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Effects of Immersion Level and Gender on Cognitive Load and Task Performance in Virtual Reality Crane Operation Training

本研究表明，尽管沉浸式虚拟现实（IVR）与桌面虚拟现实在整体认知负荷方面表现相当，但 IVR 显著缩短了任务完成时间，并可能通过降低挫败感和利用环境线索来更好地支持女性的空间处理策略，从而暗示其作为起重机操作培训包容性平台的潜力。

原作者： Yi Wu, Sanaz Motamedi, Mohammad Hossein Kazemi, Yuqing Hu, Scarlett Miller

发布于 2026-08-18

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原作者： Yi Wu, Sanaz Motamedi, Mohammad Hossein Kazemi, Yuqing Hu, Scarlett Miller

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一个建筑工地，一架巨大的起重机正在高空吊起沉重的钢梁。操作员坐在一个小小的驾驶室里，往往处于数百英尺的高空，完全依靠眼睛和双手来引导载荷穿过复杂的立体空间。一个错误的动作就可能意味着掉落载荷、损坏设备或造成严重的人身伤害。由于使用真实起重机进行练习既危险又昂贵，且受天气限制，培训人员转向了虚拟现实技术。这项技术创造了一个安全的数字副本，让学习者可以在没有现实后果的情况下犯错。但并非所有的虚拟现实都是一样的。有些系统看起来就像标准电脑游戏一样显示在平面屏幕上，而另一些系统则使用头戴式设备填满你的整个视野，屏蔽掉现实世界，让你感觉仿佛真的坐在起重机的驾驶室内。

多年来，专家们一直在争论哪个版本能更好地帮助人们学习。平面屏幕版本熟悉且易于使用，但头戴式版本提供了更丰富的视角和更宽广的视野。问题在于，这种额外的沉浸感是否有助于大脑更快地学习，还是仅仅会让学习者因信息量过大而感到不知所措。这对于正寻求培训更多人才（包括在历史上代表性不足的女性）的建筑行业来说尤为重要。宾夕法尼亚州立大学的研究人员致力于寻找答案，通过测试这些不同的虚拟环境如何影响学习起重机操作所需的心理努力，以及男性和女性在其中的表现如何。

研究人员构建了一个尽可能模拟真实工作的培训程序。他们招募了二十四名大学生，其中一半是男性，一半是女性，并将他们分为两组。一组练习使用标准的电脑显示器，另一组则佩戴头戴式设备，完全沉浸在虚拟的起重机驾驶室内。在正式开始训练之前，每个人都观看了教学视频并完成了简短的练习环节，以熟悉控制装置。这种“预培训”至关重要，因为它确保了无论使用哪种技术，每个人在开始正式测试时都对起重机的移动方式有了基本的理解。

一旦训练开始，参与者必须完成五个不同的场景。他们从一次正常的吊装开始，然后进入更困难的情况，包括强风、无法直接看到载荷、光线不足以及靠近危险高压线的吊装。研究人员测量了两个主要指标：任务对参与者而言在心理上的需求程度，以及他们的实际工作表现。为了衡量心理努力，学生们填写了一份调查问卷，对压力、挫败感和时间紧迫感进行评分。为了衡量表现，电脑精确追踪了完成每项任务所需的时间、路径的平直度、是否碰撞障碍物，以及放置重物的精准度。

结果呈现出一种令人惊讶的复杂发现。从整体心理努力来看，两组的感觉大致相同。沉浸式头戴设备并没有让任务比平面屏幕感觉起来更难或更容易。然而，当研究人员进行更深入的观察时，差异出现了。使用头戴设备的组感受到了更大的时间压力；他们觉得自己在与时间赛跑，尽管事实并非如此。这是沉浸式环境的一个常见副作用，即“身临其境”的感觉会让时间流逝感似乎变快。

