第十七章 实验心理学在工程心
理学中的应用
第一节工程心理学的诞生和发展（了解）
第二节 研究方法（理解）
第三节 心理负荷研究（理解）
实验心理学
实验心理学
东方航空401航班坠机事故引起了心理
学研究者的关注： 当401航班即将飞抵迈
阿密国际机场时，飞行员突然发现前轮指
示灯还没亮。
实验心理学
★那么
• 1．工程心理学诞生和发展的历程？
• 2．工程心理学的研究对象是什么？
• 3．工程心理学的各研究方法及其特点？
• 4．心理负荷是用何种方法进行测量的？
• 5．有关心理负荷有哪些具体研究？得出了怎
样的结论？
实验心理学
一、工程心理学的诞生
• 二战时期工业心理学
• （1）人对武器的适应
• （2）飞机的设计（速度读表、暗适应装
置）
第一节 工程心理学的诞生和发展
实验心理学
二、工程心理学的发展
• 工程心理学的发展也主要体现在----揭示
人类的能力和限度，以指导系统设计。这
一总的研究宗旨被分解为两个子目标：
（1）系统的安全需求；（2）操作上的方
便需求。
实验心理学
第二节 研究方法
实验心理学
在棒球场上，面对远处飞来的棒球，中锋必须
首先在其视野内发现棒球，才能判断球的落
点。在交通密集度高的航线上，飞行员必须
时刻注意航线以避开迎面飞来的其他飞机。
宇航员在停泊宇宙飞船时，必须觉察飞船和
泊位之间的相对运动情况。在高速公路上，
汽车驾驶员在超车时，必须觉察邻近汽车的
情况以确定是否能安全超过。那么，如何将
这一生活中的心理现象搬入实验室进行研究
呢？
一、实验室实验法
实验心理学
• 朗和加维想到了实验室中静态视敏度的研
究。在知觉一章中，我们曾讲到过静态视
敏度的测量，静态视敏度是指知觉静止物
体细节的能力，可以使用”兰道环Ｃ”进
行测量，即用带小缺口的字母C进行测量。
若环间缺口很大，被试便很容易注意到；
若环中缺口很小，字母C就会被当成O。被
试刚好能正确辨别的兰道环缺口的大小就
是被试的视敏度指数。如果要测量动态视
敏度，只要使兰道环按照一定的运动轨迹
运动起来就可以了。
实验心理学
• 朗和加维在他们的实验室中是这样进行实
验的：他们将兰道环投射到一个白色屏幕
上。实验的第一个自变量兰道环的缺口的
方向，兰道环的缺口可能朝向四个方向：
左上、右上、左下和右下，缺口的方向是
随机变化的，每次实验都不相同，被试的
任务就是判断运动着的兰道环缺口的方向。
实验的第二个自变量是缺口的大小，每次
实验都以一个较大的缺口开始，如果被试
的反应正确，那么缺口会变小，一直到被
试反应错误为止。然后，增大缺口的大小，
继续进行实验，直到被试再次对兰道环缺
口的方向作出正确判断，便停止实验。这
种测定阈限的方法称为极限法，正确与错
误反应的中间值就是被试的阈限，在本实
验中，就是被试的动态视敏度。
实验心理学
• 除了兰道环的缺口大小和方向外，朗和加
维还加入了另一个自变量----波长。因为
静态视敏度的实验发现与其他的视锥细胞
相比，蓝色的锥体细胞的感受性较强，人
们对蓝色物体的视敏度较高，辨认阈限较
低。因此，朗和加维认为，有必要研究波
长（颜色）对动态视敏度的影响。实验选
用了四种颜色，分别是白色、蓝色、黄色
和红色。
实验心理学
• 实验的第四个自变量是兰道环的运动速度。
早期研究显示不同的运动速度会对被试的
察觉产生不同的影响，比如：我们很难察
觉迅速在我们眼前滑过的东西。本实验中
选用了三种不同的角速度。
实验心理学
实验的最后一个自变量是被试眼睛的适应水平。
以往的研究告诉我们：在夜间观察时，视杆
细胞在视觉中起重要作用，此时视觉称为暗
