圖標(biāo)語義距離對認(rèn)知負(fù)荷影響的研究進展

張 瀅， 邵 將

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

0 引言

現(xiàn)在，越來越多的傳統(tǒng)人機界面被數(shù)字化界面所取代。 各種復(fù)雜的數(shù)字化界面被應(yīng)用在不同的領(lǐng)域當(dāng)中，復(fù)雜界面中龐雜的信息會造成用戶較大的認(rèn)知負(fù)荷，造成一定失誤。 圖標(biāo)作為界面中的重要元素，是實現(xiàn)交互功能的視覺符號，影響圖標(biāo)的識別因素包括圖標(biāo)的視覺特征和圖標(biāo)的內(nèi)部特征。 一個好的圖標(biāo)同時具有抽象符號的直觀性和具體符號的具象性，將大大減少用戶認(rèn)知負(fù)荷[1]。 圖標(biāo)最重要的特征是在傳遞信息方面的有效性，有幾項研究將有效性視為優(yōu)秀圖標(biāo)設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)[2-3]。其中，語義距離是影響圖標(biāo)有效性的重要因素，語義遠(yuǎn)的圖標(biāo)會降低用戶的認(rèn)知效率， 或?qū)е聸Q策失誤。Kuicheu 等指出， 圖標(biāo)的語義和圖像相關(guān)的語言并不是一組等效物，而是一組可以用來描述特定圖標(biāo)的屬性[4]。圖標(biāo)與功能之間的緊密關(guān)系，即語義距離，是決定圖標(biāo)可用性成功與否的首要因素[5]。

1 圖標(biāo)語義距離概念

有些圖標(biāo)本身和其代表功能含義之間聯(lián)系密切，用戶可以直接識別出其功能含義，即圖標(biāo)語義距離近；有些圖標(biāo)需要占有用戶較多的認(rèn)知資源才能識別出其代表的功能含義， 說明圖標(biāo)本身和其代表功能含義之間聯(lián)系不密切， 即圖標(biāo)語義距離遠(yuǎn)。 早期由Peirce 提出的根據(jù)圖標(biāo)-功能之間的關(guān)系，將圖標(biāo)語義分為三類：①圖標(biāo)直接代表功能含義； ②圖標(biāo)中隱喻或隱含的特征間接地代表功能含義；③圖標(biāo)與功能含義無關(guān)[6]。 之后，MC dougall 等根據(jù)圖標(biāo)識別將圖標(biāo)分為五個認(rèn)知屬性： 熟悉度、 具象性、復(fù)雜性、語義距離和美學(xué)吸引力，并在Perice 的基礎(chǔ)上提出語義距離的概念并進行了闡述， 認(rèn)為語義距離指的是圖標(biāo)本身與其表達(dá)的功能含義之間的關(guān)系的遠(yuǎn)近程度， 同時研究發(fā)現(xiàn)圖標(biāo)的五個認(rèn)知屬性之間相互聯(lián)系[7]。CHEN 等將圖標(biāo)語義分為：功能隱喻、操作隱喻、對象隱喻和語義隱喻圖標(biāo)[8]，并通過眼動實驗研究發(fā)現(xiàn)，語義隱喻圖標(biāo)具有更高的普適性，相較于物體隱喻圖標(biāo)，語義隱喻圖標(biāo)具有更高的認(rèn)知準(zhǔn)確性和更低的認(rèn)知負(fù)荷， 同時對圖標(biāo)語義進行了定量描述[9]。 在語義距離的定量研究中，Cherng 等提出了一種基于腦電圖的圖標(biāo)語義距離的評估方法，揭示了語義距離在圖標(biāo)設(shè)計中的重要性[10]。 與之前的研究相比，Cherng 等對于語義距離的研究更為具體，將語義距離作為主要的實驗變量， 且多種場景下測量用戶的腦電數(shù)據(jù)， 把行為數(shù)據(jù)和腦電數(shù)據(jù)相互結(jié)合解釋用戶對圖標(biāo)語義距離的感知過程。Kenett 等[11]在研究方法，揭示了語義距離在圖標(biāo)設(shè)計中的重要性[10]。 與之前的研究相比，Cherng 等對于語義距離的研究更為具體， 將語義距離作為主要的實驗變量， 且多種場景下測量用戶的腦電數(shù)據(jù)，把行為數(shù)據(jù)和腦電數(shù)據(jù)相互結(jié)合解釋用戶對圖標(biāo)語義距離的感知過程。Kenett 等[11]在研究中檢查了路徑長度，作為計算分析的語義網(wǎng)絡(luò)，是否可以用作度量語義距離。

