第五章认知及其绩效

人因工程学主讲人：徐国祺讲师[e-mail]：15104651538QQ：53739436工程楼521室第五章认知及其绩效认知心理学及人的信息加工模型1信息的接收与传递2记忆和学习3思维与决策4人的信息输出5人的可靠性与人为差错6生活中•过马路•出行–公交车–地铁–火车•就医•网购……….生活中•过马路•出行–公交车–地铁–火车•就医•网购……….工作•司机–红绿灯–路上标识–指示牌–其他车辆的指示灯……..如何认知问题？包括信息的处理、形势的估计、决策和计划等。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。一、认知心理学第一节认知心理学及人的信息加工模型为了解释人的认知活动，认知工效学家用信息的观点解释人的认知过程，将人模拟成一个与计算机类似的信息处理系统。人的信息处理系统由感知系统、认知决策系统、运动或反应系统组成。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。二、人的信息加工模型第一节认知心理学及人的信息加工模型二、人的信息加工模型注意资源反应的执行知觉编码决策和反应的选择操作记忆长时记忆感觉存储刺激反馈人的信息加工模型感觉器官和相关的记忆存储器组成感知系统，感受信息并进行简单信息编码。执行中枢信息系统发出的命令，产生系统的输出。接收信息并存入工作记忆中，从长时记忆中提取以前存入的有关信息和加工规律，进行综合分析后作出决策，将决策信息输出到运动系统第一节认知心理学及人的信息加工模型三、信息和信息量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。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，以适合通讯、存储或处理的形式表示的知识和消息。它存在于一切事物中，是一种抽象量。第一节认知心理学及人的信息加工模型消息中所含的信息量I与该消息出现的概率P（x）之间的关系式如下：)(log)(1logxPxPI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：1(bit)2log1/21log22I第一节认知心理学及人的信息加工模型我国古代烽火台是传递信息的工具。烽火台燃气烟火，表示敌人来犯，否则，表示敌军未动。它传递的信息只有两种情况：“有”或“没有”。这是最简单的通信情形，拿它作为信息量的单位，称为“1比特”。用数学的语言来说，即只含有0（无烟）和1（有烟）两种情况的通信，其信息量定义为12log2第一节认知心理学及人的信息加工模型假设烽火台上有两支烟囱，甲烟囱表示敌人情形：进犯（1），或未进犯（0）乙烟囱表示我方情形：需增援（1），或不需增援（0）得到四种情况：甲乙（00）敌人未来，不需增援；（01）敌人未来，需要增援；（10）敌人进犯，不需增援；（11）敌人进犯，需要增援。我们所知道的信息比以前多了，他所含的信息量应该是24log2（比特）第一节认知心理学及人的信息加工模型三支烟囱的烽火台可传递8种情况信息即：（0，0，0）；（0，0，1）；（0，1，0）；（0，1，1）；（1，0，0）；（1，0，1）；（1，1，0）；（1，1，1）这时信息量自然就是38log2（比特）正由于最简单的信息只有两种可能，因此计算信息量时采取以2为底的对数可以获得最基础的信息量1；当信息以y=2x发生变化的时候，用计算信息量就能正确反映出信息量的真实情况。xylog2第一节认知心理学及人的信息加工模型信息传递模式人机系统中，信息传递过程通常有三种模式：1）信息源发出的信息被信宿完全接收；2）信源发出的信息在传递过程中消耗殆尽；3）从信源发出的信息虽然有些损耗，信宿收到的信号也混有某些噪声成分，但仍有部分信源发出的信息被有效地传送到了信宿。