原标题：情绪状态对学习者虚拟图形加工认知负荷的影响研究

本文发表于《数字教育》2020年第5期（总第35期）高教数字校园栏目，页码：38-43。转载请注明出处。

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

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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。

认知负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，p0.05，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）实验材料

1.情绪测量量表

情绪测量采用PANAS量表[11] ，给出积极和消极情绪状态词语各10个，如“感兴趣的”“心烦的”，被试根据当前情绪体验选出一个合适的答案，选项1—5分别代表几乎没有、比较少、中等、比较强烈和非常强烈。本研究中该量表信度系数Cronbach’sα为0.88，效度系数为0.74。

2.认知负荷测量量表

采用Paas编制的认知负荷主观评价9点量表[12] ，包括心理努力和任务难度两个评价指标，从1到9表示付出的心理努力和任务难度依次递增。本研究中该量表信度系数Cronbach’sα为0.91，效度系数为0.77。

（四）实验设备与环境

实验仪器为联想电脑媒体渲染管理工具（型号P510/coco），HTC人机交互位置光学交互平台，含HTC虚拟现实头盔（型号HTCVILE）以及HTC手柄。采用Unity 5.6.1f1编程系统编辑基于VR仪器的程序。

虚拟场景构建出具有沉浸感的空房间。实验材料为由不同颜色和形状组成的三维立体规则图形。每个图形的呈现视角约为1.8°×1.8°。客体颜色与形状随机搭配出现，不存在颜色和形状重复的图形，图形大小相同，处于位置等距且高度相同的一行。次任务气球大小与识记图形一致。随着被试头部的移动，虚拟图形位置会发生变化。

（五）实验过程

1.情绪状态后测

为确保团体测试中的情绪状态分组在正式实验中有效，在测试后的一周内安排被试进行个别实验。实验前先用PANAS量表对被试进行情绪状态后测，核准后测分数仍然保持在积极与消极情绪分组的临界值之内，被试进入个别实验。

2.实验前准备

3.练习阶段

练习的单个试次分为四个阶段。一是注视阶段：首先虚拟空间呈现一个红色十字（大小为0.5cm×0.5cm×0.5cm）作为注视点，当被试将视线移到红色十字时，识记图形将会出现。二是学习阶段：在虚拟空间中央位置随机出现3个、4个、5个颜色与形状互不相同的三维立体规则图形，要求被试识记图形的形状和颜色。在学习过程中，有50%的概率虚拟空间会在随意位置出现红色气球作为次任务，要求被试看到气球后尽快按右手柄圆盘键进行反应，气球会在按键后或呈现时间结束后消失。三是保持阶段：学习阶段结束后，屏幕进入一个灰度空白空间，时间为0.5s。四是检测阶段：在虚拟空间中央位置出现一个三维立体规则图形，要求被试判断该图形是否在学习阶段识记过，被试在保证正确率的前提下尽快做出反应，如果被试在2s内不做出反应，则本轮次自动结束。检测完成后，空间给出结果反馈。四个阶段完成后，呈现0.8s空白屏作为实验缓冲，再进入下一个试次。

4.正式实验阶段

正式实验与练习程序一致，但不给予结果反馈。正式实验按刺激呈现时间分为0.5s和0.8s两个轮次，为避免顺序效应，采用拉丁方设计控制呈现顺序。每个被试共完成120个试次，其中每完成60个试次，被试进行认知负荷测试，之后可休息3分钟。

三、数据分析结果

使用SPSS 22.0软件对数据进行处理，不同情绪状态被试认知负荷平均数与标准差见表1。重复测量方差分析表明，情绪在主任务正确率上主效应显著F（1，28）=7.01，p0.05。

情绪状态在心理努力上主效应边缘显著F（1，28）=4.06，p=0.054，η2=0.13，同时情绪状态与项目数量的交互作用在心理努力上显著F（1.27，35.60）=9.06，p0.05）；在识记项目为5时，积极情绪心理努力评分高于消极情绪（p

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