情绪状态对学习者虚拟图形加工认知负荷的影响研究

陈丽君 林伟婷 卓铎涛

摘 要：本研究考察学习者情绪状态对沉浸式虚拟图形加工认知负荷的影响，同时探讨情绪状态与认知任务特征（项目数量和呈现时间）的交互作用效果。结果显示：（1）学习者在积极情绪状态下，虚拟图形识记的主、次任务绩效表现更好，投入心理努力更高。（2）情绪状态与呈现时间的交互作用显著影响次任务正确率：呈现时间为0.5s时，积极情绪状态下的次任务正确率高于消极情绪;0.8s时，两者无显著差异。（3）情绪状态与项目数量的交互作用显著影响心理努力评价，项目数量为5个时，积极情绪状态下的心理努力评价高于消极情绪;其他数量时，两者差异不显著。研究结果表明，在沉浸式虚拟环境中，学习者积极情绪状态下的客观认知负荷更低，投入心理努力更多。情绪状态对虚拟学习的影响受到认知加工任务的调节，当加工材料数量较多、呈现时间较短时，积极情绪状态的学习优势更为明显。

关键词：虚拟图形加工;情绪状态;认知负荷;项目数量;呈现时间

中图分类号：G4文献标志码：A文章编号：2096-0069（2020）05-0038-06

收稿日期：2020-05-22

基金项目：教育部人文社会科学研究规划基金项目“虚拟感知整合认知负荷的多维测评与优化控制研究”（18YJA880005）

作者简介：陈丽君（1977— ），女，四川宜宾人，教授，博士，研究方向为教育心理学、认知心理学;林伟婷（1996— ），女，广东湛江人，硕士研究生，研究方向为职业技术教育学;卓铎涛（1997— ），男，广东汕头人，本科生，研究方向为认知心理学;张玲燕（1981— ），女，山东潍坊人，副教授，博士，研究方向为教育心理学、认知心理学。

一、问题的提出

虚拟现实技术使用各种外围设备与虚拟环境进行交互，使学习者获得完全沉浸式的学习体验，被认为是最具教学潜力的应用技术之一。虚拟现实技术在提供更真实和丰富学习体验的同时，也容易带来信息呈现形式不当、冗余感知刺激过多等问题，导致认知负荷超载，不利于有效学习。

认知負荷指人在进行信息加工时所需要的认知资源总量。常用认知负荷测量方法有任务绩效法与主观测量法。双任务范式是任务绩效法的典型范式，要求被试同时完成主次两项任务，完成任务的正确率高和反应时短反映认知负荷低[1]。主观测量法是学习者根据完成任务时的主观感受，对认知负荷进行评价的测量方法，包括对任务难度的感受和心理努力程度。

当前认知负荷影响因素研究多考虑任务设置特征和学习者认知特征的作用，较少考虑学习者动机或情感等非认知因素的影响。认知负荷理论认为，学习绩效需整合考察认知和非认知因素[2]。情绪、兴趣和动机等个体非认知特征影响认知过程的灵活性和学习的投入程度，从而对虚拟学习效果产生影响。情绪是在人和环境相互发生作用下产生的生理激起、表情和内在体验的过程[3]。根据情绪效价和唤醒程度，情绪状态可以分为积极与消极状态。情感体验可以影响和调节知觉、记忆和思维等认知过程[4]。积极情绪能够提升个体认知灵活性，降低感知整合的认知负荷[5]。

在情绪状态与认知负荷研究方面，一方面，情绪常作为结果变量分析，对于学习者情绪如何影响认知加工过程仍缺乏足够的研究。另一方面，已有研究大多通过情绪诱发方式探索情绪状态对认知负荷的影响。但刺激材料诱发的情绪容易产生特征效应，激发情绪时情绪特指性不强[6]。此外，虚拟学习环境为学习者提供了更丰富的情绪体验机会。虚拟现实环境的沉浸性、想象性和交互性特点可能使情绪对虚拟学习的影响具有独特性，上述情绪特征在虚拟学习中是否适用有待进一步论证。分析情绪状态在虚拟学习中的作用，可以为教育实践工作开展提供理论指导。

情绪状态除了独立影响认知负荷，还与认知任务因素交互发挥协同作用[7]，因此考察情绪状态的影响，还需考虑任务特征的交互影响。勒克（Luck）和沃格尔（Vogel）（1997）研究发现，当识记颜色方块数量为1—3个时，被试几乎能完全做出正确反应，当数量增加至4个以上时正确率开始下降[8]。在加工时间方面，研究表明学习者对三维客体两个基本特征进行完整加工需要0.5s左右[9]。那么，刺激数量和加工时间对认知负荷的影响是否会受到学习者情绪状态的调节呢？考虑到虚拟学习空间信息丰富性所带来易化加工和干扰加工的可能性，本研究拟同时探测刺激项目数量（3个、4个、5个）、呈现时间（0.5s、0.8s）和情绪状态对认知负荷的影响。实验流程设计借鉴菲利普（Phillips）和克里斯蒂（Christie）（1977）提出的视觉工作记忆单探测变化觉察实验范式，即在检测阶段只出现单个项目[10]。整体研究假设为：（1）积极情绪下，学习者在虚拟图形加工中的认知负荷更低。（2）学习者情绪状态与任务特征（项目数量和呈现时间）的交互作用对虚拟认知负荷有显著影响。