2 圖標(biāo)語義距離影響認(rèn)知負(fù)荷的具體表現(xiàn)

2.1 認(rèn)知負(fù)荷概念及其表現(xiàn)分類

早在20 世紀(jì)70 年代，認(rèn)知負(fù)荷一詞就被提出[12]，之后John Sweller 把認(rèn)知負(fù)荷作為一種理論進行實驗研究并提出認(rèn)知負(fù)荷理論基礎(chǔ)主要是資源有限論和圖示理論[13]。資源有限理論提出人的認(rèn)知資源是有限的，這里的認(rèn)知資源包括注意資源、工作記憶容量以及圖式構(gòu)建所消耗的資源[14]。由于人的工作記憶資源、注意資源等是有限的，因此當(dāng)用戶接受的信息大于容量時， 便會超過認(rèn)知系統(tǒng)所能承受的范圍，形成認(rèn)知負(fù)荷。用戶能順利完成任務(wù)過程中加工信息所需要的認(rèn)知資源的總和就是認(rèn)知負(fù)荷[15]。 影響復(fù)雜界面中圖標(biāo)認(rèn)知負(fù)荷的因素有很多， 其中包括了圖標(biāo)語義距離。 Niu 等[16]利用ERP 從特征綁定記憶的角度研究圖標(biāo)的顏色特征對圖標(biāo)工作記憶的影響中證實，優(yōu)化圖標(biāo)語義有助于減輕用戶的認(rèn)知負(fù)荷。語義距離作為衡量圖標(biāo)有效性的重要因素，對圖標(biāo)的認(rèn)知負(fù)荷有較大影響，根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷產(chǎn)生的原因，本文將圖標(biāo)語義距離對認(rèn)知負(fù)荷的影響表現(xiàn)分為注意資源、工作記憶和認(rèn)知績效三方面。

2.2 注意資源

當(dāng)用戶需要完成某項任務(wù)的過程中， 隨著任務(wù)數(shù)量的增多和復(fù)雜程度的提高，消耗的資源也就越多。在過多的刺激出現(xiàn)時，注意資源將會耗盡，如果這時候再出現(xiàn)新的刺激，往往就會被用戶忽略[17]。 但當(dāng)用戶注意力不自覺地被突出刺激吸引時， 這一現(xiàn)象被認(rèn)為是注意力捕獲效應(yīng)中的自下而上注意控制， 另一個是受目標(biāo)和對刺激出現(xiàn)的位置和出現(xiàn)時間的影響的自上而下注意控制[18]。 自下而上注意控制是以刺激為驅(qū)動的低水平加工層次，自上而下注意控制過程是神經(jīng)元向上傳遞信息的過程[19]。部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[20-21]，圖標(biāo)語義信息在圖標(biāo)識別過程中有重要作用， 當(dāng)用戶在進行不同搜索任務(wù)中大腦會根據(jù)任務(wù)類型采用視覺表征、 語義信息表征或兩者同時使用等不同的應(yīng)對認(rèn)知策略。 先前的研究證實當(dāng)圖標(biāo)本身與語義信息接近或一致時，即圖標(biāo)語義距離近，最相關(guān)的目標(biāo)刺激圖標(biāo)會最先被大腦中工作記憶選擇， 從而激發(fā)自上而下的注意捕獲效應(yīng)[22-23]，金濤等通過控制警示圖標(biāo)語義，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)警示圖標(biāo)的語義距離近時，其能夠突破認(rèn)知資源的限制而自動獲得加工[22]，這證實語義距離是影響警告圖標(biāo)自動注意處理的關(guān)鍵因素。 Cherng 等[10]提出了一種基于腦電圖的圖標(biāo)語義距離的評估方法， 揭示了語義距離在圖標(biāo)設(shè)計中的重要性，研究表明，語義距離近的圖標(biāo)更容易觸發(fā)與記憶相關(guān)的認(rèn)知， 且更能吸引參與者的注意力。 語義明確的圖標(biāo)在一定意義上可以被認(rèn)為是語義距離近的圖標(biāo)，其能夠自動吸引用戶注意力，對注意力捕獲能力強，而語義距離遠(yuǎn)的圖標(biāo)則相反。

