周 悅，王超賢，吳 迪，孫科偉，劉士敏，白 雪，苑會(huì)羚，朱 妍，陳祥龍，肖 瑋(空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事醫(yī)學(xué)心理學(xué)系：航空航天心理學(xué)教研室，教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，臨床心理學(xué)教研室，陜西 西安 700)

情境意識(shí)(situation awareness，SA)一直是航空安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。大量研究和事故分析表明，在人因失誤導(dǎo)致的重大事故因素中，SA是最重要的因素之一[1]。應(yīng)用最為廣泛的SA定義由ENDSLEY[2]提出，即“感知特定時(shí)間和空間情境下的相關(guān)情境元素，理解其意義并進(jìn)一步預(yù)測(cè)隨后可能發(fā)生的狀態(tài)?！辈僮髡邆€(gè)體的變化如疲勞程度、情緒狀態(tài)、認(rèn)知能力等因素會(huì)直接作用于操作者的SA，影響其操作績(jī)效[3-6]。

工作記憶作為認(rèn)知功能的核心，與SA密切相關(guān)。在復(fù)雜的操作環(huán)境中，如飛行駕駛，有限的工作記憶會(huì)導(dǎo)致飛行員難以及時(shí)獲取和整合環(huán)境中不同來源的信息，造成SA的喪失[7]。CAK等[8]也證實(shí)了工作記憶和SA之間的正相關(guān)與預(yù)測(cè)關(guān)系。工作記憶具有可塑性，進(jìn)行工作記憶訓(xùn)練可以提升訓(xùn)練任務(wù)表現(xiàn)[9]，并影響與其相關(guān)的其他認(rèn)知能力，如注意控制、推理能力和流體智力[10-11]。N-back任務(wù)是工作記憶的經(jīng)典訓(xùn)練任務(wù)，其中N表示向前返回的刺激個(gè)數(shù)，也代表任務(wù)的難度水平。由于記憶材料是序列呈現(xiàn)并不斷更新的，因此受試者也需要不斷地更新信息存儲(chǔ)。隨著返回?cái)?shù)N的增加，需要記憶的信息量也不斷增加，記憶的難度也隨之增加。雙維N-back任務(wù)是N-back任務(wù)的一種變式[12]，包含同時(shí)進(jìn)行的視聽雙通道，且任務(wù)間相對(duì)獨(dú)立，涉及多個(gè)執(zhí)行過程，因此被認(rèn)為能更好地提升受訓(xùn)者在執(zhí)行功能、綁定加工以及注意控制上的能力[13-15]，也更為符合飛行過程中的多任務(wù)操作需求。因此，本研究以飛行模擬器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探討雙維N-back任務(wù)訓(xùn)練用于改善SA的可行性，為未來飛行人員的心理訓(xùn)練提供新的研究思路。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象

本研究共招募空軍軍醫(yī)大學(xué)大學(xué)生38名，隨機(jī)分為訓(xùn)練組和對(duì)照組。訓(xùn)練組20(男16，女4)人，平均年齡(19.65±0.88)歲；對(duì)照組18(男14，女4)人，平均年齡(20.17±0.86)歲。兩組受試者性別、年齡均無顯著差異(P>0.05)。受試者的納入標(biāo)準(zhǔn)為：年齡18～22歲，身心健康，右利手，視力或矯正視力正常，無暈車或暈機(jī)癥狀，無相關(guān)飛行經(jīng)驗(yàn)或飛行游戲經(jīng)驗(yàn)，未參加其他相關(guān)心理學(xué)實(shí)驗(yàn)。本研究經(jīng)空軍軍醫(yī)大學(xué)醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)(許可證號(hào)：KY20213395-1)，所有受試者均自愿參加實(shí)驗(yàn)并簽署了知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 視覺工作記憶檢測(cè)任務(wù) 該任務(wù)通常用于評(píng)估記憶容量[16]。首先，屏幕中央注視點(diǎn)上方呈現(xiàn)一個(gè)持續(xù)時(shí)間為200 ms的箭頭，箭頭隨機(jī)朝左或朝右指向，要求受試者始終盯著注視點(diǎn)并用余光記憶箭頭指向。之后在注視點(diǎn)兩側(cè)呈現(xiàn)100 ms的記憶刺激，即數(shù)量相同但方向不同的兩種色塊(紅色和藍(lán)色)，要求受試者記憶箭頭指向一側(cè)的紅色色塊方向。900 ms空屏后，注視點(diǎn)兩側(cè)再次呈現(xiàn)紅、藍(lán)兩種色塊，受試者需要在2 000 ms內(nèi)判斷箭頭指向一側(cè)的紅色色塊方向與記憶刺激中的是否一致，一致按“F”鍵，不一致按“J”鍵，一致與不一致試次的比例為1 ∶1，共96個(gè)試次。每次呈現(xiàn)的單側(cè)紅色色塊數(shù)量分別為2個(gè)和4個(gè)，即代表記憶負(fù)荷2和4，兩種負(fù)荷的試次比例為1 ∶1，且隨機(jī)呈現(xiàn)。計(jì)算Cowan’s K系數(shù)：K=記憶負(fù)荷×(擊中率-虛報(bào)率)，表示呈現(xiàn)特定數(shù)量的項(xiàng)目數(shù)時(shí)個(gè)體所能記憶的項(xiàng)目個(gè)數(shù)。

