航空環(huán)境中情境意識(shí)的個(gè)體差異和任務(wù)難度差異檢測：眼動(dòng)測量技術(shù)的優(yōu)勢*

劉志方　蘇　衡

(1.寧波大學(xué)心理學(xué)系暨研究所，寧波 315211；2.杭州空軍療養(yǎng)院，杭州 310007)

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航空環(huán)境中情境意識(shí)的個(gè)體差異和任務(wù)難度差異檢測：眼動(dòng)測量技術(shù)的優(yōu)勢*

劉志方**蘇衡2

(1.寧波大學(xué)心理學(xué)系暨研究所，寧波 315211；2.杭州空軍療養(yǎng)院，杭州 310007)

研究包含兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分別探討情境意識(shí)眼動(dòng)測量技術(shù)在檢驗(yàn)個(gè)體差異和任務(wù)難度差異中的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)一采用情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)和整體情境整體評(píng)價(jià)技術(shù)，測驗(yàn)新手、專家組飛行員特技飛行時(shí)的情境意識(shí)差異，實(shí)驗(yàn)二同樣采用上述測驗(yàn)方法檢驗(yàn)專家組飛行員在不同難度特技飛行時(shí)的情境意識(shí)差異，兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)同時(shí)都監(jiān)測被試的眼動(dòng)過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，(1)情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)結(jié)果不能反映個(gè)體差異，能反映任務(wù)難度差異；(2)情境整體評(píng)價(jià)技術(shù)結(jié)果能夠反映個(gè)體差異，不能反映任務(wù)難度差異；(3)經(jīng)驗(yàn)和任務(wù)難度都影響飛行員的視覺取樣策略和編碼信息加工。眼動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果與情境整體評(píng)價(jià)技術(shù)的結(jié)果相互印證，可以確定眼動(dòng)測量技術(shù)可測驗(yàn)情境意識(shí)，且相對(duì)于其他方法，眼動(dòng)測量方法有更為廣泛的差異敏感性。

情境意識(shí)主觀測量客觀測量眼動(dòng)技術(shù)

1　引　言

情境意識(shí)是工程心理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的重要概念(Kaber,Perry,Segall,McClernon,& Prinzel,2006;Salmon et al.,2008)。在高需要、高危險(xiǎn)的工作環(huán)境中，情境意識(shí)對(duì)操作者的決策和操作都有重要影響，而喪失情境意識(shí)將導(dǎo)致嚴(yán)重后果(Borghini,Astolfi,Vecchiato,Mattia,& Babiloni,2014;Endsley,1995a,1995b,2000;Klein,Calderwood,& Clinton-Cirocco,2010)。鑒于其重要性，學(xué)術(shù)界已經(jīng)開發(fā)出多種測量方法?？偟膩碚f，這些測量可以分為三類：主觀測量、客觀測量和認(rèn)知過程測量(Salmon et al.,2009)，它們從不同角度、采用不同手段測量情境意識(shí)，它們各有其優(yōu)勢和不足，因而可能適用于不同情境和目的。有效測量手段必須有較高的區(qū)分度，也即是，它們必須對(duì)情境意識(shí)的差異性敏感；測驗(yàn)也應(yīng)該在最大程度上不改變認(rèn)知過程和操作行為。系統(tǒng)對(duì)比考察各種測量方法的區(qū)分度特點(diǎn)，可以為有效使用它們提供參考。然而，目前此方面的研究尚少。

情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)(situational awareness rating technique)是主觀測量方法中最為典型的代表，該測量技術(shù)要求操作者在完成一項(xiàng)任務(wù)后，對(duì)自己在操作過程中的心理體驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)，其中包括的10個(gè)題目可被歸入注意需求、注意供應(yīng)和情境理解三個(gè)維度(Taylor,1990；Endsley,1995b,Jones,2000)。證據(jù)表明，該測量技術(shù)能夠正向預(yù)測操作績效，可用來評(píng)估系統(tǒng)可用性，但它也常常因主觀性而遭受批評(píng)(Selcon & Taylor,1990)。情境整體評(píng)價(jià)技術(shù)(Situation Global Assessment Technique)則要求操作者迅速回答預(yù)先設(shè)置好的問題，操作者回答偏離實(shí)際情況程度即為情境意識(shí)質(zhì)量(Endsley,1995b)。這種評(píng)估技術(shù)能保證測驗(yàn)結(jié)果的客觀性，但由于其只能在模擬器環(huán)境中實(shí)施，從而限制了其適用范圍；由于不能排除操作者根據(jù)存儲(chǔ)在長時(shí)記憶中圖式、經(jīng)驗(yàn)和心理模型做出回答的可能性，這項(xiàng)測量方法反映不同情境差異時(shí)可能會(huì)受到影響。

主觀測量方法檢驗(yàn)操作者的事后體驗(yàn)，而客觀測量則是直接收集記憶結(jié)果。因而上述兩類測量技術(shù)除了其各自優(yōu)勢外，它們也都有其不可逾越的局限，這歸根于它們都是“結(jié)果取向”的測量。認(rèn)知過程測量方法可以彌補(bǔ)上述方法的局限，但是目前尚無成熟的情境意識(shí)過程的測量技術(shù)。眼動(dòng)技術(shù)是一種非侵入式、實(shí)時(shí)客觀的監(jiān)測手段；鑒于注視變化能反映注意活動(dòng)(Kramer,& McCarley,2003;Rayner,2009;Shinar,2008)，而注意和視覺搜索策略是情境意識(shí)的重要組成成分(Ratwani,McCurry,& Trafton,2010)，因而眼動(dòng)技術(shù)極有潛質(zhì)被發(fā)展成為檢驗(yàn)情境意識(shí)認(rèn)知過程的有效手段(Kramer,& McCarley,2003;Kowler,Anderson,Dosher,& Blaser,1995)。然而，構(gòu)建情境意識(shí)過程的眼動(dòng)測量方法，還需要進(jìn)行大量的研究。其中最重要的工作是要檢驗(yàn)該技術(shù)的區(qū)分度及其使用范圍問題。

從認(rèn)知過程角度，情境意識(shí)可被定義為操作者對(duì)環(huán)境中的元素知覺，對(duì)環(huán)境的整體理解，以及對(duì)未來狀態(tài)的預(yù)測(Endsley 1995a,1995b,2015a,2015b;Salmon et al.,2008)。Wickens則根據(jù)內(nèi)容將情境意識(shí)劃分為：空間意識(shí)(對(duì)“與飛行器位置直接相關(guān)信息”的把握)、系統(tǒng)意識(shí)(對(duì)“飛行器自身狀態(tài)信息”的把握)和任務(wù)意識(shí)(在操作時(shí)，對(duì)“任務(wù)、操作步驟的管理、統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)方面信息”的把握)，這三類情境意識(shí)內(nèi)容都會(huì)遵循上述認(rèn)知過程的三階段假設(shè)(Wickens,2002)。由于注視基本反映注意位置，因而眼動(dòng)數(shù)據(jù)能夠同時(shí)從過程和內(nèi)容兩個(gè)角度追蹤情境意識(shí)狀態(tài)。有人采用眼動(dòng)技術(shù)測量民航飛行員遭遇飛機(jī)側(cè)油箱漏油特情時(shí)的眼動(dòng)模式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，成功覺察特情的飛行員在相關(guān)區(qū)域內(nèi)注視比率明顯大于未成功發(fā)現(xiàn)特情的飛行員(Merwe,Dijk,& Zon,2012)，由此可見，情境意識(shí)的眼動(dòng)測量方法在個(gè)體差異方面具有區(qū)分度。然而，該項(xiàng)技術(shù)是否同樣具有環(huán)境/任務(wù)差異方面的區(qū)分度，則還需要進(jìn)一步的研究。

