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        面向人機(jī)交互數(shù)字界面的認(rèn)知負(fù)荷研究

        2020-03-08 09:49:36顏克彤
        關(guān)鍵詞:測(cè)量法界面負(fù)荷

        顏克彤, 張 昆, 邵 將, 張 震

        (中國(guó)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(jī)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?jìng)€(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(guó)家區(qū)域進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)顯示中國(guó)排列第三。 這說明中國(guó)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(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)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(cè)量方法

        目前,常用的認(rèn)知負(fù)荷的測(cè)量方法有主觀測(cè)量法、任務(wù)績(jī)效測(cè)量法、 生理測(cè)量法和行為測(cè)量法。 主觀測(cè)量法主要是根據(jù)被試的評(píng)價(jià)來測(cè)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(cè)量法是通過測(cè)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(cè)量法有心率測(cè)量、 眼動(dòng)測(cè)量和腦電測(cè)量等。 任務(wù)績(jī)效測(cè)量法是測(cè)量被試的績(jī)效來測(cè)量認(rèn)知負(fù)荷, 是一種客觀測(cè)量方法。 行為測(cè)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(cè)量方面,不同學(xué)者基于不同測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量方法成為測(cè)量認(rèn)知負(fù)荷的發(fā)展趨勢(shì)。 如Zekveld 等[11]采用生理測(cè)量法和主觀測(cè)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(jī)效測(cè)量法、主觀測(cè)量法、生理測(cè)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(cè)量法、生理測(cè)量法評(píng)估了電子醫(yī)療任務(wù)需求、負(fù)荷與績(jī)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(guó)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(cè)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(cè)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(cè)量法測(cè)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(cè)評(píng)量表進(jìn)行測(cè)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(cè)量、眼動(dòng)測(cè)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(cè)量與評(píng)價(jià)方法的研究方式是通過測(cè)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(guó)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(guó)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(cè)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(guó)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。

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