面向人機(jī)交互數(shù)字界面的認(rèn)知負(fù)荷研究

顏克彤， 張 昆， 邵 將， 張 震

（中國礦業(yè)大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展， 數(shù)字界面已經(jīng)成為人機(jī)交互中重要的媒介之一。 在人機(jī)交互過程中，我們會(huì)接觸大量的信息，其中各種活動(dòng)都會(huì)消耗我們的認(rèn)知資源，如何在交互過程中減少認(rèn)知負(fù)荷，提高認(rèn)知效率，成為人機(jī)交互過程中要致力解決的問題之一。 在復(fù)雜的數(shù)字界面中， 當(dāng)用戶對(duì)界面認(rèn)知過程中所消耗的認(rèn)知資源超過擁有的資源總量時(shí)，便會(huì)造成認(rèn)知負(fù)荷過載的現(xiàn)象。 認(rèn)知負(fù)荷的大小不僅僅關(guān)系到效率問題，更涉及到安全問題，尤其在核電、工程機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域，操作界面復(fù)雜多變、 界面信息呈現(xiàn)過多及不合理設(shè)計(jì)更容易造成認(rèn)知過載，嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。 因此，從認(rèn)知負(fù)荷的角度對(duì)界面進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)，對(duì)于用戶準(zhǔn)確獲取信息、提高認(rèn)知績效具有重大意義。

1 人機(jī)交互數(shù)字界面中的認(rèn)知負(fù)荷及其分類

1.1 認(rèn)知負(fù)荷定義

認(rèn)知負(fù)荷理論最早是由認(rèn)知心理學(xué)家John Sweller提出的，John Sweller 的認(rèn)知負(fù)荷理論基礎(chǔ)主要是資源有限理論和圖式理論。資源有限理論認(rèn)為資源是有限的，主要體現(xiàn)在人的工作記憶的容量是有限的， 如果各種認(rèn)知加工活動(dòng)所需要的認(rèn)知資源超過了人所具有的認(rèn)知資源的總量，就會(huì)造成認(rèn)知負(fù)荷[1]。

1.2 人機(jī)界面認(rèn)知負(fù)荷分類

人機(jī)界面的認(rèn)知負(fù)荷分為三類：外在認(rèn)知負(fù)荷、內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷[2]。

（1）外在認(rèn)知負(fù)荷。 外在認(rèn)知負(fù)荷是操作者在認(rèn)知過程中所具有的對(duì)認(rèn)知沒有貢獻(xiàn)的心理活動(dòng)引起的， 這種認(rèn)知負(fù)荷與界面元素的組織和呈現(xiàn)方式有關(guān)， 當(dāng)需要的信息與圖式獲得沒有關(guān)聯(lián)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生外在認(rèn)知負(fù)荷，因此，不合理、不科學(xué)的界面設(shè)計(jì)和信息呈現(xiàn)會(huì)增加用戶的外在認(rèn)知負(fù)荷，從而會(huì)阻礙用戶相關(guān)的認(rèn)知加工活動(dòng)。

（2） 內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。 人的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷主要是由自身知識(shí)儲(chǔ)備和內(nèi)隱知識(shí)結(jié)構(gòu)等因素決定。 在人機(jī)交互數(shù)字界面中，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷與人機(jī)交互數(shù)字界面的復(fù)雜程度和用戶的經(jīng)驗(yàn)與認(rèn)知圖式相關(guān)，如果人機(jī)交互數(shù)字界面復(fù)雜且用戶對(duì)界面交互過程缺乏經(jīng)驗(yàn)，那么用戶就會(huì)產(chǎn)生較高的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。

（3） 相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。 相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是指個(gè)體在完成某一任務(wù)過程中仍有多余的認(rèn)知資源，并且可以把多余的認(rèn)知資源運(yùn)用到更高級(jí)的有意識(shí)的認(rèn)知加工中去，如重組、抽象、比較和推理等。 雖然這樣的認(rèn)知加工方式會(huì)增加用戶的認(rèn)知負(fù)荷，但是這種認(rèn)知負(fù)荷不會(huì)阻礙用戶的信息認(rèn)知，相反可以促進(jìn)用戶對(duì)界面信息的理解和交互信息的處理。

