陳麗君 林偉婷 卓鐸濤

摘 要：本研究考察學(xué)習(xí)者情緒狀態(tài)對沉浸式虛擬圖形加工認(rèn)知負(fù)荷的影響，同時探討情緒狀態(tài)與認(rèn)知任務(wù)特征（項目數(shù)量和呈現(xiàn)時間）的交互作用效果。結(jié)果顯示：（1）學(xué)習(xí)者在積極情緒狀態(tài)下，虛擬圖形識記的主、次任務(wù)績效表現(xiàn)更好，投入心理努力更高。（2）情緒狀態(tài)與呈現(xiàn)時間的交互作用顯著影響次任務(wù)正確率：呈現(xiàn)時間為0.5s時，積極情緒狀態(tài)下的次任務(wù)正確率高于消極情緒;0.8s時，兩者無顯著差異。（3）情緒狀態(tài)與項目數(shù)量的交互作用顯著影響心理努力評價，項目數(shù)量為5個時，積極情緒狀態(tài)下的心理努力評價高于消極情緒;其他數(shù)量時，兩者差異不顯著。研究結(jié)果表明，在沉浸式虛擬環(huán)境中，學(xué)習(xí)者積極情緒狀態(tài)下的客觀認(rèn)知負(fù)荷更低，投入心理努力更多。情緒狀態(tài)對虛擬學(xué)習(xí)的影響受到認(rèn)知加工任務(wù)的調(diào)節(jié)，當(dāng)加工材料數(shù)量較多、呈現(xiàn)時間較短時，積極情緒狀態(tài)的學(xué)習(xí)優(yōu)勢更為明顯。

關(guān)鍵詞：虛擬圖形加工;情緒狀態(tài);認(rèn)知負(fù)荷;項目數(shù)量;呈現(xiàn)時間

中圖分類號：G4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：2096-0069（2020）05-0038-06

收稿日期：2020-05-22

基金項目：教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃基金項目“虛擬感知整合認(rèn)知負(fù)荷的多維測評與優(yōu)化控制研究”（18YJA880005）

作者簡介：陳麗君（1977— ），女，四川宜賓人，教授，博士，研究方向為教育心理學(xué)、認(rèn)知心理學(xué);林偉婷（1996— ），女，廣東湛江人，碩士研究生，研究方向為職業(yè)技術(shù)教育學(xué);卓鐸濤（1997— ），男，廣東汕頭人，本科生，研究方向為認(rèn)知心理學(xué);張玲燕（1981— ），女，山東濰坊人，副教授，博士，研究方向為教育心理學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)。

一、問題的提出

虛擬現(xiàn)實技術(shù)使用各種外圍設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，使學(xué)習(xí)者獲得完全沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，被認(rèn)為是最具教學(xué)潛力的應(yīng)用技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在提供更真實和豐富學(xué)習(xí)體驗的同時，也容易帶來信息呈現(xiàn)形式不當(dāng)、冗余感知刺激過多等問題，導(dǎo)致認(rèn)知負(fù)荷超載，不利于有效學(xué)習(xí)。

認(rèn)知負(fù)荷指人在進(jìn)行信息加工時所需要的認(rèn)知資源總量。常用認(rèn)知負(fù)荷測量方法有任務(wù)績效法與主觀測量法。雙任務(wù)范式是任務(wù)績效法的典型范式，要求被試同時完成主次兩項任務(wù)，完成任務(wù)的正確率高和反應(yīng)時短反映認(rèn)知負(fù)荷低[1]。主觀測量法是學(xué)習(xí)者根據(jù)完成任務(wù)時的主觀感受，對認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行評價的測量方法，包括對任務(wù)難度的感受和心理努力程度。

當(dāng)前認(rèn)知負(fù)荷影響因素研究多考慮任務(wù)設(shè)置特征和學(xué)習(xí)者認(rèn)知特征的作用，較少考慮學(xué)習(xí)者動機(jī)或情感等非認(rèn)知因素的影響。認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)績效需整合考察認(rèn)知和非認(rèn)知因素[2]。情緒、興趣和動機(jī)等個體非認(rèn)知特征影響認(rèn)知過程的靈活性和學(xué)習(xí)的投入程度，從而對虛擬學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生影響。情緒是在人和環(huán)境相互發(fā)生作用下產(chǎn)生的生理激起、表情和內(nèi)在體驗的過程[3]。根據(jù)情緒效價和喚醒程度，情緒狀態(tài)可以分為積極與消極狀態(tài)。情感體驗可以影響和調(diào)節(jié)知覺、記憶和思維等認(rèn)知過程[4]。積極情緒能夠提升個體認(rèn)知靈活性，降低感知整合的認(rèn)知負(fù)荷[5]。

