近十年認知負荷在界面設(shè)計中的應(yīng)用研究綜述

袁義凡

摘要：歸納近十年認知負荷在界面設(shè)計中應(yīng)用研究的熱點領(lǐng)域、研究重點和研究趨勢。利用CiteSpace計量可視化分析法和文獻分析法對文獻進行國家及機構(gòu)分析和文獻共被引分析。1認知負荷在界面設(shè)計中的應(yīng)用研究熱點領(lǐng)域為調(diào)節(jié)策略及測評研究。2界面認知負荷成因分為信息量超過工作記憶容量、信息難度超過認知加工水平、注意資源分配不均三種，并提出相對應(yīng)的調(diào)節(jié)策略。3認知負荷綜合評價方法通常結(jié)合其他領(lǐng)域的模型和技術(shù)，對認知負荷進行綜合評價。最后從三方面探討了研究發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：認知負荷 界面設(shè)計 CiteSpace 計量可視化分析

中圖分類號：TB472

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 09-0116-03

引言

認知負荷理論發(fā)展到今天，已廣泛應(yīng)用于心理學(xué)、教育學(xué)、設(shè)計學(xué)等眾多領(lǐng)域。近年來，一些學(xué)者對人機交互界面研究發(fā)現(xiàn)，認知負荷存在于界面信息的獲取、加工和反饋過程中，界面設(shè)計中的信息量越大，用戶在操作界面過程中的認知負荷越高，容易造成信息誤讀和操作失誤等情況，因此認知負荷是影響界面設(shè)計可用性和用戶體驗的重要因素之一。調(diào)節(jié)界面設(shè)計中的認知負荷能夠增強用戶對界面信息的理解能力，從而降低用戶操作的錯誤率，進而提高用戶滿意度，所以基于認知負荷的界面優(yōu)化設(shè)計是一個重要的應(yīng)用研究課題。對當(dāng)下認知負荷在界面設(shè)計中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進行分析，可以了解國際研究力量的分布情況和現(xiàn)階段的研究熱點，探索研究前沿和研究方向，為后續(xù)的理論及應(yīng)用研究提供有效的參考。

一、認知負荷在界面設(shè)計中的應(yīng)用研究可視化分析

（一）數(shù)據(jù)來源及研究方法

外文文獻來源于Web of Science核心合集，包括三個子數(shù)據(jù)庫：SCI-EXPANDED、SSCI、CPCI-S，檢索式為：TS=cognitive loadAND TS=interface design，文獻類型：（ARTICLE，PROCEEDING，REVIEW），時間跨度為2009年-2018年，經(jīng)過整理和篩選，共檢索有效文獻265篇，數(shù)據(jù)下載時間為2019年1月10日。統(tǒng)計上述文獻年發(fā)文量，得到圖1。

運用文獻計量分析方法，借助信息可視化工具CiteSpace軟件，通過信息可視化的方法以呈現(xiàn)科學(xué)知識架構(gòu)及分布情況，可窺探出某個研究領(lǐng)域內(nèi)的動態(tài)與趨勢[1]。本文綜合運用了計量統(tǒng)計法、文獻分析法和信息可視化方法，借助信息可視化工具CiteSpace軟件，對文獻進行年代分布統(tǒng)計、國家及機構(gòu)分析和文獻共被引分析，并繪制相應(yīng)的科學(xué)知識圖譜，歸納總結(jié)出近十年來界面設(shè)計中的認知負荷研究的熱點領(lǐng)域、重點和趨勢。

（二）國家及機構(gòu)研究分析

從Web of Science里將全部有效文獻數(shù)據(jù)按照國家和地區(qū)進行分類統(tǒng)計，得到發(fā)文量由高到低的國家分布樹狀圖，見圖2。可以發(fā)現(xiàn)，認知負荷在界面設(shè)計中的應(yīng)用研究主要集中在美國、中國、加拿大、澳大利亞等國家。使用CiteSpace進行國家合作分析，得到圖3。圖中節(jié)點代表國家或區(qū)域，節(jié)點越大表示研究力量越大，年輪顏色從藍到黃標(biāo)示著研究文獻。由圖3可知，美國仍然處于研究的中心位置，發(fā)文量較多的國家之間合作關(guān)系也相對更多。

