工作记忆训练对飞行情境意识提升的实证研究

周 悦，王超贤，吴 迪，孙科伟，刘士敏，白 雪，苑会羚，朱 妍，陈祥龙，肖 玮(空军军医大学军事医学心理学系：航空航天心理学教研室，教学实验中心，临床心理学教研室，陕西 西安 700)

情境意识(situation awareness，SA)一直是航空安全领域的研究热点。大量研究和事故分析表明，在人因失误导致的重大事故因素中，SA是最重要的因素之一[1]。应用最为广泛的SA定义由ENDSLEY[2]提出，即“感知特定时间和空间情境下的相关情境元素，理解其意义并进一步预测随后可能发生的状态。”操作者个体的变化如疲劳程度、情绪状态、认知能力等因素会直接作用于操作者的SA，影响其操作绩效[3-6]。

工作记忆作为认知功能的核心，与SA密切相关。在复杂的操作环境中，如飞行驾驶，有限的工作记忆会导致飞行员难以及时获取和整合环境中不同来源的信息，造成SA的丧失[7]。CAK等[8]也证实了工作记忆和SA之间的正相关与预测关系。工作记忆具有可塑性，进行工作记忆训练可以提升训练任务表现[9]，并影响与其相关的其他认知能力，如注意控制、推理能力和流体智力[10-11]。N-back任务是工作记忆的经典训练任务，其中N表示向前返回的刺激个数，也代表任务的难度水平。由于记忆材料是序列呈现并不断更新的，因此受试者也需要不断地更新信息存储。随着返回数N的增加，需要记忆的信息量也不断增加，记忆的难度也随之增加。双维N-back任务是N-back任务的一种变式[12]，包含同时进行的视听双通道，且任务间相对独立，涉及多个执行过程，因此被认为能更好地提升受训者在执行功能、绑定加工以及注意控制上的能力[13-15]，也更为符合飞行过程中的多任务操作需求。因此，本研究以飞行模拟器为实验平台，探讨双维N-back任务训练用于改善SA的可行性，为未来飞行人员的心理训练提供新的研究思路。

1 对象与方法

1.1 对象

本研究共招募空军军医大学大学生38名，随机分为训练组和对照组。训练组20(男16，女4)人，平均年龄(19.65±0.88)岁；对照组18(男14，女4)人，平均年龄(20.17±0.86)岁。两组受试者性别、年龄均无显著差异(P>0.05)。受试者的纳入标准为：年龄18～22岁，身心健康，右利手，视力或矫正视力正常，无晕车或晕机症状，无相关飞行经验或飞行游戏经验，未参加其他相关心理学实验。本研究经空军军医大学医学伦理委员会审核批准(许可证号：KY20213395-1)，所有受试者均自愿参加实验并签署了知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 视觉工作记忆检测任务 该任务通常用于评估记忆容量[16]。首先，屏幕中央注视点上方呈现一个持续时间为200 ms的箭头，箭头随机朝左或朝右指向，要求受试者始终盯着注视点并用余光记忆箭头指向。之后在注视点两侧呈现100 ms的记忆刺激，即数量相同但方向不同的两种色块(红色和蓝色)，要求受试者记忆箭头指向一侧的红色色块方向。900 ms空屏后，注视点两侧再次呈现红、蓝两种色块，受试者需要在2 000 ms内判断箭头指向一侧的红色色块方向与记忆刺激中的是否一致，一致按“F”键，不一致按“J”键，一致与不一致试次的比例为1 ∶1，共96个试次。每次呈现的单侧红色色块数量分别为2个和4个，即代表记忆负荷2和4，两种负荷的试次比例为1 ∶1，且随机呈现。计算Cowan’s K系数：K=记忆负荷×(击中率-虚报率)，表示呈现特定数量的项目数时个体所能记忆的项目个数。

1.2.2 SA测量任务 情境意识整体评价技术(situation awareness global assessment technique，SAGAT)最早由ENDSLEY[17]提出：“在模拟飞行过程中冻结任务并询问一组与实验情境相关的问题，记录作答结果和实际参数，用结果的准确性评估受试者的SA水平。”本实验依据飞行任务场景设计了一个由38个问题组成的纸笔测验，分6批施测，分别反映了感知、理解和预测3个水平上的表现。每个考核科目结束后立即冻结，每次冻结不超过5 min，要求所有受试者面朝右并快速作答，主试记录受试者的回答和模拟器的实际参数，统计正确回答的问题个数，记为SAGAT得分。

