Wie werden Simulationen in der Verhaltensforschung eingesetzt? Dieser Artikel befasst sich mit der Bedeutung von Simulationen für das Verständnis menschlichen Verhaltens. Anhand einer Untersuchung der Methoden und Auswirkungen beleuchtet er die zentrale Rolle, die Simulationen in der heutigen Verhaltensforschung spielen.
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Die Balance zwischen Kontrolle und Realismus in der Forschung zum menschlichen Verhalten: Laborstudien vs. Studien in der Praxis
In der Verhaltensforschung stellt sich häufig die Frage, ob man bei der experimentellen Arbeit zwischen zwei Ansätzen wählen soll: der Untersuchung von Verhalten in kontrollierten oder in natürlichen Umgebungen.
Einerseits ermöglichen sorgfältig kontrollierte Laborbedingungen eine präzise Anpassung der Versuchsanordnungen – alle Teilnehmer erleben dieselbe Situation, wobei kaum Raum für experimentelle Störfaktoren bleibt und jeweils nur eine einzige Versuchsvariable verändert wird.
Das Experiment funktioniert gut, da sich damit messen lässt, wie sich menschliches Verhalten als Reaktion auf eine erkennbare Veränderung verändern kann. Der Nachteil ist, dass diese Umgebungen von Natur aus unnatürlich sind – durch den Wegfall von Zufälligkeiten entspricht die Umgebung oft immer weniger der Realität.
Andererseits ermöglichen Experimente, die „in freier Wildbahn“ durchgeführt werden, den Teilnehmern, sich auf normale und natürliche Weise zu verhalten und die Welt zu erleben. Es wird zwar nur eine einzige experimentelle Variable verändert, doch ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass experimentelles Rauschen auftritt. Das bedeutet zwar, dass ein natürlicheres Verhalten zu beobachten ist, doch ist es schwieriger sicherzustellen, dass eine Veränderung ausschließlich auf die experimentelle Variable zurückzuführen ist.
Wenn wir menschliches Verhalten wirklich verstehen wollen (und Spoiler-Alarm: Das wollen wir), müssen wir oft einen Kompromiss zwischen diesen beiden Ansätzen finden. Wir müssen abschätzen, wie viel Störsignale unserer Meinung nach auftreten werden und wie viel Abweichung akzeptabel ist, um eine Umgebung zu schaffen, die sich für die Teilnehmer richtig anfühlt. Diese Entscheidung zu treffen, ist ein wesentlicher Bestandteil des Versuchsdesigns. Manchmal gibt es jedoch einen dritten Weg: Simulationen.
Was ist eine Simulation?
Eine Simulation ist eine Nachahmung der Realität. In der Verhaltensforschung erfolgt dies häufig durch die kontrollierte Darstellung einer Situation, die ein Teilnehmer unter realen Umständen nicht erleben kann. Auch wenn es interessant und wichtig sein mag zu wissen, wie ein Pilot unter gefährlichen Flugbedingungen reagiert, ist es natürlich nicht ideal, dies in der Realität zu testen.
Simulationen ermöglichen es uns nicht nur, Reaktionen auf gefährliche Situationen zu testen, sondern diese auch präzise nachzustellen. Wir können immer wieder beobachten, wie verschiedene Piloten (oder auch Nicht-Piloten) auf dieselbe gefährliche Situation reagieren.
Ein Flugsimulator ist ein naheliegendes Beispiel für eine gängige Simulation zur Verhaltensbeurteilung, doch mittlerweile gibt es eine überraschend große Vielfalt an verschiedenen Simulatoren, die alle darauf abzielen, Reaktionen in realitätsnahen Umgebungen zu messen. Mit dem Aufkommen der VR ist es nun auch möglich, völlig neue Umgebungen (und sogar unrealistische) mit vergleichsweise geringem Aufwand zu schaffen.
Diese Umgebungen sind für Forscher und Teilnehmer gleichermaßen zugänglicher geworden, und es besteht ein besseres Verständnis für Aspekte wie beispielsweise Reisekrankheit [1].
Im Folgenden werden wir Beispiele für verschiedene Simulationsszenarien durchgehen und erläutern, wie Forscher das menschliche Verhalten in den jeweiligen Szenarien untersuchen.
Verbesserung der Forschung zu Fahrersicherheit und Fahrverhalten durch moderne Fahrsimulationen
Fahrsimulationen sind vielen von uns vertraut. In ähnlicher Form sind sie in vielen Spielhallen zu finden; die Simulatoren bieten eine sichere Umgebung, in der man seine Fahrkünste und Reaktionsfähigkeit testen kann, komplett mit Lenkrad, Schaltknöpfen und manchmal noch viel mehr.
Das Fahrlabor in Stanford nutzt ein echtes Auto, das von hochauflösenden Bildschirmen umgeben ist, um ein realistisches Fahrerlebnis zu vermitteln. Die Daten dieses Fahrzeugs und anderer Sensoren werden vollständig in iMotions integriert, um den Forschern Einblicke in das Fahrverhalten zu ermöglichen.