最有趣的发现涉及不同性别对不同技术的反应。虽然男性的挫败感在平面屏幕和头戴设备之间没有发生太大变化，但女性报告称，在使用沉浸式头戴设备时，她们的挫败感显著降低。女性在访谈中解释说，她们高度依赖环境中的视觉线索，例如阴影或附近建筑的位置，来判断距离。头戴设备提供了更丰富的这些线索的视图，使她们更容易理解载荷在空间中的位置。平面屏幕由于视野有限，很难利用这些自然的策略，从而导致了更多的挫败感。

在实际工作表现方面，使用沉浸式头戴设备的组比平面屏幕组完成任务的速度更快。他们在没有增加错误或碰撞障碍物的情况下，移动载荷的速度更快。这表明头戴设备提供的额外视觉信息有助于他们更高效地做出决策。有趣的是，男女之间的表现速度没有差异；一旦接受培训，两组都取得了相似的结果。这表明沉浸式环境并没有在最终结果上偏向某一性别，但它确实让女性的体验更加舒适且不易产生挫败感。

研究还测试了学生感受到的心理努力是否是导致其表现差异的原因。研究人员想知道，头戴设备之所以有帮助，是因为它减轻了心理负担，还是因为其他原因。他们发现，心理努力并不能解释速度上的差异。使用头戴设备的同学并不一定思考得更少，他们只是能够移动得更顺畅。这表明，头戴设备的益处来自于它呈现视觉信息的方式，它允许大脑更自然地处理空间关系，而不是通过减少思考量来实现。

这些发现表明，沉浸式虚拟现实是一种强大的培训工具，特别是对于需要判断距离和深度的复杂任务。虽然它可能会产生一种主观的时间压力感，但并不会让学习者的大脑过载。更重要的是，它似乎是一种具有包容性的技术，能够支持不同的学习方式。通过提供更丰富的视觉环境，它帮助了那些依赖环境线索来导航空间的学习者，使他们能够表现得与使用其他策略的人一样出色。对于建筑业而言，这意味着虚拟现实培训可以成为扩大劳动力规模的关键，为培养多样化的未来起重机操作员提供一种安全且有效的方式。

技术摘要：沉浸程度与性别对虚拟现实起重机操作训练中认知负荷与任务绩效的影响

问题陈述
虚拟现实（VR）因其能够在无物理风险的情况下模拟真实环境，正越来越多地应用于起重机操作等复杂操作领域的培训。然而，现有文献对于哪种沉明程度（桌面级 VR 或全沉浸式 IVR）能更好地支持学习成果尚未达成共识。虽然 IVR 提供了增强的感知可供性（例如立体深度、更宽的视野），但它也可能在没有相应绩效增益的情况下带来更高的认知负荷。此外，现有研究很大程度上忽略了个体差异（特别是性别）如何与沉浸程度相互作用。鉴于男性和女性通常采用不同的空间处理策略（基于坐标的策略 vs 基于环境线索的策略），且起重机操作高度依赖于性别差异显著的空间能力，目前尚不清楚 IVR 是否会对不同性别的认知负荷和任务绩效产生差异化影响。本研究通过考察沉浸程度和性别对塔式起重机培训中认知负荷和绩效的共同影响，并测试认知负荷是否在这些效应中起中介作用，旨在填补这些研究空白。

研究方法
本研究采用了受试者间因子设计，共有 24 名参与者（12 名男性，12 名女性），随机分配到桌面级 VR 或 IVR 组。

设备： IVR 组使用 Meta Quest Pro 头显，而桌面级 VR 组使用 27 英寸显示器。两组均使用基于 Unity 的模拟器及 Thrustmaster T.16000M 控制器。
流程： 培训程序遵循阶梯式设计，包括三个阶段：（1）关于安全和控制的教学视频；（2）包含三个微型任务的预培训环节，用于熟悉机械结构并让 IVR 用户适应头显（HMD）；（3）五个操作试验。试验包括一个控制场景和四个危险场景（高风速、盲吊、低照明、靠近电线），均基于 OSHA 安全标准。
测量指标：
- 认知负荷： 通过训练前后的 NASA-TLX（六个子量表：心理需求、体力需求、时间需求、绩效、努力程度、挫败感）进行评估。
- 任务绩效： 通过五个关键绩效指标（KPI）进行评估：任务完成时间、路径长度、碰撞次数、放置精度和摆动控制。
- 定性数据： 通过半结构化访谈来探索参与者的策略与挑战。
分析： 统计分析涉及对认知负荷子量表和绩效指标进行双因素协方差分析（ANCOVA），并控制基线得分和先前的游戏经验。使用 lavaan 包进行中介分析，以测试认知负荷是否在中介沉浸程度/性别与绩效之间的关系。定性数据通过归纳式内容分析进行处理。