1.2.3 训练任务 采用自适应双维N-back任务，与JAEGGI等[11]所用任务类似。首先，同时呈现持续时间为500 ms的两种刺激(视觉和听觉)，其中视觉刺激为蓝色方块，在屏幕中央的九宫格内随机出现(中央位置除外)；听觉刺激为数字1～9(5除外)，通过耳机传出。2 500 ms的空屏后，两种刺激再次呈现，要求受试者分别判断当前刺激(视觉和听觉)与前第N个刺激(视觉和听觉)是否相同。视觉刺激相同，左手食指按“A”键；听觉刺激相同，右手食指按“L”键，都不一致则不按键。受试者进行按键反应时，界面实时进行反馈，以使受试者快速熟悉规则并保持训练动机。每个block包含(20+N)个试次，视觉刺激和听觉刺激一致与不一致试次比例均为3 ∶7，且随机呈现。

本任务采用自适应的方式，任务难度随着任务表现动态变化，每个block结束后会对受试者任务表现进行分析，当两个通道平均准确率>0.85时，N+1，此时屏幕呈现“您的表现很好，接下来任务难度加一，请继续加油”；而平均准确率<0.75时，N-1，屏幕呈现“您的表现有所下降，接下来任务难度减一，请继续加油”；其他情况下，N保持不变。每次训练均从1-back开始，任意block间有60 s休息时间。每次训练约40 min，共20个block(图1)。

图1 双维N-back任务流程图(N=2)

1.2.4 SA测量平台的搭建与处理 模拟飞行在JL-8飞行模拟器上进行。该模拟器为220°球带幕视野，水平投影视角200°，垂直投影视角55°。教员控制台可调控各种功能，如冻结模拟器、设置故障和改变天气条件。飞行面板中央是一个多功能显示器，包括地平仪、空速表、高度表、升降速度表，左侧有转弯侧滑仪、进气压力表、转速表、进气温度表等，右侧有无线电罗盘、陀螺磁罗盘、三用表等。训练任务使用MATLAB 2018a呈现，视觉工作记忆检测任务使用E-prime3.0呈现。

经过飞行专家、招飞专家和心理专家多次讨论验证后，设计了一项持续时间为30～45 min的飞行任务，共6个考核科目，参数设置及计分方法均参考《招飞心理选拔模拟飞行检测手册》。所有受试者需要在进行航线飞行的同时根据系统指令完成考核科目，实验前，飞行专家会对所有受试者进行统一的飞行培训，包括理论授课、座舱实习和飞行考核。培训合格后，所有受试者有足够的时间进行无事件的飞行热身，确保熟练后开始实验。在实验过程中，受试者需要付出较高的脑力活动，不仅要全程关注舱外环境信息和舱内仪表信息，而且要认真听指令完成科目，同时还要快速应答冻结问题。在飞行结束后，由模拟器后台自动记录飞行绩效。

1.2.5 实验流程 所有测试任务均在实验室内完成，为期4周。首先，向受试者介绍整个实验的内容和流程，并签署知情同意书。实验第1周，受试者先完成视觉工作记忆检测任务，然后进行第1次模拟飞行任务。任务期间，采用SAGAT，任务结束后，后台自动记录飞行绩效。中间2周，训练组采用双维N-back任务进行训练，共12次，每周6次，每次约40 min；对照组采用空白对照。实验第4周，所有受试者再次完成视觉工作记忆检测任务和模拟飞行任务，流程同第1次。

