Методы исследования исполнительной и познавательной деятельности

Содержание методов исследования движений определяется, с одной стороны, совокупностью параметров, характеризующих процесс реализации движения, а с другой – способами регистрации этих параметров.

Выделение комплекса параметров, описывающих процесс реали­зации движения, связано в первую очередь с выбором опред. концептуальной модели, описывающей работу двиг. системы (биомеханическая модель, физиологическая модель нерв­но-мышечного аппарата и др.). Осознание этого обстоятельства по­зволяет наметить подход к классификации методов исследования движений. Так, кинематические (характеристики простр. перемещения) и динамические (силовые) параметры движений и способы их регистрации связаны с разработкой биомеханической модели двиг. системы, а электромиографические методы исследования обязаны своим существованием разработке физиоло­гической модели нервно-мышечного аппарата.

Характеристику методов исследования движений следует на­чать с циклограммы, которая представляет собой фотосъемку дви­жения на неподвижную пластинку. Для этого на подвижных час­тях тела испытуемого укрепляются светящиеся метки или электри­ческие лампочки. Перед фотоаппаратом помещается обтюратор с опред. частотой, закрывающий объектив. На фотопластин­ке фиксируются последовательные положения лампочек, которые перемещаются в процессе выполнения движения вместе с кинема­тическими звеньями исследуемого тела. Для регистрации сложных циклических действий этот способ не применим. При кимоциклографии фотопленка, на которой фиксируется информация о пере­мещении лампочек, равномерно и медленно перемещается. В этом случае циклические действия растягиваются на регистрирующей пленке. Описанные методы циклографии и кимоциклографии пред­назначены для плоскостной регистрации перемещений.

Для исследования простр. перемещений применяются разл. модификации вышеупомянутых методов: стереоскопиче­ская съемка, т.е. съемка двумя объективами с параллельными оп­тическими осями, съемка объективами с конвергирующими оптиче­скими осями и др. Используется также «зеркальная методика», позволяющая получать снимки объекта с двух разл. т.зр. при помощи одного фотоаппарата и одного обтюратора. В объектив фотоаппарата попадают два изображения одного и того же исследуемого объекта: одно – непосредственно от объекта, а второе – отраженное под опред. углом через зеркало. Этот метод обеспечивает большую точность простр. из­мерений и удобство анализа экспер. материала.

Анализ циклограммы является достаточно трудоемким процес­сом. Для анализа перемещения разл. точек тела в простран­стве пользуются методами фотопромеров и номограмм.

В первом случае негативы циклограмм печатаются при помощи увеличителя на фотобумаге. Тем же путем на позитив накладыва­ется миллиметровая или полумиллиметровая сетка, что значитель­но облегчает работу с материалом и повышает точность измерения. Метод номограмм позволяет значительно упростить определе­ние всех трех пространственных координат зеркальных циклофотодокументов.

С помощью метода циклографии можно проводить достаточно тонкий анализ некоторых двиг. актов. Разработана методика циклографирования движений руки при гаптическом (всле­пую) прохождении лабиринта, на основании которой удалось диф­ференцировать ориентировочно-исследовательские движения руки от исполнительных. Пользуясь циклографической регистрацией, в составе осязательных движений руки выделили движения, выпол­няющие функции построения образа и опознания. В этих случаях движения также регистрировались в одной плоскости.

