脑力负荷的定义及影响因素-脑力负荷的测量课件

脑力负荷的定义及影响因素脑力负荷的定义及影响因素 脑力负荷的测量脑力负荷的测量脑力劳动脑力劳动7/21/20241n一、脑力负荷定义（一、脑力负荷定义（Mental Workload）脑力劳动：人从外界接受信息，对信息进行编译、整理、分析，脑力劳动：人从外界接受信息，对信息进行编译、整理、分析，最后作出反应的过程。最后作出反应的过程。关于脑力工作负荷也有用关于脑力工作负荷也有用心理负荷心理负荷、精神负荷精神负荷、脑负荷和脑力脑负荷和脑力负担等术语的负担等术语的，目前还没有形成统一的定义。，目前还没有形成统一的定义。第一节第一节 脑力负荷定义及其影响因素脑力负荷定义及其影响因素脑力负荷：用来形容人在工作中的心理压力脑力负荷：用来形容人在工作中的心理压力,或信息处或信息处 理能力理能力 。7/21/20242 2第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量-主观评价法；主观评价法；-主任务测量法；主任务测量法；-辅助任务测量法；辅助任务测量法；-生理测量法。生理测量法。（一）主观评价法（一）主观评价法是是最流行也是最简单最流行也是最简单的脑力负荷评价方法。的脑力负荷评价方法。该方法要求系统操该方法要求系统操作者陈述特定操作过程中的脑力负荷体验，或根据脑力负荷体验对作者陈述特定操作过程中的脑力负荷体验，或根据脑力负荷体验对操作活动进行难度顺序的排列操作活动进行难度顺序的排列。7/21/20243 3第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量常见方法：常见方法：n古柏一哈柏古柏一哈柏(Cooper-Harper)评价法评价法n主观负荷评价法（主观负荷评价法（SWAT量表）量表）nNASATLX主观评价法主观评价法 National Aeronautics and Space AdministrationNational Aeronautics and Space Administration(美国美国)国家航空和宇宙航行局国家航空和宇宙航行局7/21/20244 4第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量n古珀一哈柏古珀一哈柏(Cooper-Harper)评价法，评价法，美国空军1969年提出 古柏一哈柏提出主要目的：古柏一哈柏提出主要目的：用于评价飞机驾驶难易程度用于评价飞机驾驶难易程度 具具体体方方法法：把把飞飞机机驾驾驶驶的的难难易易程程度度分分为为1010个个等等级级，飞飞机机驾驾驶驶员员在在驾驾驶驶飞飞机机之之后后，根根据据自自己己的的感感觉觉，对对照照各各种种困困难难程程度度的的定定义义，给给出出自自己对这种飞机的评价。己对这种飞机的评价。应用：应用：用于飞机操纵特性的评定。用于飞机操纵特性的评定。下表为下表为Cooper-HarperCooper-Harper方法的分级方法。方法的分级方法。7/21/20245 5Cooper-Harper法的分级方法法的分级方法飞机的特性飞机的特性对驾驶员的要求对驾驶员的要求评价等级评价等级优良：人们所希望的优良：人们所希望的脑力负荷不是在驾驶中应考虑的脑力负荷不是在驾驶中应考虑的1很好，有可忽略的缺点很好，有可忽略的缺点脑力负荷不是在驾驶中应考虑的脑力负荷不是在驾驶中应考虑的2不错，只有轻度的不足不错，只有轻度的不足为驾驶飞机需驾驶员作少量帑力为驾驶飞机需驾驶员作少量帑力3小但令人不愉快的不足小但令人不愉快的不足需要驾驶员一定的努力需要驾驶员一定的努力4中度的、客观的不足中度的、客观的不足为了达到要求需要相当的努力为了达到要求需要相当的努力5非常明显但可忍的不足非常明显但可忍的不足为达到合格的驾驶需非常大努力为达到合格的驾驶需非常大努力6严重的缺陷严重的缺陷要达到合格的驾驶，需要驾驶员最大要达到合格的驾驶，需要驾驶员最大的努力，的努力，飞机是否可控不是问题飞机是否可控不是问题7严重的缺陷严重的缺陷为控制飞机就需要为控制飞机就需要相当大的努力相当大的努力8严重的缺陷严重的缺陷为了控制飞机为了控制飞机需要非常大的努力需要非常大的努力9严重的缺陷严重的缺陷如不改进，飞机驾驶时可能失控如不改进，飞机驾驶时可能失控107/21/20246 6（2）主主 观观 负负 荷荷 评评 价价 法法（Subjective WorkloadAssessmentTechnique）SWAT法法SWAT法是美国空军开发的，由法是美国空军开发的，由Reid等人建立。