2.3 工作記憶

工作記憶是一個對信息進行暫時性加工的系統(tǒng)，它是信息加工的主要場所，在面對新的信息時，其容量極為有限，當(dāng)需要處理的信息超出了記憶的容量，且這些信息之間的關(guān)聯(lián)程度不高，工作記憶就容易發(fā)生錯誤，導(dǎo)致記憶失效[23]。胡博等[24]研究了不同時間壓力下圖標(biāo)語義距離對工作記憶的影響。弱語義圖標(biāo)中敵機、友機和不明飛行物分別用紅色三角形、綠色圓形、黃色方塊表示。 強語義圖標(biāo)則通過問卷的形式篩選得出。 實驗中設(shè)計了不同的時間壓力、目標(biāo)圖標(biāo)數(shù)量和目標(biāo)圖標(biāo)類型，被試需要記住實驗界面的各個圖標(biāo)數(shù)量后完成一道對于飛機數(shù)量的題目。研究結(jié)果表明，圖標(biāo)語義距離和時間壓力的交互作用在信息提取正確率上顯著， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)無時間壓力下圖標(biāo)語義距離在工作記憶的編碼提取上沒有差異， 而有時間壓力下， 強語義圖標(biāo)相較于弱語義圖標(biāo)在工作記憶的提取上具有優(yōu)勢， 表現(xiàn)在強語義圖標(biāo)在信息提取的正確率和反應(yīng)時上比弱語義圖標(biāo)更高更快。 Y F Niu 等[16]利用ERP從特征綁定記憶的角度研究圖標(biāo)的顏色特征對圖標(biāo)工作記憶的影響。 研究表明，圖標(biāo)語義-顏色綁定內(nèi)存和圖形-顏色綁定響應(yīng)時間的顯著差異是由用戶內(nèi)存編碼的差異造成的。 在圖形-顏色綁定記憶任務(wù)中，參與者使用的是雙編碼記憶，而語義編碼記憶主要用于圖標(biāo)語義-顏色綁定記憶， 說明語義編碼記憶任務(wù)難度更大， 認(rèn)知負(fù)荷更大。Y F Niu 等的研究證實圖標(biāo)語義編碼記憶對用戶工作記憶造成一定負(fù)擔(dān)， 由此失配的語義編碼相較于匹配的語義編碼會使用戶造成更多的認(rèn)知負(fù)荷。 Zhang J 等[25]研究了語義記憶對圖標(biāo)復(fù)雜性的影響。實驗證明，記憶成分中的語義記憶直接影響理解能力，當(dāng)刺激物以語義有意義的方式處理時，識別能力增強。 當(dāng)圖標(biāo)其視覺特征與用戶記憶中的語義特征相似或一致時，圖標(biāo)更容易被用戶識別，當(dāng)圖標(biāo)的視覺特征與用戶記憶中的語義信息相差較遠(yuǎn)或不一致時，則圖標(biāo)需要占有用戶較多的認(rèn)知資源才能被識別。人的認(rèn)知資源是有限的，語義距離近的圖標(biāo)用戶更容易被記憶與認(rèn)知，對于語義距離遠(yuǎn)的圖標(biāo)，用戶在圖標(biāo)-功能匹配會消耗一定的認(rèn)知資源從而影響工作記憶提取。

