次任务法脑力负荷度量实验的分析与改进

次任务法脑力负荷度量实验的分析与改进
廖斌;冯海荣;王文轲
【摘要】在人因工程的实验课程教学中常采用次任务法对脑力负荷进行度量，发现原实验方案的次任务设计不当，次任务对主任务形成干扰，导致次任务绩效与主任务脑力负荷之间的关系与相关理论存在较大矛盾。

对该实验方案进行改进，增加被试实验前的自我检查和培训环节，设计了新的次任务，使实验效果更客观。

%The subsidiary task technique is often used to measure mental workload in ergonomics course teaching .Because of the poorly designed subsidiary task and the interference between primary task and subsidiary task , the relationship between the subsidiary task performance and the primary task mental workload is incompatible with the theory .The improved experimental scheme is put up ,which can improve the experimental results .
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2014(000)010
【总页数】3页(P176-178)
【关键词】次任务法;脑力负荷;实验方案;实验教学改进
【作者】廖斌;冯海荣;王文轲
【作者单位】四川师范大学商学院，四川成都 610101;四川师范大学商学院，四川成都 610101;四川师范大学商学院，四川成都 610101
【正文语种】中文
【中图分类】R857.14
随着科学技术的进步，特别是计算机等先进技术的快速发展，人类生产活动逐步向自动化、智能化转变。

在当今人机系统中，人的角色正在由直接的生产行为者变为监视控制的决策行为者[1]，很多传统的体力劳动正逐渐被脑力劳动所代替。

整个
社会中，由体力劳动所创造的价值所占的比重减少，而脑力劳动所创造价值所占的比重增加，研究劳动者的脑力工作负荷问题越来越重要。

研究与评价脑力工作负荷对于人机系统的负荷设计、避免因负荷不合理而导致的工效下降和预防作业事故具有重要意义[2-4]。

通过一定的测量技术研究脑力负荷是人因工程学科中重要的内容，“脑力负荷度量实验”可以帮助学生学习和掌握该部分内容。

但目前尚不能对脑力负荷进行直接测量，而只能用间接的方法进行评估。

常用的评估技术有任务绩效测量、主观评定和生理测量等3类[5-6]，其中任务绩效测量又分为主任务测量和次任务测量两种。

主任务测量法由于带有明显的缺陷，在实践中的应用有限，所以目前应用比较多的是次任务(双任务)测量法。

次任务测量法要求作业人员在一定的时间内同时完成两项任务，即除执行主任务外再完成一项额外任务(次任务)，通过考察双任务作业情境下次任务绩效受影响的程度(相对于单任务情境)来间接评价主作业的脑力负荷[7]。

一般情况下，随着主任务的脑力负荷的增加，次任务的绩效会随之下降[8]，所以
经典理论认为：次任务完成水平越好，则主任务的脑力负荷越低，反之则越高[9-10]。

但是笔者在多年的教学过程中获得的实验数据却与这一理论存在较大的矛盾。

本文将对次任务法相关因素进行分析，并对该实验进行重新设计，让学生在学习过程中能真正体会理论和实践的结合。

1 次任务法实验方案存在的问题及分析
1.1 原实验方案
1.1.1 双任务设计
主任务为模拟网络引擎搜索。

每次实验时在计算机显示器上相继呈现2幅画面：
第一幅画面呈现搜索目标，包括要搜索的人物名称和2个指定特征(例如国籍、性别)；第二幅画面呈现搜索结果，包括5个人物，每个人物包含4个方面的特征(例如学历、国籍、性别和职业)。

告知被试：5个人物中有1至4个符合搜索目标要
求的目标项，要求被试查找出所有的目标项，同时记住目标项的另外二个特征(如
学历和职业)。

第二幅画面呈现时间为16 s，被试完成搜索后按键或在16 s后第二幅画面消失，被试口头报告搜索到的各个目标项的另外2个特征。

主任务分成3
个复杂水平，通过改变第二幅画面5个搜索结果中包含的目标项数目来加以控制，分别为5个搜索结果中包含1、2和4个目标项，代表低、中、高三种主任务复杂水平。

次任务为以听觉信号为刺激源的选择反应时测定。

每次实验时，当被试完成主任务后将听到随机出现的“A、B、C、D”4个字母的读音，然后按照“A-红、B-黄、C-蓝、D-绿”的规则按下键盘上的红、黄、蓝、绿4个按键当中的一个键。

选择大三本科学生作为被试参加实验，年龄为19～22岁，所有被试视力、听力正常。

1.1.2 实验设备和测试工具
实验在计算机上进行，配备选择反应时测试专用键盘，利用E-Prime心理实验专
用软件编程，实现主任务和次任务的控制以及测量相应反应时的数据。

主任务主观难度采用任务Kalyuga, Chandler和Sweller (1999)制定的量表，采用7级评分制，从1到7任务难度依次递增，1表示非常容易，4表示中等难度，7表示非常困难。

1.1.3 实验步骤及数据采集处理
实验采用被试内设计。

实验前，每名被试完成10次听觉信号选择反应时的单独任务测量，并以这10次的平均时间为tR单任务。

然后对每个被试单独进行数据采集，按复杂水平低、中、高的顺序，每种实验任务条件(复杂水平)下实施6次搜索和选择反应时的测量，持续时间大约3～5 min，
不同复杂水平实验之间休息10 min。

