汪海波，薛澄岐，黃劍偉，宋廣麗

(1. 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2. 安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

基于認(rèn)知負(fù)荷的人機(jī)交互數(shù)字界面設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)*

汪海波1，2，薛澄岐1，黃劍偉1，宋廣麗1

(1. 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2. 安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

復(fù)雜系統(tǒng)信息量大，信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易造成數(shù)字界面設(shè)計(jì)與用戶認(rèn)知失衡, 文中針對(duì)這一問(wèn)題，基于認(rèn)知負(fù)荷的視角，展開了界面設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)研究以提高人-數(shù)字界面交互工效。從數(shù)字界面信息加工機(jī)制出發(fā)，結(jié)合認(rèn)知資源有限理論和認(rèn)知圖式理論探討了數(shù)字界面認(rèn)知負(fù)荷的生成機(jī)理，提出了數(shù)字界面外在認(rèn)知負(fù)荷、內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的3個(gè)來(lái)源及相應(yīng)的減少認(rèn)知負(fù)荷的界面設(shè)計(jì)策略。將視覺(jué)搜索機(jī)制和眼動(dòng)生理評(píng)估有效結(jié)合起來(lái)，提出了基于搜索深度-搜索廣度和內(nèi)斂度-發(fā)散度的數(shù)字界面眼動(dòng)認(rèn)知評(píng)價(jià)模型，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字界面研究的認(rèn)知根源挖掘和主客觀統(tǒng)一。

認(rèn)知負(fù)荷；數(shù)字界面；認(rèn)知圖式；眼動(dòng)

引 言

如今，大到戰(zhàn)機(jī)/船舶駕駛艙操縱、核電廠控制、戰(zhàn)場(chǎng)指揮，小到家用電器、消費(fèi)類電子產(chǎn)品，功能強(qiáng)大的軟件數(shù)字界面已越來(lái)越多地取代了傳統(tǒng)的人-機(jī)(器)硬件界面而成為當(dāng)今人機(jī)交互的主要載體，操作者主要通過(guò)數(shù)字界面完成交互信息監(jiān)控、決策分析和突發(fā)問(wèn)題的解決。對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)，其數(shù)字界面信息量大，信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易造成界面設(shè)計(jì)與用戶認(rèn)知失衡，因此，從認(rèn)知負(fù)荷的視角開展人機(jī)交互數(shù)字界面的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

目前對(duì)數(shù)字界面的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)研究多集中在可用性范疇(即界面設(shè)計(jì)的可用性原則)，以及對(duì)人-界面交互過(guò)程的有效性、交互效率和用戶滿意度進(jìn)行評(píng)估[1]，典型的可用性測(cè)試方法有用戶訪談、問(wèn)卷調(diào)查等滿意度主觀評(píng)價(jià)以及任務(wù)完成時(shí)間、任務(wù)完成被試百分比、錯(cuò)誤類型和數(shù)量等客觀績(jī)效評(píng)估[2]。眼動(dòng)生理評(píng)估方法目前也是該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，文獻(xiàn)[3]和[4]較早利用眼動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了網(wǎng)站界面可用性測(cè)試，文獻(xiàn)[5]和[6]很好地探索了眼動(dòng)路徑、注視熱點(diǎn)、注視點(diǎn)數(shù)量和注視時(shí)間等眼動(dòng)數(shù)據(jù)在界面可用性測(cè)試中的應(yīng)用。

但當(dāng)前基于可用性的數(shù)字界面設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法具有一定的局限性，本文從認(rèn)知負(fù)荷的視角，將數(shù)字界面信息加工、認(rèn)知理論、視覺(jué)搜索機(jī)制和眼動(dòng)生理評(píng)估有效結(jié)合起來(lái)，探討了數(shù)字界面認(rèn)知負(fù)荷的生成機(jī)制、來(lái)源途徑、界面設(shè)計(jì)策略及眼動(dòng)評(píng)價(jià)模型。

