脑力负荷研究的发展现状及趋势

脑力负荷研究的发展现状及趋势

宋寒梅

（湖南大学机械与运载工程学院 20110407105）

摘要:按照4类脑力负荷度量的方法:主任务度量法、次任务度量法、生理度量法和主观度量法分别展开,综述了脑力负荷度量方法体系

从1995年以来的新进展,并对这些进展进行总结和评价。结论如下:总体上看,脑力负荷的度量方法体系一直在不断发展,但是并无大的突破;针对主观度量法和生理度量法的研究多于针对另外两类方法

的研究;有关脑力负荷度量方法的研究趋向于融合多种方法和手段,更接近各种现实的脑力任务,并且考虑更多因素。

关键词:脑力负荷;生理度量法;主观度量法;述评

1.概述

1.1定义

脑力负荷的英文术语是mental workload。也可称为心理负荷、精神负荷、脑力负荷或脑力负担。目前尚未统一起来。脑力负荷与体力负荷相对，是指单位时间内人承受的脑力活动工作量，用来形容人在工作中的心理压力，或信息处理能力。

1.2影响因素

影响脑力负荷的因素很多，主要包括三类因素：工作内容、人的能力及人的业绩。

1.2.1工作内容

工作内容对脑力负荷有直接的影响。在其他条件不变的情况下，工作内容越多，越复杂，操作人员所承受的脑力负荷就越高。由于工作内容是一个非常笼统的概念，因此又把工作内容分为时间压力、工作任务的困难程度、工作强度等。时间越紧，人的脑力负荷就越大；工作越困难，脑力负荷就越重。

1.2.2人的能力

在脑力劳动中，个体之间的脑力劳动能力存在差异，干同样的工作，能力越大的人脑力负荷越低，能力越小的人脑力负荷越高。人的能力并不是一成不变的，而是可以随着训练的增加而提高的，特别是在某一技能的学习阶段更是如此。人工作时是否努力、认真，对脑力负荷也有影响。但是努力程度对脑力负荷的影响的趋势是不确定的。一般来说，当人们努力工作时，脑力负荷是增加的。

1.2.3人的业绩

脑力负荷的适当与否对系统的绩效、操作者的满意感以及安全和健康均有很大的影响。只有让操作者从事中等脑力负荷强度的工作，才能取得较佳的操作结果。

2.发展历史

国际上有关脑力负荷的研究发端较早,在20世纪60年代,就

已有人使用次任务和主观度量法来研究人在脑力任务中的负荷。脑力负荷最初是被用来作为与体力负荷相对应的一个术语,用来形容人

在工作中的心理压力或信息处理能力,它涉及到工作要求、时间压力、操作者的能力及努力程度、行为表现和其它许多因素。

从20世纪70年代至今30多年时间里,是有关脑力负荷的研究发展较快并在实践中大量应用的时期。有关研究集中在对脑力负荷的度量上,这是因为如何对脑力负荷进行客观、准确、高效的度量,是提高脑力工作效率、降低失误的基础。

在20世纪80年代,脑力负荷的度量已经形成了较为完备的方法体系,包含主任务度量法、次任务度量法、生理度量法以及主观度量(也称自我评定度量)法4 类方法。中国学者廖建桥曾在1995年对脑力负荷的定义和度量方法(包括各类方法的优缺点)进行过较为全面的总结。

从1995年以来的10多年间,脑力负荷的度量方法体系一直处于不断发展中。

3. 脑力负荷度量方法的新进展

3. 1主任务度量法

主任务度量法是通过对操作者在工作中的表现结果来推算这一工作强加于操作者的脑力负荷。这种方法的假设前提是脑力负荷增加会占用更多有限的脑力资源,反映在主任务绩效上就是效率降低、失误率升高。但是主任务度量法有很明显的缺陷。首先,大部分脑力任务所涉及的脑力资源不同,其内在机理非常复杂,很难直接用主任务的一两个指标就完全表达;其次,脑力任务的的性质不同,使主任务绩效的度量指标本身就很难统一。这些缺陷被很多研究者清楚地认识到,因此,主任务度量法在实践中的应用很有限,近些年来发展较为缓慢,绝大部分研究沿袭了从前的经典方法,而主任务绩效也往往只

是作为脑力负荷其他度量指标的补充。值得一提的是在文献中,作者提出了一套标准化又便于实施的脑力任务及度量方法,可以测试

数字计算能力、短时记忆能力、空间认知能力、逻辑推理能力等基本任务。在每种脑力任务测试中,只需被试者通过按键操作,对刺激作出“是”或者“否”的判断,又系统记录其反应的时间与判断的正确率,避免了很多主观和不可控因素的干扰,非常简洁,其方法被广泛应用。

3. 2次任务度量法

次任务度量法的理论前提是:人的信息处理系统的能力是一定的,当人在执行一个主要脑力任务时,把多余的脑力能力用在完成次任务上,因此次任务的绩效就可以间接反映主任务所占用的脑力资源。亦即次任务完成水平越好,则主任务的脑力负荷越低。

次任务度量法面临两个最主要的质疑,一是它的假设前提是人的信息处理系统的能力是一定的,这一假设暗示人在执行各种脑力任务时使用的脑力资源具有同质性,但事实上这一点并不成立。二是操作人员同时完成两项脑力任务时,次任务会干扰主任务。但是一般认为,跟主任务相比,次任务对任务难度的影响更加敏感。常用的次任务有记忆、数字计算、反应时、时间估计、追踪等,其中被认为效果较好的次任务是时间估计。近年来研究者在寻求干扰小、可靠的次任务以及选择合适的次任务使用场合等方面得到了新的进展。比如文献的研究表明,前瞻记忆任务作为研究脑力负荷的次任务手段效果较好。

3. 3生理度量法

当人承受脑力负荷时,其某些生理指标将发生变化。生理度量法就是应用生理指标度量脑力负荷的一种传统方法。截止到20世纪90年代中期,学术界已经发展了许多不同的生理指标,如心跳、呼吸、瞳仁、EMG(肌电图)、EEG(脑电图)等来度量脑力负荷。研究表明,在各种生理指标中,心跳变化率和脑电图中的P300的效果较好。

生理度量法面临的最主要质疑是其可靠性。生理度量法假定脑力负荷的变化会引起某些生理指标的变化,但是其他许多与脑力负荷无关的因素也可能引起这些变化。从20世纪90年代中期到现在的10多年时间里,有关生理度量法的研究和应用比较多,主要集中在提高生理指标的精度、对脑力任务进行更细致的划分以及探索新的生理指标上,主要取得了下面一些进展。

1)不同脑力任务导致不同的生理指标变化。如镜画仪任务和数字任务导致的生理指标变化不同;在不同的视觉任务中,人的瞳孔、眼睛注视点随着任务性质不同和视觉负荷变化而异;人在执行反应及认知任务时的心率升高,执行其他任务时则不然。

2)心率变化率作为度量脑力负荷的敏感指标被更广泛地证实和应用,脑力负荷的增加一般会伴随心率变化率中0. 1 Hz成分的削弱。

3)使用更精确的仪器得到的脑电图被更广泛地应用于度量脑力负荷;任务难度增加导致大脑的β波和前庭的θ波活动加强,而α波活动抑制。

4)文献指出,经过精确测量和处理得到的生理指标可以很稳定地度量