研究表明，專家和新手在知識(shí)結(jié)構(gòu)上存在本質(zhì)的差別，專家操作者通常采用圖式驅(qū)動(dòng)(schema-driven)推理方式，其知覺模式、操作速度、記憶容量和圖式質(zhì)量等顯著優(yōu)于新手操作者。已激活的圖式直接引導(dǎo)個(gè)體的探索與信息接受能力，情境意識(shí)就是圖式當(dāng)前的具體狀態(tài)，專家能夠更好地利用圖式知識(shí)，而新手操作者常常采用表面的、淺層次的結(jié)構(gòu)關(guān)系，因此前者的情境意識(shí)明顯高于后者(Federico,1995)?；谶@種考慮，實(shí)驗(yàn)一采用“專家-新手”范式檢驗(yàn)不同情境意識(shí)測量技術(shù)的個(gè)體差異的敏感性，以明確眼動(dòng)測量技術(shù)的優(yōu)勢。與此同時(shí)，復(fù)雜系統(tǒng)操作中的情境意識(shí)過程中不可避免地涉及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)加工，因此操作環(huán)境特點(diǎn)(比如，任務(wù)難度)也是影響情境意識(shí)的重要因素(Endsley,1995a,2000)，基于此考慮實(shí)驗(yàn)二檢驗(yàn)不同測量技術(shù)對(duì)專家飛行員情境意識(shí)的任務(wù)難度差異敏感性，以再次明確眼動(dòng)測量技術(shù)的優(yōu)勢。

特技飛行是殲擊機(jī)成功躲避雷達(dá)、導(dǎo)彈，并擊落敵機(jī)的必要手段。這項(xiàng)技能的高低直接反映飛行員的能力，因而考察不同經(jīng)驗(yàn)飛行員在特技飛行中的情境意識(shí)差異，可檢驗(yàn)其測量方法對(duì)個(gè)體差異的敏感性。而檢驗(yàn)不同難度特技飛行任務(wù)中的情境意識(shí)差異，可檢驗(yàn)其測量技術(shù)方法對(duì)任務(wù)差異的敏感性。因而以殲擊機(jī)特技飛行任務(wù)為例，可以檢驗(yàn)情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)、整體情境評(píng)估技術(shù)和眼動(dòng)測量技術(shù)對(duì)個(gè)體差異和任務(wù)難度差異的敏感性特點(diǎn)。情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)和整體情境評(píng)估技術(shù)都是較為成熟的測量方法。然而，作為認(rèn)知過程的測量方法，眼動(dòng)測量技術(shù)對(duì)差異的敏感性特點(diǎn)，及其適用范圍，目前尚無相關(guān)研究?；谏鲜龇治觯狙芯繀⒖记榫骋庾R(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)和整體情境評(píng)估技術(shù)的特點(diǎn)，探討情境意識(shí)眼動(dòng)測量技術(shù)的優(yōu)勢特性。

2　實(shí)驗(yàn)一：經(jīng)驗(yàn)水平對(duì)殲擊機(jī)

特技飛行情境意識(shí)的影響

目的：在特技飛行任務(wù)中，檢驗(yàn)情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)、整體情境評(píng)估技術(shù)和眼動(dòng)測量技術(shù)對(duì)個(gè)體差異的敏感性及其特點(diǎn)。

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)一為單因素被試間設(shè)計(jì)，兩組不同經(jīng)驗(yàn)水平的被試(飛行員和空軍地勤戰(zhàn)士)參與實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求他們做簡單特技飛行任務(wù)(大坡度盤旋飛行)?？哲姷厍趹?zhàn)士為某空軍基地模擬器維護(hù)人員，所有戰(zhàn)士均能熟練駕駛模擬器做簡單特技飛行任務(wù)。

2.2被試

某空軍部隊(duì)基地的15名專業(yè)飛行員作為專家組被試(其飛行時(shí)間均超過3000小時(shí)，以下簡稱“專家”)參加實(shí)驗(yàn)。為了保障專家組與新手組被試存在穩(wěn)定差異，選擇該空軍基地6名男性地勤戰(zhàn)士作為新手組被試(以下簡稱“新手”)，這些地勤戰(zhàn)士主要從事維護(hù)、調(diào)試等技術(shù)工作，以保障模擬器的正常運(yùn)行，他們均能夠熟練駕駛模擬器戰(zhàn)機(jī)。由于從事該項(xiàng)工作的地勤戰(zhàn)士較少，且出于保密原則，不可能選擇和培養(yǎng)其他新手組被試，因此新手組被試只有6人。新手和專家組被試的視力或矯正視力正常，之前均未參加過類似的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可獲得一件特定的禮物。

2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中使用的模擬器由某軍事科研單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)，該模擬器能夠模擬相應(yīng)的操作設(shè)備。眼動(dòng)儀采用德國SMI公司生產(chǎn)的頭盔式眼動(dòng)儀(HED型眼動(dòng)儀)；該眼動(dòng)儀的采樣率為200Hz；跟蹤空間分辨率為0.1°；凝視位置精度0.5°～1°；設(shè)備可跟蹤范圍為水平±30°，垂直±25°。

2.4實(shí)驗(yàn)過程

每個(gè)被試單獨(dú)施測。被試進(jìn)入模擬器座艙坐好后，主試口頭講述實(shí)驗(yàn)任務(wù)指導(dǎo)語，實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)部分。第一部分要求被試自主操作模擬器飛行，主試不給予任何意見，這個(gè)部分的主要目的是要求被試熟練實(shí)驗(yàn)任務(wù)。第二部分中，主試要求被試將飛機(jī)飛行至3000～5000米高空，然后做一個(gè)簡單特技飛行動(dòng)作，其間主試隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間點(diǎn)凍結(jié)模擬器(飛行模擬器處于靜止?fàn)顟B(tài))，此時(shí)被試按照要求轉(zhuǎn)頭不能關(guān)注飛行儀表上呈現(xiàn)的任何信息，回憶回答凍結(jié)時(shí)的飛行參數(shù)，主試手動(dòng)記錄被試的回答和模擬器上的實(shí)際參數(shù)。模擬器解凍后返回機(jī)場降落，第二部分結(jié)束。第三部分要求被試再次執(zhí)行第二部分的任務(wù)，此時(shí)主試將不再凍結(jié)飛行狀態(tài)，直到被試駕駛飛機(jī)返回機(jī)場著陸實(shí)驗(yàn)結(jié)束，在此期間追蹤被試眼動(dòng)數(shù)據(jù)。第四部分要求被試填寫回答情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)問卷。

2.5結(jié)果

全部數(shù)據(jù)用SPSS13.0進(jìn)行分析；采用重復(fù)測量方差時(shí)，若數(shù)據(jù)不符合球型假設(shè)，采用校正法“Greenhouse-Geisser”選取F值的自由度和相關(guān)p值。本次實(shí)驗(yàn)有三類因變量指標(biāo)：(1)情境意識(shí)得分中包括三個(gè)子維度的得分，考慮到學(xué)術(shù)界對(duì)于如何計(jì)算情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)的總分，尚未取得一致看法(Endsley,2000)，故本研究未提供其總分結(jié)果；(2)估計(jì)誤差數(shù)據(jù)(要求估計(jì)的10項(xiàng)飛行參數(shù)與當(dāng)時(shí)實(shí)際飛行參數(shù)之差的絕對(duì)值)；(3)眼動(dòng)數(shù)據(jù)，興趣區(qū)內(nèi)注視平均持續(xù)時(shí)間(興趣區(qū)域內(nèi)每個(gè)注視持續(xù)時(shí)間的均值)、興趣區(qū)內(nèi)總注視時(shí)間(興趣區(qū)域內(nèi)注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間次數(shù)之和)、興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽持續(xù)時(shí)間(每次進(jìn)入興趣區(qū)域內(nèi)凝視時(shí)間的均值)、注視比率(興趣內(nèi)的總注視時(shí)間與整個(gè)任務(wù)的持續(xù)時(shí)間的比值)。詳細(xì)情況見后面的描述。