等人建立。1 1）主要考虑因素主要考虑因素Reid等等人人对对脑脑力力负负荷荷的的影影响响因因素素进进行行了了系系统统的的调调查查，经经过过必必要要的的归归纳纳和和整整理理，认认为为脑脑力力负负荷荷可可以以看看作作是是时时间间负负荷荷、压压力力负负荷荷和和努努力力程程度度等等3个个要素的结合。要素的结合。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量7/21/20247 7第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量时间负荷：时间负荷：是指操作者有没有足够的时间来完成任务。是指操作者有没有足够的时间来完成任务。努力程度：努力程度：是指在工作时人需要付出的努力等。具体的它是指人在工是指在工作时人需要付出的努力等。具体的它是指人在工作时，大脑中计算、决策、注意力资源的应用情况。作时，大脑中计算、决策、注意力资源的应用情况。压力负荷：压力负荷：主要涉及脑力负荷或与脑力负荷有关的心理上的负担。主要涉及脑力负荷或与脑力负荷有关的心理上的负担。每个因素又被分为每个因素又被分为1 1、2 2、3 3三级三级，SWATSWAT描述的变量及水平如描述的变量及水平如表所示。表所示。7/21/20248 8SWAT描述的变量及水平描述的变量及水平维度水平维度水平描述描述时间负荷时间负荷努力程度努力程度 压力负荷压力负荷1经经常常有有空空余余时时间间，各各项项活活动动之之间间很很少少有冲突或相互干扰有冲突或相互干扰很很少少意意识识到到心心理理努努力力，活活动动几几乎乎是是自自动动的的，很少或不需注意力很少或不需注意力很很少少出出现现慌慌乱乱、危危险险、挫挫折折或或焦焦虑虑，工工作作易易容易适应。容易适应。2偶偶尔尔有有空空余余时时间间，各各项项活活动动之之间间经经常常出出现现冲冲突突或或相相互互干干扰扰需需要要一一定定的的努努力力或或集集中中注注意意力力。由由于于不不确确定定性性，不不可可预预见见性性或或对对工工作作任任务务不不熟熟悉悉，工作中有些复杂工作中有些复杂由由于于慌慌乱乱、挫挫折折和和焦焦虑虑而而产产生生中中等等程程度度的的压压力力，增增加加了了负负荷荷。为为了了保保持持适适当当的的业业绩绩，需要相当的努力需要相当的努力3几几乎乎从从未未有有空空余余时时间间，各各项项活活动动之之间间冲突不断冲突不断需需要要十十分分努努力力和和聚聚精精会会神神。工工作作内内容容十十分分复复杂杂，要要求求集集中中注注意意力力由由于于慌慌乱乱、挫挫折折和和焦焦虑虑而而产产生生相相当当高高的的压压力力，需需要要极极高高的的自自我我控制能力和坚定性控制能力和坚定性7/21/20249 9第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量n2 2）使用方法）使用方法n三三个个因因素素及及每每个个因因素素的的三三个个状状态态，共共形形成成333=27个个脑脑力力负负荷荷水水平。这平。这27个脑力负荷水平被定义为在个脑力负荷水平被定义为在0100之间。之间。n在在三三个个因因素素都都为为1时时，其其脑脑力力负负荷荷对对应应的的水水平平为为0，当当三三个个因因素素都都为为3时，脑力负荷水平为时，脑力负荷水平为100。n其其他他情情况况下下的的脑脑力力负负荷荷的的确确定定方方法法为为：用用27张张卡卡片片分分别别代代表表27种种情情况况，操操作作人人员员首首先先对对这这27张张卡卡片片根根据据自自己己的的主主观观观观点点进进行行排排序序，然然后后研研究究人人员员根根据据数数学学中中的的合合成成分分析析方方法法把把这这27种种情情况况分分别别与与0100之之间间的的某某一一点点对对应应起起来来，如如(1，1，1)对对应应于于0；(1，2，1)对对应应于于15.2等。