双任务情境下不同加工水平汉字的瓶颈限制机制
2022-05-15吴彦文
吴彦文
(天水师范学院 教师教育学院,甘肃 天水 741001)
一、引言
在日常生活中,人们很少单调地重复操作一种任务,更多的是交替操作两个或两个以上的任务。心理不应期(psychological refractory period,简称PRP)效应的研究发现,当被试对两个相继出现的任务做出快速的按键反应或口头报告时,如果这两个任务呈现的起点时间间隔(stimulus onset asynchrony,简称SOA)较短时,任务2(T2)的反应时(RT2)显著增加,SOA越短RT2越长。在最短的SOA范围内,RT2随着SOA的变短而线性延长。但任务1(T1)的反应时(RT1)则不受SOA长短变化的影响(如图1所示),短SOA条件下出现的RT2显著延迟的现象即PRP效应。[1]PRP效应描述了两个任务在时间或空间上非常接近呈现条件下两个任务被同时或相继加工的现象。[2]
图1 PRP效应示意图
Pashler(1984)提出的反应选择瓶颈(response-selection bottleneck,简称 RSB) 模型[3]认为,任何一个任务的加工过程都由知觉识别、反应选择(中心瓶颈)和反应执行3个独立的处理阶段组成(如图2所示)。反应选择属于瓶颈阶段,知觉识别和反应执行属于非瓶颈阶段,人能同时处理两个任务的非瓶颈阶段,也能同时处理一个任务的瓶颈和另一个任务的非瓶颈阶段,但无法同时处理两个任务的瓶颈阶段,也就是说在T1的反应选择结束之前,T2的反应选择无法进入瓶颈得到加工。这样,在较短的SOA条件下,当T1正在进行其反应选择加工时,T2的反应选择加工前将有一个认知空闲(cognitive slack)期。SOA越短,认知空闲期越长,理论上来讲,SOA减少多少时间,T2将在认知空闲期内等待多少时间,因而短SOA条件下PRP曲线的斜率为-1或接近-1。[4]
图2 RSB模型加工示意图
按照RSB模型的假设,当T1占据中心瓶颈时,T2无法开始反应选择,只有T1完成了其反应选择加工,中心瓶颈被释放后T2才被允许进入瓶颈中并开始其反应选择,因为简单T2和复杂T2的知觉加工都在等待T1释放中心瓶颈的认知空闲期内完成,所以在短SOA条件下,简单T2条件下的RT2和复杂T2条件下的RT2不会有显著的差别(图2中②和③)。但在较长SOA条件下,由于T1已经完成了其反应选择加工后T2才进入瓶颈的,那么简单T2由于其知觉加工时间较短,复杂T2其知觉加工时间更长,因此简单T2条件下的RT2显著快于复杂T2条件下的RT2(图2中④和⑤)。
目前绝大多数PRP效应的研究集中在较简单的知觉判断任务中,且大量的PRP效应研究发现在知觉加工中普遍存在着瓶颈的限制机制。[5-8]那么,能否找到一种绕过瓶颈限制的方法,以提高人类对信息的处理效率是当代心理学家关注的焦点。McCann等人认为,将高低音辨别任务(T1)与词汇加工任务(T2)结合起来可能是克服瓶颈限制的有用方法。[9]当前自动化加工的研究发现,自动化加工具有不受中枢资源限制、不受其他加工过程干扰以及与其他加工过程能并行进行等特性[10],这是否意味着如果实验中操纵的T2具有自动化加工特征,那么T2是否由于不会额外占用中枢资源,就能避免和T1共同竞争有限的中枢资源,从而绕过瓶颈的制约?