主要结果

认知负荷 (RQ1)： 总体认知负荷（综合 NASA-TLX 得分）在 IVR 和桌面级 VR 之间没有显著差异。然而，子量表分析揭示了具体的差异：
- 时间需求： IVR 中的时间需求显著更高 ( $F(1, 18) = 4.77, p = .043$ )，这表明存在“时间压缩”效应，即临场感使时间感觉流逝更快。
- 挫败感： 沉浸程度与性别之间存在趋于显著的交互作用 ( $F(1, 18) = 4.34, p = .052$ )。女性在 IVR 中的挫败感明显低于桌面级 VR，而男性则没有表现出差异。定性数据表明，女性更多地依赖环境线索（如阴影、结构对齐）来克服深度感知挑战，而这种策略能得到 IVR 更丰富视觉信息的更好支持。
任务绩效 (RQ2)：
- 任务完成时间： IVR 组参与者完成任务的速度显著快于桌面级 VR 组 ( $F(1, 17) = 4.69, p = .045$ )。
- 其他指标： 在路径长度、放置精度、摆动控制或碰撞次数方面未发现显著差异。
- 性别效应： 性别对任何绩效指标均没有显著的主效应。
- 定性洞察： 桌面级 VR 参与者报告了系统指令与空间感知之间更频繁的错位，导致了中断行动连续性的“覆盖”行为。IVR 参与者由于具备更好的直接空间判断力，对指令的依赖程度较低。
中介作用 (RQ3)： 研究发现没有证据表明认知负荷在中介沉浸程度或性别对任务绩效的影响中起作用。间接效应在所有绩效指标上均不显著。

核心贡献

特定维度的认知负荷： 本研究证明，虽然不同沉浸程度下的总体认知负荷可能相当，但特定的维度（时间需求、挫败感）对沉浸程度和性别是敏感的。
包容性培训潜力： 研究结果表明，IVR 可以支持多样化的空间处理策略（特别是女性偏好的环境线索策略），且不会牺牲操作结果。女性在 IVR 中实现了与男性相当的绩效水平，同时报告了较低的挫败感，这表明 IVR 具有成为包容性平台的潜力。
感知路径 vs 认知路径： 认知负荷缺乏中介作用的结果表明，在基于技能且具有空间挑战性的任务中，沉浸程度可能是通过感知机制（例如，增强的深度线索减少了歧义）而非通过调节认知努力来影响绩效的。
阶梯式设计的有效性： 本研究验证了阶梯式培训方法（视频 + 预培训）可以减轻通常与 IVR 界面相关的外在认知负荷，从而使沉浸带来的益处得以显现。

意义与主张
作者声称，他们的发现为设计既高效又具包容性的 VR 培训系统提供了实证依据。他们认为，IVR 培训可以容纳多样化的学习群体，特别是可能依赖环境线索的女性，且不会损害安全性或精确度。研究结论指出，对于涉及复杂空间判断的操作培训，IVR 可以提高效率（更快的完成时间），且不会在安全性或准确性方面产生权衡。然而，作者对其主张保持谨慎，指出样本量较小（ $N=24$ ），参与者是大学生而非行业从业人员，且所提出的机制（空间策略）是从定性数据中推断出来的而非直接测量。他们强调，观察到的性别与沉浸程度在挫败感上的交互作用以及中介效应为空的结果，需要通过更大规模、更具代表性的样本进行重复研究，以确认这些初步模式。

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