在情緒狀態(tài)與認(rèn)知負(fù)荷研究方面，一方面，情緒常作為結(jié)果變量分析，對于學(xué)習(xí)者情緒如何影響認(rèn)知加工過程仍缺乏足夠的研究。另一方面，已有研究大多通過情緒誘發(fā)方式探索情緒狀態(tài)對認(rèn)知負(fù)荷的影響。但刺激材料誘發(fā)的情緒容易產(chǎn)生特征效應(yīng)，激發(fā)情緒時情緒特指性不強[6]。此外，虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境為學(xué)習(xí)者提供了更豐富的情緒體驗機(jī)會。虛擬現(xiàn)實環(huán)境的沉浸性、想象性和交互性特點可能使情緒對虛擬學(xué)習(xí)的影響具有獨特性，上述情緒特征在虛擬學(xué)習(xí)中是否適用有待進(jìn)一步論證。分析情緒狀態(tài)在虛擬學(xué)習(xí)中的作用，可以為教育實踐工作開展提供理論指導(dǎo)。

情緒狀態(tài)除了獨立影響認(rèn)知負(fù)荷，還與認(rèn)知任務(wù)因素交互發(fā)揮協(xié)同作用[7]，因此考察情緒狀態(tài)的影響，還需考慮任務(wù)特征的交互影響。勒克（Luck）和沃格爾（Vogel）（1997）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)識記顏色方塊數(shù)量為1—3個時，被試幾乎能完全做出正確反應(yīng)，當(dāng)數(shù)量增加至4個以上時正確率開始下降[8]。在加工時間方面，研究表明學(xué)習(xí)者對三維客體兩個基本特征進(jìn)行完整加工需要0.5s左右[9]。那么，刺激數(shù)量和加工時間對認(rèn)知負(fù)荷的影響是否會受到學(xué)習(xí)者情緒狀態(tài)的調(diào)節(jié)呢？考慮到虛擬學(xué)習(xí)空間信息豐富性所帶來易化加工和干擾加工的可能性，本研究擬同時探測刺激項目數(shù)量（3個、4個、5個）、呈現(xiàn)時間（0.5s、0.8s）和情緒狀態(tài)對認(rèn)知負(fù)荷的影響。實驗流程設(shè)計借鑒菲利普（Phillips）和克里斯蒂（Christie）（1977）提出的視覺工作記憶單探測變化覺察實驗范式，即在檢測階段只出現(xiàn)單個項目[10]。整體研究假設(shè)為：（1）積極情緒下，學(xué)習(xí)者在虛擬圖形加工中的認(rèn)知負(fù)荷更低。（2）學(xué)習(xí)者情緒狀態(tài)與任務(wù)特征（項目數(shù)量和呈現(xiàn)時間）的交互作用對虛擬認(rèn)知負(fù)荷有顯著影響。

二、研究設(shè)計

（一） 實驗設(shè)計

采用2（情緒狀態(tài)：積極、消極）×3（項目數(shù)量：3個、4個、5個）×2（呈現(xiàn)時間：0.5s、0.8s）混合實驗設(shè)計，其中情緒狀態(tài)為組間因素，項目數(shù)量和呈現(xiàn)時間為組內(nèi)因素。因變量是被試完成任務(wù)的認(rèn)知負(fù)荷，任務(wù)績效法認(rèn)知負(fù)荷評定指標(biāo)為主任務(wù)正確率、主任務(wù)反應(yīng)時、次任務(wù)正確率和次任務(wù)反應(yīng)時，主觀測量法認(rèn)知負(fù)荷評定指標(biāo)為心理努力和任務(wù)難度。