目前对汉字的研究发现,汉字的形、音、义都存在着无意识自动激活的现象。[11-12]这意味着在双任务加工中,如果T2是能自动激活的汉字,那么就应该会出现汉字绕过瓶颈制约的问题。也有研究发现,汉字频率在汉字识别中起着核心作用,熟悉的、使用频率高的高频汉字相比较那些熟悉度低、较少使用的低频汉字更容易得到识别。[13]这意味如果汉字受瓶颈机制的限制,那么低频汉字受到的瓶颈制约机制是否显著高于高频汉字呢?带着这种疑问,本研究两个实验以高频和低频汉字为材料,探讨低加工水平和高加工水平条件下不同使用频率的汉字是否受到瓶颈制约的问题。
二、实验一:汉字低加工水平条件下的瓶颈制约机制
探讨对汉字进行外在颜色判断,汉字在低加工水平条件下不同使用频率的汉字是否受到瓶颈制约的问题。
(一)研究方法
1.被试
本科生31名,男9名,女22名,视力或矫正视力正常,听力正常,没有参加过类似的实验。
2.实验仪器和材料
本实验在联想奔Ⅳ计算机上完成,所有刺激均呈现在17英寸显示器上,显示器分辨率为1024×768,刷新率为75Hz。听觉材料为持续150ms的低音和高音,低音的频率为300Hz,高音频率为1000Hz,位速1144Kbps,音频采样大小16位,音频采样级别44kHz,立体声。实验前让被试倾听并判断能否清晰地辨别出高音和低音,无法分辨者不能参加实验。正式实验中的视觉材料为32个不同使用频率的汉字,高频黑色、低频黑色、高频红色、低频红色汉字各8个,高频字的使用频率从0.00837~0.05851,平均字频为0.02197,低频字的使用频率从0.00023~0.00464,平均字频为0.00157,对高频字和低频字的使用频率进行了独立样本t检验,结果发现二者的差异显著,t(30)=6.02,p<0.001,Cohen's d=2.13。为了防止笔画数对实验任务产生混淆,本研究对高频字和低频字的笔画数进行了匹配,高频字的笔画数从5~11划,平均笔画数为7.63划,低频字的笔画数从4~10划,平均笔画数为7.63划,对两组字的笔画数进行了独立样本t检验,结果发现二者的差异不显著,t(30) =0.00,p=1.00,Cohen's d=0.03。所有的视觉刺激均呈现在白色背景上。
3.实验设计
T2中的自变量均采用4(SOA:50ms、150ms、300ms、800ms)×2(汉字频率:高频、低频)被试内设计。因变量包括T1和T2的反应时和正确率。为了检验T2对T1是否产生的影响,对T1的数据也按照和T2同样的4×2被试内设计的方式整理并检验。
4.实验程序
实验程序用E-prime1.1软件编制。每次实验开始时,首先在屏幕中央出现持续时间为500ms的注视点“+”,接着出现500ms的空屏,空屏后出现持续时间为150ms的声音刺激。声音刺激后的50ms、150ms、300ms或800ms出现视觉刺激,持续时间为200ms,视觉刺激消失后出现2300ms的空屏等待被试做出按键反应。对T1,要求被试听到低音用左手中指按z键,听到高音用左手食指按x键;对T2,要求看到黑颜色的字用右手食指按小键盘1键,看到红颜色的字用右手中指按小键盘2键。告知被试对两个任务都要进行快速且准确的反应,但必须优先对T1做出反应。当声音刺激和视觉刺激在2.5s内没有做出反应时,该次实验的反应数据不被记录,算作一次错误反应。正式实验前被试先完成48次练习,只有练习正确率达到90%以上才能进入正式实验,没有达到标准者重新开始练习,直至达到实验要求。正式实验中没有反馈信息,中间休息3次,休息时间由被试自己确定,整个实验过程持续约35分钟。
(二)结果
数据统计分析前剔除T1和T2小于200ms和大于2000ms以外的极端反应时数据。由于T1和T2的平均正确率均在95%以上,故对正确率不再做进一步的处理和分析。各处理条件下T1和T2的反应时如表1和表2所示。
表1 不同SOA条件下声音任务的反应时(ms)及标准差
表2 不同SOA条件下视觉任务的反应时(ms)及标准差
1.声音任务(T1)