系统设计的任务：合理设计，减小信息损耗，或通过提高信噪比，降低混淆度，提高信息传递质量。第二节信息的接收与传递一、信号识辨机理a.图像识别理论模型b.声音的解释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。•材料-驱动•概念-驱动•模式匹配理论•原型匹配理论•泛魔识别模型第二节信息的接收与传递一、信号识辨机理（一）感觉器官及其信息接收能力——信息接收感受器：按其接受刺激的性质可分为视、听、触、味、肤觉等多种感受器。1.感觉器官的信息接收能力（1）感觉器官要求“适宜刺激”信号的载体每种感受器通常只对一种能量形式的刺激特别敏感。这种刺激就是该感受器的适宜刺激。表1（2）感官对信息载体的能量要求也有一定的限度。表2要保证信息传递畅通有效，信号的能量必须较大幅度地超过人的绝对感觉阈值下限值。第二节信息的接收与传递（一）感觉器官及其信息接收能力——信息接收表1人的感觉和各类感受器的适宜刺激第二节信息的接收与传递（一）感觉器官及其信息接收能力——信息接收表2刺激阈限第二节信息的接收与传递(1)视觉瞳孔：用来调节进入眼内的光量。瞳孔大，在单位时间内通过的光量就多，反之就少。在非常明亮时，瞳孔的直径大约是2mm，在黑暗中，瞳孔的直径大约是8mm。注意：外界光的刺激强度的变化可以达到109，而瞳孔只能控制16倍左右的光量，因此光靠瞳孔来调节光量是远远不够的，在设计人机系统时就要考虑这一点。形成机制：第二节信息的接收与传递视觉运动规律：（1）眼睛的水平运动比垂直运动快。（2）眼睛习惯于从左到右，从上到下地运动。（3）人对水平方向尺寸的估计比对垂直方向尺寸的估计要准确。第二节信息的接收与传递第二节信息的接收与传递（2）听觉主要特征：可听范围：20~20000Hz听觉阈限：22212/101~/101mJmJ辨别频率：人耳对频率辨别能力较强，大于4000Hz的频率，相差1%就能加以区别（例如辨别人说话）。第二节信息的接收与传递辨别声强的能力：人耳对声强的辨别能力较弱，声强与人的主观感觉不成比例关系，而是对数关系。当声强增加10倍时，主观感觉的响度只增加1倍；声强增加100倍时，主观感觉的响度只增加2倍，依次类推。第二节信息的接收与传递任务结束时报警，不同任务尽量用不同的频率来区分！！第二节信息的接收与传递辨别声音的方向和距离：主要靠人的主观经验听觉的适应：在声音连续作用的过程中，听觉敏感度会随时间的延长而降低。听觉疲劳：听觉疲劳后，要经过几小时，甚至几天才能恢复听觉敏感度。第二节信息的接收与传递（3）触觉主要特征：触觉阈限：舌尖、指尖为2g/2mm、腰部：48g/2mm作用：是能辨别物体的大小、形状、硬度、光滑程度等。应用：操纵装置设计中，使操作者能够靠触觉准确的控制各种不同功能的操纵装置。注：主动触觉优于被动触觉；训练可以提高触觉能力（4）其他感觉（如嗅觉、味觉）应用：可以用来承担“警戒”任务。如：手机按键，鼠标操作，汽车操作等！第二节信息的接收与传递（一）感觉器官及其信息接收能力——信息接收感觉器官能察觉到信号刺激的强度和频率之间的差异条件：当信号刺激的能量分布落在绝对感觉阈值的上下限之间时在人机系统设计中，常利用信号的能量差异进行信息编码，例如飞机告警系统采用不同强度和不同频率的声音混合编码，以提高告警信号的传信绩效。韦伯定律：最小可觉差别与最初的刺激强度之比是一个常数。ΔA—能引起最小可觉差别所需要的刺激增量；A—最初刺激强度；感受器的适宜刺激为中等强度范围时，韦伯定律都适用。第二节信息的接收与传递（二）知觉1.含义人们通过感官得到了外部世界的信息，这些信息经过大脑的加工（综合与解释），产生的对事物整体的认识就是知觉。知觉以感觉作基础，是现实刺激和已储存的知识经验的相互作用的结果，是一种主动的和富有选择性的构造过程。