基于認知負荷的老年用戶認知衰退研究

王俊鈥，李晶*，郁舒蘭

（南京林業大學家居與工業設計學院，江蘇南京210037）

基于認知負荷的老年用戶認知衰退研究

王俊鈥，李晶*，郁舒蘭

（南京林業大學家居與工業設計學院，江蘇南京210037）

面對老年人認知衰退極易造成人機交互中的高認知負荷，本文基于大腦信息加工的層次結構，提出認知負荷大小取決于注意和記憶資源的占用量；通過實驗測試年齡、受教育程度、上網情況和就醫情況等對老年人注意和記憶的影響，分析其認知衰退情況。結果發現：年齡、受教育程度和上網情況顯著影響老年人記憶，注意主要受身體健康的影響；老年人記憶的衰退遠大于注意。

老年用戶；認知負荷；認知能力測試

目前，人口老齡化趨勢是大多數國家共同面臨的社會問題。中國人口基數大、醫療設施現代化程度不完善，造成的老年人求醫人數多、醫療資源緊張、時間消耗大并影響子女工作、生活幸福感等問題愈演愈烈。老年群體比其他年齡段人群更關注自己的健康問題，因此不少健康服務平臺增加了老年板塊或老年健康相關內容。但是，隨著年齡增長的認知衰退嚴重制約著老年人的認知資源容量，認知負荷問題的困擾嚴重影響了老年用戶界面接觸過程中的信息獲取及用戶體驗[1]。因此，在人機界面設計中關注老年人認知特征及其局限性，分析其認知的限制性調節，才能提供有效的設計方案，保證老年人健康服務平臺具有較強可用性和更加實際意義。

關于老年用戶認知衰退和認知負荷的研究，Paas等[2]針對隨年齡增長的認知衰退，歸納了老年人多媒體教學設計策略。關于老年人認知能力對人機交互的影響，有學者從界面功能出發，探討智能家庭用戶界面[3]、手機移動通訊界面[4]等對老年人使用能力的限制；也有學者從認知能力出發，剖析老年人在界面認知過程中的體驗[5]、情感[6]、認知通道[7]變化，進行設計探索。但是，基于認知負荷的老年人的認知衰退影響因素、內容和情況仍有待研究。本文利用認知心理學方法，研究了大腦信息加工的層次結構，分析決定認知負荷大小的內在因素；基于認知能力測評實驗考察老年用戶認知衰退的主要內容和影響因素，為老年用戶界面設計提供有針對性的方向。

1.影響認知負荷大小的內在因素

1.1 大腦信息加工的層次結構

如圖1所示，大腦的信息加工主要包括神經系統、感受器、大腦加工活動和記憶范疇4個部分。根據信息在記憶中的存在方式不同，神經系統可分為三類，即用于感覺水平記憶的感覺器官和丘腦，用于知覺水平記憶的大腦皮質，和用于思維水平記憶的海馬、間腦、新皮質、反射通路等。界面信息由左往右進入大腦進行信息的加工，各個加工活動分別受到感受器中感覺、知覺、思維和反應的限制。這種限制既包括來自于注意資源的選擇加工控制，也包括來自于信息貯存活動中的記憶提取和存儲能力的約束。其中，注意資源不僅在信息的輸入階段具有“閘門”的選擇作用，還在加工過程中通過對信息進行選擇、維持、監督和調節，協調認知資源的有效分配。信息的提取和存儲約束主要依賴于記憶系統：由感覺記憶的信息進入短時記憶或工作記憶中，然后與長時記憶中的圖式進行互動。當大腦進行低級認知活動（如閱讀、再認等）時，感覺記憶中的一部分信息將被選擇進入短時記憶中，通過從長時記憶中提取相關信息進行新信息的加工處理，最后貯存于長時記憶中；當大腦進行高級認知活動（如理解、計算等）時，感覺記憶中的信息經過注意篩選，進入工作記憶中進行貯存和加工兩種處理過程，最后貯存于長時記憶中。

圖1 大腦信息加工的層次結構

上述大腦信息加工過程中，認知資源是否處于高效運行的狀態，用于信息加工處理的資源是否能夠滿足界面信息資源的需求，或者界面信息加工處理的難度是否在認知能力范圍之內，都是影響人機界面信息編碼的有效性和認知負荷大小的重要因素。認知資源能否有效甚至高效地分配是解決老年人在人機交互過程中的認知負荷問題的關鍵。

1.2 注意和記憶資源

根據圖1中的注意資源的分配控制，可以發現注意對信息的選擇、控制和維持功能貫穿于整個大腦信息加工過程。Anderso等（1974）[8]在將感覺記憶與短時記憶區分后，證實了短時記憶編碼需要注意資源；當注意水平下降時，短時記憶成績會相應地受到損害。Johnston等（1972）[9]發現，盡管短時記憶編碼、保持、提取都占用注意資源，但提取所占用的注意資源比編碼和保持更多。在早期階段的認知活動中，注意以顯性的方式影響用戶對信息的感知、選擇等行為；而在晚期階段的認知活動中，注意主要以隱性的方式對信息進行維持等活動。

