人的信息处理系统人因工程教材ppt课件.ppt

第九章人的信息处理系统 1 第九章人的信息处理系统 随着科学技术的进步 特别是电子计算机的飞跃发展 人在系统中的作用发生了根本性的转变 系统中的操作人员正在逐步地从直接控制人员转变成监视人员和决策者 生产过程中信息在时间和空间上密集化 对作业者劳动过程产生很大影响 作业者面临着大量的信息加工要求 必须保持注意力高度集中 并具有较高的反应速度和准确性 因此 了解人的信息处理系统构成 掌握信息处理过程和特征不仅对系统设计人员更好的完成系统设计 提高系统效率有重要作用 同时也是脑力负荷研究的基础 2 为了解释人的认知活动 认知工效学家将人模拟成一个与计算机类似的信息处理系统 人的信息处理系统的基本组成部分如图9 1所示 第一节人的信息处理系统模型 一 人的信息处理系统结构 图9 1人的信息处理系统的结构图 3 一 感觉系统 人的信息处理的第一个阶段是感觉 在这一阶段 人通过各种感觉器官接受外界的信息 然后把这些信息传递给中枢信息处理系统 二 中枢信息处理系统 人的认知系统接收从感知系统传入的经过编码后的信息 并将这些信息存入本系统的工作记忆中 同时从长时记忆中提取以前存入的有关信息和加工规律 进行综合分析后做出如何反应的决策 并将决策信息输出到运动系统 三 反应 运动 系统 它执行中枢信息系统发出的命令 产生人的信息处理系统的输出 第一节人的信息处理系统模型 一 人的信息处理系统结构 4 第一节人的信息处理系统模型 二 信息 信息量与信息传递模式 3 信息传递模式 人机系统中 信息在信息源和信宿 信息接收者 之间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 1 信息 信息是能消除事先不能确定的情况的信号或知识 它存在于一切事物中 是一种抽象量 2 信息量 信息量是人机系统中设计时考虑的重要参数 有关信息量的计算通常选用对数单位进行度量 5 一 感觉器官及其信息接收能力人通过感觉器官获得关于周围环境和自身状态的各种信息 感觉器官中的感受器是接收刺激的专门装置 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 其中视觉 听觉和嗅觉接受远距离的刺激 每一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 人的感觉和各类感受器的适宜刺激见教材表9 1 第二节感知系统的信息加工 一 感觉与知觉系统 6 一 感觉器官及其信息接收能力 第二节感知系统的信息加工 一 感觉与知觉系统 人的感官除了要求 适宜刺激 信号的载体外 感官对信息载体的能量要求也有一定的限度 感官的这种对信号刺激能量范围要求称为该感官的绝对感觉阈限 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限下限值 教材表9 2为几种主要感觉器官的刺激阈限 当信号刺激的能量分布落在绝对感觉阈限的上下限之间时 人不仅可觉察到信号的存在 还能觉察到信号刺激的能量分布差异 引起差别感觉的刺激间的最小差别称为差别感觉阈限 对最小差别量的感受能力叫差别感受性 差别感受性与差别感觉阈限成反比 两者之比是一个常数 这一关系称为韦伯定律 7 二 知觉 第二节感知系统的信息加工 一 感觉与知觉系统 人们通过感官得到了外部世界的信息 这些信息经过头脑的加工 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 知觉作为一种活动过程 包含了互相联系的几种作用 觉察 分辨和确认 在知觉过程中 人对事物的觉察 分辨和确认的阈限值是不一样的 如果说人们觉察一个物体比较容易 那么要确认这个物体就要困难得多 需要的加工时间也较长 8 第二节感知系统的信息加工 二 感知过程中的信息存储 1 感觉储存 感觉储存又称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 感觉记忆的储存时间大约为0 25s 2s 2 感觉储存的编码 感觉储存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 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 4 感知映象的衰退和储存容量 感知记忆 包括视觉映象和听觉映象 