2 结果

对两组受试者训练前、后测的记忆容量(负荷2条件、负荷4条件)，SAGAT得分和飞行绩效进行描述性统计(表1)。

表1 两组受试者训练前后的任务表现

2.1 训练组受试者在双维N-back任务中的表现逐步提升

图2 双维N-back任务中不同训练次数的平均N值

2.2 工作记忆训练可以改善受试者的记忆容量

经独立样本t检验发现，训练组和对照组前测的记忆容量无统计学差异[负荷2：t(36)=-0.560，P=0.579；负荷4：t(36)=-0.81，P=0.428]。对两组记忆容量进行2(前测、后测)×2(训练组、对照组)重复测量的方差分析显示，分组主效应不显著[负荷2：P=0.268；负荷4：P=0.470]；测试时间主效应显著[负荷2：F(1， 36)=4.63，P=0.038，η2=0.11；负荷4：F(1， 36)=6.31，P=0.017，η2=0.15]；分组与时间的交互作用显著[负荷2：F(1， 36)=6.15，P=0.018，η2=0.15；负荷4：F(1， 36)=3.26，P=0.024，η2=0.13]。进一步简单效应分析结果显示，训练组后测的记忆容量相比前测显著提高[负荷2：F(1， 36)=11.32，P=0.002，η2=0.24；负荷4：F(1， 36)=12.50，P=0.001，η2=0.26]，而对照组前、后测无显著差异[负荷2：P=0.823；负荷4：P=0.914]。以上结果表明工作记忆训练可以改善视觉工作记忆任务中的记忆容量。

2.3 工作记忆训练可以提高受试者的SA水平

经独立样本t检验，训练组和对照组前测的得分无统计学差异[t(36)=0.557，P=0.581]。对两组SAGAT得分进行2(前测、后测)×2(训练组、对照组)重复测量的方差分析发现，分组主效应显著[F(1， 36)=10.35，P=0.003，η2=0.22]；时间主效应显著[F(1，36)=31.65，P<0.01，η2=0.47]；分组与时间的交互作用显著[F(1，36)=25.39，P<0.01，η2=0.41]。进一步简单效应分析结果显示，训练组后测得分相比前测显著提高[F(1，36)=60.03，P<0.01，η2=0.62]，而对照组前、后测无显著差异(P=0.668)。以上结果表明工作记忆训练可以显著提高受试者的SA水平。

2.4 工作记忆训练可以提高受试者的飞行绩效

经独立样本t检验，训练组和对照组前测的飞行绩效无统计学差异[t(36)=-0.736，P=0.467]。对两组的飞行绩效进行2(前测、后测)×2(训练组、对照组)重复测量的方差分析结果显示，分组主效应不显著(P=0.320)；时间主效应显著[F(1， 36)=38.40，P<0.01，η2=0.51]；分组与时间的交互作用显著[F(1， 36)=10.98，P=0.002，η2=0.23]。进一步简单效应分析发现，训练组后测的飞行绩效相比前测显著提高[F(1， 36)=47.75，P<0.01，η2=0.57]，而对照组前、后测无显著差异(P=0.055)。以上结果表明工作记忆训练可以改善受试者在模拟飞行时的飞行绩效。

3 讨论

从训练任务曲线和统计结果均可看出双维N-back任务产生了明显的训练效果。工作记忆容量是良好工作记忆的重要体现，与先前相关研究结果类似[18-19]，相比于对照组，训练组训练后的记忆容量明显提升。训练组SAGAT得分和飞行绩效均显著提升，表明工作记忆训练可以有效改善SA水平，与先前研究结果基本一致[8,20]。

本研究之所以能观察到工作记忆训练对SA水平的提升作用可能受到多个因素的影响。首先，ENDSLEY[2]的信息加工理论模型强调注意和工作记忆是制约个体获得SA的关键影响因素。而双维N-back任务刚好涉及多重执行加工过程[21]，包括合理分配注意资源、快速更新记忆信息、同时监控双任务过程、抑制无关信息的干扰等。加之大脑具有可塑性[22]，使得工作记忆训练可以提升个体的SA水平。其次，以往研究认为负载适应和大量训练(至少8 h或3周)是工作记忆训练效果能有效迁移至其他任务的重要条件[9,23]。一方面，训练任务采用难度自适应满足了负载适应；另一方面，总训练时长为8 h也达到了训练标准，均符合上述条件。总之，工作记忆与SA之间相似的基本认知加工过程和工作记忆容量负载的适应性是工作记忆训练效果可以显著迁移到SA的两个重要因素。

本研究也存在一些不足，首先，由于新型冠状病毒肺炎疫情的影响，没有实现预计的长期追踪，因此目前还不确定训练效果的最佳持续时间；其次，SA测量方法众多且各有利弊，不同方法可能测量的侧重点不同，本研究所选方法可能还不够全面，应选取更多的方法进行补充；最后，对于训练效果的评估同样也需要多种评价指标，未来可考虑借助影像学技术。

总之，本研究以大学生为研究对象、以飞行模拟器为实验平台，初步证实了工作记忆训练可以提升飞行过程中的SA水平。SA与安全密不可分，探索工作记忆训练对SA水平的提升作用具有重要的实践意义，也为未来SA的研究提供了新的思路和研究方向。