1 數(shù)字界面認(rèn)知負(fù)荷生成機(jī)制

認(rèn)知負(fù)荷這一術(shù)語(yǔ)早在20世紀(jì)70年代就有人使用[7]，但把認(rèn)知負(fù)荷作為一種理論并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的是澳大利亞的認(rèn)知心理學(xué)家John Sweller[8]。他于20世紀(jì)80年代末90年代初提出的認(rèn)知負(fù)荷理論的理論基礎(chǔ)主要是資源有限理論和圖式理論。資源有限理論認(rèn)為人的認(rèn)知資源是有限的，主要表現(xiàn)在工作記憶的容量有限。雖然工作記憶與注意是兩個(gè)不同的概念，但它們?cè)诳刂菩约庸さ倪^(guò)程中是一種共生的關(guān)系。如圖1所示，當(dāng)集中注意對(duì)某些信息進(jìn)行深度加工時(shí)，工作記憶中的目標(biāo)信息相應(yīng)減少，而工作記憶中的信息超過(guò)一定的容量，其實(shí)也是注意資源不足的問(wèn)題。認(rèn)知負(fù)荷理論通常從“認(rèn)知資源”的角度描述注意，從“認(rèn)知容量”的角度來(lái)描述工作記憶，其核心思想可以概括為在意識(shí)控制下的信息加工過(guò)程中，在認(rèn)知資源與認(rèn)知容量之間相互作用的關(guān)系，主要表現(xiàn)在工作記憶的容量有限。若加工某個(gè)信息所需要的認(rèn)知資源超過(guò)了人所具有的認(rèn)知資源總量，就會(huì)造成認(rèn)知超負(fù)荷。

圖1 信息加工過(guò)程模型

圖式理論認(rèn)為知識(shí)能以不同的方式來(lái)表征不同的信息，并以圖式的形式存儲(chǔ)于長(zhǎng)時(shí)記憶中。認(rèn)知心理學(xué)家認(rèn)為，“人”心智表征的事實(shí)、觀念和概念統(tǒng)稱為陳述性知識(shí)，它由一些稱之為組塊的基本認(rèn)知單元所組成。文獻(xiàn)[9]提出了3種不同類型的組塊：時(shí)間序列、表象和命題?！皥D式”就是這些陳述性知識(shí)在記憶中有組織的有內(nèi)在聯(lián)系的記憶結(jié)構(gòu)，一般分為自然范疇圖式、代表事件的腳本圖式和文本圖式3大類。“人”從類似事件的多次經(jīng)驗(yàn)中抽取共同元素的過(guò)程就是圖式的形成過(guò)程。文獻(xiàn)[10]主張用同化和順應(yīng)這兩個(gè)概念來(lái)說(shuō)明主體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與環(huán)境之間的關(guān)系，主體在與環(huán)境的不斷同化與順應(yīng)過(guò)程中，擴(kuò)大了主體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，適應(yīng)了變化著的客觀世界?，F(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)則從學(xué)習(xí)的主動(dòng)角度刻畫圖式的發(fā)展。一個(gè)圖式可以包括若干個(gè)子圖式，圖式與圖式之間也可以聯(lián)結(jié)形成新圖式，許多個(gè)圖式可以聯(lián)結(jié)為陳述性知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，這是知識(shí)在記憶中得以儲(chǔ)存的一種模型。知識(shí)的學(xué)習(xí)可以表征為給這一網(wǎng)絡(luò)增加了某一新的圖式或組塊，或在各信息組塊間增加了新的聯(lián)結(jié)，或改變了聯(lián)結(jié)的性質(zhì)或強(qiáng)度[10]。

在個(gè)體加工新信息的時(shí)候，長(zhǎng)時(shí)記憶中的圖式根據(jù)信息元素的使用方式來(lái)組織信息，它提供知識(shí)組織和存儲(chǔ)的機(jī)制，可以減少工作記憶負(fù)荷。如圖2所示，因?yàn)閳D式不管大小在記憶中都被當(dāng)作一個(gè)實(shí)體來(lái)看待，子元素或者低級(jí)圖式可以被整合到高一級(jí)的圖式，不再需要工作記憶空間，因此，圖式使工作記憶在處理的信息量上沒(méi)有明顯限制，盡管處理的元素?cái)?shù)量有限。圖式經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐能成為自動(dòng)化過(guò)程，圖式自動(dòng)化不需要有意識(shí)的控制，它不會(huì)消耗認(rèn)知資源，不會(huì)給個(gè)體帶來(lái)認(rèn)知負(fù)荷。