Существует еще ряд методов, используемых при исследовании разл. двиг. задач. К ним следует отнести методы изме­рения напряженности магнитных и электромагнитных полей, тензометрический, голографический, радиолокационный и др. Метод измерения напряженности магнитных и электромагнитных полей применяется для исследования сравнительно малоамплитудных и уг­ловых перемещений. Тензометрический метод, как и гониографический (о последнем будет более подробно сказано ниже), использу­ется для макро- и микроугловых измерений. Особенно широкое применение получила тензометрическая методика для измерения макроизменений суставного угла при исследовании тремора. Теле­визионный, голографический и радиолокационный методы в настоя­щее время еще не нашли должного развития в области исследова­ния движений. Телевидение используется в основном как индика­ционное устройство. Это связано с тем, что получение с телесистем простр. параметров в виде электрических сигналов, удобных для анализа перемещений объекта, представляет опред. трудности. Преодоление последних идет по пути широкого внедрения ЭВМ в область ЭИ. Методы голографии и радиолокации используются пока довольно редко, хотя и являются весьма перспективными. Пожалуй, самым удоб­ным и распространенным методом для измерения угловых пере­мещений является гониография. Гониография, дающая показания об изменениях простр. положения сочленения кинема­тической цепи, используется для целей искусственной обратной связи. Однако получение электрических сигналов, адекватных прос­тр. перемещению конечной точки открытой кинемати­ческой цепи, оснащенной гониометрическими датчиками, представ­ляется достаточно сложной тех. задачей. Поэтому приме­нение этого метода при исследовании простр. перемеще­ний изучаемого объекта существенно ограничено.

В арсенал методических средств исследования исполнительной деятельности входят и спец. образом организованные экс­пер. ситуации. Последние включают в себя различные переменные, которые можно рассматривать в качестве существен­ных условий, определяющих выполнение двиг. задач. Од­ной из широко распространенных экспер. ситуаций, применяемых в исследованиях исполнительной деятельности, явля­ется слежение.

Применительно к исследованию исполнительной деятельности человека ситуация слежения может рассматриваться в двух планах: как лабораторная модель разл. видов практической дея­тельности человека (работа оператора РЛС, управление разл. транспортными средствами и др.) и как экспер. прием решения некоторых теоретических проблем, возникающих при анализе двиг. поведения.

В ситуации слежения испытуемому предлагается совершать дви­жение, параметры которого (скорость, направление, амплитуда, время) должны удовлетворять параметрам движущейся цели, с ко­торой согласуется собственно движение испытуемого. Специфика ситуации слежения (в отличие от «точностной задачи» и задачи «сохранения постоянства» параметров движения) состоит прежде всего в том, что в данном случае двиг. поведение испыту­емого жестко детерминировано практически по всем параметрам движения.

Для описания слежения обычно употребляют несколько след. терминов: задающий или эталонный объект (или «цель») – объект, закон движения которого задается посредством опред. входной функции. Управляемый объект (или «курсор») – это объект, которым управляет испытуемый, воздействуя на орган управления. В движении управляемого объекта (выходная функ­ция) реализуется двиг. поведение испытуемого в заданной ситуации.

Задача слежения, т.о., состоит в том, чтобы значение выходной функции точно соответствовало значению входной функ­ции в соответствующий момент времени, а испытуемый должен на основе воспринятой информации выработать корректировочное воздействие, устраняющее рассогласование со значениями входной и выходной функции. В зависимости от того, насколько жестко детерминировано двиг. поведение испытуемого и какую информацию о слежении он получает, выделяют два клас­са переменных, определяющих ситуацию слежения.

Первый класс переменных связан с типом используемой вход­ной функции, который определяется, прежде всего, характером динамики входной функции во времени. Различают непрерывную и дискретную задачи слежения. При непрерывном слежении пара­метры входной функции непрерывно изменяются во времени. Если же значения входной функции изменяются в отд. моменты времени «скачками», то мы имеем дело с задачей дискретного сле­жения.

Второй класс переменных связан с характером информации о ходе решения задачи слежения. В зависимости от того, движется Цель или она неподвижна, различают соответственно преследую­щее и компенсаторное сложение. В случае преследующего слеже­ния испытуемый получает информацию трех видов: о движении цели, о собственном движении «преследования» цели и о рассо­гласовании (или об ошибке) положения цели и курсора. В ситуа­ции компенсаторного слежения цель неподвижна, а испытуемый должен на ней удерживать управляемый объект, который подвергается возмущающим воздействиям и отклоняется от требуемого положения. В этом случае информация о собственных регулирую­щих воздействиях на управляемый объект и характеристики вход­ной функции неразличимы. При решении задачи используется только информация о величине отклонения курсора относитель­но цели.