2.5.1主觀的情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)測量結(jié)果

對(duì)不同組別受試在情境意識(shí)自評(píng)技術(shù)得分進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新手組和專家組之間在情境意識(shí)各分維度得分都沒有顯著差異(Fs<0.25,ps>0.6)，各組被試得分的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見下表1。

2.5.2客觀的情境整體評(píng)價(jià)技術(shù)測量結(jié)果

由于新手組成員能夠估計(jì)出各項(xiàng)參數(shù)的概率較低(能夠估計(jì)該參數(shù)的人數(shù)與該組總?cè)藬?shù)間比值)，而專家組成員能在較大比例上(90%以上)估計(jì)每項(xiàng)參數(shù)，因此將兩組被試能夠估計(jì)的各項(xiàng)飛行參數(shù)的比例作為客觀測量的因變量指標(biāo)，由下圖1可見，新手組的估計(jì)百分比明顯低于專家組飛行員。

表1　新手和專家飛行員在簡單特技飛行中情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)上得分的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

注：括號(hào)內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)差，下同。

卡方檢驗(yàn)顯示：對(duì)于速度，兩個(gè)組別被試的估計(jì)率都達(dá)到100%，兩組間差異不顯著；升降率估計(jì)的組別差異顯著χ2=9.775,p<0.01；俯仰角估計(jì)的組別差異顯著χ2=9.775,p<0.01；坡度估計(jì)的組別差異顯著χ2=9.775,p<0.01；坡度估計(jì)的組別差異顯著χ2=3.583,p<0.01；航向估計(jì)的組別差異邊緣顯著χ2=2.962,p=0.085；高度估計(jì)的組別差異不顯著，χ2=0.369,p=0.544；左發(fā)動(dòng)機(jī)溫度(圖1中簡稱“左發(fā)溫度”)組別差異顯著χ2=9.631,p<0.01；右發(fā)動(dòng)機(jī)溫度(圖1中簡稱“右發(fā)溫度”)估計(jì)的組別差異顯著χ2=9.631,p<0.01；左發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(圖1中簡稱“左發(fā)轉(zhuǎn)速”)估計(jì)的組別差異邊緣顯著χ2=2.946,p=0.086；右發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(圖1中簡稱“右發(fā)轉(zhuǎn)速”)估計(jì)的組別差異邊緣顯著χ2=2.946,p=0.086。

由上述分析可知，新手組被試對(duì)所有關(guān)乎系統(tǒng)意識(shí)方面的參數(shù)(各項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù))估計(jì)的比例都顯著小于專家組；新手組除了在兩項(xiàng)空間意識(shí)參數(shù)(高度和速度)上的估計(jì)與專家組沒有差異外，其他各項(xiàng)空間意識(shí)方面的參數(shù)估計(jì)比例都顯著小于專家組被試。

圖1簡單飛行任務(wù)中各組被試參數(shù)估計(jì)比例

2.5.3認(rèn)知過程的眼動(dòng)測量結(jié)果

飛行員可采用兩類視覺取樣策略獲取情境信息：自然信息(natural information)取樣策略和編碼信息(code information)取樣策略。前者是指，從艙外變化的環(huán)境中獲取情境信息，比如，通過地平線、艙外氣象變化，知覺當(dāng)前的飛行高度和速度；后者是指通過閱讀艙內(nèi)儀表獲取情境信息(Prinzel III et al.,2004)?；谶@個(gè)分析，眼動(dòng)數(shù)據(jù)首先處理分析基于機(jī)艙內(nèi)和機(jī)艙外兩個(gè)興趣區(qū)域內(nèi)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)能夠粗略地反映不同組別被試在視覺取樣策略中的差異。鑒于自然信息取樣策略只能獲得粗略有限信息，完美飛行必須依賴編碼信息取樣策略，我們隨后深入分析艙內(nèi)各個(gè)儀表興趣區(qū)域內(nèi)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.5.3.1基于艙內(nèi)、艙外興趣區(qū)數(shù)據(jù)分析

被試可通過艙內(nèi)儀表或者艙外環(huán)境變化獲取情境意識(shí)。研究首先統(tǒng)計(jì)基于艙外和艙內(nèi)兩個(gè)興趣區(qū)域內(nèi)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，其中各項(xiàng)眼動(dòng)指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表2(由于“艙內(nèi)-艙外”興趣區(qū)劃分中整個(gè)視野被劃分成兩個(gè)區(qū)域，因而這部分眼動(dòng)數(shù)據(jù)中未包含注視比率指標(biāo))。

表2　不同組別被試在簡單特技飛行任務(wù)中艙內(nèi)、艙外興趣區(qū)域內(nèi)眼動(dòng)指標(biāo)

對(duì)上述變量進(jìn)行2(組別：專家組、新手組)×2(興趣區(qū)：艙外興趣區(qū)、艙內(nèi)興趣區(qū))方差分析，結(jié)果如下：對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)平均注視時(shí)間，艙內(nèi)高于艙外達(dá)到邊緣顯著水平F(1,19)=6.187,p<0.05,η2=0.34；組別主效應(yīng)不顯著F(1,19)=0.597,p=0.449；興趣區(qū)和組別的交互作用不顯著F(1,19)=0.179,p=0.677。對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)總注視時(shí)間，艙內(nèi)顯著高于艙外F(1,19)=7.599,p<0.05,η2=0.286；組別主效應(yīng)不顯著F(1,19)=0.740,p=0.4；興趣區(qū)和組別的交互作用不顯著F(1,19)=2.766,p=0.113。對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽時(shí)間，艙內(nèi)顯著高于艙外F(1,19)=9.532，p<0.001,η2=0.334；組別主效應(yīng)不顯著F(1,19)=1.714,p=0.206；興趣區(qū)和組別的交互作用不顯著F(1,19)=2.242,p=0.151。

由上述眼動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在簡單特技飛行任務(wù)中只有被試對(duì)艙內(nèi)信息的關(guān)注程度明顯高于對(duì)艙外的信息的關(guān)注程度，其中沒有發(fā)現(xiàn)組別差異，也沒有發(fā)現(xiàn)組別和興趣區(qū)域的交互作用。不過在總注視時(shí)間指標(biāo)上不同組別被試間依然存在差異：艙外興趣區(qū)內(nèi)地勤人員總注視時(shí)間明顯多于飛行人員(p<0.05)，艙內(nèi)的總注視時(shí)間則是飛行人員明顯高于地勤人員(p<0.05)。這個(gè)結(jié)果提示，相對(duì)于專業(yè)飛行員，經(jīng)驗(yàn)欠佳的新手組被試更加傾向于從艙外變化的環(huán)境中獲取信息。為澄清兩組被試處理信息過程的特點(diǎn)與差異，進(jìn)一步分析艙內(nèi)儀表興趣區(qū)域上的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.5.3.2基于不同儀表的興趣區(qū)數(shù)據(jù)分析

殲擊機(jī)飛行員主要通過升降率表、地平儀、發(fā)動(dòng)機(jī)、高度表、航向表、平視儀表區(qū)和速度表獲取飛行中的情境信息，這些儀表作為興趣區(qū)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表3。