对T1反应时的方差分析结果表明,SOA的主效应显著,F(3,90)=11.72,p<0.001,η2p=0.28,SOA为50ms、150ms、300ms和800ms条件下T1的反应时分别为844ms、836ms、849ms和934ms,配对比较发现,SOA为800ms时的反应时与SOA为50ms、150ms、300ms时的反应时两两比较差异均达到了显著水平(p<0.05),50ms、150ms和300ms三种SOA条件下的反应时两两比较差异不显著(p>0.05),说明SOA的变化对T1的加工过程产生了显著影响。汉字频率的主效应以及SOA和汉字频率的交互作用均不显著(p>0.05)。
2.视觉任务(T2)
对T2反应时的方差分析结果表明,SOA的主效应显著,F(3,90)=232.24,p<0.001,η2p=0.89,随着SOA缩短,RT2线性递增,PRP效应非常显著,SOA为50ms、150ms、300ms和800ms条件下的反应时分别为917ms、806ms、707ms和567ms,配对比较发现,不同SOA条件下的反应时两两比较差异均达到了显著水平(p<0.001)。汉字频率的主效应以及SOA和汉字频率的交互作用均不显著(p>0.05)。
3.声音任务和视觉任务的相互关系
为了检验T1和T2之间是否产生相互影响,对各SOA条件下T1和T2的反应时数据进行进一步整理和分析,图3为T1和T2反应时的交互效应图。方差分析结果表明,T1和T2的交互作用显著,F(3,90)=214.63,p<0.001,η2p=0.88,进一步的简单效应分析发现,SOA为150ms条件下T1和T2反应时的差异不显著,其余三种SOA条件下T1和T2的差异均显著,分别为50ms:F(1,30)=10.83,p=0.003;300ms:F(1,30)=42.32,p=0.000;800ms:F(1,30)=104.45,p=0.000,这表明T1和T2之间产生了实质性的相互影响。
图3 不同SOA条件下T1和T2的反应时及标准误
(三)讨论
实验一发现,当SOA缩短时,RT2线性递增,PRP效应非常显著,说明在较短的SOA条件下,当被试对T1声音任务正在进行反应选择加工时,对汉字的认知加工被显著延迟,SOA越短,对汉字的认知延迟越多,这一点证明了在重叠的双任务加工中,即使是具有自动化加工特征的汉字也无法绕过瓶颈的限制,这一结果完全支持RSB模型的假设。但实验一在RT1上发现SOA的主效应显著,说明SOA的长短变化对T1的加工过程产生了显著影响。实验一还发现T1和T2之间存在显著的交互作用,说明两个任务的认知加工相互影响、相互制约,这一结果并不支持RSB模型的预测。
实验一中的RT1和RT2上都没有出现汉字的频率效应,这个结果与单任务情境下汉字频率的研究结果不一致。当前解释Stroop效应的平行分布加工(parallel distributed processing)模型[14]认为,字词属于自动化加工,不需要人的意识控制,而颜色属于控制性加工,需要人有意识地进行控制。一方面,实验一中在RT1和RT2上都没有出现汉字的频率效应是不是因为被试对汉字外在的颜色进行判断时,由于颜色控制性加工的特性占用了大量的中枢资源,使被试对汉字形、音、义的加工水平都很低?另一方面,当被试对汉字的颜色进行任务判断时,即使不激活汉字相应的形、音、义也能完成任务?如果以上两个原因都存在,那么实验一中出现的汉字受瓶颈机制的限制实质上并没有体现出汉字自动化加工的作用。为了验证以上可能性,实验二将采用能进一步激活汉字形、音、义等特征的高加工水平条件,以考察在该条件下不同频率的汉字是否受瓶颈机制制约的问题。
三、实验二:汉字高加工水平条件下的瓶颈制约机制
探讨对汉字进行内在的笔画数多少判断,汉字在高加工水平条件下不同使用频率的汉字是否受瓶颈制约的问题。
(一)研究方法
1.被试
本科生22名,男8名,女14名,视力或矫正视力正常,听力正常,没有参加过类似的实验。
2.实验仪器和材料
实验仪器同实验一。听觉材料同实验一,视觉材料与实验一不同之处在于把实验一中所有颜色为红色的汉字均改为黑色,多于7划和少于7划的汉字各有16个。
3.实验设计
同实验一。
4.实验程序