В зависимости от прикладной или теор. направленнос­ти изучения слежения по-разному формировались осн. зада­чи исследования и конструировались специфические экспер. процедуры, предполагающие, в частности, реализацию опред. вида слежения. Так, при использовании слежения как прикладного метода, как правило, применялось и применяется компенсаторное слежение. Это объясняется прежде всего тем, что осн. интерес в этом случае направлен на анализ разл. переменных, оказывающих влияние на величину рассогласования между положением задающего и управляемого объектов, и пере­мещение органа управления с целью минимизации ошибки. По­этому желательно максимально упростить экспер. про­цедуру и исключить из рассмотрения влияние «избыточных» кана­лов информации на процесс решения задачи. Напротив, в случае применения слежения для анализа теор. проблем (н-р, относительно роли эфферентных систем в регуляции движе­ний) богатство информационного поля в ситуации преследующего слежения обеспечивает более широкие возможности.

Использование слежения как средства анализа исполнительной деятельности предполагает выбор и моделирование в экспер. условиях (или в условиях обучения операторов при ра­боте на тренажерах) разл. переменных, обусловливающих процесс решения двиг. задачи. Среди таких переменных слежения наиболее распространены: временная задержка (т.е. интервал времени между управляющим воздействием и изменением регулируемой величины на входе), одновременное управление не­сколькими параметрами (многостепенное управление), в т.ч. и взаимозависимыми, манипулирование зрительной обратной связью (прерывание, инвертирование), доп. задача. Введение указанных переменных, а также использование разл. видов слежения в сочетании с др. методами анализа дви­жений обеспечивает решение широкого круга прикладных и теор. задач.

Необходимым условием успешного изучения двиг. ак­тов является создание адекватного способа регистрации и анализа пространственно-временной развертки исполнительных действий. Этому требованию удовлетворяет экспер. стенд для исследования инструментальных двиг. навыков.

Функциональная блок-схема экспер. стенда (рис.1) включает:

- систему управления объектом;

- цветной телевизионный индикатор;

- управляющую ЭВМ, которая работает как в режиме счета для многомерной статистической обработки результатов, так и в режи­ме управления экспериментом.

Система управления объектом включает многостепенный орган управления, тензометрический усилитель и блок операционных усилителей.

Орган управления манипуляторного типа (датчик простр. перемещения руки оператора) представляет собой пара­метрическую модель руки челове­ка; конструктивно выполнен как шарнирное соединение трех кине­матических звеньев посредством одностепенных шарниров и имеет три степени подвижности. Всякое простр. перемещение точки приложения оператором уп­равляющего усилия трансформи­руется в соответствующие изме­нения углов, образованных кине­матической схемой органа управ­ления. Входными параметрами являются текущие значения три­гонометрических функций углов, формируемые синусно-косинусны­ми датчиками, установленными на осях вращения звена. По ним в аналоговом вычислительном бло­ке строится простр. ма­тематическая модель органа управления относительно прямоуголь­ной декартовой системы координат. Конструктивное решение орга­на управления позволяет сохранять содержание и естественную на­правленность мануальных движений оператора, хотя система уп­равления предусматривает возможность нарушать однородность и соответствие моторного и сенсорного полей введением коэффици­ентов сжатия пространства или введением электрической инверсии направления одноименных векторов.

Независимость управления световыми стимулами по парамет­рам X, У, Z позволяет кодировать ими простр. коорди­наты перемещения объекта управления и формировать систему отсчета сенсорного поля оператора. Управляющие координатные сигналы строятся в блоке управления объектом по уравнениям свя­зи простр. движения руки оператора и органа управле­ния.

Программы управления экс­периментом и обработки полученных результатов реализуются

по интерпретирующей системе на ЭВМ М-6000 системы АСВТ. Веде­ние эксперимента осуществляется в режиме диалога с машиной по принципу приоритетного обслуживания след. устройств связи с объектом: модуля ввода дискретной информации сигналов управления экспериментатора и испытуемого; модуля группово­го управления выводом дискретной информации тестовых сигналов зрительного канала связи оператора; бесконтактного коммутатора; аналого-цифрового преобразователя, воспринимающего аналого­вые сигналы относительно положения руки испытуемого в прост­ранстве.