（二）實驗對象

234名大學(xué)生完成情緒狀態(tài)前測問卷。在情緒團(tuán)體測試得分排名前27%的學(xué)生中隨機(jī)抽取15名作為積極情緒組（M=1.78±0.54），得分排名后27%的學(xué)生中隨機(jī)抽取15名作為消極情緒組（M=0.80±0.73），獨立樣本t檢驗顯示，積極與消極情緒組均值存在顯著差異，t=4.11，df=28，p<0.0001。參加正式實驗的被試共30人，男生15名，女生15名，平均年齡19.87±1.22。所有被試均為右利手，視力（或矯正視力）正常，顏色視覺正常。此前皆未做過類似實驗。同時，兩組被試情緒狀態(tài)前后測不存在顯著差異，p>0.05，說明該虛擬學(xué)習(xí)實驗中被試情緒具有穩(wěn)定性，排除由于情緒變化而產(chǎn)生結(jié)果偏差的可能性。

（三）情緒狀態(tài)、項目數(shù)量與呈現(xiàn)時間對虛擬認(rèn)知負(fù)荷的綜合影響

情緒狀態(tài)與呈現(xiàn)時間的交互作用顯著影響認(rèn)知負(fù)荷。呈現(xiàn)時間為0.5s時積極情緒學(xué)習(xí)者次任務(wù)正確率高于消極情緒，在0.8s時兩種情緒差異不顯著。延長呈現(xiàn)時間可以釋放出更多認(rèn)知資源，從而降低認(rèn)知負(fù)荷。在較短時間（0.5s），積極情緒容易調(diào)動更多認(rèn)知資源的投入，從而能同時兼顧主任務(wù)與次任務(wù)的完成。消極情緒學(xué)習(xí)者會因調(diào)節(jié)自身情緒占用部分心理資源，短時間內(nèi)無暇顧及虛擬空間的次任務(wù)。當(dāng)有更充裕的時間（0.8s）時，消極情緒學(xué)習(xí)者才能夠有充裕認(rèn)知資源完成情緒調(diào)整，利用額外資源處理次任務(wù)。當(dāng)時間從0.5s延長到0.8s時，消極情緒學(xué)習(xí)者次任務(wù)正確率從30%增加至80%，積極情緒學(xué)習(xí)者次任務(wù)正確率從59%增加至89%，次任務(wù)產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷顯著降低。此外，相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷受到情緒與項目數(shù)量交互作用的影響：當(dāng)項目數(shù)量為5個時，積極情緒狀態(tài)下相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷顯著高于消極情緒;當(dāng)項目數(shù)量為3個和4個時，兩種情緒的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷無顯著差異。這說明項目數(shù)量調(diào)節(jié)了情緒對相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的影響。

積極情緒狀態(tài)在虛擬學(xué)習(xí)中的優(yōu)勢，在任務(wù)難度更大（如呈現(xiàn)時間更短和項目數(shù)量更多時）的學(xué)習(xí)任務(wù)中體現(xiàn)得更加明顯，說明任務(wù)難度調(diào)節(jié)情緒對認(rèn)知過程的影響。該結(jié)果支持了麥基（Mackie）（1989）的認(rèn)知資源占用說，即由情緒引發(fā)的思維活動會占用一定的認(rèn)知資源[19]。當(dāng)任務(wù)本身需要較多的認(rèn)知資源時，情緒所占用的額外認(rèn)知資源會影響個體在當(dāng)前任務(wù)中的表現(xiàn)。消極情緒下，學(xué)習(xí)者會因為調(diào)節(jié)情緒而占用部分認(rèn)知資源[20]。由于被試均是首次接觸虛擬技術(shù)，沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境雖然讓學(xué)習(xí)者能產(chǎn)生臨場感，但與外界環(huán)境的暫時脫離，容易加大消極情緒的負(fù)面影響，使學(xué)習(xí)者減少可用于執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)的認(rèn)知資源數(shù)量，導(dǎo)致任務(wù)難度增加時無足夠的認(rèn)知資源處理學(xué)習(xí)任務(wù)，產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷比在積極情緒時更高。因此，在設(shè)計和建構(gòu)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境時，不僅需考察個體情緒狀態(tài)的影響，也需考察情緒與認(rèn)知任務(wù)特征的交互影響。

五、虛擬學(xué)習(xí)空間認(rèn)知負(fù)荷優(yōu)化控制的啟示

（一）利用情感計算理論與計算機(jī)技術(shù)輔助虛擬學(xué)習(xí)情緒干預(yù)

