认知及其绩效.ppt

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1、第四章 认知及其绩效,本章运用认知科学的观点阐述在人机系统中，人所进行的脑力作业与技能作业的特征、方法及其基本规律，从而为提高人机系统的整体效率以及人机系统的设计提供理论依据。,认知心理学及人的信息加工模型 信号识辩与持续警觉 记忆学习和技能培训 思维 注意 人的信息输出 人的可靠性与人为差错,本章主要内容,第一节 认知心理学及人的信息加工模型,认知心理学人的信息加工模型信息和信息量,第一节 认知心理学及人的信息加工模型,认知心理学从心理学的角度研究人与外界交互以及认知外界的原理，包括研究如何通过视觉、听觉等接受和理解来自周围环境信息的感知过程，以及通过人脑进行记忆、思维、推理、学习和问题解决

2、等人的心理活动的认识过程。随着信息论的问世，人们开始用信息加工过程来研究和解释人的心理过程和复杂行为，这便是现代认知心理学。,认知心理学,第一节 认知心理学及人的信息加工模型,用信息的观点解释人的认知过程，人可以被看作是一个信息加工系统，而人在人机系统的特定作业活动中的作用，在一定意义上，又可以被看作是一种信息传递和加工。,人的信息加工模型,图 人的信息加工模型,信息和信息量,第一节 认知心理学及人的信息加工模型,信息量是不确定性平均减小的量。信息量的大小可用消除不确定性的多少来衡量，即消息中所含的信息量是出现该消息的概率的函数。消息出现的概率愈小，它所包含的信息量就愈大，反之亦然。,消息中所

3、含的信息量I与该消息出现的概率P（x）之间的关系式如下：,通常广泛采用的信息量单位为bit，此时取对数的底a=2。1bit信息量为含有两个独立等概率可能状态的事件所具有的不确定性被全部消除所需要的信息，即：,信息是能消除事先不能确定的情况（即先验不确定性）的信号或知识，它存在于一切事物中，是一种抽象量。,第二节 信号识辩与持续警觉,信号识辨机理人的信息传递能力持续警觉脑力作业的生理变化特征,第二节 信号识辩与持续警觉,信号识辨机理,图像识别理论模型 声音的解释 例如“李四踢足球。”,信号识辨的研究内容很多，这里主要介绍图像识别理论模型和声音的解释。,模式匹配理论原型匹配理论 泛魔识别模型,材料

4、-驱动概念-驱动,人的信息传递能力,人的信息传递能力的理论估计,对视觉器官信息传递能力的估计 对听觉器官信息传递能力的估计,辛格(Singer)估计：视神经共有大约100万根纤维，每根信息传递1000bit/s，总计视感觉器官的信息传递能力为109bit/s，亦即每秒钟可以传递的信息量为109bit。,雅克布逊（Jacobson）估计：人的单耳每秒钟可以传递的信息量约为8000bit。,人在实际活动中的信息传递能力，不仅取决于感觉器官的信息传递能力，而且更多地取决于中枢神经和动作反应系统的信息传递能力，因此，人的实际信息传递能力的水平远远低于上述理论估计的能力的水平。,第二节 信号识辩与持续警

5、觉,感知觉的绝对辨认能力,表 不同感知觉的绝对辨认能力,第二节 信号识辩与持续警觉,信息传递率,上述利用绝对辨认来估计人们的信息传递能力，由于没有考虑辨认的速度这一因素，所以有一定的局限性。事实上，当允许辨认的时间发生变化时，绝对辨认能力也随之发生一定的变化 信息传递率是指人在单位时间内所能传递的信息量，也称人的通道容量，其单位为bit/s。希克（W.Hick）于1952年和海曼(Hyman)于1953年分别用实验证实，刺激的信息量与反应时间的相关是线性的。一般认为，人的通道容量约为7bit/s左右，即人每秒最大可传递7bit左右的信息量。实际上，人的信息传递率远远高于7bit/s，这是因为作

6、用于人的感官的外界刺激往往都是多维度的。,第二节 信号识辩与持续警觉,持续警觉,持续警觉通常是在刺激环境单调和脑力活动以注意为主的条件下，长时间保持的警觉状态。,持续警觉的提出,第二次世界大战 信号漏报,表 注视时间与信号漏报之间的关系,第二节 信号识辩与持续警觉,觉醒效能曲线,信号频率增加时，发现信号的百分比也随之增加，但信号频率增加到一定程度后，再继续增加，发现信号的百分比反而下降。,通常作业性质和作业内容不同，所要求的适合的觉醒水平也不同，如连续进行的内容单调、简单的作业，要求觉醒水平高，而难度大、需要进行复杂判断的作业，则要求觉醒水平低。,图 信号发现率,图 觉醒效能曲线,第二节 信号

