響時總是隨著任務(wù)難度增大而增長，

8、其中匹 配：f2,30 =22.93 , pv 0.001 ;不匹配:f 2,30 =30.63 , pv 0.001 ;但只有在低難度 條件下匹配反響的反響時長于不匹配反響，低難度：f 1,15 =14.38 , pv 0.01;中難度：f1,15 =0.63 , p 0.05 ;高難度：f 1,15 =1.45 , p 0.05。3.2區(qū)分力根據(jù)信號檢測論的原理，將被試對匹配刺激的正確反響計為“擊中，對非匹配刺激的錯誤反響計為“虛報，由公式1和公式2分別計算各種實驗條件下被試的區(qū)分力d和反響傾向6,見表2。d =z擊中率一z虛報率13 =o擊中率/o虛報率2公式1中的z擊中率和z虛報率分別

9、表示擊中的條件概率和虛報的條件概率 的z分數(shù)。公式2中的o擊中率和o虛報率表示擊中的條件概率和虛報的條件概 率的z分數(shù)所對應(yīng)的y值。對d進行2任務(wù)類型x 3任務(wù)難度的被試者內(nèi)二因素方差分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：d的任務(wù)類型和任務(wù)難度主效應(yīng)均顯著，任務(wù)類型：f1,15=136.074 , pv0.001;任務(wù)難度：f (2,30 )=121.655 , pv 0.001 ,其中位置匹配任務(wù)的d大于圖形匹配任務(wù)；三種負荷水平 的兩兩差異顯著(pv0.001)，即隨任務(wù)難度提高，被試的區(qū)分力逐漸下降。任務(wù)類型與任務(wù)難度的交互作用顯著(f (2,30 ) =12.217 , pv 0.001)。簡單效應(yīng)(見圖3

10、)分析發(fā)現(xiàn)，隨任務(wù)難度提高，區(qū)分力下降(pv 0.001)，位置匹配任務(wù)的d大于圖形匹配任務(wù)(pv 0.001)。對3進行方差分析后發(fā)現(xiàn)，各種效應(yīng)均未到達顯著水平。其中任務(wù)類型：f(1,15 ) =0.770 ,p0.05 ;任務(wù)難度：f (2,30 ) =2.857, p0.05 ;交互作用：f (2,30 ) =1.696 , p0.05。 因此可以認為，被試行為反響的差異與判斷標準無關(guān)。3.3主觀評價根據(jù)nasa-tlx量表計算出主觀心理負荷各維度的權(quán)重，將各維度評價值加權(quán)之和作為總負荷。各維度權(quán)重的計算步驟如下：(1)維度間配比照擬，將在被試主觀體驗到的負荷中作用較大者記為1,較小者記

11、為0。(2)計算某種實驗條件下所有被試某一維度上的得分之和與該實驗條件下所有維度得分 之和的比值，以此作為該維度在該實驗條件下的權(quán)重。表3顯示，主觀心理負荷的不同維度具有不同的權(quán)重，除了位置匹配1-back任務(wù)外，其余條件下權(quán)重最高的維度均為心理要求，各任務(wù)條件下權(quán)重最低的是挫折水平維度。表4顯示了不同實驗條件下的總負荷及各維度的負荷值。對總負荷及其六個維度上的負荷值分別進行2(任務(wù)類型)X 3(任務(wù)難度)的方差分析，結(jié)果如表5所示。圖形匹配任務(wù)的總負荷高于位置匹配任務(wù)，其中心理要求和努力兩個維度的任務(wù)類型主效應(yīng)顯著。隨任務(wù)難度增加，總負荷增大，低、中、高三種負荷水平的兩兩間差異顯著(pv 0

12、.05)。除了生理要求和作業(yè)成績維度之外，其余四個維度的任務(wù)難度主效應(yīng)均顯著。總負荷在任務(wù)類型與任務(wù)難度上的交互作用顯著。進一步的簡單效應(yīng)(圖4)分析發(fā)現(xiàn)，只有圖形匹配任務(wù)的總負荷隨難度提高而增大，而位置匹配任務(wù)的總負荷那么不隨難度變化而變化；高任務(wù)難度下，圖 形匹配任務(wù)的總負荷大于位置匹配任務(wù)，低、中任務(wù)難度下的兩種任務(wù)類型的總負荷之間無顯著差異。其中低：f (1,15 ) =1.33 , p0.05 ;中：f (1,15 ) =4.32 , p 0.05 ;高：f (1,15 )=9.06 , p V 0.01。對挫折水平的任務(wù)類型與任務(wù)難度的交互作用的簡單效應(yīng)分析得到了與總 負荷相一致的

13、結(jié)果，圖形匹配任務(wù)的挫折水平隨難度提高而增大，高難度任務(wù)下列圖形匹配任 務(wù)的挫折水平大于位置匹配任務(wù)(p v 0.01)。這說明總負荷任務(wù)類型與任務(wù)難度的交互作用主要表達在挫折水平上，主觀負荷量表在較高任務(wù)難度下對負荷更敏感。4討論本實驗還發(fā)現(xiàn)，僅在低難度任務(wù)下匹配刺激的反響時長于非匹配刺激，中、高任務(wù)難度 下匹配刺激與非匹配刺激反響時無差異。筆者認為反響時由三局部組成：對新刺激進行編碼 的時間、刺激匹配的時間以及做反響的時間。在低任務(wù)難度下，對新刺激編碼時間相對較短,做反響的時間相對穩(wěn)定，反響時主要受刺激匹配時間的影響，使得匹配刺激的反響時較非匹 配刺激長。隨任務(wù)難度增大，對新刺激編碼的時間延長，刺激匹配時間在反響時中所占的比 重相對減小，這就縮小了匹配刺激與非匹配刺激反響時的差距，因此中、高難度下兩類刺激 反響時無差異。此外，在本實驗中被試對兩類任務(wù)的區(qū)分力和主觀評價均存在差異。位置匹配任務(wù)的辨 別力總是顯著高于圖形匹配任務(wù)，并且隨任務(wù)難度提高，區(qū)分力降低。圖形匹配任務(wù)的主觀 負荷隨任務(wù)難度提高而增大，位置匹配任務(wù)的主觀負荷那么不隨難度提高而增加；在低、中難 度條件下，兩類任務(wù)的主觀負荷差異不顯著，只在高負荷條件下列圖形匹配任務(wù)主觀負荷大于 位置匹配任務(wù)。據(jù)此推論，上述兩類任務(wù)在區(qū)分力和主觀負荷上的差異反映了前者對視覺工 作記憶負荷的測定比后者更為敏感。應(yīng)該指出，本研究的