Использование ЭВМ на линии эксперимента дает возможность предъявлять на экране меняющиеся по сложности, числу элемен­тов и количеству составляющих маршруты движения; вводить сбои в привычное протекание действия, выражающееся в изменении тра­ектории движения; вводить инверсию, т.е. нарушать привычное соотношение перцептивного и моторного полей. Стыковка с ЭВМ облегчила трудоемкую ручную обработку десятков тысяч измере­ний; позволила получать точностные и скоростные характеристики движения непосредственно в течение эксперимента.

Описанный многоцелевой экспер. стенд позволяет регистрировать пространственно-временные – скоростные и точно­стные – параметры исследуемого процесса. Движения ручки-мани­пулятора записываются на ленте многоканального полиграфа в ви­де трех составляющих по оси X, У, Z. На отд. канале реги­стрируются сигнал от ЭВМ о предъявлении новой матрицы и сигналы испытуемого о совмещении с каждым элементом данной матрицы.

Движение управляемого пятна записывалось одновременно и на магнитофон, что давало возможность воспроизвести траекторию движения на графопостроителе, а также ввести данные экспери­мента в ЭВМ для обсчета.

Применение микроструктурного анализа, смысл которого за­ключается в выделении быстро текущих компонентов целостного действия, позволило выделить по каждой составляющей X, У, Z простр. движения след. стадии: латентную, фази-ческую (реализующую) и стадию контроля и коррекций. На рис.2 представлен образец записи перехода на один элемент в одном из маршрутов движения.

На рис.2 отчетливо видно, что движению по каждой составляющей предшествует значительный латентный период. Этот период можно рассматривать как пе­риод коррекций, характеризующийся мелкими движениями по той или иной составляющей, и период контроля за качеством совмеще­ния. Как видно из рисунка, время длительности стадий по каждой составляющей неодинаково: программирование по одной составля­ющей по сравнению с другой идет с некоторым запаздыванием, т.е. возможно последовательное пла­нирование по каждой составляю­щей. Аналогичным образом с не­которым сдвигом происходят и реализация и контролирование.

Эти данные послужили осно­ванием для выделения так назы­ваемого «чистого времени» бло­ков-стадий: БФП – блока форми­рования программы, БР – блока реализации, БКК – блока кон­троля и коррекций, а также двух стадий разброса: Дt1, включаю­щую в себя одновременно и пла­нирование и реализацию, и Дt2, объединяющую реализацию и кон­тролирование. «Чистое время» каждого блока – это то время, когда составляющие движения функционируют в терминах, при­сущих именно этому блоку, будь то планирование, реализация или контролирование. Разброс, характеризующийся величиной Дt1 и Дt2, дает представление о разбросе не только внутри одной стадии, но также между стадиями движения, характеризуя степень про­странственности осуществляемого действия.

Эксплуатация многоцелевого экспер. стенда откры­вает широкие возможности для исследования процессов управле­ния и построения движений.

Для решения целого ряда прикладных задач весьма эффектив­ным оказывается использование современных методических средств анализа когнитивных процессов.

Для целого ряда современных операторских профессий реша­ющей является способность зрительного обнаружения и различе­ния критических элементов, предъявляемых на фоне других, отли­чающихся по одним и совпадающих по др. признакам элемен­тов (экраны радиолокаторов, фотографии событий в камерах Вильсона, рентгеновские снимки и т.д.). Оптимизация такого рода деятельности связана в первую оче­редь с анализом свойств зрительной системы как фильтра прост­ранственных и временных

частот. Психофизические исследования на человеке и психофизиологические исследования на животных показали, что в зрительной системе существуют каналы пере­работки информации, специфичные по отношению к опред. простр. частотам изображения. Им свойственна макси­мальная чувствительность к синусоидаль­но-модулированному распределению яр­кости, имеющему опред. прост­р. частоту. Т.о., зрительная система структурно и функ­ционально способна к осуществлению частотного анализа любого изображения, подобно тому как аналитически некото­рая функция может быть представлена в виде сумм синусоидальных компонент при ее Фурье-разложении.