圖2 認(rèn)知圖式作用機(jī)制

2 數(shù)字界面認(rèn)知負(fù)荷來(lái)源途徑

影響人機(jī)交互數(shù)字界面認(rèn)知負(fù)荷的因素很多，概括起來(lái)有3點(diǎn)：界面元素的組織和呈現(xiàn)方式，系統(tǒng)和界面的復(fù)雜性，操作者的專長(zhǎng)水平(即先前知識(shí)經(jīng)驗(yàn))。它們決定了數(shù)字界面認(rèn)知負(fù)荷來(lái)源的3個(gè)途徑：外在認(rèn)知負(fù)荷(Extraneous Cognitive Load：ECL)、內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷(Intrinsic Cognitive Load：ICL)和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷(Germane Cognitive Load：GCL)。

2.1 外在認(rèn)知負(fù)荷

外在認(rèn)知負(fù)荷也稱為無(wú)效認(rèn)知負(fù)荷，是由操作者在認(rèn)知界面過(guò)程中所具有的對(duì)認(rèn)知沒(méi)有貢獻(xiàn)的心理活動(dòng)引起的，它與界面元素的組織和呈現(xiàn)方式有關(guān)，使認(rèn)知的界面信息與圖式?jīng)]有關(guān)聯(lián)。大量關(guān)于認(rèn)知負(fù)荷的研究都表明，在經(jīng)常遇到的與認(rèn)知加工有關(guān)的任務(wù)中，在很多情況下都存在外在認(rèn)知負(fù)荷，認(rèn)知進(jìn)程受到阻礙，因此，優(yōu)化界面元素的組織和呈現(xiàn)方式是降低數(shù)字界面操作者外在認(rèn)知負(fù)荷的重要途徑。其具體策略如下：

1) 在界面元素的組織上，要遵循一定的視覺(jué)搜索原則，要符合人的視覺(jué)搜索規(guī)律，使操作者以最短的視覺(jué)搜索線路找到所需信息，并依據(jù)圖式理論建立信息之間的聯(lián)系進(jìn)而整合信息，減少操作者的分散注意，從而降低操作者外在認(rèn)知負(fù)荷。

2) 在界面元素的呈現(xiàn)方式上，根據(jù)信息的特性和操作者的任務(wù)需要選擇適合的呈現(xiàn)方式，例如利用色彩來(lái)表達(dá)區(qū)域和等級(jí)信息，利用圖形文字來(lái)表達(dá)定量、定向的內(nèi)容。另外，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間呈現(xiàn)適當(dāng)?shù)男畔⒁彩墙档屯庠谡J(rèn)知負(fù)荷的有效策略。

2.2 內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是指在工作記憶中同時(shí)得到加工的、新整合進(jìn)認(rèn)知圖式中的元素的數(shù)量，文獻(xiàn)[11]認(rèn)為內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的高低是由將要認(rèn)知的材料的特征與個(gè)體專業(yè)知識(shí)之間的關(guān)系決定的。如果界面較復(fù)雜，而且操作者在該領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)較貧乏，那么要理解所認(rèn)知的界面就必須同時(shí)注意多個(gè)不同的元素，這些元素就會(huì)同時(shí)在工作記憶中得到加工，工作記憶的負(fù)擔(dān)就會(huì)加重，從而產(chǎn)生較高的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。反之，如果操作者對(duì)該領(lǐng)域的知識(shí)有豐富的經(jīng)驗(yàn)，那么在其認(rèn)知過(guò)程中，就會(huì)比專業(yè)知識(shí)貧乏的操作者產(chǎn)生較少的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。文獻(xiàn)[12]提出把認(rèn)知材料分解成具有完整意義的、可單獨(dú)呈現(xiàn)的模塊，模塊化的樣例呈現(xiàn)方式可以降低認(rèn)知者的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。