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曲线规律迅速下降 9 第二节感知系统的信息加工 三 感知系统的信息加工 人的知识经验和现实刺激是产生知觉所必需的 人的知觉过程所包含的信息加工方式主要体现为自下而上的加工和自上而下的加工两种方式 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 2 自上而下加工 是由有关知觉对象的一般知识开始的加工 由此可以形成期望或对知觉对象的假设 一般说来 在人的知觉活动中 非感觉信息越多 他们所需要的感觉信息就越少 因而自上而下的加工占优势 相反 非感觉信息越少 就需要越多的感觉信息 因而自下而上的加工占优势 一 信息加工方式 10 第二节感知系统的信息加工 三 感知系统的信息加工 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 模式识别是人的一种基本的认知能力或智能 在人的各种活动中都有重要的作用 人的模式识别可看作一个典型的知觉过程 它依赖于人的知识和经验 一般说来 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 关于匹配过程的实现方式 有三种主要模型 1 模板匹配模型 2 原型匹配模型 3 特征分析模型 二 模式识别 11 第二节感知系统的信息加工 三 感知系统的信息加工 1 加工周期 知觉加工器的加工周期时间与刺激脉冲反应的时间有关 2 单位知觉 如果在一个知觉加工器的工作周期里 有多个相类似的刺激发生 那么知觉加工器就会将它们当作一个刺激单位加以处理 3 感知加工的速率变化 在人类信息加工器模型中 知觉加工器的单位加工周期并非一个固定的常数 根据不同的刺激条件 加工周期可在一定范围内变化 三 信息加工周期 单位知觉 感知加工的速率变化 12 第二节感知系统的信息加工 四 人的信息传递能力 1 理论能力估计与人的实际能力 哈佛大学的米勒 G A Miller 在大量研究和考察的基础上得出了这样的结论 在最理想的条件下 传信能力的实际上限似乎处于25bit s左右 至今无人声称最高值能达到40bit s 2 感知觉的绝对辨认能力 如教材中表9 3为不同感知觉的绝对辨认能力 辨认能力是指当单个的刺激呈现而不与其他刺激作比较的条件下 感觉器官所具有的辨认能力 3 信息传递率 信息传输速率 R 是指人在单位时间内能传递的信息量 由于实验条件的不同 所得的信息传递率也不完全一致 一般认为 人的通道容量约为7bit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 这是因为作用于人的感官的外界刺激往往都是多维度的 13 第二节感知系统的信息加工 五 注意 一 注意的基本概念注意是心理活动或意识对一定对象的指向与集中 注意的指向性是指人在某一瞬间 他的心理活动或意识选择了某个对象 而忽略了另一些对象 当心理活动或意识指向某个对象的时候 它们会在这个对象上集中起来 即全神贯注起来 这就是注意的集中性 二 注意的功能 1 注意的选择功能 2 注意的保持功能 3 注意的调节及监督功能 14 第二节感知系统的信息加工 五 注意 三 注意的种类根据引起注意和维持注意有无目的及是否需要付出意志努力 注意可分为无意注意 有意注意和有意后注意 1 无意注意 无意注意是指事先没有目的 也不需要意志努力的注意 2 有意注意 有意注意是指有预定目的 需要一定意志努力的注意 3 有意后注意 有意后注意是注意的一种特殊形式 从特征上讲 它同时具有无意注意和有意注意的某些特征 15 第二节感知系统的信息加工 五 注意 四 注意的特性 1 注意的广度 注意广度是指在一个很短的时间内能知觉的注意对象的数目 2 注意的选择性 注意的选择性是个体在同时呈现的两种或两种以上的刺激中选择一种进行注意 而忽略另外的刺激 3 注意的持续性 注意持续性是指注意在一定时间内保持在某个认识的客体或活动上 也叫注意的稳定性 4 注意的分配 注意的分配性是个体在同一时间对两种或两种以上的刺激进行注意 或将注意分配到不同的活动中 16 第二节感知系统的信息加工 五 注意 1 注意的选择功能 1 过滤器理论 神经系统在加工信息的容量方面是有限度的 不可能对所有的感觉刺激进行加工 当信息通过各种感觉通道进入神经系统时 要先经过一个过滤机制 只有一部分信息可以通过这个机制 并接受进一步的加工 而其他的信息就被阻断在它的外面 