表3　新手、專家組飛行員在簡單特技飛行中艙內(nèi)各儀表區(qū)域的眼動(dòng)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)差

對(duì)上述變量進(jìn)行2(組別：專家組、新手組)×7(興趣區(qū)：升降率表、地平儀、發(fā)動(dòng)機(jī)、高度表、航向表、平視儀表區(qū)和速度表)方差分析后發(fā)現(xiàn)：

對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)平均注視時(shí)間，興趣區(qū)主效應(yīng)顯著F(3.036,57.485)=6.262,p<0.001,η2=0.248；組別主效應(yīng)不顯著F(1,19)=0.596,p=0.49；興趣區(qū)和組別的交互作用主效應(yīng)顯著F(3.036,57.485)=4.37,p<0.05,η2=0.187，簡單效應(yīng)分析表明；專家組被試在發(fā)動(dòng)機(jī)、高度表和航向表區(qū)域上的注視的平均持續(xù)時(shí)間顯著多于新手組(ps<0.05)，在其他儀表上平均注視時(shí)間差異不顯著(ps>0.05)。

對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)總注視時(shí)間，興趣區(qū)主效應(yīng)顯著F(1.929,36.656)=4.843,p<0.01,η2=0.203，主要表現(xiàn)在地平儀上總注視時(shí)間顯著大于升降率表、地平儀、發(fā)動(dòng)機(jī)、高度表、平視儀表區(qū)和速度表上總注視時(shí)間(ps<0.05)，升降率表上總注視時(shí)間顯著少于平視儀表區(qū)域的總注視時(shí)間(p<0.05)，發(fā)動(dòng)機(jī)上總注視時(shí)間顯著少于平視儀表區(qū)和速度表上總注視時(shí)間(ps<0.05)；組別主效應(yīng)不顯著F(1,19)=1.493,p=0.237；興趣區(qū)和組別交互作用邊緣顯著F(1.929,36.656)=3.405,p=0.062,η2=0.138。簡單效應(yīng)分析表明：專家組飛行員在平視儀表區(qū)域上的總注視時(shí)間顯著少于新手(p<0.05)，在其他儀表上平均注視時(shí)間差異不顯著(ps>0.05)。

對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽時(shí)間，興趣區(qū)主效應(yīng)顯著F(3.401,64.621)=4.694,p<0.001,η2=0.198，主要表現(xiàn)在升降率上的平均瀏覽時(shí)間顯著低于地平儀和平視儀表上的平均瀏覽時(shí)間(ps<0.05)，地平儀上平均瀏覽時(shí)間顯著多于發(fā)動(dòng)機(jī)和高度表(ps<0.05)，發(fā)動(dòng)機(jī)上平均瀏覽時(shí)間顯著低于其他儀表(ps<0.05)；組別主效應(yīng)不顯著F(1,19)=0.014,p=0.917；興趣區(qū)和組別交互作用顯著F(3.401,64.621)=7.903,p<0.001,η2=0.294，專家組飛行員在發(fā)動(dòng)機(jī)航向表上的平均瀏覽時(shí)間顯著多于新手組(ps<0.05)，在平視儀表上的平均瀏覽時(shí)間卻顯著少于新手組(p<0.05)。

對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)注視比率，興趣區(qū)主效應(yīng)顯著F(2.133,40.536)=7.504,p<0.001,η2=0.283，主要表現(xiàn)在升降率的注視比率顯著低于地平儀、平視儀表和速度表(ps<0.05)，在地平儀上注視比率顯著高于其他儀表，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上的注視比率顯著低于高度表、航向表、平視儀表區(qū)和速度表；組別主效應(yīng)不顯著F(1,19)=1.393,p=0.252；興趣區(qū)和組別的交互作用顯著F(2.133,40.536)=3.555,p<0.01,η2=0.158，專家組飛行員在發(fā)動(dòng)機(jī)和航向表區(qū)域上的注視比率顯著多于新手組(ps<0.05)，在平視儀表上的注視比率顯著少于新手組(p<0.05)。

2.6討論

實(shí)驗(yàn)一通過三種測量技術(shù)探討殲擊機(jī)簡單特技飛行中情境意識(shí)的組間差異。情境意識(shí)自測技術(shù)中沒有發(fā)現(xiàn)顯著的組間差異，說明該測量技術(shù)在區(qū)分個(gè)體之間差異上并不敏感，這應(yīng)歸根于經(jīng)驗(yàn)水平欠佳的飛行員并不能準(zhǔn)確評(píng)估其對(duì)情境的把握程度(Endsley,1995)。整體情境評(píng)估技術(shù)的評(píng)估結(jié)果顯示，參數(shù)估計(jì)比例除在速度、高度指標(biāo)上沒有發(fā)現(xiàn)組別差異外，其他指標(biāo)上均發(fā)現(xiàn)組別效應(yīng)。速度和高度反映戰(zhàn)機(jī)的空間意識(shí)，反映戰(zhàn)機(jī)的系統(tǒng)意識(shí)的所有參數(shù)估計(jì)都發(fā)現(xiàn)組間差異，這項(xiàng)結(jié)果意味著系統(tǒng)意識(shí)較之空間意識(shí)更難掌握。這種對(duì)情境意識(shí)內(nèi)容把握的全面性的組間差異可能與兩組被試在視覺取樣方面的差異有關(guān)。

研究檢驗(yàn)了兩組被試在視覺取樣策略方面的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，專業(yè)飛行員傾向于從艙內(nèi)儀表上獲取編碼性質(zhì)的情境信息，而新手被試則更加傾向于從艙外環(huán)境獲取自然信息。戰(zhàn)機(jī)的高度、速度信息可以直接通過環(huán)境變化獲取，而與戰(zhàn)機(jī)自身狀態(tài)相關(guān)的系統(tǒng)信息則只能通過儀表獲得，因而兩組被試獲取情境信息的完備性有所差別。檢驗(yàn)兩組被試處理編碼信息過程的特點(diǎn)與差異的分析顯示：平均注視時(shí)間、平均瀏覽時(shí)間和注視比率指標(biāo)提示，經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)信息處理得更加細(xì)致；平均瀏覽時(shí)間和注視比率指標(biāo)顯示，經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員較之前者更少依賴平視儀表提供的信息；平均注視時(shí)間、平均瀏覽時(shí)間的注視比率指標(biāo)顯示，經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員較之前者也能夠更加精細(xì)地處理航向信息。

對(duì)比眼動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果和整體情境意識(shí)測量結(jié)果，可以檢驗(yàn)眼動(dòng)技術(shù)測量情境意識(shí)過程的有效性。發(fā)動(dòng)機(jī)興趣區(qū)域內(nèi)提供發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，它們是系統(tǒng)意識(shí)的組成成分，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新手很少注視發(fā)動(dòng)機(jī)興趣區(qū)域，這與他們在情境整體評(píng)價(jià)技術(shù)測量中不能有效估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的操作表現(xiàn)直接相關(guān)。航向信息是空間意識(shí)的重要組成成分，眼動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，新手很少關(guān)注航向儀表，這與他們在情境整體評(píng)價(jià)技術(shù)測量中不能有效估計(jì)航向參數(shù)的操作表現(xiàn)直接相關(guān)。相對(duì)于其他儀表，平視儀表可讀性較高，除不能顯示發(fā)動(dòng)機(jī)信息外，它能同時(shí)提供航向、速度、高度、俯仰角度、坡度和升降率信息(這些均為空間意識(shí)的組成成分)；但相對(duì)于主要提供這些信息的其他儀表而言，平視儀表提供的信息較為粗略。眼動(dòng)數(shù)據(jù)顯示，相對(duì)于專家，新手偏重于參考平視儀表獲得編碼信息，不過參照情境整體評(píng)價(jià)技術(shù)的測驗(yàn)結(jié)果可知，新手主要參照平視儀表有意識(shí)地獲取高度和速度信息。由此可見，眼動(dòng)測驗(yàn)結(jié)果能夠有效反映知覺層面上情境意識(shí)內(nèi)容。