等。n操操作作人人员员完完成成某某一一任任务务后后给给出出这这项项任任务务的的时时间间负负荷荷、努努力力程程度度、压压力力负负荷荷的的程程度度，根根据据这这三三个个指指标标就就可可以以确确定定脑脑力力负负荷荷的的状状态态，然然后后根根据据前面确定的对应表查出脑力负荷的对应值。前面确定的对应表查出脑力负荷的对应值。7/21/20241010第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量n（3 3）NASA-TLXNASA-TLX主观评价法主观评价法 美国航空和宇宙航行局下属美国航空和宇宙航行局下属 AMES研究中心的研究中心的Hart等人建立起来等人建立起来的。的。1 1）主要观点：认为脑力负荷是一个多维的概念。）主要观点：认为脑力负荷是一个多维的概念。Hart等对飞行员进行调查，拟从中找出脑力负荷的影响因素。等对飞行员进行调查，拟从中找出脑力负荷的影响因素。经过大量调查研究之后，确定了经过大量调查研究之后，确定了六个影响脑力负荷的因素六个影响脑力负荷的因素。分别为：。分别为：a.a.脑力需求脑力需求 b.b.体力需求体力需求 c.c.时间要求时间要求 d.d.努力程度努力程度 e.e.操作成绩操作成绩 f.f.挫折水平挫折水平7/21/20241111第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量nNASA-TLXNASA-TLX主观评价法：主观评价法：脑力需求脑力需求：这项工作是简单还是复杂，容易还是要求很高？完成工作这项工作是简单还是复杂，容易还是要求很高？完成工作需要多少脑力或知觉方面的活动（如：思考、决策、计算、记忆、寻需要多少脑力或知觉方面的活动（如：思考、决策、计算、记忆、寻找等）？找等）？体力需求体力需求：需要多少体力类型的活动（推、拉、转身、控制活动等）需要多少体力类型的活动（推、拉、转身、控制活动等）？这项工作是容易还是要求很高，是快还是慢？悠闲还是费力？这项工作是容易还是要求很高，是快还是慢？悠闲还是费力？时间需求时间需求：工作速度使你感到多大的时间压力？工作任务中的速度是工作速度使你感到多大的时间压力？工作任务中的速度是快还是慢，悠闲还是紧张？快还是慢，悠闲还是紧张？7/21/20241212第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量努力程度努力程度：在完成这项任务时，你在脑力和体力方面做出了多大的努在完成这项任务时，你在脑力和体力方面做出了多大的努力？力？业绩水平业绩水平：你认为你完成这项任务是多么成功？你对自己业绩的满意你认为你完成这项任务是多么成功？你对自己业绩的满意度如何？度如何？受挫程度受挫程度：在工作时，你感到是没有保障还是有保障，很泄气还是劲在工作时，你感到是没有保障还是有保障，很泄气还是劲头十足，恼火还是满意，有压力还是放松？头十足，恼火还是满意，有压力还是放松？每个影响因素在脑力负荷形成中的权数不同，且随着情境的变化而显每个影响因素在脑力负荷形成中的权数不同，且随着情境的变化而显示出差异。示出差异。7/21/20241313第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量NASATLX法的使用过程分三步：法的使用过程分三步：n1）确定因素权重）确定因素权重 采采用用两两两两比比较较法法，对对每每个个因因素素在在脑脑力力负负荷荷形形成成中中的的相相对对重重要要性性进进行行评评定定。六六个个因因素素的的权权数数之之和和等等于于。在在对对权权数数进进行行评评估估时时，自自相相矛矛盾盾的的评评估估(即即A比比B重重要要，B比比C重重要要，C比比A重要重要)是允许的，这种情况出现时，说明被评估的因素的重要性非常接近。