阅读中疲劳、心理负荷因素对瞳孔大小的调节作用

摘要以大学生为被试，探讨文本阅读过程中，疲劳和心理负荷因素对瞳孔大小的调节作用。实验一主要检验文本阅读中的疲劳效应；实验二分析不同文本加工水平者的瞳孔变化差异，以探讨疲劳和心理加工对瞳孔变化的作用。结果表明：在文本阅读中，疲劳会使瞳孔缩小，心理负荷增大会使瞳孔放大，一定的心理负荷可以起到维持瞳孔大小不变的作用；疲劳和心理负荷因素对瞳孔大小的调节存在颉颃效应。

关键词瞳孔大小，心理负荷，疲劳，文本阅读。

分类号B842.1

1引言

人类的视觉系统是通过瞳孔获取外部信息的。瞳孔大小的变化，起到调节进入眼内光量的作用。从生物物理角度说，有两种情况会使瞳孔大小发生变化：一是与光的强弱有关，在强光照射时，瞳孔缩小以减小光线对视网膜的刺激；弱光时，瞳孔放大以使视网膜得到足够刺激，帮助分辨物体。二是与观察物体的距离有关，在看远处物体时，瞳孔放大以增加进入眼球的光线；看近处物体时，瞳孔缩小以减少进入眼球的光线，使成像清晰[1]。自从1960年，Hess和Polt发表“瞳孔大小与视觉刺激的兴趣值的关系”一文后[2]，这一领域兴起的大量研究发现，瞳孔大小的变化还与知觉、记忆、思维、语言加工、动机、情绪等诸多高级心理活动相联系[3]。这一方面的研究中，有关心理负荷（mental load）的研究一直是热点之一。

心理负荷也称心理加工负荷，是指单位时间内个体承受的心理活动工作量。它是反映监视、控制、决策等活动工作量的重要指标[1]。许多研究都表明：瞳孔直径是测量认知加工活动中资源分配和加工负荷的灵敏指标[4,5]；瞳孔的放大往往意味着认知活动中更大的加工负荷或心理努力[6]；瞳孔放大后，如果持续一定负荷水平的加工，瞳孔直径的大小将会得到维持。这种维持作用可能由大脑维持注意和信息加工的额叶部位控制[7,8]。

关于瞳孔和心理负荷关系的研究主要通过两条途径：（1）分析具有相同认知能力的个体进行不同难度认知活动时的瞳孔变化差异。例如，Just和Carpenter考察76名大学生阅读简单句子和复杂句子时的瞳孔变化，结果发现，加工复杂句子比加工简单句子瞳孔变化大，用时长[9]。（2）分析具有不同认知能力的个体进行相同认知活动时的瞳孔变化差异。例如，Ahern和Beatty通过学业能力倾向测验（SAT）把大学生分为高、低认知能力组，记录他们进行乘法运算时的瞳孔反应，发现瞳孔直径与认知能力呈负相关，即低认知能力组被试比高认知能力组被试瞳孔放大幅度更大。研究者进而认为，认知能力高的个体心理负荷更小，加工效率更高[10]。

另外，疲劳也是影响认知活动中瞳孔直径的一个主要因素。Lowenstein和Loewenfeld指出，当一个人在充分休息之后，其瞳孔直径最大，随着人的疲劳程度加深，瞳孔直径逐渐缩小[11]。Kahneman和Peavler在一项研究中发现，在其实验开始到结束整个过程中，被试的瞳孔直径不断地缩小[12]。因此，Hess曾指出，在研究瞳孔大小时，避免连续地呈现刺激，因为疲劳会导致瞳孔直径缩小[13]。

本研究通过上文第二条途径，即分析具有不同认知能力的个体进行相同认知活动时的瞳孔变化差异，研究疲劳、心理负荷因素对瞳孔大小的影响。

2实验一

2．1研究目的

探讨疲劳是否可以导致瞳孔缩小，以确定疲劳效应的存在。

2．2方法

2．2．1被试及分组

天津师范大学数学系一年级本科生8名，其中男生6名，女生2名，平均年龄为19.6岁（SD=0.52）。所有被试裸眼或校正视力均达1.0以上。

将所有被试随机分为2组，每组4人。一组作为高疲劳组，另一组作为低疲劳组。被试完成实验后，获得少量报酬。

2．2．2材料

6篇有关科技、历史等不同主题的说明文文本。平均字数为559字。没有生字、词，被试先前都未阅读过。文本采用20磅黑色宋体字，白色背景。每篇文本都以一屏呈现于计算机屏幕。

