Исследования зрительной деятельности человека

С. Д. Смирнов

Методика

Испытуемый помещался перед экраном, по которому непрерывно двигался зрительный тест-объект, В различных сериях ему предъявлялись различные тест-объекты:; (рис. 2, а, б, в, г), относительно которых формулировались содержательные задачи (см. описание тест-объектов и задач в соответствующих  сериях).  Тест-объект  всегда  перемещался только     в горизонтальном     направлении     со     скоростью 10—12 град/сек. Амплитуда движения объекта составляла 18°.

Для сравнения движений глаз при решении задач и при слежении по инструкции проводились специальные опыты, в которых испытуемых просили тщательно фиксировать какую-нибудь мелкую деталь того же движущегося объекта.

Опыты проводились в условиях    бинокулярного    зрения. Движения правого глаза записывались фотооптическим методом (Ярбус, 1965). Луч от зеркальца присоски проецировалась на экран, представляющий собой открытую    фотобумаг движущуюся со скоростью 1 или 4 см/сек. В результате плавные движения глаз регистрировались на фотобумаге в вид| наклонных линий (рис. 1, а, б, в). Угол наклона, образованный этими линиями с горизонтальной плоскостью, отражает скорость движения глаза.

Параллельно с записью движений глаза на той же ленте фотобумаги регистрировалось движение объекта. Это было необходимо, во-первых, для контролирования и учета всех параметров движения объекта и, во-вторых, для определения взаимного положения глаза и объекта в любой момент времени (точнее говоря, для определения того, в каком участке поля зрения находится объект в данный момент времени). Для понимания процедуры, с помощью- которой решался этот вопрос, необходимо подробнее остановиться на технической стороне эксперимента.

Подача тестовых изображений на экран осуществлялась с помощью проектора (см. рис. 3, а), снабженного устройством для непрерывной протяжки пленки в горизонтальном направлении. Так как в ходе опыта    требовалось    многократное прохождение объекта по экрану, на пленке фиксировалась серия идентичных изображений, расстояние между которыми равнялось величине кадрового окна проектора, что обеспечивало постоянное присутствие одного и того же движущегося тест-объекта в поле зрения испытуемого.  Фотопленка  изготавливалась таким образом, что сам объект занимал лишь верхнюю половину кадра, а в нижней    половине    кадра    по линии, соответствующей вертикальной оси симметрии объекта, была расположена точка (рис. 3, б). Выходя из проектора, лучи, несущие изображение объекта и точки,    разделялись. Объект с помощью системы зеркал проецировался на экран. Точка с помощью одного зеркала проецировалась на ту же ленту фотобумаги, на которой записывались движения глаз. Таким образом, движение точки абсолютно точно дублировало все особенности движения объекта.    На рис. 3, в ход лучей для объекта показан пунктирной линией, ход лучей точки — сплошной,  а ход луча, записывающего    движения    глаз, — штрихпунктирной линией.

Расположение системы зеркал и расстояния между ними подбирались таким образом, чтобы длина хода лучей для объекта (сплошная линия) и для точки (пунктирная линия) была одинаковой. Это обеспечивало равенство амплитуд движения объекта по экрану и движения дублирующей точки на ленте фотокимографа.

Для того чтобы при точном прослеживании амплитуда луча, регистрирующего движения глаза, также совпадала с амплитудой движения объекта и дублирующей его точки,';] расстояние от глаза до фотокимографа было примерно в два раза меньше, чем расстояние от глаза до экрана. Необходимость такого соотношения диктуется тем, что при повороте глаза угловое смещение луча, отраженного от присоски, в два раза превышает угол поворота самого глаза.

Перечисленные приемы обеспечили совпадение и синхронизацию лучей, регистрирующих движения глаза и объекта в периоды точной фиксации линии взора на объекте' (рис. 1, в). Для оценки точности этого совпадения в начале и по возможности в конце каждого опыта проводилась калибровка взаимного положения обоих    лучей    при    инструкции испытуемому тщательно фиксировать ряд последовательных положений объекта на экране ((рис. 3, в). Если при этом обнаруживалось заметное исходное смещение лучей, регистрирующих положение глаза и объекта, то величина этого смещения оценивалась и учитывалась при обработке.

