情緒狀態對學習者虛擬圖形加工認知負荷的影響研究

陳麗君 林偉婷 卓鐸濤

摘 要：本研究考察學習者情緒狀態對沉浸式虛擬圖形加工認知負荷的影響，同時探討情緒狀態與認知任務特征（項目數量和呈現時間）的交互作用效果。結果顯示：（1）學習者在積極情緒狀態下，虛擬圖形識記的主、次任務績效表現更好，投入心理努力更高。（2）情緒狀態與呈現時間的交互作用顯著影響次任務正確率：呈現時間為0.5s時，積極情緒狀態下的次任務正確率高于消極情緒;0.8s時，兩者無顯著差異。（3）情緒狀態與項目數量的交互作用顯著影響心理努力評價，項目數量為5個時，積極情緒狀態下的心理努力評價高于消極情緒;其他數量時，兩者差異不顯著。研究結果表明，在沉浸式虛擬環境中，學習者積極情緒狀態下的客觀認知負荷更低，投入心理努力更多。情緒狀態對虛擬學習的影響受到認知加工任務的調節，當加工材料數量較多、呈現時間較短時，積極情緒狀態的學習優勢更為明顯。

關鍵詞：虛擬圖形加工;情緒狀態;認知負荷;項目數量;呈現時間

中圖分類號：G4文獻標志碼：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研究規劃基金項目“虛擬感知整合認知負荷的多維測評與優化控制研究”（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、認知心理學;林偉婷（1996— ），女，廣東湛江人，碩士研究生，研究方向為職業技術教育學;卓鐸濤（1997— ），男，廣東汕頭人，本科生，研究方向為認知心理學;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、認知心理學。

一、問題的提出

虛擬現實技術使用各種外圍設備與虛擬環境進行交互，使學習者獲得完全沉浸式的學習體驗，被認為是最具教學潛力的應用技術之一。虛擬現實技術在提供更真實和豐富學習體驗的同時，也容易帶來信息呈現形式不當、冗余感知刺激過多等問題，導致認知負荷超載，不利于有效學習。

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

當前認知負荷影響因素研究多考慮任務設置特征和學習者認知特征的作用，較少考慮學習者動機或情感等非認知因素的影響。認知負荷理論認為，學習績效需整合考察認知和非認知因素[2]。情緒、興趣和動機等個體非認知特征影響認知過程的靈活性和學習的投入程度，從而對虛擬學習效果產生影響。情緒是在人和環境相互發生作用下產生的生理激起、表情和內在體驗的過程[3]。根據情緒效價和喚醒程度，情緒狀態可以分為積極與消極狀態。情感體驗可以影響和調節知覺、記憶和思維等認知過程[4]。積極情緒能夠提升個體認知靈活性，降低感知整合的認知負荷[5]。

在情緒狀態與認知負荷研究方面，一方面，情緒常作為結果變量分析，對于學習者情緒如何影響認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方式探索情緒狀態對認知負荷的影響。但刺激材料誘發的情緒容易產生特征效應，激發情緒時情緒特指性不強[6]。此外，虛擬學習環境為學習者提供了更豐富的情緒體驗機會。虛擬現實環境的沉浸性、想象性和交互性特點可能使情緒對虛擬學習的影響具有獨特性，上述情緒特征在虛擬學習中是否適用有待進一步論證。分析情緒狀態在虛擬學習中的作用，可以為教育實踐工作開展提供理論指導。

情緒狀態除了獨立影響認知負荷，還與認知任務因素交互發揮協同作用[7]，因此考察情緒狀態的影響，還需考慮任務特征的交互影響。勒克（Luck）和沃格爾（Vogel）（1997）研究發現，當識記顏色方塊數量為1—3個時，被試幾乎能完全做出正確反應，當數量增加至4個以上時正確率開始下降[8]。在加工時間方面，研究表明學習者對三維客體兩個基本特征進行完整加工需要0.5s左右[9]。那么，刺激數量和加工時間對認知負荷的影響是否會受到學習者情緒狀態的調節呢？考慮到虛擬學習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量（3個、4個、5個）、呈現時間（0.5s、0.8s）和情緒狀態對認知負荷的影響。實驗流程設計借鑒菲利普（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單個項目[10]。整體研究假設為：（1）積極情緒下，學習者在虛擬圖形加工中的認知負荷更低。（2）學習者情緒狀態與任務特征（項目數量和呈現時間）的交互作用對虛擬認知負荷有顯著影響。

二、研究設計

（一） 實驗設計

采用2（情緒狀態：積極、消極）×3（項目數量：3個、4個、5個）×2（呈現時間：0.5s、0.8s）混合實驗設計，其中情緒狀態為組間因素，項目數量和呈現時間為組內因素。因變量是被試完成任務的認知負荷，任務績效法認知負荷評定指標為主任務正確率、主任務反應時、次任務正確率和次任務反應時，主觀測量法認知負荷評定指標為心理努力和任務難度。