2．2．3实验环境

实验室具有隔光、隔声的功能，可以有效阻止外来光线和声音进入。采用2盏40瓦日光灯照明，并在实验过程中保持恒定。

2．2．4实验仪器

使用美国应用科学实验室生产的ASL504型眼动仪。配置有19英寸液晶显示器，作为刺激呈现屏。

2．2．5实验程序

被试坐在显示屏正前方65厘米处，并将头部固定在U形头托上。在被试感觉坐姿舒服后，主试对眼动仪进行校准。此过程大约需要30～50秒钟。校准完毕后，呈现1篇练习文本，要求被试阅读。实验指导语为：请你阅读几篇文章，所有文章都一屏呈现，每读完一篇文章后，请你评价该文章的写作质量，评价等级为优、良、差。被试完全理解实验程序并阅读完练习文本后，开始正式实验。高疲劳组被试按顺序依次阅读5篇文本；低疲劳组被试只顺次阅读其中的第一篇和第五篇文本。

2．3结果与分析

主要有2种情况会造成眼动仪的瞳孔取样记录缺失。一种是眨眼；另一种是视野丢失，即被试的注视点超出了眼动仪的捕获范围。检查所有被试的瞳孔取样记录，剔除样本缺失率大于20％的被试，以确保数据的准确性。据此剔除1名高疲劳组被试。再用平均数加减3个标准差的标准删除有效被试的瞳孔取样极值（样本删除率为2.3‰）。2组被试阅读第一篇、第五篇文本时的平均瞳孔直径比较见表1。

由表1可以看出，高疲劳组平均瞳孔直径减小幅度较大，而低疲劳组基本不变。由于瞳孔直径存在很大的个体差异，一般来说，随着年龄的增大，瞳孔的直径逐渐减小，变化逐渐增大，即使年龄相同的个体，由于遗传因素不同，其瞳孔直径也会有很大的差异[3]，所以，本研究中不对两个组之间作比较，只分别对两组被试阅读第一、五篇文本时的平均瞳孔直径大小进行配对样本t检验。统计结果表明在设定α水平为0.05条件下，高疲劳组达到边缘显著性水平，t（2）=4.027，p=0.056；低疲劳组无显著性差异，t（3）=-0.620，p=0.579。这在一定程度上说明，高疲劳组的瞳孔有一定的收缩，而低疲劳组不显著。

根据本研究的设想，高疲劳组比低疲劳组多阅读3篇文本，所以应该更为疲劳。如果，疲劳因素会导致被试瞳孔缩小，那么，高疲劳组阅读这2篇文本时的瞳孔直径应该显著减小，而低疲劳组基本不变。统计分析表明，结果基本符合预期。

根据上述结果，可以初步认为，疲劳会导致瞳孔缩小。同样，由于高疲劳组未达到统计学显著性水平，所以，必须谨慎地对待这一结论。在增加被试数的条件下，进行进一步的研究。

3实验二

3．1研究目的

探讨在疲劳因素和心理负荷因素共同影响下，个体阅读不同文本时的瞳孔变化。

3．2方法

3．2．1被试及分组

根据自编《课外阅读调查问卷》（5点量表）的调查结果，选取1年内军事文章平均阅读量不同的被试20名，这些被试为天津师范大学数学系一年级本科生，平均年龄19.8岁（SD=0.6）。所有被试裸眼或校正视力均达1.0以上。本研究假设军事阅读量大的被试比阅读量小的被试具有更丰富的背景知识，加工军事文本时心理负荷更小。据此，按问卷等级分将所有被试分为军事文本加工低心理负荷组（低负荷组）和高心理负荷组（高负荷组）2个组，分配结果见表2。

独立样本t检验表明，低负荷组问卷等级分非常显著地高于高负荷组。实验后通过询问被试也发现，低负荷组被试比高负荷组被试一般更喜欢阅读军事文章，阅读量也更大。被试完成实验后，获得少量报酬。

3．2．2材料

2篇军事文本，1篇专业性的心理学文本。平均字数为478字，没有生字、词，被试先前都未阅读过。文本采用20磅黑色宋体字，深绿色背景。每篇文本都以一屏呈现于计算机屏幕。

3．2．3实验环境

同实验一。

3．2．4实验仪器

同实验一。

3．2．5实验程序

所有被试都按顺序依次阅读3篇文本（军事文一，军事文二，心理文本），其它同实验一。

3．3结果与分析

以与实验一相同的标准剔除1名低负荷组男性被试，并删除有效被试的取样极值（样本删除率为4.2‰）。2组被试阅读每篇文本时的平均瞳孔直径比较见表3。

从表3可以看出，两组被试在按顺序阅读3篇文本过程中，瞳孔直径都逐渐减小，表现出一定的疲劳效应。分别对两组被试阅读3篇文本的数据进行单因素重复测量的方差分析，结果表明，低负荷组阅读3篇文本的瞳孔直径有显著性差异，F（2,16）=4.71，p0.05。进一步对低负荷组进行多重比较（LSD），结果表明，其军事文一的瞳孔直径非常显著地大于军事文二瞳孔直径，p0.05；军事文一的瞳孔直径与心理文本的瞳孔直径达边缘显著性水平，p=0.057。