是允许的，这种情况出现时，说明被评估的因素的重要性非常接近。n2）针对实际操作情境，对六个因素的状况分别进行评定）针对实际操作情境，对六个因素的状况分别进行评定NASATLX主主观观评评价价方方法法要要求求操操作作人人员员在在完完成成了了某某一一项项任任务务之之后后，根根据据脑脑力力负负荷荷的的六六个个因因素素在在0100之之间间给给出出自自已已的的评评价价。除除业业绩绩这这一一因因素素之之外外，其其他他五五个个因因素素都都是是感觉越高，给分值也越高，而对业绩，感觉到自己的业绩越好，则所给的分值越低。感觉越高，给分值也越高，而对业绩，感觉到自己的业绩越好，则所给的分值越低。n3）确定了各个因素的权数和评估值之后，进行加权平均就可以求出脑力负荷。7/21/20241414n二、主任务测量法（同一工作不同方法比较）二、主任务测量法（同一工作不同方法比较）第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量主任务测量法：主任务测量法：是通过对操作者在工作中的表现结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。果来推算这一工作强加于操作者的脑力负荷。这种方法假定这种方法假定:当脑力负荷增加时当脑力负荷增加时,这增加的对操这增加的对操作者能力的要求将改变操作者在系统中的表现。作者能力的要求将改变操作者在系统中的表现。7/21/20241515第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量（1 1）单指标测量法）单指标测量法-是用一个业绩指标来推断脑力负荷。是用一个业绩指标来推断脑力负荷。优点：优点：结果比较简单明了。结果比较简单明了。缺点：缺点：有时候不够准确。有时候不够准确。例如：利用例如：利用考试成绩考试成绩评价考试的难易。评价考试的难易。（2 2）多指标测量法）多指标测量法-用多个业绩指标来测量脑力负荷用多个业绩指标来测量脑力负荷 优点：优点：结果更准确结果更准确 缺点：缺点：数据比较难处理数据比较难处理 例如：利用例如：利用考试成绩考试成绩和和交卷时间交卷时间评价考试的难易。评价考试的难易。7/21/20241616第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量 (一一)辅助任务测量法的辅助任务测量法的原理原理 应应用用辅辅助助任任务务测测量量法法时时，操操作作人人员员被被要要求求同同时时做做两两件件工工作作。操操作作人人员员把把主主要要精精力力放放在在主主任任务务上上。当当他他有有多多余余的能力时，尽量做辅助任务。的能力时，尽量做辅助任务。主主任任务务的的脑脑力力负负荷荷是是通通过过辅辅助助任任务务的的表表现现来来进进行行的的。主主任任务务脑脑力力负负荷荷越越大大，剩剩余余资资源源越越少少，操操作作者者从从事事辅辅助助任任务的能力就越弱。务的能力就越弱。三、辅助任务测量法（不同工作的比较）三、辅助任务测量法（不同工作的比较）7/21/20241717（二）用辅助任务法测量脑力负荷（二）用辅助任务法测量脑力负荷步骤步骤 第一步：测量单独做辅助任务时的业绩指标；第一步：测量单独做辅助任务时的业绩指标；第二步：在做主任务的同时，在不影响主任务的情第二步：在做主任务的同时，在不影响主任务的情 况下尽量做辅助任务。测出此时做辅助任况下尽量做辅助任务。测出此时做辅助任 务时的业绩指标。务时的业绩指标。脑力负荷的评价：脑力负荷的评价：用两者的差来决定的。差越大脑力负荷越用两者的差来决定的。差越大脑力负荷越 大，反之，脑力负荷就越小。大，反之，脑力负荷就越小。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量7/21/20241818第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量注：辅助任务测量法是建立在某些假设的基础上的。注：辅助任务测量法是建立在某些假设的基础上的。