3　實(shí)驗(yàn)二：任務(wù)難度對(duì)殲擊機(jī)

特技飛行情境意識(shí)的影響

實(shí)驗(yàn)一顯示，情境意識(shí)自測技術(shù)在反映個(gè)體間差異上不敏感，整體情境評(píng)估技術(shù)則從信息加工結(jié)果角度反映組間差異，眼動(dòng)數(shù)據(jù)則能夠進(jìn)一步揭示情境意識(shí)過程的組間差異。為進(jìn)一步檢驗(yàn)上述各項(xiàng)測量技術(shù)在區(qū)分任務(wù)難度上的敏感性，組織實(shí)驗(yàn)二。實(shí)驗(yàn)二通過檢驗(yàn)專家組飛行員在高難度與低難度特技飛行任務(wù)中的情境意識(shí)差異，實(shí)現(xiàn)上述目的。

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)二為單因素被試內(nèi)設(shè)計(jì)，要求被試完成兩項(xiàng)難度不同的特技飛行任務(wù)：簡單特技飛行任務(wù)(大坡度盤旋飛行)和復(fù)雜特技飛行任務(wù)(“8”字形軌跡飛行)。

3.2被試

參與實(shí)驗(yàn)一的專家組飛行員也參與實(shí)驗(yàn)二，其中有兩名飛行員中途執(zhí)行任務(wù)，在完成簡單特技飛行任務(wù)后退出實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)二中有13名飛行員同時(shí)參與兩項(xiàng)難度不同的特技飛行任務(wù)。

3.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)一完全相同。實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)一大致相同。

3.4結(jié)果

實(shí)驗(yàn)二的因變量指標(biāo)和數(shù)據(jù)處理方法都與實(shí)驗(yàn)一相同。

3.4.1主觀的情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)測驗(yàn)結(jié)果

不同難度任務(wù)中飛行員在情境意識(shí)量表的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見下表4。對(duì)其進(jìn)行重復(fù)測量F檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：注意需求維度上得分，簡單特技與復(fù)雜特技飛行差異不顯著F(1,12)=0.037,p=0.851。注意供應(yīng)維度上得分，復(fù)雜特技顯著高于簡單特技飛行F(1,12)=8.006,p<0.05,η2=0.406。環(huán)境理解維度上得分，復(fù)雜特技飛行高于簡單特技飛行顯著F(1,12)=5.533,p<0.05,η2=0.308。

表4　專家組飛行員在簡單、復(fù)雜特技飛行中情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)得分的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

3.4.2客觀的情境整體評(píng)價(jià)技術(shù)測驗(yàn)結(jié)果

飛行員幾乎能夠估計(jì)所有的參數(shù)，因此以估計(jì)偏差(估計(jì)值相對(duì)于實(shí)際參數(shù)值的偏離程度)作為整體情境評(píng)估技術(shù)的評(píng)估結(jié)果，表5呈現(xiàn)飛行員被試在簡單、復(fù)雜特技中估計(jì)偏差的均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)估計(jì)偏差發(fā)現(xiàn)，所有估計(jì)偏差的任務(wù)難度差異不顯著(ps<0.05)。

3.4.3認(rèn)知過程的眼動(dòng)測量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)二的眼動(dòng)數(shù)據(jù)處理，同樣首先處理分析基于機(jī)艙內(nèi)和機(jī)艙外兩個(gè)興趣區(qū)域內(nèi)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，通過這個(gè)數(shù)據(jù)粗略反映任務(wù)難度對(duì)專家飛行員視覺取樣策略的影響。隨后深入分析艙內(nèi)各個(gè)儀表興趣區(qū)域內(nèi)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，細(xì)化上述影響。

表5　專家組飛行員被試在簡單、復(fù)雜特技中估計(jì)偏差的均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差

3.4.3.1基于艙內(nèi)、艙外興趣區(qū)數(shù)據(jù)分析

基于艙外、艙內(nèi)興趣劃分的眼動(dòng)指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表6。

表6　專家組飛行員被試在簡單、復(fù)雜特技飛行任務(wù)中艙內(nèi)、艙外興趣區(qū)域內(nèi)眼動(dòng)指標(biāo)

對(duì)上述變量進(jìn)行2(任務(wù)難度：簡單特技飛行、復(fù)雜特技飛行)×2(興趣區(qū)：艙外、艙內(nèi))方差分析后發(fā)現(xiàn)：對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)平均注視時(shí)間，艙內(nèi)顯著高于艙外F(1,12)=8.558,p<0.05,η2=0.379；任務(wù)類型主效應(yīng)不顯著F(1,12)=1.265,p=0.283；任務(wù)難度和興趣區(qū)交互作用不顯著F(1,12)=0.504,p=0.49。對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)總注視時(shí)間，艙內(nèi)顯著高于艙外F(1,12)=8.639,p<0.05,η2=0.419；復(fù)雜特技飛行多于簡單特技飛行任務(wù)邊緣顯著F(1,12)=3.418,p=0.089,η2=0.222；任務(wù)難度和興趣區(qū)交互作用不顯著F(1,12)=0.471,p=0.505。對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽時(shí)間，艙內(nèi)顯著多于艙外F(1,12)=13.668,p<0.001,η2=0.532；復(fù)雜特技飛行少于簡單特技飛行任務(wù)邊緣顯著F(1,12)=3.436,p=0.089,η2=0.223；任務(wù)難度和興趣區(qū)交互作用邊緣顯著F(1,12)=3.947,p=0.07,η2=0.247，簡單特技飛行時(shí)對(duì)艙內(nèi)、外平均瀏覽時(shí)間的差異程度甚于復(fù)雜特技飛行任務(wù)。

實(shí)驗(yàn)一發(fā)現(xiàn)專家飛行員主要采用重點(diǎn)關(guān)注艙內(nèi)信息的視覺取樣策略。實(shí)驗(yàn)二并沒有在總的注視時(shí)間指標(biāo)上發(fā)現(xiàn)任務(wù)難度與興趣區(qū)間交互作用，但兩個(gè)變量間交互作用在平均瀏覽時(shí)間指標(biāo)上達(dá)到邊緣顯著水平。平均瀏覽時(shí)間反映注意轉(zhuǎn)換和視覺取樣轉(zhuǎn)換的速度問題，因而這個(gè)結(jié)果說明，對(duì)于同批被試而言，任務(wù)難度也影響視覺取樣策略問題。同樣，為細(xì)化上述影響繼續(xù)分析艙內(nèi)儀表興趣區(qū)域內(nèi)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。

3.4.3.2基于不同儀表的興趣區(qū)數(shù)據(jù)分析

復(fù)雜特技飛行任務(wù)中，艙內(nèi)各儀表興趣區(qū)內(nèi)眼動(dòng)數(shù)據(jù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表7。

對(duì)上述變量進(jìn)行2(任務(wù)難度：簡單特技飛行、復(fù)雜特技飛行)×7(興趣區(qū)：升降率表、地平儀、發(fā)動(dòng)機(jī)、高度表、航向表、平視儀表和速度表)方差分析發(fā)現(xiàn)：