Характеристики этих частотно-специ­фических каналов определяют функцию контрастной чувствительности зритель­ной системы (рис.3), которая показыва­ет, насколько различные простр. частоты изображения усиливаются или, наоборот, ослабляются при прохож­дении через зрительную систему ([2]). Несмотря на то, что в силу не­линейности этих преобразований функции контрастной чувст­вительности адекватно характеризуют возможности нашего зрения только для околопороговых интенсивностей стимуляции, она со­держит существенно более полную информацию, чем многочислен­ные традиционные показатели «остроты зрения». Кроме того, при оценке любых средств зрительного отображения в первую очередь возникает вопрос о том, может ли быть вообще воспринята некото­рая информация. Поэтому проблема надпороговой нелинейности зрительной системы в данном контексте не столь существенна.

Рассмотрим более внимательно изображенную на рис.3 функ­цию. Хорошо известному факту неразличимости достаточно мелких деталей соответствует падение правой ветви кривой чувствитель­ности в области высоких простр. частот. Этот недоста­ток зрения компенсируется с помощью разл. способов увели­чения угловых размеров изображения. Менее известным является факт сниженной чувствительности зрения к низким простр. частотам, отражающимся в снижении левой ветви графика. Учет этого факта имеет большое значение, н-р, при рентгенологии, т.к. мягкие ткани и опухоли представлены на снимках именно низкочастотными, градуальными признаками яркости. Т.о., в зависимости от того, в какой части спектра изо­бражения может содержаться критическая информация, целесооб­разным оказывается не только увеличение, но и уменьшение раз­меров изображения. Поскольку диапазон возможных изменений угловой величины деталей весьма велик (примерно 1:20), ясно, что этого нельзя достигнуть простым изменением удаленности снимка.

Интересным развитием этого подхода является дополнение анализа простр. чувствительности информацией о вре­менной разрешающей чувствительности глаза. Эти исследования, в частности, позволили установить, что возможность различения характеристик формы объектов снижается, если пространственно-временные усилия предъявления совпадают с условиями, в которых наблюдается кажущееся (стробоскопическое) движение. Аналогичное восприятие быстродвижущихся реальных предметов хорошо известно каждому. Близкой областью прикладных исследований, испытавшей силь­ное влияние экспер. психологии, является область про­ектирования и создания многомерных устройств отображения ин­формации. Здесь задача проектировщика состоит в том, чтобы по возможности одновременно и без интерференции сообщить опе­ратору множество разнородных сведений, которые по отдельности или же в некоторой комбинации определяют правильность прини­маемых им решений. Вся история работ в этой области показыва­ет, что идеальным примером решения этой задачи является наше повседневное предметное восприятие, интегрирующее в единый, целостный образ не только разнообразную сенсорную информацию, но также данные, хранящиеся в памяти. Поэтому все более инте­ресные разработки в этой области в большей или меньшей степени опираются на использование экологически естественных механиз­мов перцептивной обработки, детали которых выявляются с по­мощью разнообразных методик изучения восприятия. Так, иссле­дования по психофизике восприятия пространства и движения дали начало целому семейству хорошо описанных в спец. литературе устройств отображения типа контактных аналогов – «коналогов». В сочетании с возможностью обращения к точной цифровой информации о каждом из критических параметров ситу­ации «коналоги» позволяют одновременно учитывать многомерную пространственно-динамическую информацию о положении таких объектов, как самолет, ракета, подводная лодка и т.п.

Большие возможности кроются в использовании резервов зри­тельной образной памяти для целей идентификации. Как показывают последние исследования, если запоминание случайных зрительных структур страдает от тех же ограничений, что и запоминание бессмысленного вербального материала [90], то запоминание предметных видовых слайдов, пусть даже довольно однообразных в тематическом отношении, намного превосходит

по своему объему и продолжительности хранения все др. известные виды памяти. Может быть, не самым важным, но, безусловно, весьма демонстра­тивным примером опоры на механизмы предметного восприятия может служить работа швейцарских авторов, перед которыми была поставлена задача создания алгоритмов, позволяющих обес­печить зрительное различение настоящих и фальшивых банкнот. Трудность этой задачи состоит в существовании значительного числа простр. параметров рисунка (расстояния между элемен­тами рисунка, их величина и т.п.), каждый из которых в норме характеризуется опред. диапазоном вариации.