而完全丧失了 2 衰减理论 基于日常生活观察和实验研究的结果 特瑞斯曼 Treisman 1964 提出了衰减理论 衰减理论主张 当信息通过过滤装置时 不被注意或非追随的信息只是在强度上减弱了 而不是完全消失 五 注意的认知理论 17 第二节感知系统的信息加工 五 注意 1 注意的选择功能 五 注意的认知理论 3 后期选择理论 这种理论认为 所有进来的信息都被加工 当信息达到工作记忆时 开始选择获得进一步加工的信息 因为进一步加工的选择是在工作记忆中进行的 即对信息的选择发生在加工后期的反应阶段 4 多阶段选择理论 过滤器理论 衰减理论及后期选择理论都假设 注意的选择过程发生在信息加工的某个特定阶段上 约翰斯顿等人 Johnston Heinz 1978 提出了一个较灵活的模型 认为选择过程在不同的加工阶段上都有可能发生 18 第二节感知系统的信息加工 图9 2三种理论的比较示意图 19 第二节感知系统的信息加工 五 注意 2 注意与认知资源分配 五 注意的认知理论 1 认知资源理论 该理论认为 与其把注意看成一个容量有限的加工通道 不如看作一组对刺激进行归类和识别的认知资源或认知能力 图9 3描述了注意的能量模型 20 第二节感知系统的信息加工 21 第二节感知系统的信息加工 五 注意 2 注意与认知资源分配 五 注意的认知理论 2 双加工理论 该理论认为 人类的认知加工有两类 自动化加工和受意识控制的加工 其中自动化加工不受认知资源的限制 不需要注意 是自动进行的 这些加工过程由适当的刺激引发 发生比较快 也不影响其他的加工过程 在形成之后 其加工过程比较难改变 而意识控制的加工受认知资源的限制 需要注意的参与 可以随环境的变化而不断进行调整 22 人在执行简单任务的时候 认知系统的功能是把感知系统输入信息与运动系统合适的输出行为连接起来 然而人类面临的系统任务是困难或复杂的 往往要涉及学习 记忆提取 问题解决等过程 因而认知系统的加工器活动也比其他系统的加工器活动更为复杂 第三节中枢 认知 系统的信息加工 23 认知系统的信息储存有两种方式 一种是为当前信息加工的需要而短时储存信息 一般称为工作记忆 另一种是为以后信息加工的需要而储存信息 即所谓的长时记忆 一 工作记忆 第三节中枢 认知 系统的信息加工 一 中枢 认知 系统的信息储存 1 工作记忆的含义及特点工作记忆也叫短时记忆和操作记忆 是感觉记忆和长时记忆的中间阶段 工作记忆有以下特点 1 信息保持时间很短 2 记忆容量小 3 对中断的高度敏感 4 短时记忆中的信息可被意识 24 一 工作记忆 第三节中枢 认知 系统的信息加工 一 中枢 认知 系统的信息储存 2 工作记忆的编码及影响因素听觉编码和视觉编码是工作记忆的主要编码方式 研究表明 工作记忆的编码通常是以听觉的声音符号方式进行的 但在工作记忆的最初阶段存在视觉形式编码 之后逐渐向听觉形式过渡 工作记忆编码效果的影响因素 1 觉醒水平 2 工作记忆的组块 3 认知加工深度 25 一 工作记忆 第三节中枢 认知 系统的信息加工 一 中枢 认知 系统的信息储存 3 工作记忆信息的存储和遗忘 1 复述 复述是工作记忆信息存储的有效方法 复述又分为两种 一种是机械复述或保持性复述 将工作记忆中的信息不断地简单重复 另一种是精细复述 将工作记忆中的信息进行分析 使之与已有的经验建立起联系 2 遗忘 记忆的内容不能保持或者提取时有困难就是遗忘 工作记忆的容量有限 储存时间也很短 在没有复述的情况下 工作记忆可保持15 30s 图9 3为阻止复述后工作记忆遗忘速率 26 第三节中枢 认知 系统的信息加工 图9 3阻止复述后工作记忆遗忘速率 27 一 工作记忆 第三节中枢 认知 系统的信息加工 一 中枢 认知 系统的信息储存 4 工作记忆的信息提取工作记忆中信息提取方式为完全系列扫描 即对全部项目进行完全的检索 然后做出判断 在这种提取方式下 肯定判断和否定判断都要对全部项目进行搜索 因此它们应该具有同样的反应时间 图9 4a 另外 反应时间是项目长度的函数 图9 4b是实验得到的结果 28 二 长时记忆 第三节中枢 认知 系统的信息加工 一 中枢 认知 系统的信息储存 1 长时记忆的含义和编码 1 长时记忆是指存储时间在一分钟以上 数月 数年乃至终身不忘的信息 2 长时记忆的编码就是把新的信息纳入已有的知识框架内 或把一些分散的信息单元组合成一个新的知识框架 长时记忆的编码形式主要有以下三种 a 语义类型编码b 