7、识辩与持续警觉,导致持续警觉作业效能下降的因素,信号出现时间极不规则，这是造成信号脱漏的重要原因。不良的作业环境，如噪声大，温度高，无关刺激的干扰多等。信号强度弱，信号频率不适宜。个体主观状态，如过分激动的情绪，失眠、疲劳等。,第二节 信号识辩与持续警觉,改善持续警觉作业效能的措施,适当增加信号的频率和强度，增强信号的可分辨性。根据持续警觉作业效能一般是在作业开始30min后逐渐下降的规律以及有意注意可维持的最长时间，科学安排作业时间。改善不良作业环境，减少无关刺激的干扰。培养和提高作业者良好的注意品质。,第二节 信号识辩与持续警觉,脑力作业的生理变化特征,脑组织对于缺氧、缺血高度敏感，但总摄

8、取量明显提高时，并不表示脑力作业效率的提高。,表 不同类型的脑力作业和技能作业的RMR实测值,脑力作业生理变化的特征，表现在窦性心律不齐（心脏搏动的频率不规则性）的变化上。实验证明，窦性心律不齐随脑力作业负荷的增加而减少，即脑力集中，心率变化减少；脑力分散，心率变化增大。但脑力作业特别紧张时，尤其是由于心理紧张而造成精神负担时，则可引起舒张期缩短而使心跳加快、血压上升、呼吸频率提高、脑部充血等。,第二节 信号识辩与持续警觉,第三节 记忆学习和技能培训,记忆遗忘学习技能培训,第三节 记忆学习和技能培训,记忆,两个基本过程：,记：体现为识记（信息的输入和编码过程）和保持（信息的贮存）忆：体现为再认

9、和回忆（信息的提取）,记忆三个阶段：,瞬时记忆 短时记忆 长时记忆,遗忘,19世纪末期，德国心理学家H.艾宾浩斯(H.Ebbinghaus)以其本人为主试和被试，对记忆和遗忘进行了大量系统的实验研究。,表 不同时间间隔的保持成绩,保持与遗忘曲线,第三节 记忆学习和技能培训,由该曲线可知，遗忘发展的进程是不均衡的，在识记后的短时间内，遗忘速度很快，以后逐渐缓慢，一定时间后，则处于停滞状态而几乎不再忘记。,图 艾宾浩斯保持和遗忘曲线,记忆保持时间：动作记忆形象材料和有意义的材料 识记的材料数量越多，识记后保持量越少,第三节 记忆学习和技能培训,遗忘的原因,干扰 是产生遗忘的重要原因,前摄干扰（也称

10、前摄抑制），即先前学习的材料对识记和回忆后学材料的干扰。倒摄干扰（也称倒摄抑制），即后面学习的材料对保持和回忆先学材料的干扰。,对于两种学习材料：前摄干扰的强度随先学材料的数量以及先后两种材料内容相似程度的增加而增加。倒摄干扰受先后两种材料相似程度、后学材料的难度以及先学材料保持程度等因素的制约。对于同种学习材料：首尾部分容易记住，而中间部分容易遗忘，因为首部无前摄抑制的干扰，尾部无倒摄抑制的干扰，而中间部分则既有前摄干扰又有倒摄干扰。,克服遗忘最好的办法是复习（按照遗忘规律复习）,第三节 记忆学习和技能培训,学习,学习程度 学习曲线,表 学习程度对记忆的影响,表示在技能形成过程中练习次数（或

11、练习时间）与练习成绩之间的关系的曲线，可用于研究知识和技能形成规律。,第三节 记忆学习和技能培训,短期学习曲线,长期学习曲线 高原现象,第三节 记忆学习和技能培训,技能培训,技能形成过程,模仿学习阶段 提高阶段技能成熟完善阶段,影响技能形成速度的因素,技能的性质不同，学习者掌握技能的速度也不同 技能结构的复杂程度不同，学习者掌握技能的速度也不同指导方法对于学习者掌握技能的速度有一定的影响 学习环境的优劣也是影响掌握技能速度的一个因素 人的主观状态，如动机、态度、能力、兴趣、文化程度、已有经验等对掌握技能的速度有明显影响,第三节 记忆学习和技能培训,技能提高的标志,工作速度的加快 工作质量的提高