2.3 相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷

相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷也稱有效認(rèn)知負(fù)荷，是指?jìng)€(gè)體在完成某一任務(wù)過(guò)程中仍有多余的認(rèn)知資源時(shí)，個(gè)體便可以把剩余的認(rèn)知資源用到下一步的認(rèn)知加工中，讓個(gè)體在工作記憶的元素活動(dòng)中加入更高級(jí)的有意識(shí)的認(rèn)知加工(如重組、抽象、比較和推理等)。這樣的加工也會(huì)增加認(rèn)知負(fù)荷，但是這種認(rèn)知負(fù)荷不會(huì)阻礙信息認(rèn)知，反而可以促進(jìn)信息處理。

認(rèn)知負(fù)荷的3種類型共同存在于用戶對(duì)數(shù)字界面的認(rèn)知過(guò)程中，三者的總量不能超過(guò)認(rèn)知資源總量，否則會(huì)造成認(rèn)知負(fù)荷超載。如圖3所示，認(rèn)知負(fù)荷總量包含內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，三者之間是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。因此通過(guò)界面設(shè)計(jì)可最大限度地降低外在認(rèn)知負(fù)荷，增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，使認(rèn)知負(fù)荷總和保持在工作記憶容量許可的范圍內(nèi)，合理利用有限的認(rèn)知資源，達(dá)到較好的數(shù)字界面認(rèn)知效果。

圖3 認(rèn)知負(fù)荷來(lái)源途徑

3 基于認(rèn)知負(fù)荷的數(shù)字界面眼動(dòng)評(píng)價(jià)

3.1 視覺(jué)搜索質(zhì)量眼動(dòng)評(píng)價(jià)

視覺(jué)搜索一般分為深度優(yōu)先搜尋和廣度優(yōu)先搜尋2種。用戶搜索信息時(shí)，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的數(shù)字界面應(yīng)使用戶以較少的對(duì)整個(gè)界面的瀏覽搜索出很多需要的信息，應(yīng)使用戶集中注意對(duì)某些信息進(jìn)行深度加工。此時(shí)工作記憶中的目標(biāo)信息相應(yīng)減少，避免了工作記憶容量不足和注意資源不足帶來(lái)的認(rèn)知負(fù)荷過(guò)載問(wèn)題。同時(shí)相關(guān)研究表明，用戶在視覺(jué)搜索信息時(shí)，專家用戶比新手用戶具有更多的深度優(yōu)先搜索[13]。因此能夠用深度優(yōu)先搜索和廣度優(yōu)先搜索代表的視覺(jué)搜索質(zhì)量來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)字界面的優(yōu)劣。

直接引入搜索深度和搜索廣度兩個(gè)概念，視覺(jué)搜索質(zhì)量好的界面應(yīng)該是搜索深度值大，搜索廣度值小。使用凝視次數(shù)(回視)、掃描路徑的集中程度分析視覺(jué)搜索質(zhì)量。眼動(dòng)指標(biāo)中凝視次數(shù)(回視)跟搜索深度負(fù)相關(guān)；掃描路徑長(zhǎng)度是各凝視點(diǎn)之間來(lái)回搜索距離的和，凝視點(diǎn)多，掃描路徑越擴(kuò)散，代表需要更多的廣度搜尋，搜索廣度同掃描路徑成正比。因此，可定義搜索深度D= 1/N，N為凝視次數(shù)；搜索廣度S=∑L，L為掃描路徑的長(zhǎng)度。

3.2 信息加工水平眼動(dòng)評(píng)價(jià)