第一：人的能力是一定的，就像一个瓶子的容积一样。第一：人的能力是一定的，就像一个瓶子的容积一样。第二：人的能力是单一的，即不同的任务使用相同的资源。第二：人的能力是单一的，即不同的任务使用相同的资源。7/21/20241919第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量(三三)常用的辅助任务常用的辅助任务 不不同同的的任任务务使使用用不不同同的的资资源源，因因而而使使可可使使用用的的辅辅助助任任务务也也有有很很大大的的不同，下面是常用的辅助任务。不同，下面是常用的辅助任务。(1)(1)选择反应。选择反应。(2)(2)追踪。追踪。(3)(3)监视。监视。(4)(4)记忆。记忆。(5)(5)脑力计算。脑力计算。(6)(6)复述。复述。(7)(7)简单反应。简单反应。(8)(8)时间估计。时间估计。7/21/20242020n选择反应时间选择反应时间 选择反应时间一般是向被试者在一定的时间间隔或不选择反应时间一般是向被试者在一定的时间间隔或不相等的时间间隔显示一个信号，被试者要根据信号的不同相等的时间间隔显示一个信号，被试者要根据信号的不同做出不同反应。选择反应时间有做出不同反应。选择反应时间有两个业绩指标两个业绩指标，一个是，一个是反反应时间应时间，另一个是，另一个是反应率反应率。在主任务的脑力负荷。在主任务的脑力负荷较轻较轻时，时，反应时间反应时间要可靠些。当主任务的脑力负荷要可靠些。当主任务的脑力负荷较高较高时，时，反应率反应率能更好的反映出来。能更好的反映出来。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量7/21/20242121n简单反应时间简单反应时间 除了选择反应任务之外，简单反应任务有时也用来作除了选择反应任务之外，简单反应任务有时也用来作为测量脑力负荷的辅助任务。为测量脑力负荷的辅助任务。简单反应任务简单反应任务就是要求被试就是要求被试者一发现某一出现的目标，就尽快地做出反应，目标和反者一发现某一出现的目标，就尽快地做出反应，目标和反应方法都是唯一的。相对于应方法都是唯一的。相对于选择反应任务选择反应任务，简单反应简单反应不需不需要做出选择判断，因而减轻了被试者信息处理中枢的负荷，要做出选择判断，因而减轻了被试者信息处理中枢的负荷，这样对主任务的这样对主任务的干扰也小些干扰也小些。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量7/21/20242222n追踪追踪 在用辅助任务测量法测量脑力负荷时，追踪是经常用在用辅助任务测量法测量脑力负荷时，追踪是经常用到的辅助任务。显然，在单独做追踪时，到的辅助任务。显然，在单独做追踪时，临界值临界值会高些，会高些，当与主任务一起做这项任务时，当与主任务一起做这项任务时，临界值临界值会下降。通过临界会下降。通过临界值的变化就可以了解主任务的脑力负荷。值的变化就可以了解主任务的脑力负荷。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量7/21/20242323n监视监视 监视任务一般要求被试者判断某一信号是否已经出现，监视任务一般要求被试者判断某一信号是否已经出现，业绩指标信号业绩指标信号侦探率侦探率。在单独完成监视任务时，信号侦探。在单独完成监视任务时，信号侦探率会等于率会等于1或接近于或接近于1。当被试者在完成主任务之后，监视。当被试者在完成主任务之后，监视任务的信号侦探率就会下降，下降的幅度就是大脑被占用任务的信号侦探率就会下降，下降的幅度就是大脑被占用的情况，即主任务的脑力负荷。的情况，即主任务的脑力负荷。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量7/21/20242424n记忆记忆 用记忆作为辅助任务来测量脑力负荷的用记忆作为辅助任务来测量脑力负荷的研究特别多研究特别多。这些研究大都使用短期记忆任务。