12、工作失误率下降,技能的迁移和干扰,技能的迁移,引起技能迁移的原因，是新学习的技能与已经掌握的技能之间，在刺激和反应方面存在着共同要素。,技能的干扰,新学习的技能与已掌握的技能之间，刺激相同或极为相似而又要求作出不同的反应时，就会发生干扰。,例 学骑自行车、三轮车,第三节 记忆学习和技能培训,技能培训,为了获得良好的培训效果，应采用科学的培训方法，如：,在整个培训过程中，自始至终都必须把培养用正确方法操作、养成良好的操作习惯，作为培训重点。通常分散培训优于集中培训，这是因为分散培训有较多的时间间隔，可以消除大脑神经过程所产生的抑制。对于结构复杂的技能培训，应在工作研究的基础上，将操作技能分解为若

13、干个操作动作，利用图片和操作指导书，讲解操作动作，务必使学习者明白其中的道理。在培训中，应充分利用电化教学手段如幻灯、录像、电影、计算机等 在整个培训过程中，应将学习者的练习结果进行反馈。,第三节 记忆学习和技能培训,第四节 思维,思维过程推理与心理模型影响信息处理的因素,第四节 思维,思维过程,一般来说，解决问题的思维过程可以分为以下四个阶段：,认识和明确地提出问题分析所提出问题的特点和条件提出假设和考虑解决方法检验假设 以上四个阶段不能截然分开，有时是交错地进行着的。,推理与心理模型,推理,归纳演绎,一个问题的内容和前后关系比其基本逻辑结构更重要。人们在问题之间主要传送它们的内容和前后关系

14、而不是基本的逻辑结构。人们可能是根据自己记忆中认为正确的命题来构成事物的心理模型的。然后把这些命题用于推理，而不是对问题的细节进行逻辑验证。,心理模型,例 心理模型 一些有翅膀的动物能飞；鸟有翅膀；所以鸟能飞。无逻辑验证 企鹅就不会飞,心理模型帮助解释了人的某些心理能力，比如在某些情况下我们不能够合乎逻辑地进行推理。心理模型可以是物理的，也可以是概念的。,第四节 思维,影响信息处理的因素,大脑信息处理能力的制限 内外条件对信息处理能力的影响,大脑皮质对连续接受的各种信息不可能全部确切地给以处理，其能力具有一定限度的。,内部因素主要有：,觉醒水准动力学习（练习）疲劳,第四节 思维,第五节 注意,

15、概念注意的种类注意的基本品质,第五节 注意,概念,注意是依附和伴随人的认识、情感、意志等心理过程而存在的一种心理现象，是心理活动对一定对象的指向和集中。,指向性 集中性,注意的功能包括选择功能、保持功能和调节及监督功能。,注意的种类,无意注意 有意注意（随意注意）,无意注意是一种初级被动的注意，是一种既无预定目的也不需要付出任何意志努力的注意。引起无意注意的主要原因是客观刺激物自身的特点，即刺激物的新异性、刺激物的强度以及刺激物的活动变化和对比度等。,有意注意是一种积极主动的较无意注意高一级的注意，是有预定目的的，同时还需要付出意志努力的注意。引起和维持有意注意的主要原因是预先确定的目的和任务

16、，而刺激物自身的特点以及人的兴趣、欲望则处于次要地位。也就是说，有意注意指向和集中于人应该做的事情，而并不仅仅指向人喜欢做的事情。,第五节 注意,注意的基本品质,注意的广度 注意的稳定性 注意的分配 注意的转移,注意的广度也称注意的范围，是同一时间内，意识所能注意到的对象的数量。一般认为，注意对象越集中、排列越有规律、相互间的联系越趋向于有意义，注意的广度就越大，反之则越小；知觉任务难度小，注意广度相对大些；人的知识经验越丰富，注意广度也越大，即随着知识经验的积累，注意范围有所扩大。但是注意广度的扩大是相对的，也是有限的。,注意的稳定性亦称注意的持久性，是注意较长时间地保持在某特定事物上的能力

17、，是注意在时间上的特征。,注意的分配是指人在同一时间内把注意指向两种或两种以上的活动或对象的能力。它是人根据当前活动的需要主动调整注意指向的一种能力，与注意分散有本质的区别。,注意转移的快慢和难易，取决于注意的转移能力以及原来注意的紧张度和新的注意对象的特点和性质。,第五节 注意,第六节 人的信息输出,操作运动类型操作运动的速度操作运动的准确度手的运动速度和准确度,第六节 人的信息输出,操作运动类型,定位运动 重复运动 连续运动 逐次运动 静态调整运动,操作运动的速度,反应时间,反应时间简称反应时，是指从刺激呈现到作出反应之间的时间间隔，也称为反应潜伏期。,简单反应时间当单一刺激呈现时，人只需