1.2.2 SA測(cè)量任務(wù) 情境意識(shí)整體評(píng)價(jià)技術(shù)(situation awareness global assessment technique，SAGAT)最早由ENDSLEY[17]提出：“在模擬飛行過程中凍結(jié)任務(wù)并詢問一組與實(shí)驗(yàn)情境相關(guān)的問題，記錄作答結(jié)果和實(shí)際參數(shù)，用結(jié)果的準(zhǔn)確性評(píng)估受試者的SA水平。”本實(shí)驗(yàn)依據(jù)飛行任務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)了一個(gè)由38個(gè)問題組成的紙筆測(cè)驗(yàn)，分6批施測(cè)，分別反映了感知、理解和預(yù)測(cè)3個(gè)水平上的表現(xiàn)。每個(gè)考核科目結(jié)束后立即凍結(jié)，每次凍結(jié)不超過5 min，要求所有受試者面朝右并快速作答，主試記錄受試者的回答和模擬器的實(shí)際參數(shù)，統(tǒng)計(jì)正確回答的問題個(gè)數(shù)，記為SAGAT得分。

1.2.3 訓(xùn)練任務(wù) 采用自適應(yīng)雙維N-back任務(wù)，與JAEGGI等[11]所用任務(wù)類似。首先，同時(shí)呈現(xiàn)持續(xù)時(shí)間為500 ms的兩種刺激(視覺和聽覺)，其中視覺刺激為藍(lán)色方塊，在屏幕中央的九宮格內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)(中央位置除外)；聽覺刺激為數(shù)字1～9(5除外)，通過耳機(jī)傳出。2 500 ms的空屏后，兩種刺激再次呈現(xiàn)，要求受試者分別判斷當(dāng)前刺激(視覺和聽覺)與前第N個(gè)刺激(視覺和聽覺)是否相同。視覺刺激相同，左手食指按“A”鍵；聽覺刺激相同，右手食指按“L”鍵，都不一致則不按鍵。受試者進(jìn)行按鍵反應(yīng)時(shí)，界面實(shí)時(shí)進(jìn)行反饋，以使受試者快速熟悉規(guī)則并保持訓(xùn)練動(dòng)機(jī)。每個(gè)block包含(20+N)個(gè)試次，視覺刺激和聽覺刺激一致與不一致試次比例均為3 ∶7，且隨機(jī)呈現(xiàn)。

本任務(wù)采用自適應(yīng)的方式，任務(wù)難度隨著任務(wù)表現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，每個(gè)block結(jié)束后會(huì)對(duì)受試者任務(wù)表現(xiàn)進(jìn)行分析，當(dāng)兩個(gè)通道平均準(zhǔn)確率>0.85時(shí)，N+1，此時(shí)屏幕呈現(xiàn)“您的表現(xiàn)很好，接下來任務(wù)難度加一，請(qǐng)繼續(xù)加油”；而平均準(zhǔn)確率<0.75時(shí)，N-1，屏幕呈現(xiàn)“您的表現(xiàn)有所下降，接下來任務(wù)難度減一，請(qǐng)繼續(xù)加油”；其他情況下，N保持不變。每次訓(xùn)練均從1-back開始，任意block間有60 s休息時(shí)間。每次訓(xùn)練約40 min，共20個(gè)block(圖1)。

圖1 雙維N-back任務(wù)流程圖(N=2)

1.2.4 SA測(cè)量平臺(tái)的搭建與處理 模擬飛行在JL-8飛行模擬器上進(jìn)行。該模擬器為220°球帶幕視野，水平投影視角200°，垂直投影視角55°。教員控制臺(tái)可調(diào)控各種功能，如凍結(jié)模擬器、設(shè)置故障和改變天氣條件。飛行面板中央是一個(gè)多功能顯示器，包括地平儀、空速表、高度表、升降速度表，左側(cè)有轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀、進(jìn)氣壓力表、轉(zhuǎn)速表、進(jìn)氣溫度表等，右側(cè)有無線電羅盤、陀螺磁羅盤、三用表等。訓(xùn)練任務(wù)使用MATLAB 2018a呈現(xiàn)，視覺工作記憶檢測(cè)任務(wù)使用E-prime3.0呈現(xiàn)。