未來應(yīng)針對虛擬教學(xué)中的學(xué)習(xí)者情緒狀態(tài)進(jìn)行按需干預(yù)，以此提高學(xué)生在虛擬空間的注意力，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)高難度知識時加大相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，提高學(xué)習(xí)效果。盡量使學(xué)生的情緒處于積極的狀態(tài)，特別是在學(xué)習(xí)任務(wù)難度較高的情況下。建議虛擬學(xué)習(xí)資源設(shè)計者可充分利用情感計算理論與計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)情緒識別與干預(yù)系統(tǒng)，如識別系統(tǒng)可結(jié)合情感計算理論和生理檢測技術(shù)，檢測學(xué)習(xí)者的脈搏、體溫和皮膚流電等指標(biāo)來反映學(xué)習(xí)者情緒變化。當(dāng)檢測出學(xué)習(xí)者情緒處于消極狀態(tài)時，虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)發(fā)出提示并啟動干預(yù)系統(tǒng)。如利用虛擬技術(shù)根據(jù)目標(biāo)情緒的不同，暫時改變沉浸情境，同時虛擬化身可通過指導(dǎo)語或音樂調(diào)整學(xué)習(xí)者情緒狀態(tài)。智能的情緒識別能精準(zhǔn)感知學(xué)習(xí)者情緒變化，且高度沉浸性與真實性的虛擬情境既能迅速誘發(fā)學(xué)習(xí)者積極情緒，也能實現(xiàn)不同情緒的快速轉(zhuǎn)變，同時還能克服以往通過刺激材料誘發(fā)情緒所帶來的特征效應(yīng)和情緒指向性不強問題。

（二）虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計需結(jié)合情緒狀態(tài)優(yōu)化認(rèn)知任務(wù)特征

積極情緒狀態(tài)下，學(xué)習(xí)者在難度更大的任務(wù)中投入的心理努力顯著高于消極情緒。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計中，需要進(jìn)一步結(jié)合情緒特征，對認(rèn)知任務(wù)難度進(jìn)行科學(xué)設(shè)計。如在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境呈現(xiàn)時間的設(shè)計上，要注意過短的時間設(shè)計會造成消極情緒認(rèn)知負(fù)荷超載。0.8s是虛擬學(xué)習(xí)空間設(shè)計的一個合理的時間參考節(jié)點，它既能保證消極情緒學(xué)習(xí)者有充足的加工時間，降低認(rèn)知負(fù)荷，也能保證積極情緒學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷控制在合理范圍內(nèi)。同時要注意在單位時間內(nèi)，虛擬認(rèn)知加工項目數(shù)量盡量控制在3到4個之間。當(dāng)難以降低任務(wù)難度時，則可以考慮情緒識別與干預(yù)智能系統(tǒng)調(diào)節(jié)情緒狀態(tài)?？傊?，情緒干預(yù)與項目數(shù)量、時間等的設(shè)計要綜合考慮學(xué)習(xí)者情緒狀態(tài)和學(xué)習(xí)任務(wù)特征，并進(jìn)行優(yōu)化配置，以達(dá)到優(yōu)化認(rèn)知負(fù)荷、提高學(xué)習(xí)效果的目的。

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（責(zé)任編輯 王策）

Abstract： This paper has investigated the influence of learnersemotional state on cognitive load of virtual graphic machining of immersion type，and discussed the interaction effect of emotional state and cognitive task characteristics （number of projects and presentation time）.The results show that：1.Under the positive emotional state，the main and sub-class task performance memorized by virtual graphic is better，and psychological effort will be put much higher.2.The interaction of emotional state and presentation time affects submissions accuracy obviously.When presentation time is 0.5s，submissions accuracy under active emotional state is higher than negative emotion.When presentation time is 0.8s，the both have no significant differences.3.The interaction of emotional state and the number of projects affect the evaluation of psychological effort obviously.When the number of projects is 5，the evaluation of psychological effort under active emotional state is higher than negative emotion.When the number of projects is something else，the both have no significant differences.The research results show that in the immersion virtual environment，the learnersobjective cognitive load under positive emotional state is much lower，and the psychological effort is put much more.The influence of emotional state on virtual learning is regulated by cognitive processing tasks.When the number of processing materials is much more， and the presentation time is rather short， the learning advantages of positive emotional state are more obvious.

Key words： virtual graphic machining; emotional state;cognitive load;number of projects;presentation time