Die Forschung konzentriert sich häufig darauf, wie die Sicherheit von Fahrern (und Fußgängern) verbessert werden kann, indem untersucht wird, welche Faktoren die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls beeinflussen. Das Testen neuer Funktionen, die die Aufmerksamkeit des Fahrers verbessern (oder beeinträchtigen) können, lässt sich problemlos und ohne jedes tatsächliche Risiko in einem Simulator durchführen.
Forscher haben mithilfe von Sensoren wie dem EEG das Abschweifen der Gedanken in einem Fahrsimulator untersucht [2] und dabei festgestellt, dass sich dieser mentale Zustand nicht nur negativ auf die Fahrfähigkeit auswirken kann, sondern auch erkannt werden lässt – was die Möglichkeit eröffnet, Autos mit Sensoren (möglicherweise, wenn auch nicht zwangsläufig mit EEG) auszustatten, die entsprechende Warnungen ausgeben können, sollte die Aufmerksamkeit des Fahrers zu sehr von der Straße abwandern.
Eye-Tracking ist auch ein beliebtes Instrument in Fahrsimulatoren, da es die Möglichkeit bietet, es in einem realen Fahrzeug einzusetzen, ohne den technischen Einschränkungen zu unterliegen, die das EEG mit sich bringt. Forscher haben Eye-Tracking genutzt, um die kognitive Belastung [3] in einem Fahrsimulator abzuschätzen, was darauf hindeutet, dass diese Methode zur Überwachung der kognitiven Zustände von Fahrern eingesetzt werden könnte.
Beide Methoden – EEG und Eye-Tracking – wurden zudem in einem Fahrsimulator mit iMotions kombiniert, um ein Frühwarnsystem für Fahrer zu testen [4]. Die kognitive Belastung und die Messung kognitiver Zustände mittels EEG wurden in einem Vorversuch zum Fahrverhalten herangezogen. Es zeigte sich, dass diese Sensoren anzeigen konnten, ob eine Frühwarnung vor einer Gefahr ausgegeben werden musste oder ob der Fahrer bereits aufmerksam genug war.
Neben Fahrsimulatoren untersuchen Forscher auch das Verhalten in einer Vielzahl anderer Fahrzeugsimulatoren, von Flugsimulationen bis hin zur maritimen Forschung in Schiffssimulatoren (Force Technologies nutzt iMotions, um das Steuerverhalten von Schiffen in einer vollrotationsfähigen Frachtschiff-Simulation zu bewerten).
Arbeitssimulationen: Förderung der Verhaltensforschung in verschiedenen Branchen
Simulationen müssen nicht unbedingt an ein Fahrzeug gebunden sein, sondern können auch in Umgebungen stattfinden, in denen sich die Teilnehmer frei bewegen können. Forscher haben beispielsweise im Rahmen der medizinischen Ausbildung Eye-Tracking-Verfahren eingesetzt, um zu beurteilen, inwieweit die einzelnen Aspekte eines Protokolls beachtet wurden [5].
Simulationen zur Ermittlung der Leistung von Bedienpersonal in Leitstellen – beispielsweise in Kernkraftwerken [6], petrochemischen Kraftwerken [7] und Flugsicherungstürmen [8, 9, 10] – nutzen üblicherweise Eye-Tracking und/oder EEG, um die Aufmerksamkeits- und kognitiven Ressourcen des Bedienpersonals zu bewerten.
Forscher der Universität Luleå nutzen iMotions und verschiedene Sensoren, um die kognitiven Prozesse zu untersuchen, die bei naturgetreuen Simulationen der Arbeit von Zugverkehrsleitern ablaufen.
Der Einsatz von Simulationen lässt sich sogar auf militärische Anwendungen ausweiten. Forscher haben große Anstrengungen unternommen, um realistische Simulationen von Waffen [11] und kriegsähnlichen Umgebungen [12] nachzubilden, um die kognitiven und physiologischen Belastungen zu verstehen, denen Soldaten häufig ausgesetzt sind.
Verschiedene Untersuchungen haben sich zudem damit befasst, wie Militärpiloten auf anspruchsvolle Situationen reagieren, in denen schnelle Entscheidungen getroffen werden müssen. In diesem Zusammenhang wurde Eye-Tracking eingesetzt, um die Auswirkungen der visuellen Belastung (d. h. der Menge der visuell wahrgenommenen Informationen) zu untersuchen und zu ermitteln, wie sich diese auf die Entscheidungsfähigkeit der Piloten auswirken kann [13].
Forscher haben zudem den Einsatz von EEG- und Herzfrequenzmessungen sowohl bei realen Flügen als auch in Flugsimulationen untersucht [14]. Die Ergebnisse zeigten, dass die für die Piloten jeweils schwierigsten Aspekte des Flugbetriebs individuell ermittelt werden konnten, wodurch Daten gewonnen wurden, anhand derer sich feststellen ließ, an welchen Aspekten der Ausbildung bei jedem einzelnen Piloten noch gearbeitet werden musste.