记录每名被试的主任务主观难度值C主任务、反应时tR主任务、正确率T主任务；记录被试在双任务下的选择反应时tR双任务。

次任务反应时变化率：
让学生分析被试RtR次任务值与脑力负荷之间的关系。

1.2 原实验存在问题分析
经典理论认为：次任务完成水平越好，则主任务的脑力负荷越低，反之则越高。

在原实验方案的3种复杂水平下的实验中，每个等级分别获取了C主任务、tR主任务、T主任务、RtR次任务值720组，分别取平均值，并作方差分析，结果见下
表1。

表1 原实验方案实验数据表复杂水平低中高FPC主任务
2.32
3.856.1619.840.003tR主任务12.414 s15.452 s15.898 s9.540.21T主任务92%78%52%5.320.18RtR次任务22.35%29.5%26.8%2.320.421
对表1数据进行分析可以发现以下问题。

1.2.1 次任务对主任务存在干扰
主任务主观难度C主任务表现出极显著的差异(P<0.01)。

在脑力负荷度量技术中，主观度量法在1995年之前的发展体系已经较为完备，而且近10多年来的相关研
究较多，是脑力负荷度量有效的方法 [11-12]。

所以表1数据显示：任务复杂度水
平高、中、低分别对应2.32、3.85、6.16变化显著且可信。

但观察tR主任务和T主任务变化的差异不明显(P>0.05)。

而且tR主任务从中等
难度到高等难度变化非常小，在最高难度的平均用时为15.898 s，并没有达到规
定的16 s，然而正确率T主任务从低到高的难度变化中下降得很快，这表明：除
了任务难度本身的影响外，被试在中等特别是高等难度测试时可能没有尽全力去完成主任务，这个推测从RtR次任务在测试任务复杂水平从低到高变化中变化不明
显也可以得到部分证明。

究其原因，被试并没有注意主任务操作的绝对优先权，特别在高复杂度任务的测试中消极对付主任务，而故意预留一定的脑力资源去完成次任务，从而影响研究者通过次任务绩效判断主任务的脑力负荷高低，这可视为次任务对主任务的干扰。

1.2.2 主任务与次任务心理资源性质差异大
从表1中可见RtR次任务在复杂水平高、中、低3个等级变化不明显，而且数据
还显示：高复杂水平任务下RtR次任务小于中等复杂水平任务下RtR次任务，说
明次任务绩效在高复杂水平任务时还优于中等复杂水平任务时，这跟相关理论矛盾很大。

究其原因：第一，被试消极对付主任务，而故意预留一定的脑力资源去完成次任务(前面已经提到)；第二，主任务为视觉信息处理，而次任务为听觉信息处理，心理资源性质差异大，相互之间的竞争小，从而导致次任务的完成绩效与主任务脑力负荷高低关系较小，通过次任务评估主任务脑力负荷的敏感性低；第三，在不同复杂水平测试时，次任务都是一样的，这也导致被试在完成后期次任务时经过了充分的训练，产生了一定的学习效应，继而提高次任务的完成绩效。

2 实验方案的改进设计
为了解决原实验存在的问题，让学生真正感受到实践和理论的结合，在原实验方案的基础上做相应改进和调整。

(1) 增加对被试实验前的自我检查和培训环节：要求被试自查自己的生理和心理状
态是否正常，如感觉处于非良好状态，则该被试本次暂停实验。

对可以进行实验的被试强调实验的目的和要求，特别反复强调主任务操作具有绝对优先权，要求被试在各种主、次任务组合情境下保持最佳的主任务绩效。

(2) 重新设计次任务：原方案中次任务为听觉信号的选择反应时测量，而主任务是视觉信息处理，心理资源性质不一样。

考虑主任务的类型特点，将次任务设计为视觉信号选择反应时测试。

具体为：通过E-Prime软件编程功能，在显示器上随机
呈现“红、黄、蓝、绿”颜色块(10 cm×10 cm)，然后按照对应规则选择键盘上
的红、黄、蓝、绿4个按键当中的一个进行按键操作。

(3) 对次任务选择反应时测试键盘进行改进：在调整红、黄、蓝、绿4个按键排列方式的基础上，为每名被试提供3种不同按键排列方式的测试键盘，分别对应3
种复杂水平测试，保证不同复杂水平测试中用的键盘不一样，消除学习效应的影响。

(4) 统计数据时，通过±3σ法剔除异常数据，把被试由于估计间隔期而提前按钮或者其他因素(比如：注意力不集中)而延迟按键的选择反应时异常数据剔除掉，数据更为客观。

3 新实验方案的实践
由于课程安排的时间原因，新的实验方案目前还没有在课程教学中实施。

但是笔者正在进行相关科研课题的研究，需使用该实验完成。

为了对比原实验方案和新实验方案，安排原大三男生(共计38名)按照新的实验方案进行测试，并对数据进行了
相关记录和统计(见表2)。

表2 新实验方案实验数据表复杂水平低中高FPC主任务
2.18
3.746.2021.210.002tR主任务1
4.322 s1
5.586 s15.988 s7.380.21T主任务92%82%73%2.410.32RtR次任务22.35%35.78%48.35%17.650.02
从数据可以看出，RtR次任务在复杂水平高、中、低3个等级变化明显，表现出
极显著的差异(P<0.05)，表明通过次任务绩效评估主任务脑力负荷具有高敏感性。

同时RtR次任务的与C主任务的关系也与经典脑力负荷理论相一致。

经过改进后，能让学生比较清楚、直观地体会次任务法评估脑力负荷的可行性，并进一步理解次任务绩效与脑力负荷之间的关系，感受理论与实践相结合的乐趣。

但是，不同的刺激类型、反应方式对次任务绩效有显著效应，这也提醒教师在设计次任务法脑力度量实验时要注意：次任务的设计一定是以主任务的类型为基础的；同一主任务不应该使用多种不同的次任务。

4 结束语
实验是教学过程中非常重要的环节。

教师应该在设计实验方案、指导学生实验的过程中不断发现问题并改进之，这样才能真正让学生通过实验更好地学习理论知识、掌握实践技能、探索新问题。

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