2 認(rèn)知負(fù)荷在人機(jī)交互數(shù)字界面中的應(yīng)用

在Web of science 數(shù)據(jù)庫對(duì)近10 年的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，以“cognitive load”“Interface design”為檢索詞進(jìn)行檢索，共計(jì)390 篇。 如表1 所示，文獻(xiàn)內(nèi)容主要涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)、行為科學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科。 其中在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的文獻(xiàn)構(gòu)成比達(dá)到了80%多，由此可見，認(rèn)知負(fù)荷得到了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注與研究。 將文獻(xiàn)檢索結(jié)果按照國家區(qū)域進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)顯示中國排列第三。 這說明中國在界面認(rèn)知負(fù)荷的研究上也有一定的基礎(chǔ)，這對(duì)文章主題的研究具有一定的參考價(jià)值。

表1 Web of science 數(shù)據(jù)庫中研究所涉及領(lǐng)域及文章篇數(shù)統(tǒng)計(jì)

在數(shù)字界面人機(jī)交互過程中， 其任務(wù)的屬性主要是信息獲取、理解和決策，他們的工作負(fù)荷主要表現(xiàn)為認(rèn)知容量或認(rèn)知資源超載的認(rèn)知負(fù)荷。 尤其在復(fù)雜系統(tǒng)的人機(jī)界面中，信息量過多、信息關(guān)系復(fù)雜更容易造成人機(jī)界面設(shè)計(jì)與用戶認(rèn)知的失衡，針對(duì)這一問題，Gahangir等[3]基于用戶的認(rèn)知負(fù)荷水平，提出了一種與重新配置的移動(dòng)Android 手機(jī)（R-MAP）集成的用戶界面，這種基于認(rèn)知負(fù)荷反饋的輔助用戶界面有助于人們使用手機(jī)進(jìn)行日常操作。 針對(duì)鐵路旅客與自動(dòng)售票機(jī)交互時(shí)由于認(rèn)知負(fù)荷高而產(chǎn)生的問題，譚雪等[4]人基于認(rèn)知負(fù)荷理論對(duì)自動(dòng)售票機(jī)展開了交互設(shè)計(jì)研究。 汪海波等[5]人從老年人的認(rèn)知負(fù)荷能力角度出發(fā)， 優(yōu)化了現(xiàn)有智能電飯煲的交互原型， 為老年人帶來了愉悅的使用體驗(yàn)。 為減少用戶認(rèn)知負(fù)荷提高界面可用性，Helena[6]等人對(duì)動(dòng)態(tài)幾何系統(tǒng)的簡化界面與完整界面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究， 結(jié)果表明， 隱藏高級(jí)和無關(guān)功能的界面比使用完整界面的新手用戶性能更好。 但是，在接受了適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)之后，完整界面比簡化界面使用戶的效能更好。 總之， 從認(rèn)知負(fù)荷的角度，對(duì)數(shù)字界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效提高用戶的搜索效率，減少用戶的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，對(duì)界面的信息呈現(xiàn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

3 人機(jī)交互數(shù)字界面中認(rèn)知負(fù)荷的測量方法與改善方式

3.1 人機(jī)交互數(shù)字界面中認(rèn)知負(fù)荷的測量方法

目前，常用的認(rèn)知負(fù)荷的測量方法有主觀測量法、任務(wù)績效測量法、 生理測量法和行為測量法。 主觀測量法主要是根據(jù)被試的評(píng)價(jià)來測量認(rèn)知負(fù)荷， 常用的多維度評(píng)價(jià)量表有NASA-TLX 量表、SWAT 量表等。生理測量法是通過測量生理指標(biāo)數(shù)據(jù)來客觀反映被試的認(rèn)知負(fù)荷變化。 常用的生理測量法有心率測量、 眼動(dòng)測量和腦電測量等。 任務(wù)績效測量法是測量被試的績效來測量認(rèn)知負(fù)荷， 是一種客觀測量方法。 行為測量法是通過不讓被試意識(shí)到自己的行為正在被記錄作為搜集其完成任務(wù)過程中的數(shù)據(jù)，從而對(duì)認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行客觀、非侵入性以及隱性的分析[7]。