基本同实验一。不同之处在于对视觉刺激中少于7画的汉字用右手食指按小键盘“1”键,多于7画的汉字用右手中指按小键盘“2”键。
(二)结果
剔除T1和T2小于200ms和大于2000ms以外的极端反应时数据。由于T1和T2的平均正确率均在90%以上,故对正确率不再做进一步的处理和分析,各处理条件下T1和T2的反应时如表3和表4所示。
表3 不同SOA条件下声音任务的反应时(ms)及标准差
表4 不同SOA条件下视觉任务的反应时(ms)及标准差
1.声音任务(T1)
对T1反应时的方差分析结果表明,SOA的主效应显著,F(3,63)=18.39,p<0.001,η2p=0.47,SOA为50ms、150ms、300ms和800ms条件下的反应时分别为838ms、885ms、919ms和1076ms,存在随SOA的延长,RT1随之延长的趋势。进一步的配对比较发现,除SOA为150ms和300ms两种条件下的反应时差异不显著(p>0.05)外,其余SOA条件下的反应时两两差异均达到了显著水平(p<0.05)。汉字频率的主效应以及SOA和汉字频率的交互作用均不显著(p>0.05)。
2.视觉任务(T2)
对T2反应时的方差分析结果表明,SOA的主效应显著,F(3,63)=93.44,p<0.001,η2p=0.82,随着SOA的延长,RT2呈线性递减,PRP效应非常显著,SOA为50ms、150ms、300ms和800ms条件下的反应时分别为922ms、871ms、778ms和659ms。进一步的配对比较发现,不同SOA条件下两两反应时的差异均达到了非常显著的水平(p<0.001)。汉字频率的主效应以及SOA和汉字频率的交互作用差异均不显著(p>0.05)。
3.视觉任务和声音任务的相互关系
对T1和T2的反应时数据做进一步的分析和处理,方差分析结果表明,T1和T2的交互作用显著,F(3,63)=151.99,p<0.001,η2p=0.88,进一步的简单效应分析发现,SOA为150ms条件下T1和T2反应时的差异不显著(p>0.05),其余三种SOA条件下T1和T2反应时的差异均显著,分别为 50ms:F(1,30)=12.47,p=0.002;300ms:F(1,30)=30.94,p=0.000;800ms:F(1,30)=67.58,p=0.000,表明T1和T2之间产生了实质性的相互影响。图4为T1和T2反应时的交互效应图。
图4 不同SOA条件下T1和T2的反应时及标准误
(三)讨论
实验二采用对汉字内在的笔画数多少进行判断条件下得到了和实验一基本相同的结果,即在T2上出现了非常显著的PRP效应,说明采用能激活汉字形、音、义等特征的高加工水平条件也无法消除汉字受瓶颈制约的问题。实验二同样发现RT1随着SOA长短变化而变化,T1和T2存在显著的交互作用等,说明T1和T2的认知加工相互影响、相互制约。
四、综合讨论
本研究探讨了在不同加工水平条件下不同使用频率的汉字是否受到瓶颈制约的问题。按照自动化加工理论,具有自动化加工特征的汉字应该不会受到瓶颈的制约,这是因为自动化加工不受中枢资源的限制。所以当T1声音任务正在进行反应选择时,T2汉字应该能自动开始并完成其反应选择加工,T1的认知加工不会对T2产生干扰,PRP效应应该消失或很小。然而在实验一中,当被试对不同频率的汉字进行外在颜色判断时发现PRP效应非常显著,故推测当被试对汉字进行外在的颜色判断时,可能没有激活汉字的形、音、义等特征,被试只是对汉字的颜色进行了加工,由于颜色判断属于控制性加工任务,需要较多的中枢资源参与,这样T2和T1就会对有限的中枢资源进行竞争,从而导致被试对汉字进行外在的颜色判断时出现了显著的PRP效应,这样在实验中并没有发挥出汉字自动化加工的价值,这可能是导致实验一中出现汉字受瓶颈限制机制的重要原因。
为了进一步揭示汉字是否受瓶颈机制限制的问题,实验二采用了对汉字有较高加工水平的笔画数判断任务,即当被试在评估所看到的汉字到底有多少笔画时必定要激活该字的字形,当字形被激活后就会依次激活该字的音、义等特征,这样就从真正意义上发挥出了汉字自动化加工的价值。从理论上来讲,该加工水平条件下的汉字应该不会受到瓶颈的制约,PRP效应应该消失或很小,尤其是高频汉字更应该不会出现PRP效应。