（三）認知負荷研究的關(guān)鍵節(jié)點文獻分析

共被引是指被一篇文獻同時引用的兩篇文獻之間的關(guān)系，文獻共被引分析最早是由Small提出的一種研究方法[2]，從文獻之間的相互引用中可以看出研究之間參考、交流、借鑒以及繼承科學(xué)成果的關(guān)系，因此共被引分析能反映領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)研究的內(nèi)在聯(lián)系和研究主題的知識基礎(chǔ)。對文獻數(shù)據(jù)進行共被引分析，從CiteSpace中導(dǎo)出10篇共被引頻次最多的文獻，見圖4。

2003年P(guān)aas F_和Sweller J.對認知負荷理論的發(fā)展進行梳理，總結(jié)出三種認知負荷可加性的特點[3]。內(nèi)在認知負荷是元素間的相互作用施加于個體工作記憶能力的驅(qū)動因素，外在認知負荷是不必要的信息獲取及自動化加工，相關(guān)認知負荷是個體進行學(xué)習(xí)活動中的圖式習(xí)得過程。目前大家公認采用Sweller關(guān)于認知負荷的分類方法，但隨著認知負荷理論的不斷發(fā)展，一些學(xué)者對無法準(zhǔn)確度量單一類型認知負荷而提出不同分類方法。今后認知負荷的基礎(chǔ)理論研究部分，也會側(cè)重歸納出可量化的認知負荷分類方法。

2003年Mayer R.E.展開了多媒體學(xué)習(xí)過程中降低認知負荷的方法研究，針對五種認知負荷過載的情景提出相應(yīng)九種調(diào)節(jié)策略[4]。目前關(guān)于認知負荷調(diào)節(jié)策略的研究均圍繞著Mayer所提出的九種調(diào)節(jié)策略，但在界面設(shè)計中的認知負荷調(diào)節(jié)策略因其成因與學(xué)習(xí)有所差異，會有一定的不同。但目前針對于界面設(shè)計中的認知負荷成因尚未有系統(tǒng)并被學(xué)者公認的研究結(jié)論，在提出相應(yīng)界面調(diào)節(jié)策略的時候，需要提取該界面認知負荷點并加以歸類。

2003年P(guān)aas F.等人對認知負荷的度量技術(shù)展開研究[5]，認知負荷的度量通常采用了評定量表、心理生理學(xué)和輔助任務(wù)技術(shù)。自我評定量表能夠使人們回憶自己的認知過程，給出相對感性的暗示。生理技術(shù)是間接由生理物理變量來反映認知負荷的變化，但需要對多種度量指標(biāo)進行綜合分析。然而，研究人員雖然已經(jīng)測量了總認知負荷，卻還沒有使用其中一種測量技術(shù)來區(qū)分這三種認知負荷的構(gòu)成，未來認知負荷度量方法研究發(fā)展趨勢是探索具有實用性的新心理學(xué)生理度量法，并能對認知負荷的構(gòu)成分別加以度量。

通過共被引文獻可以看出，認知負荷在界面設(shè)計中的應(yīng)用研究除了論述認知負荷理論基礎(chǔ)之外，研究更關(guān)注界面設(shè)計中認知負荷的調(diào)節(jié)策略及測評。認知負荷的調(diào)節(jié)策略研究圍繞著Mayer所提出的九種調(diào)節(jié)策略，測評研究則對主觀測評方法和客觀測評方法兩方面進行探究。

二、認知負荷在界面設(shè)計中的應(yīng)用研究重點分析

（一）界面認知負荷成因及調(diào)節(jié)策略研究

1.國外研究現(xiàn)狀

俄羅斯羅蒙諾索夫國立大學(xué)Burmistrov 1.在研究網(wǎng)頁視覺搜索任務(wù)發(fā)現(xiàn)搜索平面圖標(biāo)的時間是搜索現(xiàn)實圖標(biāo)的兩倍，具有較高的認知負荷，他認為界面圖形數(shù)量和密度越高，界面會越清晰，會提高界面的注視時間，并減少掃視次數(shù)，從而降低認知負荷[6]。瑞士巴塞爾大學(xué)Leuthold S.在比較網(wǎng)頁不同導(dǎo)航設(shè)計（垂直和動態(tài)菜單）和任務(wù)復(fù)雜度（簡單和復(fù)雜導(dǎo)航任務(wù)）對用戶性能、導(dǎo)航策略和主觀偏好的影響，得出垂直菜單在性能和主觀偏好方面優(yōu)于動態(tài)菜單和簡單菜單，用戶需要更少的注視，處理復(fù)雜任務(wù)時，材料的呈現(xiàn)方式使用分組鏈接更符合用戶認知[7]。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