值得注意的是，记忆任这些研究大都使用短期记忆任务。值得注意的是，记忆任务本身脑力负荷较高，这可能会影响主任务的业绩或人对务本身脑力负荷较高，这可能会影响主任务的业绩或人对主任务困难程度的判断。主任务困难程度的判断。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量7/21/20242525n脑力计算脑力计算 各种各样的算术计算也被用来作为测量脑力负荷的辅各种各样的算术计算也被用来作为测量脑力负荷的辅助任务。一般人们用简单的助任务。一般人们用简单的加法运算加法运算，但也有用乘法和除，但也有用乘法和除法的。法的。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量7/21/20242626n复述复述 复述任务要求被试者重复他所见到或听到的某一个词复述任务要求被试者重复他所见到或听到的某一个词或数字。通常不要求被试者对听到的内容进行转换。或数字。通常不要求被试者对听到的内容进行转换。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量7/21/20242727n时间估计时间估计 时间估计辅助任务就是在完成主任务的同时，对时间时间估计辅助任务就是在完成主任务的同时，对时间进行估计。一般采用进行估计。一般采用等时间间隔法等时间间隔法，这种方法是让被试者，这种方法是让被试者每隔一固定时间就做出一个反应。每隔一固定时间就做出一个反应。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量7/21/20242828第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量生理测量法生理测量法是通过人在做某一项脑力类型的工作时是通过人在做某一项脑力类型的工作时某一个某一个或或某某一些生理指标的变化一些生理指标的变化来判断脑力负荷的大小。来判断脑力负荷的大小。许多不同的生理指标，如心跳，呼吸，瞳仁，许多不同的生理指标，如心跳，呼吸，瞳仁，EMG（Electromyography肌电图肌电图），EEG（Electroencephalography 脑电图记录脑电图记录）等被推荐用来等被推荐用来测量脑力负荷。测量脑力负荷。当前，这些指标中的两项，即心跳变化率和脑电图中的当前，这些指标中的两项，即心跳变化率和脑电图中的P300被认为是最可能有用的指标。被认为是最可能有用的指标。四、生理测量法四、生理测量法7/21/20242929第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量 正正常常情情况况下下，人人的的心心率率是是不不规规则则的的。研研究究发发现现，当当人人承承受受脑脑力力负负荷荷时时（采采用用每每分分钟钟4040个个信信号号和和7070个个信信号号两两种种情情况况），两两种种情情况况的的心心率率平平均均值值没没有有很很大大的的提提高高，但但心心率率变变异异明明显显下下降降，而而且且随随着着负负荷荷强强度度（所所处处理理的的信信号号数数）增增加加，心率变异越来越小，曲线趋于心率变异越来越小，曲线趋于平直平直。心率变异（心跳变化率）心率变异（心跳变化率）7/21/20243030 1.1.生理测量法假定脑力负荷的变化会引起某些生理指标生理测量法假定脑力负荷的变化会引起某些生理指标的变化，但是其他许多与的变化，但是其他许多与脑力负荷无关的因素脑力负荷无关的因素也可能引起也可能引起这些变化；这些变化；2.2.不同的工作占用不同的脑力资源，因而会产不同的不同的工作占用不同的脑力资源，因而会产不同的生理反应。生理反应。一项生理指标一项生理指标对某一类工作适用，对另一类工对某一类工作适用，对另一类工作则不适用。作则不适用。第二节第二节 脑力负荷的测量脑力负荷的测量生理测量法的局限：生理测量法的局限：7/21/20243131掌握脑力负荷的测量方法掌握脑力负荷的测量方法要要 求求7/21/2024327/21/202433