语言特点编码c 主观组织 3 长时记忆编码的主要影响因素 编码时的意识状态和加工深度 研究表明 有意编码的效果明显优于自动编码的效果 加工深度不同 记忆效果也是不同的 29 二 长时记忆 第三节中枢 认知 系统的信息加工 一 中枢 认知 系统的信息储存 2 长时记忆的信息储存长时记忆中信息的存储是一个动态过程 从量的方面 存储信息的数量随时间的迁移而逐渐下降 从质的方面 存储的信息会出现不同形式的变化 3 长时记忆的信息提取 再认和回忆 1 再认是指人们对感知过 思考过或体验过的事物 当它再度呈现时 仍能认识的心理过程 图9 5为时间间隔对再认的影响 从图中可以看到 从学习到再认的间隔时间越长 效果越差 30 二 长时记忆 第三节中枢 认知 系统的信息加工 一 中枢 认知 系统的信息储存 3 长时记忆的信息提取 再认和回忆 2 回忆是人们过去经历过的事物以形象或概念的形式在头脑中重新出现的过程 回忆通常以联想为基础 31 二 长时记忆 第三节中枢 认知 系统的信息加工 一 中枢 认知 系统的信息储存 4 长时记忆中信息的遗忘 1 人的遗忘过程 19世纪末 德国心理学家艾宾浩斯采用自然科学的方法对记忆进行了实验研究 得出了人的遗忘发展进程规律 他还将实验的结果绘成曲线 这就是著名的艾宾浩斯遗忘曲线 图9 6 图9 6艾宾浩斯遗忘曲线 32 二 长时记忆 第三节中枢 认知 系统的信息加工 一 中枢 认知 系统的信息储存 4 长时记忆中信息的遗忘 2 遗忘原因实验表明 干扰理论是解释遗忘原因的重要理论 干扰理论认为 遗忘是因为在学习和回忆之间受到其他刺激的干扰所致 一旦干扰被排除 记忆就能恢复 而记忆痕迹并未发生变化 33 一 思维过程 第三节中枢 认知 系统的信息加工 二 思维与推理 思维是借助语言 表象或动作实现的 对客观事物概括的和见解的认识 是认识的高级形式 具体包括以下过程 1 分析与综合 分析是指在头脑中把事物的整体分解为各个部分或各个属性 综合是在头脑中把事物的各个部分 各个特征 各种属性结合起来 了解它们之间的联系 形成一个整体 2 比较 比较是把各种事物和现象加以对比 确定它们的相同点 不同点及其关系 比较是以分析为前提的 只有在思想上把不同对象的部分特征区别开来 才能进行比较 3 抽象与概括 抽象是在思想上抽出各种事物与现象的共同的特征和属性 舍弃其个别特征和属性的过程 34 二 推理 第三节中枢 认知 系统的信息加工 二 思维与推理 推理是指从具体事物归纳出一般规律 或者根据一般原理推出新结论的思维活动 前者叫归纳推理 后者叫演绎推理 演绎推理包括以下几种方式 1 三阶段推理 它是由两个假定真实的前提 和一个可能符合 也可能不符合这两个前提的结论所组成 2 线性推理 线性推理又称关系推理 在这种推理中 所给予的两个前提说明了三个逻辑项之间的可传递性的关系 3 条件推理 条件推理是指人们利用条件性命题进行的推理 它发生在当给出所谓的条件语句 决定在满足特定条件时将出现何种结果的规则 并要求推理者根据前面给出的信息对结论的有效性进行评价的时候 35 三 问题解决 第三节中枢 认知 系统的信息加工 二 思维与推理 1 问题解决的含义及脑机制 1 问题解决是由一定的情景引起的 按照一定的目标 应用各种认知活动 技能等 经过一系列的思维操作 使问题得以解决的过程 2 由大脑皮层其它部位加工过的信息 都要传递到额叶进行更复杂的加工 综合 编制成行为的程序 进而调节和控制人们的行为和心理过程 同时还要将行为的结果与最初的目的进行对照 以保证活动的完成 2 问题解决中的策略 1 算法 算法策略就是在问题空间中随机搜索所有可能的解决问题的方法 直至选择一种有效的方法解决问题 2 启发法 启发法是人根据一定的经验 在问题空间内进行较少的搜索 以达到问题解决的一种方法 常用的启发性策略 1 手段一目的分析 2 逆向搜索 3 爬山法 36 1 大脑信息处理能力的界限 第三节中枢 认知 系统的信息加工 三 影响信息处理的因素 1 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 其能力具有一定的限度 把从感觉器官得到的信息 在大脑皮质进行判断 决定采取什么样的行动时 人不可能同时处理两种以上的信息 2 在处理各种信息过程中 当时间十分充裕时 人们可以正确地进行处理 当信息时间短触信息又错综复杂时 就不能很好地处理 将出现以下各种情况 漏掉了未处理的信息 作了错误的处理 处理延迟 信息内容处理不全 