Для того чтобы иметь возможность в любой момент времени определить положение непрерывно движущегося объекта и поле зрения движущегося глаза (что необходимо в случае неточного слежения), использовался следующий прием, На пути луча, дублирующего движение объекта (сплошная линия па рис. 3, а), было поставлено электромагнитное реле с заслонкой. В исходном нижнем положении заслонка не мешает прохождению луча, но при нажатии кнопки, вызывающей срабатывание реле, заслонка поднимается вверх и на мгновение перекрывает луч. Заняв новое верхнее положение, заслонка по-прежнему не препятствует прохождению луча, и лишь при отжатии кнопки она второй раз пересекает путь луча, вновь занимая исходное положение. В результате каждое нажатие и отжатие кнопки приводит к появлению коротких разрывов той линии на фотобумаге, которая описывает движение объекта (см. рис. 1, а, б, в). Второе реле, срабатывающее от нажатия той же кнопки, было вмонтировано в осветитель, посылающий луч на зеркальце присоски. Заслонка этого реле в исходном положении прикрывает дополнительную диафрагму, расположенную рядом с основной диафрагмой осветителя. При срабатывании реле заслонка открывает дополнительную диафрагму и из осветителя выходит второй луч, записывающийся на фотокимографе рядом с основным (рис. 1, а, б, в). Сопоставив взаимное расположение мест разрыва линии объекта и мест начала и окончания раздвоенности линии глаза, мы можем узнать, в каком участке поля находится объект в моменты нажатия и отжатия кнопки (на рис. 1, в объект находится в центре поля зрения). Если в данном цикле плавного движения (от скачка до скачка) глаз двигался со скоростью, равной скорости объекта (в этом случае линия глаза и линия объекта проходят параллельно; рис. 1, в), то можно сделать вывод, что в течение всего цикла объект находился в данном участке поля зрения.

Если глаз двигался с другой скоростью или, более того, он двигался неравномерно, то описанная процедура позволяет определить взаимное положение глаза и объекта лишь в моменты нажатия и отжатия кнопки. Для преодоления этой трудности мы ввели в схему установки еще один элемент — вертушку с двумя лопастями, расположенными под углом 90°. Она помещалась на пути лучей, идущих из осветителя к зеркальцу присоски, и вращалась с постоянной скоростью с помощью электромотора (рис. 3, а). В результате «линия глаза» на фотокимографе стала прерываться через определенные промежутки времени, равные 80 и 240 мсек (соответственно короткие и длинные участки «линии глаза» на рис. 1, а, б, в). Это позволило, зная взаимное расположение глаза и объекта в момент времени t (моменты нажатия или отжатия кнопки), определить их взаимное положение в ■ моменты t+At. Для этого достаточно продвинуться вдоль «линии глаза» от места, которое он занимал в момент времени / на отрезок At, используя в качестве шкалы времени короткие и длинные отрезки, имеющие твердую цену времени. Также на А^ нужно продвинуться вдоль «линии объекта». Последнее не представляет труда, так как при постоянной скорости однозначной мерой времени может служить пройденный путь (на рис. \,а,б, в 1 см линии объекта равен 160 мсек). Таким образом, может быть найдено взаимное положение глаза и объекта (или положение объекта в поле зрения) в любой момент времени.

Описанная методика позволяет оценить для каждого цикла плавных движений глаз скорость движения и положение объекта в поле зрения. На основе этих параметров определялась принадлежность каждого цикла плавных движений к I, II или III типу.

Экспериментальная проверка некоторых положений гипотезы    о разноуровневой   регуляции   следящих движений

Первая серия. Влияние алкоголя на   характер   следящих движений

По Н. А. Бернштейну,   работа   уровня С в значительной степени нарушается под влиянием алкогольного отравления.; Это положение позволило провести дополнительную проверку'1 правомерности отнесения точных прослеживающих движений, к уровню построения, аналогичному уровню С.

Задача первой серии заключалась в выяснении влияния алкоголя на характер прослеживающих движений в ситуации слежения по инструкции и при решении умственной задачи, сформулированной  относительно движущегося  объекта.      j':

В качестве тест-объекта использовался арифметический пример (рис. 2, а). Изображение примера перемещалось по экрану слева направо со скоростью 10 град/сек. Испытуемому давалась инструкция тщательно прослеживать крестик (знак умножения) или решить пример, предварительно умножив каждое число на 3.

Всего было проведено 8 опытов с пятью испытуемыми: три опыта со слежением и 5 опытов с решением примера. Доза алкоголя составляла от 0,5 до 1 г на  1 кг веса тела.

Положение о меньшей степени произвольности неточных следящих движений II типа по сравнению с точными послужило одним из аргументов в пользу отнесения их к более низкому уровню регуляции. Серия II была посвящена дополнительной экспериментальной проверке этого положения.