對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)平均注視時(shí)間，簡單特技飛行低于復(fù)雜特技飛行邊緣顯著F(1,12)=4.023,p=0.068,η2=0.273；興趣區(qū)域主效應(yīng)顯著F(3.013,36.161)=4.511,p<0.05,η2=0.251，地平儀上顯著大于升降率表、發(fā)動(dòng)機(jī)表、高度表和速度表，發(fā)動(dòng)機(jī)少于航向表(ps<0.05)；任務(wù)類型和興趣區(qū)間交互作用顯著F(3.013,36.161)=3.129,p<0.05,η2=0.207，簡單效應(yīng)分析顯示，復(fù)雜特技飛行導(dǎo)致升降率表、地平儀表和平視儀上平均注視時(shí)間變多(ps<0.05)，但卻導(dǎo)致航向表上平均注視時(shí)間變少(p<0.05)。

表7　專家組飛行員在簡單、復(fù)雜特技飛行任務(wù)中艙內(nèi)各表區(qū)域的眼動(dòng)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)差

對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)總注視時(shí)間，任務(wù)類型主效應(yīng)不顯著F(1,12)=0.177,p=0.738；興趣區(qū)主效應(yīng)顯著F(2.335,28.018)=11.476,p<0.001,η2=0.489，事后檢驗(yàn)顯示，升降率表顯著少于高度表和航向表(ps<0.05)，地平儀顯著大于升降率表、發(fā)動(dòng)機(jī)表、高度表和速度表，發(fā)動(dòng)機(jī)顯著少于高度表和航向表(ps<0.05)；任務(wù)類型和興趣區(qū)域的交互作用邊緣顯著F(1.956,23.468)=2.74,p=0.086,η2=0.186，簡單效應(yīng)分析顯示，復(fù)雜特技飛行導(dǎo)致航向表上總注視時(shí)間減少(p<0.05)，其他儀表上總注視時(shí)間則不受任務(wù)難度影響(ps>0.05)。

對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽持續(xù)時(shí)間，簡單特技飛行低于復(fù)雜特技飛行達(dá)到邊緣顯著水平F(1,12)=4.093,p=0.066,η2=0.254；興趣區(qū)主效應(yīng)顯著F(2.771,33.247)=4.883,p<0.001,η2=0.287，事后檢驗(yàn)顯示，地平儀顯著大于升降率表、發(fā)動(dòng)機(jī)表、高度表、平視儀表和速度表(ps<0.05)，發(fā)動(dòng)機(jī)表顯著少于航向表(p<0.05)；任務(wù)類型和興趣區(qū)域的交互作用不顯著F(2.67,32.034)=1.28,p=0.277。

對(duì)于興趣區(qū)內(nèi)注視比率，任務(wù)類型主效應(yīng)不顯著F(1,12)=0.285,p=0.603；興趣區(qū)域主效應(yīng)顯著F(1.843,22.111)=13.953,p<0.001,η2=0.538，事后檢驗(yàn)顯示地平儀顯著大于升降率表、發(fā)動(dòng)機(jī)、高度表、航向表、平視儀表區(qū)和速度表(ps<0.05)，升降率表和發(fā)動(dòng)機(jī)表顯著少于高度表和航向表(ps<0.05)；任務(wù)類型和興趣區(qū)間交互作用不顯著F(2.793,33.521)=0.875,p=0.517。

3.5討論

實(shí)驗(yàn)二在殲擊機(jī)特技飛行環(huán)境中，檢驗(yàn)三種情境意識(shí)測量技術(shù)對(duì)任務(wù)難度差異的敏感度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，情境意識(shí)自測技術(shù)中供應(yīng)和理解維度的得分都可見顯著的任務(wù)難度效應(yīng)，這個(gè)結(jié)果意味主觀測量方法在區(qū)分任務(wù)難度上敏感。整體情境評(píng)估技術(shù)的結(jié)果則顯示，飛行員對(duì)各項(xiàng)飛行參數(shù)估計(jì)的差異不受任務(wù)難度的影響，導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的重要原因是，飛行員主要根據(jù)存儲(chǔ)在其長時(shí)記憶中的信息，回答整體情境評(píng)估技術(shù)中呈現(xiàn)的問題，而非主要根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際的情境意識(shí)狀態(tài)做出回答。

實(shí)驗(yàn)二同樣首先基于“艙內(nèi)-艙外”粗略興趣區(qū)劃分考察特技飛行難度對(duì)專家飛行員視覺取樣策略的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，特技飛行難度在每次視覺取樣轉(zhuǎn)換的速度上影響視覺取樣策略；也即是，隨著難度增加，專家飛行員增加對(duì)每次艙外視覺取樣時(shí)間，與此同時(shí)減少每次艙內(nèi)儀表視覺取樣的時(shí)間(見表7中興趣區(qū)內(nèi)平均瀏覽時(shí)間指標(biāo))。艙內(nèi)各個(gè)儀表上眼動(dòng)數(shù)據(jù)顯示，任務(wù)難度并沒有影響儀表區(qū)內(nèi)的平均瀏覽時(shí)間(任務(wù)難度與興趣區(qū)交互作用不顯著)；任務(wù)難度增加導(dǎo)致航向表上的平均注視時(shí)間和總注視時(shí)間減少；說明對(duì)航向信息加工最容易受到任務(wù)難度的影響，當(dāng)任務(wù)變難時(shí)專家飛行員會(huì)損失部分航向信息以保證飛行安全。

4　總討論

研究探討了三種常見情境意識(shí)測量方法的區(qū)分度問題。情境意識(shí)自測技術(shù)作為常用的主觀測量方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是簡單、經(jīng)濟(jì)與非侵入性(Salmon et al.,2008;Endsley,1995b,2015b)。本研究采用兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分別檢驗(yàn)該技術(shù)對(duì)個(gè)體差異、任務(wù)難度差異的敏感性。實(shí)驗(yàn)一發(fā)現(xiàn)，這種測量方法不能區(qū)分高經(jīng)驗(yàn)組和低經(jīng)驗(yàn)組飛行員的情境意識(shí)差異，導(dǎo)致此結(jié)果的根本原因在于，該測驗(yàn)技術(shù)是要求被試以其自身體驗(yàn)為參照評(píng)估題目，由于人類的認(rèn)知局限(不能知曉自己并不知道的事情)，因而其在衡量個(gè)體差異方面不足(Endsley,1995b,2015b)。實(shí)驗(yàn)二發(fā)現(xiàn)，情境意識(shí)自測技術(shù)中“注意供應(yīng)”和“環(huán)境理解”維度上的題目能夠反映任務(wù)難度差異，說明對(duì)于同一批被試而言，該技術(shù)可以衡量不同條件下情境意識(shí)的相對(duì)區(qū)別，這與以往的研究結(jié)論一致(Selcon & Taylor,1990;Endsley,1995b)，因而這項(xiàng)測驗(yàn)技術(shù)在評(píng)估人機(jī)界面、訓(xùn)練方案等可以采用被試內(nèi)部比較得到結(jié)論的實(shí)踐中有實(shí)用價(jià)值。

整體情境評(píng)估技術(shù)作為一種客觀測量方法，同樣具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)與非侵入性等主要優(yōu)點(diǎn)(Salmon et al.,2008;Endsley,1995b,2015b)。該技術(shù)可同時(shí)評(píng)估知覺、理解和預(yù)測方面的信息質(zhì)量。由于眼動(dòng)測量技術(shù)并不擅長反映理解和預(yù)測層面上的認(rèn)知過程，本研究的主要目的在于檢驗(yàn)采用眼動(dòng)追蹤技術(shù)檢測情境意識(shí)知覺層面上認(rèn)知過程的有效性及其優(yōu)勢特點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)目的，實(shí)施整體情境評(píng)估技術(shù)時(shí)，只收集知覺層面的結(jié)果。