汪海波在老年智能電飯煲交互原型研究中，通過減少智能電飯煲的信息量以及需要處理的信息量和操作任務(wù)的數(shù)量，來降低內(nèi)在認知負荷[8]。孟鈺婧從認知負荷、容錯性、情感化設(shè)計、通用性四個交互設(shè)計影響因子角度提出信息簡化處理、信息合理突出或弱化、符合用戶習(xí)慣、簡化操作流程四個調(diào)節(jié)外在認知負荷的策略[9]。張凱和劉舒楊從認知負荷角度提出交互規(guī)則構(gòu)建的四個策略[10]。羅曉云利用目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計減輕三種認知負荷，使用戶快速完成目標(biāo)任務(wù)[11]。

目前關(guān)于認知負荷的調(diào)節(jié)策略研究基本上以Mayer在多媒體學(xué)習(xí)過程中降低認知負荷的方法研究中所提出的九種調(diào)節(jié)策略為基準(zhǔn)，根據(jù)應(yīng)用研究領(lǐng)域不同略有調(diào)整。根據(jù)認知負荷的生成機制，界面認知負荷的成因共有三種：1.信息量超過工作記憶容量;2.信息難度超過認知加工水平;3.注意資源分配不均。相對應(yīng)的界面認知負荷調(diào)節(jié)策略見表3。信息加工量降低到工作記憶容量以內(nèi)，包括7+2原則，即將界面信息分割成若干7±2個信息單元;信息可視化，即將界面相關(guān)語言信息轉(zhuǎn)換為圖形、符號等用戶所易認知的信息;感官通道轉(zhuǎn)換，即將界面信息由文本閱讀由視覺通道轉(zhuǎn)換為聽覺通道。信息難度調(diào)節(jié)到認知均線以下，包括提示，即任務(wù)完成引導(dǎo);預(yù)操作，即預(yù)先操作界面以獲得更好的知識遷移。合理分配注意資源，包括空間連續(xù)，即界面中相關(guān)聯(lián)信息需保持在同一界面或區(qū)域內(nèi);信息一致性，即刪除多余信息。見圖5。

（二）界面認知負荷評價體系構(gòu)建研究

1.國外研究現(xiàn)狀

澳大利亞新南威爾士大學(xué)Khawaja M.A提出基于語言特征的認知負荷測量系統(tǒng)的高級功能模型，由環(huán)境、用戶演講和其他形態(tài)數(shù)據(jù)的輸入，經(jīng)過認知負荷處理器，并結(jié)合用戶及任務(wù)的屬性，可得出認知負荷的評價結(jié)果[12]。韓國大學(xué)Park S.提出了一種基于ACT-R理論的定量計算多源工作負荷的數(shù)學(xué)模型來反映時間壓力的影響，將NASA-TLX主觀評價量表的每個子指標(biāo)以及時間壓力對信息處理速度的影響通過數(shù)學(xué)方程進行量化，定量評估復(fù)雜系統(tǒng)或界面設(shè)計領(lǐng)域操作人員的工作負荷[13]。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

李金波認為認知負荷具有時變性、非線性和不確定性的特點，因此構(gòu)建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)認知負荷綜合評估模型”[14][15]。蓋曉琳基于模糊算法以及組合賦權(quán)法，構(gòu)建了界面認知負荷模糊綜合評價模型，對改良前后的界面進行模糊綜合評分，證明界面改良設(shè)計的可行性[16]。

目前關(guān)于認知負荷評價研究已由認知負荷評價指標(biāo)的可靠性研究轉(zhuǎn)向評價體系構(gòu)建研究，主觀評價方法有自我評定量表和NASA-TLX量表等對任務(wù)過程中投入的心理努力、任務(wù)難度等指標(biāo)，具有操作簡便、無干擾的優(yōu)點，但容易出現(xiàn)評定偏差和個體差異。任務(wù)績效評價方法對任務(wù)準(zhǔn)確性、反應(yīng)時等指標(biāo)對用戶或整個系統(tǒng)的任務(wù)績效做出評價，優(yōu)點是直接可觀，缺點是任務(wù)不同，方法不同。生理評價方法有心電分析、腦電分析、眼動分析等，具有客觀性和實時性的特點，但易受干擾，脫離實際情景。因此，在認知負荷評價體系構(gòu)建研究中多為選取多個評價指標(biāo)，對認知負荷進行綜合評價。隨著多學(xué)科交叉研究的深入，認知負荷綜合評價方法通常結(jié)合其他領(lǐng)域的模型和技術(shù)，對評價體系進行量化，對界面設(shè)計做出評分及對比。