视觉，而在光线明亮的情况下，视锥细胞在
视觉中起了重要的作用，此时视觉称为明视
觉。然而，视杆细胞和视锥细胞对波长（颜
色）有不同的敏感性。暗视觉的情况下，视
杆细胞即使无法辨别确定颜色，仍然会对各
种不同的波长以不同的敏感性作出反应。
实验心理学
• 所以，在暗视觉中，有必要研究波长的效
应，因为在这种情况下，视杆细胞的作用
占主导地位；而在明视觉条件下，则没有
必要，因为视锥细胞支配着视觉，占主导
地位。所以在本实验中，用夜晚观察条件
来产生暗视觉，用白天观察条件来产生明
视觉。
实验心理学
• 实验所使用的被试为两个男性，两人在戴
眼镜时的静态视敏度均是20/20。
• 在进行实验时，也要求被试带上眼镜。虽
然，实验的样本量很小，只有两个被试，
但这并不影响实验的内部效度，因为实验
结论完全可以在其他的实验室中重复验证，
这也正是实验室实验法的一大优点。
实验心理学
• 根据两个被试的实验结果，朗和加维总结
到：随着物体速度的增加，阈限（刚好能
察觉的兰道环缺口大小）也会增加。速度
越快，被试越难正确判断缺口的方向。在
夜晚观察条件（暗视觉）下，蓝色物体有
较低的阈限，比其他颜色的物体更易于被
知觉到；而在白天观察条件（明视觉）下
却不然。
实验心理学
马隆和柯克帕特里克将2100个出租车司机均分
为四组：三个实验组和一个控制组。依据年
龄、性别和有无事故的历史对司机进行匹配。
实验的自变量是车尾部刹车灯的安装情况。
实验中，刹车灯有四种安装格局：（1）当时
所有汽车正在使用的刹车灯格局，即在汽车
较低的两侧安装两个刹车灯，控制组车辆的
刹车灯就使用这种格局，即不对其刹车灯进
行任何调整；（2）汽车中央的高位刹车灯；
（3）独立的双高位刹车灯；（4）对现形的
刹车灯进行了调整，即将刹车和转向独立开
来。
二、现场实验法
实验心理学
• 分别按照（2）、（3）、（4）的安装格局
安装三个实验组车辆的刹车灯。实验的因
变量是车辆在一年中发生的追尾碰撞事件。
在此项研究中，所有的出租车司机在不同
的路况和气候的情况下行驶了6000多万公
里。
实验心理学
• 结果马隆和柯克帕特里克发现：使用中央高位刹结果马隆和柯克帕特里克发现：使用中央高位刹
车灯的司机比安装其他形式刹车灯的司机经历较车灯的司机比安装其他形式刹车灯的司机经历较
少的追尾事件。与控制条件（现存的刹车灯格局）少的追尾事件。与控制条件（现存的刹车灯格局）
相比，在安装中央高位刹车灯的情况下，追尾事相比，在安装中央高位刹车灯的情况下，追尾事
件的出现率少件的出现率少54%54%。并且即使事故发生，和控制条。并且即使事故发生，和控制条
件相比，有中央高位刹车灯的车能使追尾事件的件相比，有中央高位刹车灯的车能使追尾事件的
破坏程度降低破坏程度降低38%38%。马隆和柯克帕特里克推测，这。马隆和柯克帕特里克推测，这
种刹车灯的安装格局会使尾随车辆的司机在面临种刹车灯的安装格局会使尾随车辆的司机在面临
危险时，更快地刹车，从而降低了相撞时的速度危险时，更快地刹车，从而降低了相撞时的速度
和彼此的破坏程度。当出租车装上中央高位刹车和彼此的破坏程度。当出租车装上中央高位刹车
灯后，是什么使得尾随车辆的刹车加快了呢？马灯后，是什么使得尾随车辆的刹车加快了呢？马
隆和柯克帕特里克推测是由于中央高位刹车灯的隆和柯克帕特里克推测是由于中央高位刹车灯的
安装格局接近个体正常视线的缘故，也就是说，安装格局接近个体正常视线的缘故，也就是说，
刹车灯刚好位于司机驾车时通常看到的位置。刹车灯刚好位于司机驾车时通常看到的位置。