2.4 認(rèn)知績效

圖標(biāo)語義距離對認(rèn)知績效的影響主要來自基于視覺搜索-識別范式實驗的認(rèn)知研究中，這里圖標(biāo)語義距離對認(rèn)知績效的影響主要表現(xiàn)在視覺搜索效率上， 在行為數(shù)據(jù)中則主要表現(xiàn)為反應(yīng)時和正確率。 彭寧珗等[26]采用視覺搜索實驗范式， 通過行為和眼動追蹤數(shù)據(jù)揭示了基于形狀相似、 功能關(guān)聯(lián)和語義匹配特征三類推理條件的圖標(biāo)搜索特性，研究發(fā)現(xiàn)，語義-圖標(biāo)匹配下的視覺搜索不易出錯。 宮勇[27]等對形象圖標(biāo)和抽象圖標(biāo)在語義匹配和語義不匹配條件下的認(rèn)知加工過程的實驗研究， 發(fā)現(xiàn)語義匹配時比語義不匹配時抽象圖標(biāo)所需反應(yīng)時間短，正確率高。 張雄飛[28]將圖標(biāo)復(fù)雜度劃分為圖標(biāo)風(fēng)格、圖標(biāo)語義和環(huán)境符合三個維度探究圖標(biāo)復(fù)雜度對用戶搜索績效的影響。 結(jié)果表明，扁平化風(fēng)格優(yōu)于擬物風(fēng)格，低負(fù)荷條件下圖標(biāo)優(yōu)于高負(fù)荷條件下圖標(biāo)， 有語義圖標(biāo)優(yōu)于無語義圖標(biāo)。 Li X 等[29]探討了不同圖標(biāo)組成-語義關(guān)系下軍事圖標(biāo)的認(rèn)知效率和認(rèn)知過程。 結(jié)果表明， 當(dāng)語義距離近時，正確率高，且ERP 數(shù)據(jù)反映出，語義距離近的圖標(biāo)產(chǎn)生了較小的認(rèn)知負(fù)荷。 Wu X 等[30]在研究了工業(yè)圖標(biāo)的語義-實體相關(guān)性的實驗中發(fā)現(xiàn)符合語義認(rèn)知定律的圖標(biāo)具有較高的搜索效率。 以上研究表明，當(dāng)語義距離近時，圖標(biāo)的視覺搜索效率更好且認(rèn)知績效優(yōu)良； 當(dāng)語義距離遠(yuǎn)時，反應(yīng)時長且正確率低。圖標(biāo)語義距離會顯著影響用戶的認(rèn)知績效。對于不同類型的用戶，圖標(biāo)語義距離對認(rèn)知績效也產(chǎn)生了影響。 Zhao K 等[31]研究了圖標(biāo)風(fēng)格和語義距離這兩個因素對不同智能手機使用體驗水平的老年用戶在識別性能和主觀偏好方面的影響， 通過一系列實驗和訪談發(fā)現(xiàn)， 語義距離顯著影響了被試對圖標(biāo)的識別和偏好。 語義距離較近的圖標(biāo)更容易被年齡較大的用戶理解， 這反映在更高的識別精度和更低的響應(yīng)時間。Dosso C 等[32]研究了年齡對導(dǎo)航任務(wù)中界面類型和圖標(biāo)語義距離的影響，結(jié)果表明，尤其是語義距離較遠(yuǎn)時，年齡較大的用戶需要更多的時間來選擇圖標(biāo)。相比之下，年輕用戶可以更好地完成實驗任務(wù)。 Zhao K 和Dosso C 的研究證實，年長用戶更需要語義距離近的圖標(biāo)，對他們而言， 語義距離近的圖標(biāo)可更好地被識別且能順利完成他們設(shè)想的任務(wù)。 圖標(biāo)語義距離對認(rèn)知績的影響會隨著用戶年齡的增長變得顯著。

3 圖標(biāo)語義距離的設(shè)計原則

圖標(biāo)作為復(fù)雜界面中的重要組成部分， 其可用性程度影響著整個界面的可用性因素。 良好的語義距離可優(yōu)化圖標(biāo)認(rèn)知，減輕用戶對復(fù)雜界面的認(rèn)知負(fù)荷。 目前已有不少對于界面設(shè)計原則和圖標(biāo)設(shè)計原則的研究，例如，肖紅等[33]分析了交互界面的視覺設(shè)計發(fā)展趨勢，并此基礎(chǔ)上提出了人機交互界面的視覺設(shè)計應(yīng)遵守“簡潔易用”的總原則。在現(xiàn)有設(shè)計原則的基礎(chǔ)至上，結(jié)合圖標(biāo)語義距離的特征和屬性，提出基于語義距離的圖標(biāo)設(shè)計原則，主要總結(jié)為以下四點原則：