經(jīng)過飛行專家、招飛專家和心理專家多次討論驗(yàn)證后，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)持續(xù)時(shí)間為30～45 min的飛行任務(wù)，共6個(gè)考核科目，參數(shù)設(shè)置及計(jì)分方法均參考《招飛心理選拔模擬飛行檢測(cè)手冊(cè)》。所有受試者需要在進(jìn)行航線飛行的同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)指令完成考核科目，實(shí)驗(yàn)前，飛行專家會(huì)對(duì)所有受試者進(jìn)行統(tǒng)一的飛行培訓(xùn)，包括理論授課、座艙實(shí)習(xí)和飛行考核。培訓(xùn)合格后，所有受試者有足夠的時(shí)間進(jìn)行無事件的飛行熱身，確保熟練后開始實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，受試者需要付出較高的腦力活動(dòng)，不僅要全程關(guān)注艙外環(huán)境信息和艙內(nèi)儀表信息，而且要認(rèn)真聽指令完成科目，同時(shí)還要快速應(yīng)答凍結(jié)問題。在飛行結(jié)束后，由模擬器后臺(tái)自動(dòng)記錄飛行績(jī)效。

1.2.5 實(shí)驗(yàn)流程 所有測(cè)試任務(wù)均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，為期4周。首先，向受試者介紹整個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和流程，并簽署知情同意書。實(shí)驗(yàn)第1周，受試者先完成視覺工作記憶檢測(cè)任務(wù)，然后進(jìn)行第1次模擬飛行任務(wù)。任務(wù)期間，采用SAGAT，任務(wù)結(jié)束后，后臺(tái)自動(dòng)記錄飛行績(jī)效。中間2周，訓(xùn)練組采用雙維N-back任務(wù)進(jìn)行訓(xùn)練，共12次，每周6次，每次約40 min；對(duì)照組采用空白對(duì)照。實(shí)驗(yàn)第4周，所有受試者再次完成視覺工作記憶檢測(cè)任務(wù)和模擬飛行任務(wù)，流程同第1次。

2 結(jié)果

對(duì)兩組受試者訓(xùn)練前、后測(cè)的記憶容量(負(fù)荷2條件、負(fù)荷4條件)，SAGAT得分和飛行績(jī)效進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)(表1)。

表1 兩組受試者訓(xùn)練前后的任務(wù)表現(xiàn)

2.1 訓(xùn)練組受試者在雙維N-back任務(wù)中的表現(xiàn)逐步提升

圖2 雙維N-back任務(wù)中不同訓(xùn)練次數(shù)的平均N值

2.2 工作記憶訓(xùn)練可以改善受試者的記憶容量

經(jīng)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練組和對(duì)照組前測(cè)的記憶容量無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[負(fù)荷2：t(36)=-0.560，P=0.579；負(fù)荷4：t(36)=-0.81，P=0.428]。對(duì)兩組記憶容量進(jìn)行2(前測(cè)、后測(cè))×2(訓(xùn)練組、對(duì)照組)重復(fù)測(cè)量的方差分析顯示，分組主效應(yīng)不顯著[負(fù)荷2：P=0.268；負(fù)荷4：P=0.470]；測(cè)試時(shí)間主效應(yīng)顯著[負(fù)荷2：F(1， 36)=4.63，P=0.038，η2=0.11；負(fù)荷4：F(1， 36)=6.31，P=0.017，η2=0.15]；分組與時(shí)間的交互作用顯著[負(fù)荷2：F(1， 36)=6.15，P=0.018，η2=0.15；負(fù)荷4：F(1， 36)=3.26，P=0.024，η2=0.13]。進(jìn)一步簡(jiǎn)單效應(yīng)分析結(jié)果顯示，訓(xùn)練組后測(cè)的記憶容量相比前測(cè)顯著提高[負(fù)荷2：F(1， 36)=11.32，P=0.002，η2=0.24；負(fù)荷4：F(1， 36)=12.50，P=0.001，η2=0.26]，而對(duì)照組前、后測(cè)無顯著差異[負(fù)荷2：P=0.823；負(fù)荷4：P=0.914]。以上結(jié)果表明工作記憶訓(xùn)練可以改善視覺工作記憶任務(wù)中的記憶容量。

