工作記憶訓練對飛行情境意識提升的實證研究

周 悅，王超賢，吳 迪，孫科偉，劉士敏，白 雪，苑會羚，朱 妍，陳祥龍，肖 瑋(空軍軍醫(yī)大學軍事醫(yī)學心理學系：航空航天心理學教研室，教學實驗中心，臨床心理學教研室，陜西 西安 700)

情境意識(situation awareness，SA)一直是航空安全領域的研究熱點。大量研究和事故分析表明，在人因失誤導致的重大事故因素中，SA是最重要的因素之一[1]。應用最為廣泛的SA定義由ENDSLEY[2]提出，即“感知特定時間和空間情境下的相關情境元素，理解其意義并進一步預測隨后可能發(fā)生的狀態(tài)?！辈僮髡邆€體的變化如疲勞程度、情緒狀態(tài)、認知能力等因素會直接作用于操作者的SA，影響其操作績效[3-6]。

工作記憶作為認知功能的核心，與SA密切相關。在復雜的操作環(huán)境中，如飛行駕駛，有限的工作記憶會導致飛行員難以及時獲取和整合環(huán)境中不同來源的信息，造成SA的喪失[7]。CAK等[8]也證實了工作記憶和SA之間的正相關與預測關系。工作記憶具有可塑性，進行工作記憶訓練可以提升訓練任務表現(xiàn)[9]，并影響與其相關的其他認知能力，如注意控制、推理能力和流體智力[10-11]。N-back任務是工作記憶的經(jīng)典訓練任務，其中N表示向前返回的刺激個數(shù)，也代表任務的難度水平。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。隨著返回數(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任務是N-back任務的一種變式[12]，包含同時進行的視聽雙通道，且任務間相對獨立，涉及多個執(zhí)行過程，因此被認為能更好地提升受訓者在執(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操作需求。因此，本研究以飛行模擬器為實驗平臺，探討雙維N-back任務訓練用于改善SA的可行性，為未來飛行人員的心理訓練提供新的研究思路。

1 對象與方法

1.1 對象

本研究共招募空軍軍醫(yī)大學大學生38名，隨機分為訓練組和對照組。訓練組20(男16，女4)人，平均年齡(19.65±0.88)歲；對照組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)。受試者的納入標準為：年齡18～22歲，身心健康，右利手，視力或矯正視力正常，無暈車或暈機癥狀，無相關飛行經(jīng)驗或飛行游戲經(jīng)驗，未參加其他相關心理學實驗。本研究經(jīng)空軍軍醫(yī)大學醫(yī)學倫理委員會審核批準(許可證號：KY20213395-1)，所有受試者均自愿參加實驗并簽署了知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 視覺工作記憶檢測任務 該任務通常用于評估記憶容量[16]。首先，屏幕中央注視點上方呈現(xiàn)一個持續(xù)時間為200 ms的箭頭，箭頭隨機朝左或朝右指向，要求受試者始終盯著注視點并用余光記憶箭頭指向。之后在注視點兩側呈現(xiàn)100 ms的記憶刺激，即數(shù)量相同但方向不同的兩種色塊(紅色和藍色)，要求受試者記憶箭頭指向一側的紅色色塊方向。900 ms空屏后，注視點兩側再次呈現(xiàn)紅、藍兩種色塊，受試者需要在2 000 ms內(nèi)判斷箭頭指向一側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個試次。每次呈現(xiàn)的單側紅色色塊數(shù)量分別為2個和4個，即代表記憶負荷2和4，兩種負荷的試次比例為1 ∶1，且隨機呈現(xiàn)。計算Cowan’s K系數(shù)：K=記憶負荷×(擊中率-虛報率)，表示呈現(xiàn)特定數(shù)量的項目數(shù)時個體所能記憶的項目個數(shù)。

1.2.2 SA測量任務 情境意識整體評價技術(situation awareness global assessment technique，SAGAT)最早由ENDSLEY[17]提出：“在模擬飛行過程中凍結任務并詢問一組與實驗情境相關的問題，記錄作答結果和實際參數(shù)，用結果的準確性評估受試者的SA水平。”本實驗依據(jù)飛行任務場景設計了一個由38個問題組成的紙筆測驗，分6批施測，分別反映了感知、理解和預測3個水平上的表現(xiàn)。每個考核科目結束后立即凍結，每次凍結不超過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際參數(shù)，統(tǒng)計正確回答的問題個數(shù)，記為SAGAT得分。