Основное внешнее отличие следящих движений II типа заключается в том, что в первом случае глаза, двигаясь со скоростью объекта, в то же время смотрит мимо него, т. е. объект находится в эксцентричных участках поля зрения Испытуемым давалась инструкция прослеживать объект (арифметический пример; см. рис. 2, а), фиксируя один из его элементов или же воображаемую точку на определенном расстоянии впереди и позади него. Испытуемые, как правило, не могли в течение длительного времени выполнять вторую инструкцию (рис. 5), но. местами появлялись участки движений, близких к движениям II типа. Процент движений II типа при отслеживании эксцентричными участками сетчатки был всегда меньше процента движений III типа при фовеальном отслеживании (см. табл. 1). Эти результаты подтверждают положение о меньшей произвольности движений II типа по сравнению с точными следящими движениями

Задача настоящей серии возникла ввиду соображений, что ситуация, в которой мы до сих пор изучали уровни следящих движений, а именно повторяющиеся поступательные движения объекта, аналогична той, которая используется для вызывания оптокинетического нистагма. В результате выделенные типы следящих движений и уровни их регуляции могли оказаться различными типами и уровнями нистагма, а не следящих движений   вообще.   Поэтому   для   проверки степени общности наших выводов необходимо было убедиться в существовании уровневых признаков и следящих движений, не имеющих характера нистагма. Для этой цели мы выбрали возвратно-поступательные движения объекта. Испытуемому предлагалось решить арифметический пример, изо-, бражение которого перемещалось в горизонтальном направлении по синусоидальному закону с частотой 0,4—0,6 гц. Всего было проведено 15 опытов на 7 испытуемых.

Результаты экспериментов показали наличие тех же типов' следящих движений. Наряду с точным прослеживанием объекта  (рис. 6, а)    наблюдались   участки движения,    воспроизводящие скорость объекта    и    ее предсказуемые изменения, хотя    объект    проецировался     на    периферию      сетчатки, а также участки    движений,    воспроизводящих только направление движения и его изменения (рис. 6, в).

Подводя общий итог результатам первой, второй и третьей афий, можно сказать, что они подтверждают гипотезу, согласно которой плавные движения I, II и III типов отражают работу различных уровней глазодвигательной системы, аналогичных уровням А, В и С построения движений по 11. А. Бернштейну.

Изучение зависимости типов следящих движений глаз от типа и сложности задачи

г' Анализ условий возникновения плавных движений различных типов показал, что неточные следящие движения связаны с периодами, когда испытуемый занят переработкой воспринятой информации и когда его внимание отвлечено от тест-объекта и направлено на решение умственной задачи (Гип-пенрейтер, Смирнов; 1971). Этот факт, с одной стороны, позволил объяснить смену ведущего уровня регуляции следящих движений изменениями характера деятельности наблюдателя, а с другой стороны, показал, что регистрация следящих движений глаз может служить объективным методом изучения некоторых сторон психической деятельности, недоступных прямой регистрации.

Для получения точных количественных зависимостей, позволяющих обосновать указанный метод, были проведены специальные эксперименты, в которых менялись определенные характеристики деятельности испытуемых за счет изменения предлагаемой задачи.

Четвертая серия. Зависимость типов следящих движений

глаз от сложности решаемой задачи

В качестве тест-объекта в этой серии использовалась цифровая таблица, состоящая из цифр в обычном, вертикальном и горизонтальном начертании (см. рис. 2,6).