然而,本研究两个实验结果一致表明,只要SOA变短,则RT2被显著延迟,实验一中SOA为50ms和800ms时的RT2差值为350ms,实验二中SOA为50ms和800ms时的RT2差值为263ms,说明具有自动化加工特征的汉字也无法绕过瓶颈的限制,而且高频汉字和低频汉字被延迟的时间几乎是相同的,说明即使是被试熟悉的、平时使用频率很高的高频汉字同样无法避免瓶颈的限制机制,说明PRP效应确实具有非常稳健的特征。
在T1上,本研究两个实验结果一致发现,SOA长短显著影响RT1的变化,这个结果显然不符合RSB模型关于RT1不受SOA长短变化影响的预测。关于这一点,Tombu和Jolicoeur在2003年提出了一个替代模型,即中枢资源共享(central capacity sharing,简称CCS)模型[15],该模型认为,中枢加工器一次可以处理多个刺激,但由于中枢信息处理能力有限,当两个任务同时进行反应选择加工时,它们必须共享有限的中枢资源,由于它们得不到充足的中枢资源,导致这两个任务的信息处理速度都显著下降。
本研究两个实验中发现的RT1随SOA长短变化而变化的结果可以用CCS模型做出合理的解释,即在较短的SOA条件下,由于T1和T2的反应选择阶段发生了重叠,被试在处理T1反应选择的同时也在处理T2的反应选择,这时T1和T2的反应选择都将得不到100%的中枢资源,因此RT2显著延迟,在T2上出现了显著的PRP效应。T1的处理速度也因为中枢资源的减少而变慢,但由于实验任务强调对T1的优先加工权,所以被试会策略性地在T1上分配更多的中枢资源(比如90%),这时被试对T1反应选择的延迟要显著小于对T2反应选择的延迟,体现在数据结果上则出现RT1受SOA的影响要远远小于RT2受SOA的影响。
本研究两个实验结果还一致发现在T1和T2上都没有出现显著的汉字频率效应,可能的原因有以下两点:(1)被试的文化程度高。本研究的对象是本科生,由于该研究对象对汉字的学习和接触非常频繁,所以即使是低频汉字,被试对它们的熟悉程度仍然很高,再加上在重叠的双任务加工中,被试要将有限的中枢资源分配到两个任务上,但由于实验强调对T1的优先加工权,当被试策略性地在T1上分配了较多的中枢资源后,T2只能得到极少的中枢资源,在T2上极少的中枢资源分配可能导致被试对高频和低频汉字的加工速度差异不显著,反映在高频和低频汉字的RT2上就不会出现显著差异了。(2)实验中汉字出现的频次高。由于本研究实验材料中选择的高频汉字和低频汉字各有16个,每个汉字在实验中出现8次,较少的汉字数量以及较高的出现频次导致被试对这些汉字有较大的练习效应,即使是低频汉字,也因为较高的出现频次使被试对它们的反应趋向自动化,这也可能是导致汉字的频率效应在T1和T2上都没有出现的重要原因,关于这一点在后续的研究中需要通过增加汉字的数量做进一步的验证。
为了验证T1和T2的认知加工是否相互影响,本研究两个实验对各SOA条件下的RT1和RT2数据做了进一步的处理和分析,结果发现RT1和RT2的交互作用非常显著,说明在以汉字为材料的PRP效应研究中,除了T1的认知加工对T2的认知加工产生了显著影响外,T2的认知加工也反向地对T1的认知加工产生了显著影响,这一点同样不能用RSB模型来解释,但用CCS模型可以做出较合理的解释,但CCS模型却无法解释为什么随着SOA的延长,RT1出现延长的趋势,这预示着在重叠的双任务加工中,语义加工任务和知觉判断任务的信息处理可能存在着较大的差异,因此对双任务的加工机制还需要做进一步的精确检测。
五、结论
综合以上数据结果与分析,本研究得到在重叠的双任务加工中信息处理的如下结论:(1)具有自动化加工特征的汉字也无法避免瓶颈的限制机制,PRP效应具有非常稳健的特征。(2)两个任务的认知加工过程相互影响、相互制约,存在实质性的交互作用。(3)双任务发生相互干扰的原因在于中枢加工阶段的信息处理能力有限,当两个任务共享有限的中枢资源时,双方都得不到充足的中枢资源,导致他们的信息处理速度都显著下降。