1.2.3 訓練任務 采用自適應雙維N-back任務，與JAEGGI等[11]所用任務類似。首先，同時呈現(xiàn)持續(xù)時間為500 ms的兩種刺激(視覺和聽覺)，其中視覺刺激為藍色方塊，在屏幕中央的九宮格內(nèi)隨機出現(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前刺激(視覺和聽覺)與前第N個刺激(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。受試者進行按鍵反應時，界面實時進行反饋，以使受試者快速熟悉規(guī)則并保持訓練動機。每個block包含(20+N)個試次，視覺刺激和聽覺刺激一致與不一致試次比例均為3 ∶7，且隨機呈現(xiàn)。

本任務采用自適應的方式，任務難度隨著任務表現(xiàn)動態(tài)變化，每個block結束后會對受試者任務表現(xiàn)進行分析，當兩個通道平均準確率>0.85時，N+1，此時屏幕呈現(xiàn)“您的表現(xiàn)很好，接下來任務難度加一，請繼續(xù)加油”；而平均準確率<0.75時，N-1，屏幕呈現(xiàn)“您的表現(xiàn)有所下降，接下來任務難度減一，請繼續(xù)加油”；其他情況下，N保持不變。每次訓練均從1-back開始，任意block間有60 s休息時間。每次訓練約40 min，共20個block(圖1)。

圖1 雙維N-back任務流程圖(N=2)

1.2.4 SA測量平臺的搭建與處理 模擬飛行在JL-8飛行模擬器上進行。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°。教員控制臺可調(diào)控各種功能，如凍結模擬器、設置故障和改變天氣條件。飛行面板中央是一個多功能顯示器，包括地平儀、空速表、高度表、升降速度表，左側有轉(zhuǎn)彎側滑儀、進氣壓力表、轉(zhuǎn)速表、進氣溫度表等，右側有無線電羅盤、陀螺磁羅盤、三用表等。訓練任務使用MATLAB 2018a呈現(xiàn)，視覺工作記憶檢測任務使用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證后，設計了一項持續(xù)時間為30～45 min的飛行任務，共6個考核科目，參數(shù)設置及計分方法均參考《招飛心理選拔模擬飛行檢測手冊》。所有受試者需要在進行航線飛行的同時根據(jù)系統(tǒng)指令完成考核科目，實驗前，飛行專家會對所有受試者進行統(tǒng)一的飛行培訓，包括理論授課、座艙實習和飛行考核。培訓合格后，所有受試者有足夠的時間進行無事件的飛行熱身，確保熟練后開始實驗。在實驗過程中，受試者需要付出較高的腦力活動，不僅要全程關注艙外環(huán)境信息和艙內(nèi)儀表信息，而且要認真聽指令完成科目，同時還要快速應答凍結問題。在飛行結束后，由模擬器后臺自動記錄飛行績效。

1.2.5 實驗流程 所有測試任務均在實驗室內(nèi)完成，為期4周。首先，向受試者介紹整個實驗的內(nèi)容和流程，并簽署知情同意書。實驗第1周，受試者先完成視覺工作記憶檢測任務，然后進行第1次模擬飛行任務。任務期間，采用SAGAT，任務結束后，后臺自動記錄飛行績效。中間2周，訓練組采用雙維N-back任務進行訓練，共12次，每周6次，每次約40 min；對照組采用空白對照。實驗第4周，所有受試者再次完成視覺工作記憶檢測任務和模擬飛行任務，流程同第1次。

2 結果

對兩組受試者訓練前、后測的記憶容量(負荷2條件、負荷4條件)，SAGAT得分和飛行績效進行描述性統(tǒng)計(表1)。

表1 兩組受試者訓練前后的任務表現(xiàn)