綜合兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，整體情境評(píng)估技術(shù)測驗(yàn)僅對(duì)個(gè)體差異敏感；對(duì)任務(wù)難度差異不敏感。導(dǎo)致此結(jié)果的原因應(yīng)該主要存在于其測驗(yàn)流程中。這項(xiàng)技術(shù)給被試呈現(xiàn)一系列問題，將被試的回答與實(shí)際情境進(jìn)行對(duì)比得出分?jǐn)?shù)。這種測驗(yàn)方式不能排除被試根據(jù)主要依靠存儲(chǔ)在長時(shí)記憶中的結(jié)構(gòu)性信息(比如圖式、心理模型等)回答其中問題的可能性(Endsley,1995b,2015b)。本質(zhì)上講，航空環(huán)境中的情境意識(shí)是飛行員基于其經(jīng)驗(yàn)圖式(或心理模式)收集、處理環(huán)境信息過程，因而采用整體情境評(píng)估技術(shù)獲得的結(jié)果可能同時(shí)反映操作者圖式(或心理模式)質(zhì)量以及當(dāng)前的情境認(rèn)知狀態(tài)，也可能僅反映操作者圖式(或心理模式)質(zhì)量。鑒于穩(wěn)定的證據(jù)表明，新手和專家操作者的圖式(或心理模式)存在質(zhì)的區(qū)別，而兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，整體情境評(píng)估技術(shù)可反映組間差異，卻不能反映任務(wù)難度差異，說明該項(xiàng)測驗(yàn)實(shí)質(zhì)上檢測了操作者的圖式(或心理模式)質(zhì)量(這顯然也是一種靜態(tài)的情境意識(shí))，并非測量當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐那榫骋庾R(shí)過程。由此可見，整體情境評(píng)估技術(shù)在區(qū)分個(gè)體差異，評(píng)價(jià)選拔領(lǐng)域有重要參考價(jià)值。

除了各自有其獨(dú)立的優(yōu)勢外，上述兩種情境意識(shí)的測量技術(shù)都有其明顯不足，導(dǎo)致其局限的根本原因在，情境意識(shí)自測技術(shù)和整體情境評(píng)估技術(shù)都不是針對(duì)情境意識(shí)本身的實(shí)時(shí)直接測量，前者測驗(yàn)當(dāng)事人的主觀體驗(yàn)，后者則測量情境意識(shí)的加工結(jié)果，這導(dǎo)致它們不能真實(shí)地反映當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐那榫骋庾R(shí)。視覺搜索策略和編碼信息加工都是情境意識(shí)的重要組成成分(Ratwani et al.,2010;Kramer,& McCarley,2003;Kowler et al.,1995)。鑒于注視持續(xù)時(shí)間反映個(gè)體對(duì)注視客體的知覺加工過程(Rayner,2009)，而飛行員的眼動(dòng)模式實(shí)質(zhì)上是在其內(nèi)心圖式(或心理模型)引導(dǎo)下的注意轉(zhuǎn)換、視覺信息搜索與處理的過程(Kramer,& McCarley,2003;Shinar,2008;Federico,1995)，因而檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和任務(wù)難度對(duì)視覺搜索取樣策略和編碼性信息加工的影響模式，可為建立情境意識(shí)的過程測量方法提供參考。本研究在考察“反映上述兩類認(rèn)知過程”眼動(dòng)指標(biāo)對(duì)個(gè)體差異和任務(wù)難度差異的敏感性基礎(chǔ)上，檢驗(yàn)情境意識(shí)眼動(dòng)測量技術(shù)的特點(diǎn)及其優(yōu)勢。這項(xiàng)工作可彌補(bǔ)情境意識(shí)自測技術(shù)和整體情境評(píng)估技術(shù)中的不足，利于完善航空環(huán)境中的情境意識(shí)測量體系。

對(duì)于視覺取樣策略而言，新手組飛行員的視覺取樣策略與專家組存在本質(zhì)的區(qū)別，前者更加傾向于從艙外環(huán)境中獲取粗糙、直觀的自然性信息，而后者則偏重從艙內(nèi)儀表上獲取精細(xì)的編碼性信息(Prinzel III et al.,2004)。導(dǎo)致上述差異的主要原因在于，專家所具有的高度結(jié)構(gòu)化的經(jīng)驗(yàn)(比如圖式或心理模型)能夠引導(dǎo)其精細(xì)、高效率地從艙內(nèi)儀表收集并處理關(guān)于當(dāng)前飛行參數(shù)的信息；而新手組被試的結(jié)構(gòu)化經(jīng)驗(yàn)較差，由于缺乏高度結(jié)構(gòu)化知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的引導(dǎo)作用，他們只能從艙外變化的環(huán)境中獲取表面的、淺層次的結(jié)構(gòu)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)二發(fā)現(xiàn)，任務(wù)變難也會(huì)改變專家組飛行員的視覺取樣策略，每個(gè)視覺取樣周期中(從艙外取樣開始到艙內(nèi)取樣結(jié)束的一段時(shí)間內(nèi))專家組增加對(duì)艙外視覺取樣時(shí)間，同時(shí)減少艙內(nèi)視覺取樣的時(shí)間。考慮到對(duì)于專家飛行員而言，其內(nèi)心的結(jié)構(gòu)性經(jīng)驗(yàn)是個(gè)穩(wěn)定的因素，因而任務(wù)難度對(duì)視覺取樣周期的影響實(shí)質(zhì)上反映了環(huán)境因素對(duì)當(dāng)時(shí)當(dāng)前情境意識(shí)過程的影響作用。由此可見，相對(duì)于情境意識(shí)自測技術(shù)和整體情境意識(shí)測量技術(shù)，眼動(dòng)數(shù)據(jù)能夠反映上述視覺取樣策略在不同經(jīng)驗(yàn)水平被試間和不同操作環(huán)境之間的差異，這是情境意識(shí)眼動(dòng)測量技術(shù)的優(yōu)勢之一。

對(duì)于編碼性信息加工特點(diǎn)而言，專家組對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)表、航向表投入的注視時(shí)間與注意資源較多，這意味著專家飛行員能夠顧及加工該儀表提供的相關(guān)信息。整體情境評(píng)估技術(shù)結(jié)果提示，新手組不能成功報(bào)告系統(tǒng)意識(shí)方面的飛行參數(shù)(關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù))，對(duì)航向參數(shù)的估計(jì)新手組也顯著差于專家組。從這個(gè)角度講，基于儀表興趣區(qū)域眼動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果與整體情境評(píng)估技術(shù)結(jié)果相互印證，相互支持。兩組被試眼動(dòng)模式的另一差異在于，新手組主要依賴于平視儀表獲取編碼性信息，鑒于該儀表能夠同時(shí)提供多項(xiàng)空間信息，而整體情境評(píng)估技術(shù)結(jié)果中速度和高度兩個(gè)參數(shù)的估計(jì)沒有組間差異，說明新手組飛行員通過平視儀表獲取的信息有限。眼動(dòng)模式受到被試結(jié)構(gòu)化經(jīng)驗(yàn)的引導(dǎo)，兩組被試接受的任務(wù)完全相同，因此被試對(duì)艙內(nèi)儀表信息加工模式不同，應(yīng)主要?dú)w根于兩組被試的結(jié)構(gòu)性經(jīng)驗(yàn)的差異，可見眼動(dòng)技術(shù)可監(jiān)測被試結(jié)構(gòu)化經(jīng)驗(yàn)差異(這是種靜態(tài)的情境意識(shí))。實(shí)驗(yàn)二發(fā)現(xiàn)，隨著特技飛行任務(wù)難度增大，專家飛行員會(huì)采用減少對(duì)航向表關(guān)注/加工的策略完成任務(wù)，說明操作環(huán)境對(duì)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)鼐幋a信息加工層面上情境意識(shí)過程的影響也能在眼動(dòng)指標(biāo)中有所反映。由此可見，相對(duì)于其他測量手段，眼動(dòng)技術(shù)在區(qū)分編碼信息加工層面的認(rèn)知過程差異方面也有優(yōu)勢。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)和任務(wù)難度不僅影響視覺取樣策略，也影響編碼信息處理過程，說明情境意識(shí)眼動(dòng)測量技術(shù)可在整體和細(xì)節(jié)上反映個(gè)體差異和任務(wù)難度差異，因而相對(duì)于其他測量方法，該測量技術(shù)有較高的區(qū)分度，其優(yōu)勢非常明顯。當(dāng)然，構(gòu)建完整的、能監(jiān)測理解、預(yù)測層面的情境意識(shí)的眼動(dòng)技術(shù)還需深入研究。