數(shù)字界面認(rèn)知眼動(dòng)評(píng)價(jià)，需要從信息加工的角度考察用戶的眼動(dòng)行為表征。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為凝視時(shí)間、凝視次數(shù)、總的完成時(shí)間(含凝視時(shí)間和掃視時(shí)間)與信息加工有關(guān)，凝視時(shí)間和總的完成時(shí)間越長(zhǎng)，凝視次數(shù)越多，界面設(shè)計(jì)就越差。這種看法存在片面性，沒(méi)有將界面中的信息加工認(rèn)知與一般視覺(jué)活動(dòng)分開。本研究認(rèn)為，分析界面的信息加工應(yīng)該選擇一個(gè)興趣區(qū)域，興趣區(qū)域中的凝視時(shí)間和凝視次數(shù)占整個(gè)界面的完成時(shí)間和凝視次數(shù)的比例越大，說(shuō)明用戶對(duì)界面的信息加工越好，無(wú)效的外在認(rèn)知負(fù)荷較少，整個(gè)界面越內(nèi)斂。引入內(nèi)斂度概念，內(nèi)斂度IN定義如下：

IN=(Na×Ta)/ (N×T)

(1)

式中：Na為興趣區(qū)域AOI的凝視次數(shù)；N為整個(gè)界面的凝視次數(shù)；Ta為興趣區(qū)域的凝視時(shí)間；T為凝視時(shí)間和掃視時(shí)間之和，即總的時(shí)間。

文獻(xiàn)[14]表明，凝視的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，加工難度就越大，與用戶解釋界面元素表征耗時(shí)就越長(zhǎng)。因此，在此基礎(chǔ)上計(jì)算有效凝視時(shí)間之和與凝視次數(shù)的比值來(lái)反映加工的發(fā)散程度。發(fā)散度值越高，表示其單個(gè)元素的信息加工越難，界面認(rèn)知負(fù)荷越高，整體不夠收斂，偏發(fā)散，數(shù)字界面設(shè)計(jì)差。

發(fā)散度DI定義如下：

DI=Ta/Na

(2)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從認(rèn)知負(fù)荷的視角探索人機(jī)交互數(shù)字界面設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法。根據(jù)認(rèn)知資源有限理論和圖式理論總結(jié)了數(shù)字界面認(rèn)知負(fù)荷的生成機(jī)理；從數(shù)字界面設(shè)計(jì)角度出發(fā)闡述了其認(rèn)知負(fù)荷的3個(gè)來(lái)源途徑及相應(yīng)的設(shè)計(jì)控制策略；圍繞信息視覺(jué)搜索和信息加工，提出了基于搜索深度-搜索廣度、內(nèi)斂度-發(fā)散度的數(shù)字界面認(rèn)知評(píng)價(jià)模型。從數(shù)字界面認(rèn)知機(jī)理的挖掘探索數(shù)字界面的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，對(duì)傳統(tǒng)的可用性研究是一種很好的補(bǔ)充，對(duì)數(shù)字界面設(shè)計(jì)研究有很好的啟發(fā)和借鑒意義。

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汪海波(1978-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槿藱C(jī)交互及人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

Design and Evaluation of Human-computer Digital Interface Based on Cognitive Load

WANG Hai-bo1,2，XUE Cheng-qi1，HUANG Jian-wei1，SONG Guang-li1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity，Nanjing211189,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofTechnology,Ma′anshan243002,China)

A large amount of information and complicated structure for complex systems is likely to cause imbalance between the digital interface design and user awareness. The interface design and evaluation are studied based on the perspective of cognitive load in order to improve the interaction ergonomics of human-computer digital interface. From the information processing model, the formation mechanism of digital interface cognitive load is explored combined with the limited cognitive resources theory and the cognitive schema theory. Three sources of extraneous cognitive load, intrinsic cognitive load and germane cognitive load and the corresponding interface design strategy to reduce the cognitive load are put forward. With visual search and the eye-tracking evaluation combined, the two-eye movement cognitive evaluation model of digital interface is built based on search depth-search scope and inside collect-divergence. The cognitive origin of human-digital interface interactive is probed and the unity of subjective and objective is achieved.

cognitive load; digital interface; cognitive schema; eye-tracking

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71071032)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71271053)；教育部人文社會(huì)科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(12YJC760019)

2013-07-23

TP302

A

1008-5300(2013)05-0057-04