2.3 工作記憶訓(xùn)練可以提高受試者的SA水平

經(jīng)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，訓(xùn)練組和對(duì)照組前測(cè)的得分無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[t(36)=0.557，P=0.581]。對(duì)兩組SAGAT得分進(jìn)行2(前測(cè)、后測(cè))×2(訓(xùn)練組、對(duì)照組)重復(fù)測(cè)量的方差分析發(fā)現(xiàn)，分組主效應(yīng)顯著[F(1， 36)=10.35，P=0.003，η2=0.22]；時(shí)間主效應(yīng)顯著[F(1，36)=31.65，P<0.01，η2=0.47]；分組與時(shí)間的交互作用顯著[F(1，36)=25.39，P<0.01，η2=0.41]。進(jìn)一步簡(jiǎn)單效應(yīng)分析結(jié)果顯示，訓(xùn)練組后測(cè)得分相比前測(cè)顯著提高[F(1，36)=60.03，P<0.01，η2=0.62]，而對(duì)照組前、后測(cè)無顯著差異(P=0.668)。以上結(jié)果表明工作記憶訓(xùn)練可以顯著提高受試者的SA水平。

2.4 工作記憶訓(xùn)練可以提高受試者的飛行績(jī)效

經(jīng)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，訓(xùn)練組和對(duì)照組前測(cè)的飛行績(jī)效無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[t(36)=-0.736，P=0.467]。對(duì)兩組的飛行績(jī)效進(jìn)行2(前測(cè)、后測(cè))×2(訓(xùn)練組、對(duì)照組)重復(fù)測(cè)量的方差分析結(jié)果顯示，分組主效應(yīng)不顯著(P=0.320)；時(shí)間主效應(yīng)顯著[F(1， 36)=38.40，P<0.01，η2=0.51]；分組與時(shí)間的交互作用顯著[F(1， 36)=10.98，P=0.002，η2=0.23]。進(jìn)一步簡(jiǎn)單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練組后測(cè)的飛行績(jī)效相比前測(cè)顯著提高[F(1， 36)=47.75，P<0.01，η2=0.57]，而對(duì)照組前、后測(cè)無顯著差異(P=0.055)。以上結(jié)果表明工作記憶訓(xùn)練可以改善受試者在模擬飛行時(shí)的飛行績(jī)效。

3 討論

從訓(xùn)練任務(wù)曲線和統(tǒng)計(jì)結(jié)果均可看出雙維N-back任務(wù)產(chǎn)生了明顯的訓(xùn)練效果。工作記憶容量是良好工作記憶的重要體現(xiàn)，與先前相關(guān)研究結(jié)果類似[18-19]，相比于對(duì)照組，訓(xùn)練組訓(xùn)練后的記憶容量明顯提升。訓(xùn)練組SAGAT得分和飛行績(jī)效均顯著提升，表明工作記憶訓(xùn)練可以有效改善SA水平，與先前研究結(jié)果基本一致[8,20]。

本研究之所以能觀察到工作記憶訓(xùn)練對(duì)SA水平的提升作用可能受到多個(gè)因素的影響。首先，ENDSLEY[2]的信息加工理論模型強(qiáng)調(diào)注意和工作記憶是制約個(gè)體獲得SA的關(guān)鍵影響因素。而雙維N-back任務(wù)剛好涉及多重執(zhí)行加工過程[21]，包括合理分配注意資源、快速更新記憶信息、同時(shí)監(jiān)控雙任務(wù)過程、抑制無關(guān)信息的干擾等。加之大腦具有可塑性[22]，使得工作記憶訓(xùn)練可以提升個(gè)體的SA水平。其次，以往研究認(rèn)為負(fù)載適應(yīng)和大量訓(xùn)練(至少8 h或3周)是工作記憶訓(xùn)練效果能有效遷移至其他任務(wù)的重要條件[9,23]。一方面，訓(xùn)練任務(wù)采用難度自適應(yīng)滿足了負(fù)載適應(yīng)；另一方面，總訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)為8 h也達(dá)到了訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)，均符合上述條件?？傊ぷ饔洃浥cSA之間相似的基本認(rèn)知加工過程和工作記憶容量負(fù)載的適應(yīng)性是工作記憶訓(xùn)練效果可以顯著遷移到SA的兩個(gè)重要因素。

本研究也存在一些不足，首先，由于新型冠狀病毒肺炎疫情的影響，沒有實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的長(zhǎng)期追蹤，因此目前還不確定訓(xùn)練效果的最佳持續(xù)時(shí)間；其次，SA測(cè)量方法眾多且各有利弊，不同方法可能測(cè)量的側(cè)重點(diǎn)不同，本研究所選方法可能還不夠全面，應(yīng)選取更多的方法進(jìn)行補(bǔ)充；最后，對(duì)于訓(xùn)練效果的評(píng)估同樣也需要多種評(píng)價(jià)指標(biāo)，未來可考慮借助影像學(xué)技術(shù)。

總之，本研究以大學(xué)生為研究對(duì)象、以飛行模擬器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，初步證實(shí)了工作記憶訓(xùn)練可以提升飛行過程中的SA水平。SA與安全密不可分，探索工作記憶訓(xùn)練對(duì)SA水平的提升作用具有重要的實(shí)踐意義，也為未來SA的研究提供了新的思路和研究方向。