Wenn Sie sich fragen, in welchen Bereichen Biometrie im Zusammenhang mit der Erforschung des menschlichen Verhaltens eingesetzt werden kann, werfen Sie einen Blick auf unseren Blog, in dem 100 gängige Anwendungsbereiche aufgeführt sind.
Um einen besseren Einblick in eine der zentralen Methoden der Simulationsforschung zu erhalten, laden Sie sich unten unseren kostenlosen Leitfaden zum Eye-Tracking herunter.
Literaturverzeichnis
[1] Gavgani, A. M., Nesbitt, K. V., Blackmore, K. L., Nalivaiko, E. (2017). Charakterisierung subjektiver Symptome und autonomer Veränderungen im Zusammenhang mit Cyber-Übelkeit. Autonom Neurosci. 203:41–50. pmid:28010995.
[2] Baldwin, C. L., Roberts, D. M., Barragan, D., Lee, J. D., Lerner, N. & Higgins, J. S. (2017). Erkennung und Quantifizierung von Gedankenwandern während des simulierten Fahrens. Frontiers in Human Neuroscience, 11, 406.
[3] Palinko, O., Kun, A. L., Shyrokov, A. & Heeman, P. (2010). Schätzung der kognitiven Belastung mittels Remote-Eye-Tracking in einem Fahrsimulator. In: Proceedings of the 2010 Symposium on Eye-Tracking Research & Applications (S. 141–144). New York, NY: ACM Press.
[4] E. Pakdamanian, L. Feng, I. Kim (2018). Der Einfluss von Ganzkörper-Haptik-Feedback auf die Wahrnehmung des Fahrers beim Durchfahren einer Kurve. Tagungsband der Jahrestagung der Human Factors and Ergonomics Society, 62, 19–23.
[5] Henneman, E. A., Cunningham, H., Fisher, D. L. u. a. (2014). Eye-Tracking als Nachbesprechungsinstrument in Simulationsumgebungen verbessert die Patientensicherheit. Dimens Crit Care Nurs, 33:129–135.
[6] Kovesdi, C., Rice, B., Bower, G., Spielman, Z., Hill, R. und LeBlanc, K. (2015). Messung der menschlichen Leistungsfähigkeit in simulierten Kontrollräumen von Kernkraftwerken mittels Eye-Tracking, INL/EXT-15-37311.
[7] Ikuma, L. H., Harvey, C., Taylor, C. F. und Handal, C. (2014). Ein Leitfaden zur Bewertung der Leistung von Leitstellenspersonal anhand von Geschwindigkeit und Genauigkeit, wahrgenommener Arbeitsbelastung, Situationsbewusstsein und Eye-Tracking. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 32: 454–465.
[8] Kearney, P., Li, W. C., Yu, C. S., Braithwaite, G. (2018). Der Einfluss von Alarmdesigns auf die Blickbewegungsmuster und das Situationsbewusstsein von Fluglotsen. Ergonomics, 5:1-14.
[9] Giraudet, L., Imbert, J. P., Bérenger, M. et al. (2015). Neuroergonomische Bewertung der Gestaltung von Mensch-Maschine-Schnittstellen in der Flugsicherung unter Verwendung von Verhaltens- und EEG/ERP-Messungen. Behavioural Brain Research, Band 294, S. 246–253.
[10] Aricò, P., Borghini, G., Di Flumeri, G., Colosimo, A., Bonelli, S., Golfetti, A. u. a. (2016). Adaptive Automatisierung, ausgelöst durch einen EEG-basierten Index der mentalen Arbeitsbelastung: eine passive Gehirn-Computer-Schnittstellenanwendung in einer realistischen Flugsicherungsumgebung. Front. Hum. Neurosci. 10:539.
[11] L. C. A. Campos und L. L. Menegaldo. (2018). Ein Kampfpanzersimulator für Aufgaben zur Augen-Hand-Koordination unter horizontaler Ganzkörpervibration. Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control, Band 37(1), S. 144–155.
[12] Saus, E. R., Johnsen, B. H., Eid, J., Riisem, P. K., Andersen, R. und Thayer, J. F. (2006). Die Wirkung eines kurzen Trainings zur Situationswahrnehmung in einem Polizeischießsimulator: eine experimentelle Studie. Mil. Psychol. 18, S3–S21.
[13] Kacer, J., Kutilek, P., Krivanek, V., Doskocil, R., Smrcka, P. & Krupka, Z. (2017). Messung und Modellierung des Verhaltens von Militärpiloten. In: Internationale Konferenz über Modellierung und Simulation für autonome Systeme (S. 434–449). Springer, Cham.
[14] G. Kloudova, M. Stehlik. (2017). Die Verbesserung der Ausbildung von Militärpiloten durch den Einsatz psychophysiologischer Methoden. International Journal of Psychological and Behavioral Sciences, Band 11, Nr. 11.[/fusion_builder_column][/fusion_builder_row][/fusion_builder_container]