Испытуемый должен был отыскать все «горизонтальные» и «вертикальные» цифры, придерживаясь заданной последовательности поиска. Степень умственного напряжения, необходимого для решения задачи, менялась за счет    изменения сложности алгоритма поиска. В качестве простого варианта (вариант I)  был взят алгоритм, использовавшийся в аналогичной задаче Ф. Д. Горбовым  (1964). В этом случае испытуемому давалась инструкция искать поочередно вертикальные цифры в восходящем порядке, а горизонтальные в нисходящем  (1в, 9г, 2в, 8г, Зв, 7г, 4в, 6г, 5в, 5г, 6в, 4г, 7в, Зг, 8в, 2г, 9в, 1г). Для усложнения задачи (вариант II) был введен дополнительный параметр, который испытуемый должен был учитывать, решая вопрос, какую следующую цифру ему нужно отыскать. Таким параметром была четность или нечетность цифры. Вертикальные нечетные цифры нужно было отыскать в восходящем порядке, а вертикальные четные — в нисходящем, горизонтальные же цифры, наоборот, — нечетные в нисходящем порядке, а четные — в восходящем. При этом, как и в I варианте,     вертикальные     и горизонтальные   цифры отыскивались поочередно. Таким образом, цифровой ряд должен был иметь следующий вид: 1в, 9г, Зв, 7г, 5в, 5г, 7в, Зг, 9в, 1г, 8в, 2г, 6в, 4г, 4в, 6г, 2в, 8г. Для тех   испытуемых,    которым этот вариант не представлялся достаточно трудным и которые без особого напряжения выполняли его во время тренировочной пробы, был введен еще более трудный вариант III, который отличался от варианта II более сложным   правилом чередования вертикальных и горизонтальных    цифр. Вместо последовательности  одна  вертикальная — одна  горизонтальная цифра вводилась последовательность    одна    вертикальная — две горизонтальные — две вертикальные — одна горизонтальная и т. п. Таким образом, испытуемый должен был искать цифры в следующем порядке: 1в, 9г, 7г, Зв, 5в, 5г, 7в, Зг, 1г, 9в, 8в, 2г, 6в, 4г, 6г, 4в, 2в, 8г.

Не полагаясь на очевидный характер большей сложности вариантов II и III задачи по сравнению с вариантом I, мы провели дополнительную проверку этого предположения на группе из пяти испытуемых, не принимавших участия в опытах с записью движений глаз. Во время опытов с этими испытуемыми регистрировалось общее время решения задачи, количество ошибок, количество срывов (отказ от выполнения задачи), а также субъективные отчеты о сложности задачи при поиске по каждому алгоритму. Все перечисленные показатели подтвердили большую сложность вариантов II и III по сравнению с вариантом I.

Опыты были проведены на семи испытуемых. Методика записей движений глаз и предъявления объектов была такой же, как и в серии 1.

При обработке записей подсчитывал ось время, в течение которого наблюдались следящие движения трех типов в процентах ко всему времени опыта, а также средняя угловая скорость движений глаз в процентах к угловой скорости движения объекта. Соответствующие данные представлены в табл. 2.

Из таблицы видно, что при усложнении задачи происходит статистически достоверное увеличение процента " следящих движений I и II типов. Показатель средней скорости следящих движений в течение всего опыта оказался также чувствительным к сложности решаемой задачи.

Пятая серия. Зависимость типов следящих движений глаз чт степени включенности зрительного восприятия   в процесс решения задачи

В этой серии испытуемым давались задачи, решение которых протекало преимущественно в наглядном или преимущественно в умственном планах. В опытах, которые проводились но методике четвертой серии, испытуемым предъявляли куб с пронумерованными гранями (рис. 2, в) и просили сказать, какое положение займет каждая грань, если куб повернуть последовательно вокруг осей X и У на 90° или 180°. Эта аадача, как правило, решалась в визуальном плане. В других опытах испытуемым предъявляли столбец из нескольких букв, образующих бессмысленное сочетание (рис. 2, г), и давалась инструкция придумать десять слов, начинающихся, например, па вторую букву сверху и кончающихся на четвертую букву сверху. В этом случае испытуемым достаточно было взглянуть один, два раза на объект, процесс же придумывания слов протекал, по-видимому, исключительно в умственном плане, т. е. без участия зрительного восприятия. Результаты опытов, проведенных с шестью испытуемыми, свидетельствуют о резком увеличении процента неточных следящих движений и падении средней скорости следящих движений при решении второй задачи (см. табл. 2).

Шестая серия.  Следящие движения глаз    при    решении задачи на смекалку, не требующей    постоянной    опоры на зрительное восприятие