2.知觉作为一种活动过程，包含了互相联系的几种作用：觉察：指发现事物的存在，而不知道它是什么分辨：把一个事物或其属性与另一个事物或其属性区别开来确认：确定知觉的对象是什么，给它命名，并把它纳入一定的范畴第二节信息的接收与传递知觉与感觉的区别：感觉：主要涉及外界刺激的物理特性；知觉：涉及人的认知特性，与人的经验、所受的教育密切相关例如，字母“A”。感觉：一些线条；知觉：是英文第一个字母第二节信息的接收与传递二、感知过程的信息存储（1）感觉储存。又称为感觉记忆或瞬时记忆。它是外界输入刺激后人对信息加工的第一个模块，感觉记忆的存储时间大约为0.25s-2s。瞬时记忆容量大，一般为9-20比特。（2）感觉存储编码。感觉存储编码形式主要依赖于信息的物理特征，因而具有鲜明的形象性（如图像记忆）。信息量大，大部分来不及处理消失，只有一部分信息由于注意而得到进一步加工，并进入工作记忆。第二节信息的接收与传递（3）感觉储存和工作记忆的交互作用。工作记忆是感觉记忆和长时记忆的中间阶段，即输入信息经过再编码，使其容量扩大。保持时间为5s-20min。感觉记忆中只有能引起个体注意并被及时识别的信息，才有机会进入工作记忆。（4）感知映像的衰退和储存容量。感知记忆（包括视觉映像和听觉映像）随时间消逝而衰退。实验研究表明，感知记忆中残存的信息数量随时间的消逝而遵循指数规律迅速下降。第二节信息的接收与传递三、感知系统的信息加工（一）信息加工方式（1）自下而上的加工指由外部刺激开始的加工，通常指先对较小的知觉单元进行分析，然后再转向较大的知觉单元，经过一系列连续阶段的加工而达到对感觉刺激的解释。例：WORD单词识别：从线条——确认字母——确认单词知觉的产生是基于大量的感觉信息（2）自上而下的加工是由有关知觉对象的一般知识开始的加工。大脑中的印象或观念能对刺激的解释有引导作用。第二节信息的接收与传递例：假设你坐在公园的长椅上等朋友，你不必把每个走过来的人的身高、体重、年龄、眼睛形状等与你的朋友的特征相比较，相反，你头脑中有一个你朋友的整体形象，你只要寻找与你头脑中那个整体形象相匹配的人。一旦某个走过来的人符合那个整体形象，你会在近处看清细节，以便确定这个人是不是你的朋友。知觉过程中即运用自下而上加工，也运用自上而下的加工例如：当你努力想听清某个人说话，你即运用了自下而上的加工——努力辨别每个词语，也运用了自上而下的加工——努力把你听到的内容与你了解的某个话题进行匹配。第二节信息的接收与传递（二）模式识别（1）模式是指由若干元素或成分按一定关系形成的某种刺激结构，也可以说模式是刺激的组合。例：由几个线段组成图形，是视觉模式。（2）模式识别当人能够确认他所知觉的某个模式是什么时，将它与其他模式区分开来，这就是模式识别。一般来说，模式识别过程是感觉信息与长时记忆中的有关信息进行比较，再决定它与哪个长时记忆中的项目有着最佳匹配的过程。第二节信息的接收与传递（3）匹配过程的实现方式，三种主要理论：第一种假设——模板论认为人们在头脑中储存有无数的模板集，这些模板非常详细，从而使我们有可能辨认出各种客体。把观察到的客体模式与头脑中的模板集进行比较并选出与之匹配的最佳模板，我们就识别了该客体。模板匹配理论难以解释字母知觉中的问题。我们能辨认一个字母在大小、方向和形式上的种种变化，很难想象在我们头脑里会储存有那么多模板。这个假设显然是很不经济的。缺陷：能解释人的某些模式识别，但存在局限性1）必须先存储相应模板才能识别，需要很大的模板数量，记忆负担加重。2）缺少灵活性，对人为什么有时会迅速识别一个新的模式不能很好解释。第二节信息的接收与传递第二种假设——原型论认为原型不同于模板，它不是一个具体的特定样式，而是一类事物最典型（最常见）的基本特征。知觉的识别过程不是与模板精确、等同的匹配，而是与原型相一致。研究发现，即使人们从来没有