在認(rèn)知負(fù)荷測量方面，不同學(xué)者基于不同測量方法對(duì)認(rèn)知負(fù)荷展開了研究， 有些學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)探討了主觀測量量表在疲勞感評(píng)估中的適用性和有效性[8-9]，還有學(xué)者提出了認(rèn)知負(fù)荷的測量模型和量化模型，并驗(yàn)證了模型的可行性[10]。 目前，綜合運(yùn)用多種測量方法成為測量認(rèn)知負(fù)荷的發(fā)展趨勢。 如Zekveld 等[11]采用生理測量法和主觀測量法評(píng)估了年齡、、 聽力損失和認(rèn)知能力對(duì)聽力加工負(fù)荷的影響。 Yan 等[12]基于績效測量法、主觀測量法、生理測量法，分析了用戶界面布局對(duì)核電站應(yīng)急操作過程中操作人員心理負(fù)荷的影響。 Mazur 等[13]采用了主觀測量法、生理測量法評(píng)估了電子醫(yī)療任務(wù)需求、負(fù)荷與績效之間的關(guān)系。

3.2 改善人機(jī)交互數(shù)字界面認(rèn)知負(fù)荷的方式

對(duì)國內(nèi)外在數(shù)字界面方向的認(rèn)知負(fù)荷相關(guān)研究進(jìn)行梳理分析，針對(duì)人機(jī)界面中存在的認(rèn)知負(fù)荷問題，一些學(xué)者通過構(gòu)建認(rèn)知負(fù)荷模型來改善認(rèn)知負(fù)荷問題，如薛耀鋒等[10]利用眼動(dòng)追蹤技術(shù)，通過眼動(dòng)指標(biāo)提出了在線學(xué)習(xí)的認(rèn)知負(fù)荷量化模型。 J.Zhang 等[14]構(gòu)建了核動(dòng)力系統(tǒng)OM 界面認(rèn)知負(fù)荷模型， 分析了OM 界面認(rèn)知負(fù)荷的構(gòu)成及其影響因素，研究核電系統(tǒng)認(rèn)知負(fù)荷的應(yīng)對(duì)策略和方法， 并提出了一種基于眼動(dòng)的OM 界面認(rèn)知負(fù)荷測量實(shí)驗(yàn)方法。 Sega 等[15]通過研究人的眼動(dòng)行為構(gòu)建了新的認(rèn)知模型， 以提高用戶認(rèn)知模式和心理負(fù)荷的有效性。 徐小萍等[16]為了量化自然交互系統(tǒng)中用戶的認(rèn)知負(fù)荷，提出了一種基于面向虛擬現(xiàn)實(shí)自然交互系統(tǒng)的認(rèn)知負(fù)荷模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可行性。

另外一些學(xué)者通過分析界面不同要素呈現(xiàn)方式對(duì)認(rèn)知負(fù)荷的影響研究界面中的認(rèn)知負(fù)荷問題，如侯冠華等[17]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同時(shí)間壓力與導(dǎo)航結(jié)構(gòu)下老年讀者完成任務(wù)的情況，研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航結(jié)構(gòu)與認(rèn)知負(fù)荷均對(duì)老年讀者體驗(yàn)有影響。方永超等[18]人采用了雙任務(wù)范式，分析了智能手機(jī)虛擬鍵盤不同布局在不同認(rèn)知負(fù)荷下的可用性，證明了九宮格鍵盤對(duì)認(rèn)知資源和任務(wù)難度比較敏感，而全鍵盤是一種可以在復(fù)雜認(rèn)知環(huán)境中完成漢字文本輸入的較穩(wěn)定鍵盤布局。 Roodenrys 等[19]指出分離注意效應(yīng)可以有效降低認(rèn)知負(fù)荷， 即將空間上分開的信息，如文本、圖表等關(guān)聯(lián)起來，降低用戶搜尋和匹配相關(guān)信息時(shí)所需要的心理努力。