实验心理学
由于现场实验必须在真实的情景中加以实
施，实验设计必然会受到真实情景局限。因
而，现场实验有时使用准实验设计。准实验
设计（quasi-experiment design）是为适应
现场研究（或实地研究）（field study）的
需要而提出的。在现场研究中，不能像在实
验室实验中那样进行严格的控制。对被试条
件也不可能像在实验室实验中那样地随机取
样。下面举几种较常用的准实验设计。
实验心理学
• 1．时间序列设计
实验心理学
2．等时间取样设计
• 等时间取样设计（equal-time sampling
design）是时间序列设计思想的延伸，主要
也是根据心理特征变化趋势的平稳性。在等
时间取样设计中，抽取两个相等的时间段，
在一个时间段上给以实验处理，并在处理后
测量被试心理特征的值，在另一个时间段上
不进行实验处理，并在处理后测试被试心理
特征的值。
实验心理学
• 抽取若干这样的时间段对，计算每个时间
段对的两次测量间的相关，如果这些相关
间的一致性很好，就说明时间序列的平稳
性高，某一时间段上心理变化的趋势可以
用来预测其他时间段上心理变化的趋势，
也即现场实验的结果可以预测以后情景中
的相似行为的出现。并且每个时间段对中
两次测量间的相关值，可以作为判断实验
主效应的依据，如果相关很低，就说明实
验处理有效。
实验心理学
3．不等同控制组设计
实验心理学
三、情景模拟法
• 情景模拟法兼备实验室实验法和现场实验
法的优点，是工程心理学中一种比较理想
的研究方法，因此在工程心理学研究中得
到广泛的应用。
实验心理学
• 不过，情景模拟法研究的效果在很大程度
上取决于模拟的逼真度。逼真度越高，得
到的结果越接近于实际情形。情景模拟研
究的逼真度主要包含设备逼真度
（equipment fidelity）、环境条件逼真
度（environment fidelity）、作业活动
逼真度（task fidelity）和心理感受逼真
度（psychological fidelity）。
实验心理学
心理负荷（mental workload）是一个比较
复杂的概念，对于它的涵义至今没有统一
的认识。有研究者认为心理负荷是由输入
负荷、个体努力和工作绩效三部分构成，
也有研究者从工作性质或工作特点上区分
心理负荷和体力负荷，把体力支出少的偏
于脑力工作的负荷称为心理负荷。
第三节 心理负荷研究
实验心理学
• 所谓次要任务就是在执行重要任务（首要
任务）过程中所插入的一项无关任务。若
主要任务的心理负荷很高，人们就没有能
力进行次要任务，若主要任务心理负荷低，
剩下的心理资源便可以用来完成次要任务，
所以次要任务的成绩可以作为首要任务所
需注意力或是心理负荷水平的指标。实验
中常用的一些次要任务为：
一、心理负荷的测量
（一）次要任务法
实验心理学
• （1）节奏性敲击任务
• （2）时距判断任务
• （3）口头报告随机数法
• （4）记忆搜索任务
• （5）心算任务
• （6）选择反应时任务
实验心理学
主观评定法（subjective assessment）是让
被试对工作难度、时间压力、紧张心情等主观
感受或体验进行主观评定的方法。在完成人机
系统操作后，要求被试对他操作时的各个心理
负荷因素进行评分，所得分数可以作为他们心
理负荷水平的指标。比如：库珀—哈珀量表
（Cooper-Harper Scale，简称CH）和NASA
（加利福尼亚的美国国家航空和宇宙航行局，
National Aeronautics and Space
