N-BACK任务下视觉工作记忆负荷研究

1、摘要实验采用n-back范式，考察了视觉工作记忆负荷与反响时、区分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。结果发现，随着记忆负荷的增大，反响时延 长，区分力降低，主观负荷提高。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 的负荷水平；同时也为视觉图形记忆和视觉空间记忆具有不同的加工过程提供了证据。关键词视觉工作记忆负荷，n-back范式，nasa-tlx量表。分类号b8491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。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

2、。n-back范式要求被试将刚刚出现过的刺激与前面第n个刺激相比拟，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异，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响时、区分力和主观评价的关系，以及空

3、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1925岁之间，平均年龄为23.2土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pii 450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x 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，要求被试比拟当前刺激和与

4、它相邻的前一个刺激；当n=2时，那么比拟当前刺 激和它前面隔一个位置上的刺激；当n=3时，要比拟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，那么要求被 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

5、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响“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。 对量表的评价由两局部构成，首先要求被试对这六个维度进行两两比拟，以确定各维度在负 荷中的权重，共比拟15次；随后要求被试在100mmi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反响

6、时反响时的结果见表1。表1中显示，随着记忆负荷增大，反响时增长。对反响时进行2反响类型：匹配与不匹配X 2任务类型X 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。其中反响类型：f 1,15=6.163 , pv0.05 ;任务类型:f 1,15 =77.583 , pv 0.001 ;任务难度:f 2,30 =16.838 , p v 0.001。图形匹配任务的反响时长于位置匹配任务，对匹配刺激的反响时大于非匹配刺激；低、中和高三种负荷水平的两两差异显著pv 0.01 ,高难度任务的反响时最长，中等难度次之，低难度任务的反响时最短。反响类型与任务类型的交互作用显

7、著，f 1,15 =5.514 , p V 0.05。简单效应见图1分析发现，在匹配和不匹配两类反响中图形匹配任务的反响时均比位置匹配任务长，匹配：f1,15 =96.97, p V 0.001 ;不匹配:f 1,15 =51.56 , pv 0.001 ;但只有在图形匹配任务 中匹配刺激的反响时长于不匹配刺激，位置匹配：f 1,15 =1.07 , p0.05 ;图形匹配：f 1,15 =10.77 , pv0.01。反响类型与任务难度的交互作用显著，f 2,30 =7.446 , pV 0.05。简单效应见图2分析发现， 在匹配和不匹配两类反响条件下， 反响时总是随着任务难度增大而增长，

8、其中匹 配：f2,30 =22.93 , pv 0.001 ;不匹配:f 2,30 =30.63 , pv 0.001 ;但只有在低难度 条件下匹配反响的反响时长于不匹配反响，低难度：f 1,15 =14.38 , pv 0.01;中难度：f1,15 =0.63 , p 0.05 ;高难度：f 1,15 =1.45 , p 0.05。3.2区分力根据信号检测论的原理，将被试对匹配刺激的正确反响计为“击中，对非匹配刺激的错误反响计为“虚报，由公式1和公式2分别计算各种实验条件下被试的区分力d和反响倾向6,见表2。d =z击中率一z虚报率13 =o击中率/o虚报率2公式1中的z击中率和z虚报率分别

9、表示击中的条件概率和虚报的条件概率 的z分数。公式2中的o击中率和o虚报率表示击中的条件概率和虚报的条件概 率的z分数所对应的y值。对d进行2任务类型x 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：f1,15=136.074 , pv0.001;任务难度：f (2,30 )=121.655 , pv 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(pv0.001)，即随任务难度提高，被试的区分力逐渐下降。任务类型与任务难度的交互作用显著(f (2,30 ) =12.217 , pv 0.001)。简单效应(见图3

10、)分析发现，随任务难度提高，区分力下降(pv 0.001)，位置匹配任务的d大于图形匹配任务(pv 0.001)。对3进行方差分析后发现，各种效应均未到达显著水平。其中任务类型：f(1,15 ) =0.770 ,p0.05 ;任务难度：f (2,30 ) =2.857, p0.05 ;交互作用：f (2,30 ) =1.696 , p0.05。 因此可以认为，被试行为反响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)维度间配比照拟，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

11、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)X 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(pv 0

12、.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那么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 , p0.05 ;中：f (1,15 ) =4.32 , p 0.05 ;高：f (1,15 )=9.06 , p V 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

13、结果，图形匹配任务的挫折水平随难度提高而增大，高难度任务下列图形匹配任 务的挫折水平大于位置匹配任务(p v 0.01)。这说明总负荷任务类型与任务难度的交互作用主要表达在挫折水平上，主观负荷量表在较高任务难度下对负荷更敏感。4讨论本实验还发现，仅在低难度任务下匹配刺激的反响时长于非匹配刺激，中、高任务难度 下匹配刺激与非匹配刺激反响时无差异。笔者认为反响时由三局部组成：对新刺激进行编码 的时间、刺激匹配的时间以及做反响的时间。在低任务难度下，对新刺激编码时间相对较短,做反响的时间相对稳定，反响时主要受刺激匹配时间的影响，使得匹配刺激的反响时较非匹 配刺激长。随任务难度增大，对新刺激编码的时间延长，刺激匹配时间在反响时中所占的比 重相对减小，这就缩小了匹配刺激与非匹配刺激反响时的差距，因此中、高难度下两类刺激 反响时无差异。此外，在本实验中被试对两类任务的区分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，区分力降低。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那么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，只在高负荷条件下列图形匹配任务主观负荷大于 位置匹配任务。据此推论，上述两类任务在区分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