上述结果表明，心理负荷量也是影响被试瞳孔变化的因素之一。根据本研究的假设，在军事方面，低负荷组被试相对于高负荷组被试来说背景知识更为丰富，具有一定的专家效应，所以加工文本时，心理负荷应该相对较小；而在心理学专业知识方面，两组被试都是新手，背景知识都较为贫乏，心理负荷应该都比较大。统计结果表明，从军事文一和军事文二的瞳孔直径比较看，低负荷组被试瞳孔直径显著缩小，这说明由于他们心理负荷较小，此时瞳孔主要表现为疲劳效应，而高负荷组瞳孔直径无显著差异，这表明由于他们加工两篇文本时都需要较高的心理努力，即心理负荷较大，导致瞳孔直径维持在一定大小，此时更多表现为心理加工效应，这也说明一定的心理负荷对瞳孔直径可以起到维持性作用。从军事文二和心理文本的瞳孔直径比较看，两组被试都无显著性差异，此时低负荷组和高负荷组一样都更多表现为心理加工效应。特别是低负荷组瞳孔没有继续明显地缩小，由此在一定程度上可以推断，心理负荷增大会导致瞳孔扩大，而疲劳则导致瞳孔缩小，这两个因素作用方向相反，表现出一定的颉颃效应。从军事文一和心理文本的瞳孔直径比较看，低负荷组达边缘显著性水平。这是由于从读军事文一到读心理文本的过程中，低负荷组心理负荷加大，疲劳加深程度也较大，不同于军事文二到心理文本的阅读过程中，心理负荷增大但疲劳加深程度较小。这一结果也是疲劳因素和心理负荷因素颉颃作用的结果。高负荷组差异不显著，表明心理负荷因素对瞳孔大小有较长时间的维持作用。

4讨论

实验一和实验二的结果都表明疲劳会导致瞳孔缩小，这与先前的一些研究结果相吻合。实验二表明，心理负荷增大会导致瞳孔放大，另外，一定的心理负荷也可以起到维持瞳孔大小不变的作用，这也与先前的一些研究结果相一致。也有研究表明，心理负荷减小会导致瞳孔缩小[14]。综合上述结论可以发现，疲劳对瞳孔大小的调节是被动的，而心理负荷对瞳孔大小的调节则是主动的。本研究中，被试的疲劳主要由外界刺激（阅读文本）决定，他对瞳孔的调节不受个体控制，但是根据认知需要（文本难度），个体可以主动地控制心理努力程度，进而主动调节瞳孔放大或缩小。这一现象可以通过瞳孔变化的生理机制得以解释：瞳孔大小的变化是由巩膜内的瞳孔扩约肌（也称缩瞳肌）和瞳孔散大肌（也称扩瞳肌）共同负责；瞳孔扩约肌受动眼神经的副交感神经支配，收缩时使瞳孔缩小；瞳孔散大肌受动眼神经的交感神经支配，收缩时使瞳孔放大[1]。疲劳因素可能是通过激活副交感神经，抑制交感神经使括约肌收缩，从而使瞳孔缩小。而心理负荷因素则可能是通过激活交感神经，抑制副交感神经使散大肌收缩，引起瞳孔放大。当心理负荷降低时，交感神经兴奋强度不再增大，而副交感神经抑制量降低，导致瞳孔缩小。疲劳因素和心理负荷因素同时调节瞳孔大小可能引起神经兴奋与抑制机制的对抗，从而产生颉颃效应。这一解释正确与否还有待进一步研究的证实。

5结论

本研究结果表明：在文本阅读中，疲劳会使瞳孔缩小，心理负荷增大会使瞳孔放大，一定的心理负荷可以起到维持瞳孔大小不变的作用；疲劳和心理负荷因素对瞳孔大小的调节存在颉颃效应。

参考文献

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9 Just M A, Carpenter P A. The intensity dimension of thought: Pupillometric indices of sentence processing. Canadian Journal of Experimental Psychology, 1993, 47(2): 310~339

10 Ahern S, Beatty J. Pupillary responses during information processing vary with scholastic aptitude test scores. Science, 1979, 205: 1289~1292

11 Lowenstein O, Loewenfield I E. The sleep-waking cycle and papillary activity. Annals of the New York Academy of Sciences, 1964, 117: 142~156

12 Kahneman D, Peavler W S. Incentive effects and pupillary changes in association learning. Journal of Experimental Psychology, 1969, 79: 312~318

13 Hess E H. Pupillometrics. In: Greenfield N S, & Sternbach R A (Eds.), Handbook of psychophysiology. New York: Holt, Rinehart & Winston, 1972. 491~531

14 Kahneman D, Beatty J. Pupillary responses in a pitch-discrimination task. Perception and Psychophysics, 1967, 2: 101~105