2.1 訓練組受試者在雙維N-back任務中的表現(xiàn)逐步提升

圖2 雙維N-back任務中不同訓練次數(shù)的平均N值

2.2 工作記憶訓練可以改善受試者的記憶容量

經(jīng)獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，訓練組和對照組前測的記憶容量無統(tǒng)計學差異[負荷2：t(36)=-0.560，P=0.579；負荷4：t(36)=-0.81，P=0.428]。對兩組記憶容量進行2(前測、后測)×2(訓練組、對照組)重復測量的方差分析顯示，分組主效應不顯著[負荷2：P=0.268；負荷4：P=0.470]；測試時間主效應顯著[負荷2：F(1， 36)=4.63，P=0.038，η2=0.11；負荷4：F(1， 36)=6.31，P=0.017，η2=0.15]；分組與時間的交互作用顯著[負荷2：F(1， 36)=6.15，P=0.018，η2=0.15；負荷4：F(1， 36)=3.26，P=0.024，η2=0.13]。進一步簡單效應分析結果顯示，訓練組后測的記憶容量相比前測顯著提高[負荷2：F(1， 36)=11.32，P=0.002，η2=0.24；負荷4：F(1， 36)=12.50，P=0.001，η2=0.26]，而對照組前、后測無顯著差異[負荷2：P=0.823；負荷4：P=0.914]。以上結果表明工作記憶訓練可以改善視覺工作記憶任務中的記憶容量。

2.3 工作記憶訓練可以提高受試者的SA水平

經(jīng)獨立樣本t檢驗，訓練組和對照組前測的得分無統(tǒng)計學差異[t(36)=0.557，P=0.581]。對兩組SAGAT得分進行2(前測、后測)×2(訓練組、對照組)重復測量的方差分析發(fā)現(xiàn)，分組主效應顯著[F(1， 36)=10.35，P=0.003，η2=0.22]；時間主效應顯著[F(1，36)=31.65，P<0.01，η2=0.47]；分組與時間的交互作用顯著[F(1，36)=25.39，P<0.01，η2=0.41]。進一步簡單效應分析結果顯示，訓練組后測得分相比前測顯著提高[F(1，36)=60.03，P<0.01，η2=0.62]，而對照組前、后測無顯著差異(P=0.668)。以上結果表明工作記憶訓練可以顯著提高受試者的SA水平。

2.4 工作記憶訓練可以提高受試者的飛行績效

經(jīng)獨立樣本t檢驗，訓練組和對照組前測的飛行績效無統(tǒng)計學差異[t(36)=-0.736，P=0.467]。對兩組的飛行績效進行2(前測、后測)×2(訓練組、對照組)重復測量的方差分析結果顯示，分組主效應不顯著(P=0.320)；時間主效應顯著[F(1， 36)=38.40，P<0.01，η2=0.51]；分組與時間的交互作用顯著[F(1， 36)=10.98，P=0.002，η2=0.23]。進一步簡單效應分析發(fā)現(xiàn)，訓練組后測的飛行績效相比前測顯著提高[F(1， 36)=47.75，P<0.01，η2=0.57]，而對照組前、后測無顯著差異(P=0.055)。以上結果表明工作記憶訓練可以改善受試者在模擬飛行時的飛行績效。

3 討論

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

本研究之所以能觀察到工作記憶訓練對SA水平的提升作用可能受到多個因素的影響。首先，ENDSLEY[2]的信息加工理論模型強調(diào)注意和工作記憶是制約個體獲得SA的關鍵影響因素。而雙維N-back任務剛好涉及多重執(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、同時監(jiān)控雙任務過程、抑制無關信息的干擾等。加之大腦具有可塑性[22]，使得工作記憶訓練可以提升個體的SA水平。其次，以往研究認為負載適應和大量訓練(至少8 h或3周)是工作記憶訓練效果能有效遷移至其他任務的重要條件[9,23]。一方面，訓練任務采用難度自適應滿足了負載適應；另一方面，總訓練時長為8 h也達到了訓練標準，均符合上述條件。總之，工作記憶與SA之間相似的基本認知加工過程和工作記憶容量負載的適應性是工作記憶訓練效果可以顯著遷移到SA的兩個重要因素。

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，沒有實現(xiàn)預計的長期追蹤，因此目前還不確定訓練效果的最佳持續(xù)時間；其次，SA測量方法眾多且各有利弊，不同方法可能測量的側重點不同，本研究所選方法可能還不夠全面，應選取更多的方法進行補充；最后，對于訓練效果的評估同樣也需要多種評價指標，未來可考慮借助影像學技術。

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