還有一些學(xué)者基于認(rèn)知負(fù)荷的測量方法和評(píng)定方法的角度進(jìn)行研究，如Luria 等[20]采用了行為測量法測試了心理負(fù)荷對(duì)手寫行為的影響。 楊景等[21]為研究指控艙顯控界面中字符顯示方式對(duì)人的認(rèn)知負(fù)荷影響性問題，提出一種面向腦力認(rèn)知負(fù)荷的綜合評(píng)價(jià)方法，其研究結(jié)果可為指控艙顯控界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供依據(jù)。 王霞等[22]為研究空中交通復(fù)雜度對(duì)管制員認(rèn)知負(fù)荷的影響，構(gòu)建了管制員認(rèn)知負(fù)荷測評(píng)量表進(jìn)行測量并驗(yàn)證。 侯冠華等[23]基于認(rèn)知負(fù)荷角度，利用主觀測量、眼動(dòng)測量和正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了影響中老年人數(shù)字閱讀的體驗(yàn)。

三種改善界面認(rèn)知負(fù)荷的方式是從不同階段對(duì)認(rèn)知負(fù)荷開展研究，構(gòu)建認(rèn)知負(fù)荷模型一般是從前期對(duì)認(rèn)知負(fù)荷相關(guān)知識(shí)進(jìn)行研究并構(gòu)建認(rèn)知負(fù)荷模型，從而改善界面中的認(rèn)知負(fù)荷問題。 分析要素呈現(xiàn)方式對(duì)認(rèn)知負(fù)荷的影響是在認(rèn)知行為中研究不同條件對(duì)用戶造成的認(rèn)知負(fù)荷， 尋找有效改善認(rèn)知負(fù)荷的呈現(xiàn)方式和方法。基于測量與評(píng)價(jià)方法的研究方式是通過測量認(rèn)知負(fù)荷，并在后續(xù)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，從而改善認(rèn)知負(fù)荷，指導(dǎo)界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

在智能化日益發(fā)展的今天， 人機(jī)界面中用戶使用行為產(chǎn)生的生理負(fù)荷已不再是突出問題，而相應(yīng)的交互行為中信息加工和認(rèn)知過程等帶來的認(rèn)知負(fù)荷問題，已經(jīng)變成影響用戶認(rèn)知效率和用戶體驗(yàn)的重要因素。 通過梳理國內(nèi)外人機(jī)交互數(shù)字界面方向認(rèn)知負(fù)荷研究的相關(guān)文獻(xiàn)可知，國內(nèi)外學(xué)者基于不同角度對(duì)認(rèn)知負(fù)荷開展了相關(guān)研究。 文章主要展開了認(rèn)知負(fù)荷在人機(jī)交互數(shù)字界面領(lǐng)域的研究，分析了認(rèn)知負(fù)荷的影響因素以及人機(jī)交互數(shù)字界面認(rèn)知負(fù)荷的分類，其中外在認(rèn)知負(fù)荷是可以通過對(duì)界面進(jìn)行信息編碼來調(diào)控的。 除了構(gòu)建認(rèn)知負(fù)荷模型和分析界面要素呈現(xiàn)對(duì)認(rèn)知負(fù)荷的影響外，還可以通過測量認(rèn)知負(fù)荷來改善界面中的認(rèn)知負(fù)荷問題。 總之， 希望通過文章對(duì)國內(nèi)外認(rèn)知負(fù)荷研究應(yīng)用的梳理，可以為認(rèn)知負(fù)荷在人機(jī)交互數(shù)字界面的研究提供一定的思路和方向。