Administration，简称NASA）的作业负荷指数
便为两种用来测量真实情景中飞行驾驶的心理
负荷水平的量表。
（二）主观评定法
实验心理学
• 库珀—哈珀量表要求飞行员对操纵飞机时
感受到的飞机的可控程度进行评分。CH量
表为10点量表。
实验心理学
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（三）心率测量
实验心理学
• 自1983年开始，在美国国家航空和宇宙航
行局（NASA）的航空训炼总部（General
Aviation Trainer，简称GAT）进行了一系
列的飞行实验。这些实验在一种相对不太
昂贵的模拟飞行器中进行，训练飞行员驾
驶单一引擎的飞机。在模拟飞行器中，飞
行员通常可以感觉到整个飞机座舱随自己
的驾驶而运动，十分逼真。与真实的驾驶
经验的唯一不同在于，常用不透明物覆盖
模拟飞行器座舱的窗户，使得飞行员必须
依靠仪表上的读数来操作，而不象真正的
驾驶中，飞行员可以看见实物。
二、心理负荷研究
实验心理学
• NASANASA的研究者们就是在这样一种飞行模拟器中，的研究者们就是在这样一种飞行模拟器中，
采用次要任务法对飞行驾驶的心理负荷进行了分采用次要任务法对飞行驾驶的心理负荷进行了分
析。在实验中，他们要求飞行员对两个或四个不析。在实验中，他们要求飞行员对两个或四个不
同频率的音调做选择辨别反应。接受实验的飞行同频率的音调做选择辨别反应。接受实验的飞行
员可以通过按其左侧母指处的转换器来来完成这员可以通过按其左侧母指处的转换器来来完成这
一反应，反应的正确与否依赖于所呈现的音调的一反应，反应的正确与否依赖于所呈现的音调的
音高。模拟飞行器实验中，每音高。模拟飞行器实验中，每2222秒钟出现一个声秒钟出现一个声
调。对于主要的驾驶任务而言，每个飞行员在模调。对于主要的驾驶任务而言，每个飞行员在模
拟飞行过程中的路程都是难易相间的，对于不同拟飞行过程中的路程都是难易相间的，对于不同
等级的飞行员安排不同难度的情景（路况）设计，等级的飞行员安排不同难度的情景（路况）设计，
每个模拟情景飞行三次：一次是只有首要任务，每个模拟情景飞行三次：一次是只有首要任务，
作为控制条件；一次是附加一个二选一的选择反作为控制条件；一次是附加一个二选一的选择反
应时任务；另一次则是附加一个四选一的选择反应时任务；另一次则是附加一个四选一的选择反
应时任务，每次飞行持续应时任务，每次飞行持续2222分钟。分钟。
实验心理学
张智君等人（1994）的实验对此做了
具体分析。他们的实验使用视觉----手控
速度追踪作业研究追踪速度负荷与工作效
率的关系。实验中要求被试用手控制追踪
杆操纵计算机屏幕上的一个兰色瞄准子
”+”以追踪屏幕上的一个红色目标”○”。
目标以规定的速度移动，目标在屏幕上移
动的位置取决于三个振幅不同的正弦函数
值的叠加。目标移动速度分别为A、B、C、
D、E、F六档，A最慢，F最快。要求被试尽
力使瞄准子紧随目标。追踪作业效绩以
”+”对”○”的平均误差距离（单位为像
素）表示，并在追踪误差距离超过规定界
限时由计算机发出音响警告。
实验心理学
• 结果表明平均误差距离和音响警告次数都
随追踪任务心理负荷的提高而增加，统计
检验表示只有A、B两种速度间的效绩没有
显著差异，其他速度间的差异均达到
P<的水平。这说明速度B可能是心理负
荷的临界点，即在心理资源的极限值附近，
一旦超过了这一临界值，心理负荷的提升
便会明显地影响工作效绩。心理负荷越高，
追踪任务效绩下降越快。
实验心理学