（1）具象一致性。圖標(biāo)本身的視覺特征要與功能或語義具有一致性，即語義距離近。特別是當(dāng)圖標(biāo)語義是現(xiàn)實中所真實存在的物體， 設(shè)計師應(yīng)當(dāng)盡量選擇物體特征并映射到圖標(biāo)設(shè)計中。 良好的語義距離可以使用戶快速學(xué)習(xí)并上手復(fù)雜界面的操作， 當(dāng)圖標(biāo)的視覺特征與用戶認(rèn)知的功能或語義一致時，可減少用戶的學(xué)習(xí)成本和認(rèn)知負(fù)荷，且在完成緊急任務(wù)時提高用戶的決策正確率，減少人因失誤。

（2）抽象隱喻性。 對于一些抽象功能或語義，需要通過隱喻的方式進行圖標(biāo)設(shè)計。 隱喻主要通過意象來實現(xiàn)其目的。圖標(biāo)設(shè)計的整個過程就是圖標(biāo)的隱喻性生成，在這個過程中要注重“意義”在圖標(biāo)視覺特征中的表現(xiàn)，即在合理的隱喻中優(yōu)化圖標(biāo)的語義距離， 使得圖標(biāo)的隱喻是有效的。

（3）語義簡潔性。除了圖標(biāo)的視覺特征要符合其語義或功能之外， 對于語義詞和圖標(biāo)所代表的功能也應(yīng)盡量簡潔，避免過長的語義詞，或者是過于復(fù)雜的功能。 對于圖標(biāo)這一圖像來說， 其大小在不同的界面中有不同的標(biāo)準(zhǔn)，在其大小的限制中，過長的語義或復(fù)雜的功能，會使得圖標(biāo)的視覺特征變得抽象或復(fù)雜， 這會讓用戶難以記憶語義以及難以匹配圖標(biāo)，造成認(rèn)知負(fù)荷過載。因此在設(shè)置圖標(biāo)語義時應(yīng)遵循簡潔的原則， 避免一個圖標(biāo)多重語義、圖標(biāo)功能信息復(fù)雜難以記憶等情況。

（4）顏色明確性。 圖標(biāo)的最終目的是被用戶識別并使用，圖標(biāo)在具有美學(xué)吸引力的同時需要能表達(dá)明確的功能。圖標(biāo)的視覺特征和功能語義之間必須距離相近，過遠(yuǎn)的語義距離會使得圖標(biāo)的使用有效性降低。

4 結(jié)束語

目前對于圖標(biāo)語義距離單獨的研究較少，有學(xué)者[28]將語義距離作為一個實驗變量與其他主變量結(jié)合進行實驗，少數(shù)學(xué)者[10，24]將圖標(biāo)語義距離作為主要的研究對象。目前對于圖標(biāo)語義距離的實驗研究數(shù)據(jù)已經(jīng)不僅僅局限于行為數(shù)據(jù)，腦電技術(shù)及ERP 成分已應(yīng)用于此。 相較于傳統(tǒng)的行為數(shù)據(jù)和主觀測試問卷，ERP 更能直觀地觀察到用戶的感知， 其中ERP 成分中的N400 是觀測圖標(biāo)語義感知的主要成分。 現(xiàn)有研究對于語義距離的概念缺少量化標(biāo)準(zhǔn)，未來需要根據(jù)ERP 成分對語義距離有更合理的量化。在語義距離對不同用戶的認(rèn)知識別影響方面，已經(jīng)有學(xué)者[31-32]對比了不同年齡用戶對圖標(biāo)語義距離的感知，研究表明， 語義距離較近的圖標(biāo)更容易被年齡較大的用戶理解且具有更好的用戶體驗。隨著老齡化社會的到來，適老化圖標(biāo)及其語義距離是或許是未來的研究熱點。 在語義距離應(yīng)用方面，一些學(xué)者[30，39]將優(yōu)化語義距離后的圖標(biāo)應(yīng)用到數(shù)字化界面當(dāng)中， 并通過驗證實驗發(fā)現(xiàn)優(yōu)化語義距離后的圖標(biāo)更符合用戶的認(rèn)知定律且具有更好的識別效率。

綜上所述，隨著信息技術(shù)的日益發(fā)展，數(shù)字復(fù)雜界面逐漸取代傳統(tǒng)人機界面的趨勢下， 圖標(biāo)對于界面的有效使用起著關(guān)鍵作用， 未來對于圖標(biāo)語義距離的研究熱點和發(fā)展趨勢還將在影響因素、用戶體驗等方面展開。