18、作出一个特定反应所需的时间即为简单反应时间。选择反应时间当两种或更多种刺激呈现时，不同的刺激要求作出不同的反应所需要的时间即为选择反应时间。,影响反应时的因素：,感觉通道的种类 效应器官的特点 刺激的强度和刺激的性质 刺激出现时间的不确定性 训练程度 反应的复杂性 个体身心状态,图 不同感觉通道的简单反应,第六节 人的信息输出,运动时间 定位运动的速度,运动时间为运动开始至运动结束所耗费的时间，即完成反应动作的时间。运动时间随运动的距离与方式而改变。一般完成控制操作最少需300ms。因此，从刺激呈现到反应动作完成最少需300ms，加上反应时间200ms（估计数）共计500ms。在没有任何期待（

19、预先警告）的情况下，反应时间加运动时间一般为0.71s，甚至1s以上。,1954年费兹作实验结果表明，定位运动时间随目标距离的增加而增加；随目标宽度的增加而缩短。,图 定位运动时间和运动方向的关系,右手沿55方向向右上方作定位运动时间最短，即速度最快。,第六节 人的信息输出,在定位运动中，以肘为轴的前臂受控运动比牵动上臂及肩部的运动幅度较大的受控运动速度快、准确度高。,表 人体各部位动作的最大速度（次/min）,第六节 人的信息输出,重复运动的速度,重复运动是在速度上有较高要求的运动。,对于手轮和曲柄的操作运动，其运动速度受旋转阻力、旋转半径以及是否是优势手的影响。,表5-8 手运动的最大速度

20、,第六节 人的信息输出,操作运动的准确度,盲目定位运动的准确度,盲目定位运动的准确度以人的正前方为最高；右方稍高于左方；同一方位下方高于上方。,第六节 人的信息输出,连续运动的准确度,连续运动是在运动的全过程中要求准确控制的运动，但是，由于手臂的颤动，往往使运动偏离设计的轨迹，从而导致操作运动的准确度下降。,在垂直面和水平面内，手臂的前后运动的准确度明显低于垂直面内上下运动和水平面内左右运动的准确度。,图 手臂不同运动方向的颤动对连续运动准确度的影响,第六节 人的信息输出,操作运动速度越慢，准确度越高。但当速度慢到一定程度后，再以降低速度来提高准确度已无太大意义。因此，曲线的拐点处（图中点A）

21、，速度-准确度综合绩效最佳，即在该点处不仅速度较快，而且错误较少。该点也因此被称为最佳工作点。在实际工作中，操作者一般愿将工作点选在最佳工作点靠右侧的某一位置。,图 速度准确度操作特性曲线,第六节 人的信息输出,手的运动速度和准确度,手的运动速度 手的运动的准确度,一般右手较左手运动速度快，故称右手为优势手。右手由左向右运动又比由右向左运动速度快。手朝向身体的运动比离开身体的运动速度快。前后往复运动比左右往复运动速度快。从上往下运动比从下往上运动速度快。水平面内的运动比垂直面内的运动速度快。旋转运动比直线运动速度快，且顺时针运动比逆时针运动速度快。,向下按的按钮比向前按的按钮操作准确；水平安装

22、的旋钮比垂直安装的旋钮操作准确。手操纵旋钮、指轮、滑块的准确度，以操纵旋钮为最佳，指轮次之，滑块最差。圆柱状手柄，直径10mm左右的比30mm以上的操作准确；L形的柄头比圆形柄头操作准确。设置手臂支撑的手柄操作比无手臂支撑的准确。,第六节 人的信息输出,第七节 人的可靠性与人为差错,人的可靠性 影响人的可靠性的因素人为差错的概念及其分类人为差错和事故的关系人为差错的预防,第七节 人的可靠性与人为差错,人的可靠性,三里岛核电站事故,影响人的可靠性的因素,人的可靠性与压力的关系,表 给操作人员造成压力的类型,人的可靠性与意识水平的关系,表 大脑意识水平的等级划分,第七节 人的可靠性与人为差错,影响

23、人的操作可靠性的因素,第七节 人的可靠性与人为差错,人为差错的概念及其分类,差错是指人对系统造成了不希望的影响（包括潜在的影响）。虽然人们经常把人为差错和“操作人员”联系在一起，但是系统的设计和运行人员同样会造成错误。,注意,第七节 人的可靠性与人为差错,人为差错和事故的关系,没有哪一种事故，人为差错是其唯一的原因。,人为差错的预防,通常可以通过对人员的选择培训，对设备、程序、环境的合理设计来降低差错发生的可能性和后果。,降低失误的设计可以有以下三种：排除设计（Exclusion designs），完全消除失误的设计；预防设计（Prevention designs），使失误变得困难，但没有完全消除；失败后安全设计（Fail-safe designs），没有降低失误的可能性，但降低了差错后果的设计。作为降低失误的方法，设计更为有效和重要，系统的设计只有一次，而人员的选择和培训却是不断重复的。,第七节 人的可靠性与人为差错,