Результаты, предыдущей серии ставят вопрос, не является ли пропорция времени, в течение которого испытуемому приходится смотреть на объект в ходе решения задачи, основным фактором, определяющим выраженность следящих движений различных уровней. Ведь в четвертой серии повышение сложности задачи одновременно приводило к относительному уменьшению времени съема зрительной информации за счет увеличения продолжительности этапов умственной работы. Для выяснения этого вопроса были проведены опыты с задачей на смекалку. Эта задача интересна для нас также тем, что для ее решения необходим элемент сообразительности, т. е. она близка к так называемым творческим задачам. Согласно существующему мнению такие задачи требуют наиболее сильного сосредоточения для нахождения решения и, по нашему мнению, должны вызывать весьма сильную отстройку от точного прослеживания. Условия задачи сообщались испытуемому на слух, зрительно же предъявлялись лишь конкретные цифры (рис. 3, а). Ниже приводится текст задачи, взятой   из сборника   Б. А. Кордемского2: «На   аэродром к прибытию самолета был выслан мотоциклист из почтового отделения. Самолет прибыл раньше установленного срока, и привезенная почта была направлена в почтовое отделение с верховым. Проехав «а» минут, верховой встретил мотоциклиста, который принял почту и не задерживаясь повернул обратно. В почтовое отделение мотоциклист прибыл на «в» минут раньше, чем следовало. На сколько минут раньше установленного срока самолет прибыл на аэродром?» После пересказа текста задачи испытуемому давалась инструкция: «Решите задачу при условии, что «а» равно верхнему числу примера, изображенного на экране, а «в» — нижнему числу». Результаты опытов представлены в табл. 2. Как и в задаче на придумывание слов, при решении задачи на смекалку испытуемому достаточно было один раз взглянуть на тест-объект, а в дальнейшем процесс решения задачи не требовал опоры на зрительное восприятие. Однако эта задача требовала более сложных логических рассуждений, чем задача на придумывание слов. Как видно из табл. 2, здесь тенденция к переводу следящих движений глаз на более низкие уровни регуляции выражена сильнее. Этот результат говорит о том, что не только степень опоры на зрительное восприятие, но и напряженность умственной деятельности влияет на частоту появления различных типов плавных движений, а также на их среднюю скорость.

Анализ индивидуальных данных показывает    также, что хотя описанные выше зависимости характера следящих движений глаз от типа и сложности задачи наблюдаются в подавляющем большинстве случаев, величины, характеризующие выраженность неточных следящих движений» У разных испытуемых существенно неодинаковы. По этому параметру всех испытуемых можно разделить примерно на две равные группы. Для одной группы характерны значительные изменения абсолютных показателей при изменении типов и сложности задач, а также по ходу решения одной задачи, в то время как у второй группы наблюдается более сглаженная картина. При этом указанные тенденции являются весьма устойчивыми и проявляются почти во всех опытах. Эти различия могут  быть объяснены  различными  индивидуальными  способностями   к распределению   внимания   ме#ДУ     параллельно выполняемой зрительной и умственной работами. Если это так, то, подобрав задачи, имеющие одинаковую трудность, и предполагающие однозначные способы решения,  можно использовать регистрацию следящих движений глаз для выявления индивидуальных способностей наблюдателя к распределению внимания при решении зрительно-гностических задач. Анализ полученных результатов был сделан на основе показателей, усредненных по всему периоду    решения задачи. Микроанализ движений глаз на малых   интервалах   времени может открыть новые возможности для движения в указанных направлениях.

Заключение

1.         Получены дополнительные экспериментальные подтвер

ждения гипотезы   о разноуровневой   регуляции   выделенных

ранее типов следящих движений.

2.         Обнаружена зависимость суммарного времени, в тече

ние которого наблюдаются неточные следящие движения в

процентах ко времени всего    опыта,    а также    зависимость

средней скорости следящих движений в процентах к скорос

ти движения объекта от сложности решаемой задачи, степени

включенности зрительного восприятия в процессе его реше

ния и также от индивидуальных особенностей испытуемого.

3.         Выявленные зависимости открывают    принципиальную

возможность использования регистрации уровневых призна

ков следящих движений для оценки относительной сложности

1 задач и степени загрузки оператора при их решении для выяснения, в каком плане (наглядном или отвлеченном) ведется решение данной задачи, а также для оценки способности наблюдателя к распределению внимания при решении, зрительно-гностических задач.

ЛИТЕРАТУРА

1.             Бернштейн Н. А.  О построении движений. М., Медгиз, 1947.

2.             Бернштейн Н. А.   Очерки по физиологии движений и физиологии активности. М., «Медицина», 1966.

3.             Гиппенрейтер Ю. Б.,  Смирнов С. Д.  Уровни регуляции следящих движений  глаз  и  зрительное  внимание.  «Вопросы  психологии», 1971, № 3.

4.             Г о р б о в Ф. Д.   О помехоустойчивости оператора. Сб. «Инженерная психология». Изд-во МГУ, 1964.

5.             Смирнов С. Д. Типы следящих движений глаз и уровни их    регуляции.  Материалы  IV  Всесоюзного  съезда  общества   психологов СССР. Тбилиси, 1971.

6.             Я р б у с А. Л. Роль движений глаз в процессе    зрения. М., «Наука», 1965.