 

Интересно, что попытка представить эти параметры в виде абстрактных фигур – замкнутых полигонов (рис.4) – оказалась столь же безуспеш­ной, как и использование данных в цифровой форме. Напротив, переход к представлению этих пара­метров в виде условных изображений чел. лиц (алгоритм Черно­ва), как видно из рис.4, позволяет до­статочно легко решить эту проблему.

Для исследования процессов ин­формац. поиска оператором ус­пешно применяются такие методиче­ские приемы, как регистрация движе­ний глаз, хронометрический анализ, факторный эксперимент и т.д. Развитие этих, уже достаточно тради­ционных, с т.зр. их практич. использования, направлений ис­следований привело к более детально­му анализу возможности использова­ния простр. характеристик движений глаз в оптимизации слож­ных сенсомоторных координаций. Но­вым направлением исследования явля­ется экспер. анализ про­цессов информац. поиска, кото­рые разворачиваются не во внешнем, а во внутр. пространст­ве или, точнее, во внутренних субъективных пространствах памяти оператора.

Прототипом большинства подобных исследований является ме­тодический прием хронометрического изучения процессов опозна­ния: испытуемый должен как можно быстрее определить, принад­лежит ли предъявленный ему объект к предварительно показанному «положительному» множеству. Типичные результаты состоят в том, что время как положительных («да»), так и отриц. («нет») реакций является линейно-возрастающей функцией величи­ны «положительного» множества (рис.5). Кроме того, наклон обеих функций оказывается примерно одинаковым. Это говорит о том, что информационный поиск среди репрезентированных в па­мяти элементов «положительного» множества представляет собой, во-1), последовательный, а во-2), исчерпывающий процесс. Др. словами, это такой процесс, который продолжается до полного перебора в памяти элементов множества, даже если на одном из промежуточных этапов поиска было установлено тождест­во показанного элемента с одним из хранящихся в памяти. Если бы поиск прекращался сразу после установления тождественности (самоокончивающийся поиск), то в негативных пробах приходи­лось бы рассматривать примерно в два раза больше элементов, чем в положительных. Поэтому наклон функции отриц. отве­тов должен быть в два раза больше наклона функции положитель­ных ответов.

Интересно, что в некоторых исследованиях были получены ре­зультаты, казалось бы, противоречащие этому анализу: функции для отриц. реакций оказались несколько более крутыми, чем функции для положительных реакций, но не в такой степени, как можно было бы ожидать в случае самооканчивающегося поис­ка. Более тщательный анализ, однако, показал, что эти резуль­таты являются артефактами, к сожалению, еще распространенного в психологии приема усреднения инд. данных. Резуль­таты одной части испытуемых оказались в точности соответству­ющими исчерпывающему типу поиска, тогда как результаты дру­гой, меньшей по количеству, группы испытуемых достаточно хорошо соответствовали самооканчивающемуся типу. Несколько парадок­сальным оказывается факт, что последние испытуемые, выбравшие, казалось бы, более рац. стратегию работы, в действитель­ности выполняли задание менее эффективно, чем испытуемые первой группы.

Этот последний пример непосредственно подводит нас к чрез­вычайно важному для Э вопросу об описании и система­тизации инд. различий в характеристиках ТД. Классические методы советской школы дифферен­циальной психологии создают основу эрг. при­емов типологии и конкретного инд.-психол. анализа. Наряду с этим развитие представлений о микроструктуре разл. видов познавательной и исполнительной деятельностей позволяет также дать психологически грамотную оценку различиям в особенностях реализующих их функциональных систем у конк­ретного индивида. При этом появляется возможность преодоления столь глубоко укоренившегося в дифференциальной психологии эмпиризма, сознательно ограничивающегося лишь исследованиями корреляционного типа. Более подробно пример такого подхода рассмотрен в разделе, посвященном методам анализа функциональ­ных состояний.