5　結(jié)　論

情境意識(shí)評(píng)價(jià)技術(shù)不能反映個(gè)體差異，但能反映任務(wù)難度差異；情境整體評(píng)價(jià)技術(shù)能夠反映個(gè)體差異，但不能反映任務(wù)難度差異；眼動(dòng)測量方法則在整體視覺取樣策略和細(xì)致的編碼信息加工兩方面，都能夠反映個(gè)體差異和任務(wù)難度差異；眼動(dòng)追蹤技術(shù)可在知覺層面上反映情境意識(shí)的內(nèi)容和過程。

Borghini,G.,Astolfi,L.,Vecchiato,G.,Mattia,D.,& Babiloni,F.(2014).Measuring neurophysiological signals in aircraft pilots and car drivers for the assessment of mental workload,fatigue and drowsiness.NeuroscienceandBiobehavioralReviews.44(1),58-7.

Endsley,M.R.(1995a).Toward a theory of situation awareness in dynamic systems.HumanFactors,37(1),32-64.

Endsley,M.R.(1995b).Measurement of situation awareness in dynamic systems.HumanFactors,37(1),65-84.

Endsley,M.R.(2000a).Theoretical underpinnings of situation awareness:A critical rewview.In M.R.Endsley,D.J.Garland,SituationAwarenessAnalysisandMeasurement.Mahwah,NJ:Lawrence Erlbaum,1-32

Endsley,M.R.(2013).Situation awareness.In J.D.Lee & A.Kirlik (Eds.),Oxfordhandbookofcognitiveengineering.Oxford,UK:Oxford University Press,88-108.

Endsley,M.R.(2015a).Situation awareness misconceptions and misunderstandings.JournalofCognitiveEngineeringandDecisionMaking,9(1),4-32.

Endsley,M.R.(2015b).Final reflections:Situation awareness models and measures.JournalofCognitiveEngineeringandDecisionMaking,9(1),101-111.

Federico,P.(1995).Expert and novice recognition of similar situations.HumanFactors,37(1):105-122.

Jones,D.G.(2000).Subjective measures of situation awareness.In M.R.Endsley,D.J.Garland,SituationAwarenessAnalysisandMeasurement.Mahwah,NJ:Lawrence Erlbaum,113-128.

Kaber,D.B.,Perry,C.M.,Segall,N.,McClernon,C.K.,& Prinzel,L.J.(2006).Situation awareness implications of adaptive automation for information processing in an air traffic control-related task.InternationalJournalofIndustrialErgonomics,36(5),447-462.

Klein,G.,Calderwood,R.,& Clinton-Cirocco,A.(2010).Rapid decision making on the fire ground:The original study plus a postscript.JournalofCognitiveEngineeringandDecisionMaking,4(3),186-209.

Kowler,E.,Anderson,E.,Dosher,B.,& Blaser,E.(1995).The role of attention in the programming of saccades.VisionResearch,35(13),1897-1916.

Kramer,A.F,,& McCarley,J.S.(2003).Oculomotor behavior as a reflection of attention and memory processes:Neural mechanisms and applications to human factors.TheoreticalIssuesinErgonomicsScience,4(1-2),21-55.

Merwe,K.V.D.,Dijk,H.V.,& Zon,R.(2012).Eye movements as an indicator of situation awareness in a flight simulator experiment.InternationalJournalofAviationPsychology,22(1),78-95.

Prinzel III,L.G.,Comstock,J.R.,Glaab,L.J.,Kramer,L.J.,Arthur,J.J.,& Barry,J.S.(2004).The efficacy of head-down and head-up synthetic vision display concepts for retro-and forward-fit of commercial aircraft.TheInternationalJournalofAviationPsychology,14(1),53-77.

Ratwani,R.M.,McCurry,J.M.,& Trafton,J.G.(2010).Single operator,multiple robots:An eye movement based theoretic model of operator situation awareness.InProceedingsoftheFifthACM/IEEEInternationalConferenceonHuman-RobotInteraction,Nara,Japan.New York,NY:Association for Computing Machinery,235-242.

Rayner,K.(2009).Eye movements and attention in reading,scene perception,and visual search.TheQuarterlyJournalofExperimentalPsychology,62(8),1457-1506.

Salmon,P.M.,Stanton,N.A.,Walker,G.H.,Jenkins,D.P.,Baber,C.,& McMaster,R.(2008).Representing situation awareness in collaborative systems:A case study in the energy distribution domain.Ergonomics,51(3),367-384.

Selcon,S.J.,& Taylor,R.M.(1990).Evaluation of the situational awareness rating technique (SART) as a tool for aircrew systems design.InSituationalAwarenessinAerospaceOperations(AGARD-CP-478,pp,.5/1-5/8).Neuilly Sur Seine,France:NATO-AGARD.

Salmon,P.M.,Stanton,N.A.,Walker,G.H.,Jenkins,D.,Ladva,D.,Rafferty,L.,& Young,M.(2009).Measuring situation awareness in complex systems:Comparison of measures study.InternationalJournalofIndustrialErgonomics,39(3),490-500.

Shinar,D.(2008).Looks are (almost) everything:Where drivers look to get information.HumanFactors,50(3),380-384.

Wickens,C.D.(2002).Situation awareness and workload in aviation.CurrentDirectionsinPsychologicalScience.11(4),128-133.

Abstract

With two experiments,the present study examined the sensitive advantages of eye tracking situation awareness method compared with two other measures,such as Situational Awareness Rating Technique (SART),Situation Global Assessment Technique (SGAT).The first experiment checked the individual differences,and the second checked the task difficulty differences.Results are three-folded.First,SART was not sensitive in distinguishing SA differences between experts and novices,but sensitive to task difficulty.Second,SAGAT was sensitive to individual differences,but not sensitive to task difficulty.Third,there were group differences between experts and novices in both visual sampling strategy and coding information procession,and there were also task differences in both of visual sampling strategy and coding information procession.Given that,the results from eye movement and SAGAT confirmed each other,and it is reasoned to conclude that eye movement data can track the situation awareness in the aviation working environment.Thus,the results suggest that eye movement measurement of situation awareness is sensitive both to individual and task differences.

Exploring the Individual and Task Difficulty Difference of Situation Awareness in Aviation Working Environment:The Advantages of Eye Tracking Method

LIU Zhi-fang1SU Heng2

(1.Department of Psychology,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.Hospital of China Air Force Hangzhou,Hangzhou 310007,China)

situation awareness,subjective techniques,objective techniques,eye movements

空后勤課題(DKJ09L036)。

B849

A

1006-6020(2016)-01-0012-14

**通信作者：劉志方,E-mail:lzhf2008@163.com。