信息处理的质量降低 使用了规定以外的处理方法 放弃处理 37 2 内部因素 第三节中枢 认知 系统的信息加工 三 影响信息处理的因素 影响信息处理能力的内部因素主要有 觉醒水平 动力 学习 练习 和疲劳 1 人的唤醒水平 唤醒水平指人的总体生理激活程度 它对工作效率有很大影响 在适宜的范围内 唤醒能维持大脑的兴奋性 有利于注意的保持和集中 但是超出此范围过分激活 人将处于十分紧张状态 无法实现有效行为 2 工作任务因素 认知加工器的加工周期通常为10次 s左右 每次约70 25 170 ms 认知加工器的加工周期变动性较大 不同的加工任务 其加工周期时间可在很大范围内波动 教材表9 5为不同认知系统的加工速度 38 2 内部因素 第三节中枢 认知 系统的信息加工 三 影响信息处理的因素 3 学习 从学习曲线规律可知 如果反复的练习同种作业 随着练习次数的增加 工作质量和效率都将在一定程度上有所改善 并能减轻人的疲劳 4 疲劳 对信息处理过程来说 疲劳将带来与学习相反的效果 在疲劳使信息处理能力降低的状态下 就会发生不能很好地处理刺激的反应模式 5 动力 人因具有动机才能对所给的刺激产生一定的行动 这种现象称为动力 人对作业形成动力是人处理信息时的基础条件之一 特别是在重新学习掌握信息处理方法时 动力具有更加重要的作用 39 3 外部条件 第三节中枢 认知 系统的信息加工 三 影响信息处理的因素 大脑依据记忆而积累的经验来确定如何处理新接受的信息和进行什么样的行动 信息处理过程与处理信息者的知识 技能等个人的因素有很大关系 但同时作业时间 时机以及作业条件等也有影响 例如 作业环境对作业者的生理和心理有直接和间接影响 在这些因素的影响下 信息的处理能力或者是增大或者是减少 40 第四节人的信息输出 操作者在接收来自系统的信息并对其进行中枢加工以后 便根据加工的结果对系统做出反应 这后一个过程即称为操作者的信息输出 信息输出是对系统进行有效控制并使其正常运转的必要环节 例如 汽车驾驶员为避免撞上前方突然出现的行人而刹住汽车 飞行员将瞄准器对准欲攻击的目标 等等 此类行为都是信息输出的表现 信息输出的实际形式是多种多样的 各类信息输出的质量取决于反应时间 运动时间和准确性等因素 本节主要介绍人的信息输出的形式 反应时间和运动时间 41 第四节人的信息输出 在实际情境中 操作者的信息输出形式多种多样 信息输出最重要的方式是运动输出 根据操作活动的形式 人体操作活动可分为以下六种 1 定位运动 2 重复运动 3 连续运动 4 操作运动 5 序列运动 6 静态调节运动上述各种运动形式 经常按一定的关系年并行或连续出现 例如 静态调节运动与其他各种运动同时存在 连续运动与操作运动穿插进行 重复运动往往在序列运动中出现等 一 信息输出形式 42 第四节人的信息输出 一 反映时的概念一般将外界刺激出现到操作者根据刺激信息完成反应之间的时间间隔称为反应时 反应时又称反应潜伏期 反应不能在给予刺激的同时立即发生 而是有一个反应过程 反应过程包括刺激使感觉器官产生活动 经由神经传递至大脑 经过加工处理 再从大脑传给肌肉 肌肉收缩后作用于外界的某种客体 二 反应时与运动速度 43 第四节人的信息输出 二 简单反应时与选择反应时间1 简单反应时 如果呈现的刺激只有一个 被试只在刺激出现时做出特定的反应 这时获得的反应时间称为简单反应时 2 选择反应时 有多种不同的刺激信号 刺激与反应之间表现为一一对应的前提下 呈现不同刺激时 要求做出不同的反应 这时获得的反应时称为选择反应时 二 反应时与运动速度 44 第四节人的信息输出 三 各种感觉通道的反应时不同的感觉通道受刺激的反应时明显不同 各种感觉通道的简单反应时见表9 6 二 反应时与运动速度 表9 6各种感觉通道的简单反应时 45 第四节人的信息输出 四 影响反应时的因素1 刺激信号性质的影响 1 刺激的强度 2 刺激的空间特性 3 刺激的持续时间 4 刺激的清晰度 2 人的机体状态的影响 1 机体对环境条件的适应状态 2 精神准备程度 3 年龄因素 二 反应时与运动速度 五 影响选择反应时的因素影响选择反应时的因素 除上述讨论的各种因素外 还有如下一些因素有特别重要意义 1 刺激物数量的影响 2 刺激物间差别的影响 3 作业时间长短的影响 4 信号间隔与发生频度的影响 46 第四节人的信息输出 三 运动时间 1 定位速度 1 早期进行的研究表明 定位运动时间依赖于运动距离和运动精度两个因素 2 关于定