（三）界面認知負荷度量方法研究

1.國外研究現(xiàn)狀

國外更多注重對腦電、眼動、前額葉皮層等神經(jīng)心理學(xué)的方法進行研究。Giraudet L.等人使用egg和erp方法對人機界面設(shè)計作出神經(jīng)工效學(xué)的評價，結(jié)果表明P300振幅可以作為界面設(shè)計效率和界面認知負荷的有效評估指標(biāo)[17]。Durantin G.等人使用近紅外光譜和心率變異性來檢測心理負荷，發(fā)現(xiàn)近紅外（fNIR）和高分辨紅外（HRV）對不同程度的心理負荷均有敏感性，在難度最高的情況下，前額葉激活較低[18]。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對界面認知負荷度量方法的研究主要在主觀度量方法對比研究、眼動實驗度量與分析研究以及腦電實驗度量指標(biāo)研究。孫崇勇對認知負荷主觀評價量表進行對比，研究發(fā)現(xiàn)WP量表在敏感度和效度上優(yōu)于NASA-TLX量表，在中低任務(wù)難度下，是較為理想的主觀度量認知負荷的方法[19]。劉鑫對眼動數(shù)據(jù)度量認知負荷水平的研究發(fā)現(xiàn)，相同任務(wù)下眨眼頻率差異主要受到個體眨眼習(xí)慣的影響，可利用T檢驗篩選出可用的眼動指標(biāo)，并利用數(shù)學(xué)公式對眨眼頻率特征進行處理[20]。

如圖6梳理，雖然認知負荷主觀度量方法研究對比發(fā)現(xiàn)WP量表更優(yōu)，但目前國內(nèi)外主流主觀度量方法還是NASA-TLX量表。而生理度量方法研究百家爭鳴，心電分析以測量心率及心率變異性為主;腦電分析有相關(guān)事件電位（ERP）、近紅外光譜（fNIR）等;眼動分析主要分析眨眼頻率、注視次數(shù)、凝視時間、回視次數(shù)、瞳孔直徑等?？偨Y(jié)與研究趨勢展望

本文使用CiteSpace分析軟件，對近十年來Web of Science核心合集有關(guān)于認知負荷在界面設(shè)計中應(yīng)用研究的文獻進行共被引，追溯出認知負荷在界面設(shè)計中應(yīng)用研究的理論基礎(chǔ)，并找到其理論應(yīng)用范圍以及研究價值，以此追蹤到其研究熱點領(lǐng)域。然后通過文獻分析法對相關(guān)文獻進行分析，從認知負荷成因及調(diào)節(jié)策略研究、認知負荷評價體系構(gòu)建研究和認知負荷度量方法研究三個方面，對國內(nèi)外認知負荷在界面設(shè)計中應(yīng)用的研究重點進行歸納與總結(jié)。

關(guān)于研究趨勢的展望：在調(diào)節(jié)策略研究上，還是以降低內(nèi)外在認知負荷并提高相關(guān)認知負荷為目標(biāo)，從工作記憶容量、注意資源和認知圖式三種認知負荷生成機制出發(fā)，對如何使信息難度降到認知均線以下、信息量控制在工作記憶容量以內(nèi)以及合理分配注意資源作以策略性研究。隨著研究的深入，學(xué)者們注意到用戶情緒、喜好、動機等個體因素對學(xué)習(xí)以及操作績效有一定的影響，因此相關(guān)界面的具身策略及勸導(dǎo)策略會是今后認知負荷調(diào)節(jié)策略的研究方向重點之一。由于認知負荷定量研究是評判界面設(shè)計優(yōu)良的有力證據(jù)，因此在構(gòu)建認知負荷評價體系時，多與其他學(xué)科及理論進行結(jié)合，構(gòu)建多學(xué)科交叉認知負荷綜合評價模型。在認知負荷度量方法上，隨著神經(jīng)心理學(xué)的發(fā)展，將越來越重視認知負荷的腦機制研究，對實時任務(wù)的認知負荷水平進行精準(zhǔn)度量，并尋找能夠度量出每種認知負荷構(gòu)成的方法。.