（二）實驗對象

234名大學生完成情緒狀態前測問卷。在情緒團體測試得分排名前27%的學生中隨機抽取15名作為積極情緒組（M=1.78±0.54），得分排名后27%的學生中隨機抽取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，兩組被試情緒狀態前后測不存在顯著差異，p>0.05，說明該虛擬學習實驗中被試情緒具有穩定性，排除由于情緒變化而產生結果偏差的可能性。

（三）情緒狀態、項目數量與呈現時間對虛擬認知負荷的綜合影響

情緒狀態與呈現時間的交互作用顯著影響認知負荷。呈現時間為0.5s時積極情緒學習者次任務正確率高于消極情緒，在0.8s時兩種情緒差異不顯著。延長呈現時間可以釋放出更多認知資源，從而降低認知負荷。在較短時間（0.5s），積極情緒容易調動更多認知資源的投入，從而能同時兼顧主任務與次任務的完成。消極情緒學習者會因調節自身情緒占用部分心理資源，短時間內無暇顧及虛擬空間的次任務。當有更充裕的時間（0.8s）時，消極情緒學習者才能夠有充裕認知資源完成情緒調整，利用額外資源處理次任務。當時間從0.5s延長到0.8s時，消極情緒學習者次任務正確率從30%增加至80%，積極情緒學習者次任務正確率從59%增加至89%，次任務產生的認知負荷顯著降低。此外，相關認知負荷受到情緒與項目數量交互作用的影響：當項目數量為5個時，積極情緒狀態下相關認知負荷顯著高于消極情緒;當項目數量為3個和4個時，兩種情緒的相關認知負荷無顯著差異。這說明項目數量調節了情緒對相關認知負荷的影響。

積極情緒狀態在虛擬學習中的優勢，在任務難度更大（如呈現時間更短和項目數量更多時）的學習任務中體現得更加明顯，說明任務難度調節情緒對認知過程的影響。該結果支持了麥基（Mackie）（1989）的認知資源占用說，即由情緒引發的思維活動會占用一定的認知資源[19]。當任務本身需要較多的認知資源時，情緒所占用的額外認知資源會影響個體在當前任務中的表現。消極情緒下，學習者會因為調節情緒而占用部分認知資源[20]。由于被試均是首次接觸虛擬技術，沉浸式的學習環境雖然讓學習者能產生臨場感，但與外界環境的暫時脫離，容易加大消極情緒的負面影響，使學習者減少可用于執行當前任務的認知資源數量，導致任務難度增加時無足夠的認知資源處理學習任務，產生的認知負荷比在積極情緒時更高。因此，在設計和建構虛擬學習環境時，不僅需考察個體情緒狀態的影響，也需考察情緒與認知任務特征的交互影響。

五、虛擬學習空間認知負荷優化控制的啟示

（一）利用情感計算理論與計算機技術輔助虛擬學習情緒干預

未來應針對虛擬教學中的學習者情緒狀態進行按需干預，以此提高學生在虛擬空間的注意力，促使學生在學習高難度知識時加大相關認知負荷，提高學習效果。盡量使學生的情緒處于積極的狀態，特別是在學習任務難度較高的情況下。建議虛擬學習資源設計者可充分利用情感計算理論與計算機技術創建虛擬學習情緒識別與干預系統，如識別系統可結合情感計算理論和生理檢測技術，檢測學習者的脈搏、體溫和皮膚流電等指標來反映學習者情緒變化。當檢測出學習者情緒處于消極狀態時，虛擬學習系統發出提示并啟動干預系統。如利用虛擬技術根據目標情緒的不同，暫時改變沉浸情境，同時虛擬化身可通過指導語或音樂調整學習者情緒狀態。智能的情緒識別能精準感知學習者情緒變化，且高度沉浸性與真實性的虛擬情境既能迅速誘發學習者積極情緒，也能實現不同情緒的快速轉變，同時還能克服以往通過刺激材料誘發情緒所帶來的特征效應和情緒指向性不強問題。

（二）虛擬學習環境設計需結合情緒狀態優化認知任務特征

積極情緒狀態下，學習者在難度更大的任務中投入的心理努力顯著高于消極情緒。在虛擬學習環境設計中，需要進一步結合情緒特征，對認知任務難度進行科學設計。如在虛擬學習環境呈現時間的設計上，要注意過短的時間設計會造成消極情緒認知負荷超載。0.8s是虛擬學習空間設計的一個合理的時間參考節點，它既能保證消極情緒學習者有充足的加工時間，降低認知負荷，也能保證積極情緒學習者認知負荷控制在合理范圍內。同時要注意在單位時間內，虛擬認知加工項目數量盡量控制在3到4個之間。當難以降低任務難度時，則可以考慮情緒識別與干預智能系統調節情緒狀態。總之，情緒干預與項目數量、時間等的設計要綜合考慮學習者情緒狀態和學習任務特征，并進行優化配置，以達到優化認知負荷、提高學習效果的目的。

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（責任編輯 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