二、研究设计

（一） 实验设计

采用2（情绪状态：积极、消极）×3（项目数量：3个、4个、5个）×2（呈现时间：0.5s、0.8s）混合实验设计，其中情绪状态为组间因素，项目数量和呈现时间为组内因素。因变量是被试完成任务的认知负荷，任务绩效法认知负荷评定指标为主任务正确率、主任务反应时、次任务正确率和次任务反应时，主观测量法认知负荷评定指标为心理努力和任务难度。

（二）实验对象

234名大学生完成情绪状态前测问卷。在情绪团体测试得分排名前27%的学生中随机抽取15名作为积极情绪组（M=1.78±0.54），得分排名后27%的学生中随机抽取15名作为消极情绪组（M=0.80±0.73），独立样本t检验显示，积极与消极情绪组均值存在显著差异，t=4.11，df=28，p<0.0001。参加正式实验的被试共30人，男生15名，女生15名，平均年龄19.87±1.22。所有被试均为右利手，视力（或矫正视力）正常，颜色视觉正常。此前皆未做过类似实验。同时，两组被试情绪状态前后测不存在显著差异，p>0.05，说明该虚拟学习实验中被试情绪具有稳定性，排除由于情绪变化而产生结果偏差的可能性。

（三）情绪状态、项目数量与呈现时间对虚拟认知负荷的综合影响

情绪状态与呈现时间的交互作用显著影响认知负荷。呈现时间为0.5s时积极情绪学习者次任务正确率高于消极情绪，在0.8s时两种情绪差异不显著。延长呈现时间可以释放出更多认知资源，从而降低认知负荷。在较短时间（0.5s），积极情绪容易调动更多认知资源的投入，从而能同时兼顾主任务与次任務的完成。消极情绪学习者会因调节自身情绪占用部分心理资源，短时间内无暇顾及虚拟空间的次任务。当有更充裕的时间（0.8s）时，消极情绪学习者才能够有充裕认知资源完成情绪调整，利用额外资源处理次任务。当时间从0.5s延长到0.8s时，消极情绪学习者次任务正确率从30%增加至80%，积极情绪学习者次任务正确率从59%增加至89%，次任务产生的认知负荷显著降低。此外，相关认知负荷受到情绪与项目数量交互作用的影响：当项目数量为5个时，积极情绪状态下相关认知负荷显著高于消极情绪;当项目数量为3个和4个时，两种情绪的相关认知负荷无显著差异。这说明项目数量调节了情绪对相关认知负荷的影响。

积极情绪状态在虚拟学习中的优势，在任务难度更大（如呈现时间更短和项目数量更多时）的学习任务中体现得更加明显，说明任务难度调节情绪对认知过程的影响。该结果支持了麦基（Mackie）（1989）的认知资源占用说，即由情绪引发的思维活动会占用一定的认知资源[19]。当任务本身需要较多的认知资源时，情绪所占用的额外认知资源会影响个体在当前任务中的表现。消极情绪下，学习者会因为调节情绪而占用部分认知资源[20]。由于被试均是首次接触虚拟技术，沉浸式的学习环境虽然让学习者能产生临场感，但与外界环境的暂时脱离，容易加大消极情绪的负面影响，使学习者减少可用于执行当前任务的认知资源数量，导致任务难度增加时无足够的认知资源处理学习任务，产生的认知负荷比在积极情绪时更高。因此，在设计和建构虚拟学习环境时，不仅需考察个体情绪状态的影响，也需考察情绪与认知任务特征的交互影响。

五、虚拟学习空间认知负荷优化控制的启示

（一）利用情感计算理论与计算机技术辅助虚拟学习情绪干预

未来应针对虚拟教学中的学习者情绪状态进行按需干预，以此提高学生在虚拟空间的注意力，促使学生在学习高难度知识时加大相关认知负荷，提高学习效果。尽量使学生的情绪处于积极的状态，特别是在学习任务难度较高的情况下。建议虚拟学习资源设计者可充分利用情感计算理论与计算机技术创建虚拟学习情绪识别与干预系统，如识别系统可结合情感计算理论和生理检测技术，检测学习者的脉搏、体温和皮肤流电等指标来反映学习者情绪变化。当检测出学习者情绪处于消极状态时，虚拟学习系统发出提示并启动干预系统。如利用虚拟技术根据目标情绪的不同，暂时改变沉浸情境，同时虚拟化身可通过指导语或音乐调整学习者情绪状态。智能的情绪识别能精准感知学习者情绪变化，且高度沉浸性与真实性的虚拟情境既能迅速诱发学习者积极情绪，也能实现不同情绪的快速转变，同时还能克服以往通过刺激材料诱发情绪所带来的特征效应和情绪指向性不强问题。

（二）虚拟学习环境设计需结合情绪状态优化认知任务特征

积极情绪状态下，学习者在难度更大的任务中投入的心理努力显著高于消极情绪。在虚拟学习环境设计中，需要进一步结合情绪特征，对认知任务难度进行科学设计。如在虚拟学习环境呈现时间的设计上，要注意过短的时间设计会造成消极情绪认知负荷超载。0.8s是虚拟学习空间设计的一个合理的时间参考节点，它既能保证消极情绪学习者有充足的加工时间，降低认知负荷，也能保证积极情绪学习者认知负荷控制在合理范围内。同时要注意在单位时间内，虚拟认知加工项目数量尽量控制在3到4个之间。当难以降低任务难度时，则可以考虑情绪识别与干预智能系统调节情绪状态。总之，情绪干预与项目数量、时间等的设计要综合考虑学习者情绪状态和学习任务特征，并进行优化配置，以达到优化认知负荷、提高学习效果的目的。

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（責任编辑 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