參考文獻

[1]陳悅，陳超美，劉則淵等.CieSpace知識圖譜的方法論功能[J]科學(xué)學(xué)研究2015，33 （2）：242-253

[2]李杰，陳超美.CiteSpace.科技文本挖掘及可視化[M]北京：首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)出版社，2016： 142-143

[3] PaasF， RenkIA，Sweller J Cogpitive Load Theory andinstrLrchonal Design： Recent Developments[J]EducationalPsychologist， 2003， 38（1）：1-4

[4] Mayt：rRE，MorenoR Nine Ways to Reduce Cogpifwe Loadin Multimedia Leaming[J]Educational Psychologjst，2003，38（1）：43—52

[5]PaasE TuovinenJE，TabbersH，etal. Cognitive Load Measrrrement越a Means to Advance Cognifwe Load Taeory[J]Educational Psychologjst，2003，38（1）：63-71

[6]BurmistrovI，ZlokazovaT、IzmalkovaA，etal. FJat Desigp vs TraditionalDesigp： Comparahve Experimental Study [C]Human-Comixtelnteraction-Interact 2015 PT II Bamberg Springer-Vedag Balin Press，2015，9297： 106-114

[7] LeutholdS，SchmutzP，Barps-AvilaJA，etal. Vertical Versus Dynamic Menus on The Worid WideWeb： Eye T iackingStudy Measuring thelntluenced Menu DesiW and TaskCompka：ity on UserPerf ormance and Subjectwe Pefence[J]Computers in Hurnan Bebavior， 2011， 27 （1）： 459472

[8]汪海波，胡芮瑞，郭會娟等.基于認知負荷的老年智能電飯煲交互原型研究[J]包裝工程2018，39 （22）：213-217

[9]孟鈺婧，尚利.關(guān)于減少交互產(chǎn)品外在認知負荷的研究[J]設(shè)計2019，32 （09）：25-28

[10]張凱，劉舒楊.基于認知負荷調(diào)節(jié)的交互規(guī)則構(gòu)建策略研究[J]設(shè)計2016 （01）：57-59.

[11]羅曉云，謝慶森.基于目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計理論減輕產(chǎn)品認知負荷的探究[J]設(shè)計2015 （16）：119-120

[12] KhawajaMA，ChenF，MarcusN Measrrring Cogpitwe Load Using Linguistic Features： ImplicationsforUsabilityEvatuabon and AdaphInteractionDesign[J]InkmahonalkumalofHuman-Conyrhefachori，2014，30 （5）：343_368

[13] ParkS，JeongS，MyungR Modeling ofiVIriibpje Sources of Workload and Time Pressure Effect with ACr-R[J]Intemational Joumal of Industnal Ergonon]ics，2018，63： 37-48

[14]李金波，許百華.人機交互過程中認知負荷的綜臺測評方法[J]心理學(xué)報，2009，4l （01）：35-43

[15]李金波，許百華，田學(xué)紅.人機交互中認知負荷變化預(yù)測模型的構(gòu)建[J]心理學(xué)報，2010，42 （05）：559-568

[6]蓋曉琳.基于認知負荷的船舶導(dǎo)航顯控系統(tǒng)軟件界面設(shè)計與評價[D]哈爾濱工程大學(xué)，2015： 49-64

[17] GiraudetL，ImbatJ P' BerengerM，etal. The Neuroergonomic EvaluahonofHuman Macbine bterface DesigjIin AiiTraffic Control Using Behavioraland EGG/ERP Measures[J]Behavioural Brain Research，2015，294： 246-253

[18] DuraniinG，Gagj）onJ FTrembayS，etal. Using nearinfrared Spectroscopy and Heart RateVariabiliy to Detect Mental（hedoad[J]Behavioural Brain Research，2014， 259： 1623

[19]孫崇勇.認知負荷的測量及其在多媒體學(xué)習(xí)中的應(yīng)用[D]蘇州大學(xué)，2012： 47-67

[20]劉鑫.基于眼動數(shù)據(jù)測量認知負荷水平[D]西南大學(xué)，2017： 16-22