工作記憶的信息加工和存儲方式在許多認知活動（如理解、推理、學習等）中都參與。首先，工作記憶是理解力的一個很好的預測者，即工作記憶容量與用戶的理解能力呈正相關。其次，工作記憶在推理中的作用得到了許多理論的研究和證實。Oberauer等（2005）[10]通過對前人報告的數據分析發現工作記憶與推理能力之間的相關性高達0.85。Buehner等（2005）[11]也發現高水平工作記憶能夠保持更多的信息并對此進行加工，從而獲取更好的推理。最后，工作記憶影響用戶對信息的獲取質量，表現為工作記憶有限性會限制用戶對信息的獲取。可見，注意通過調控，對有限的認知資源進行合理分配：過濾無用信息、選取有用信息；工作記憶基于注意篩選，使用有限的工作記憶資源對選擇進入的信息進行加工。注意和記憶所擁有的資源反映了大腦對信息加工的能力，也限制了設計信息編碼的要求和規則。結合Sweller的觀點，雖然注意和工作記憶是兩個不同的概念，但它們在控制性加工的過程中是一種共生的關系：當人集中注意對某些信息進行深加工時，工作記憶中的目標會相應減少；當工作記憶中的信息超過一定容量時，也反映出注意資源分配不足的問題。由于認知負荷理論通常以“認知資源”描述注意，以“認知容量”描述工作記憶。因此，注意與記憶資源的占用量影響認知負荷的大小。基于注意的認知資源與基于工作記憶的認知容量之間的相互協調、輔助共生，有利于認知負荷問題的解決。

2.認知能力測評實驗

根據認知的內容及其分類，注意包括集中注意、連續注意、選擇性注意、交替注意和分別注意等；記憶包括視覺和詞語感覺記憶、工作記憶、長時記憶和前瞻性記憶等。本文結合連線測試A-B、語言能力測試、Wechler記憶量表WMS視覺再生測試和記憶能力測試，分別對老年人的注意（連續注意、交替注意）和記憶（詞語記憶、視覺記憶、工作記憶）進行認知能力測評[12-13]。

2.1 被試

在南京市內選取80名年齡在55～80歲之間的老年人進行問卷調查。按照老年人的受教育程度不同，分別選取受教育程度1年以下、1年以上～4年以下、4年以上～7年以下、7年以上各20人。其中男性40人，女性40人。

2.2 方法

主試首先記錄被試的年齡、性別、受教育時間、上網頻度、看病頻度，隨后進行認知能力測試，方法如下：

圖2 連續注意測試

圖3 交替注意測試

（1）連續注意測試：采用連線測試A方法，要求被試將圖2中數字按照順序兩兩相連。主試用秒表記錄所用時間，即為測試分數。

（2）交替注意測試：采用連線測試B方法，要求被試將圖3中阿拉伯數字和中文數字按照順序交替相連。主試用秒表記錄所用時間，即為測試分數。

（3）詞語記憶測試：采用語言能力測試方法，要求被試1分鐘之內盡可能多的說出動物名稱。主試用秒表計時，1分鐘內說出的動物的數量即為得分。

（4）視覺記憶測試：采用Wechler記憶量表WMS視覺再生測試方法（圖4），被試靠記憶將圖默畫出來，總分最高15分。

圖4 視覺記憶測試

（5）工作記憶測試：采用記憶能力測試方法，要求被試聽完10個隨機排列的詞語后立即回憶說出聽到的詞語。測試分數為被試回憶出的詞語數量。

3.實驗結果和分析

3.1 方差分析

根據SPSS方差分析(其中F值為方差分析統計量，P值為顯著性)，性別對工作記憶有顯著性差異影響（F=4.308,P=0.042，P＜0.05），而對詞語記憶（F=0.495,P=0.484，P＞0.05）、視覺記憶（F=0. 070,P=0.792，P＞0.05）、連續注意（F=0.051,P=0. 822，P＞0.05）和交替注意（F=0.301,P=0.585，P＞0.05）沒有顯著性差異影響。男性工作記憶能力顯著強于女性。

年齡對詞語記憶（F=3.220,P=0.019，P＜0.05）、工作記憶（F=5.336,P=0.001，P＜0.05）、視覺記憶（F=6.554,P=0.000，P＜0.05）有顯著性差異影響，而對連續注意（F=0.526,P=0.717，P＞0.05）和交替注意（F=0.551,P=0.699，P＞0.05）沒有顯著性差異影響。

受教育程度對詞語記憶（F=9.879,P=0.000，P＜0.05）、工作記憶（F=4.095,P=0.010，P＜0.05）、視覺記憶（F=6.014,P=0.001，P＜0.05）有顯著性差異影響，而對連續注意（F=1.991,P=0.125，P＞0.05）和交替注意（F=1.521,P=0.218，P＞0.05）沒有顯著性差異影響。

上網情況對詞語記憶（F=6.506,P=0.003，P＜0.05）、工作記憶（F=4.227,P=0.019，P＜0.05）、視覺記憶（F=7.916,P=0.001，P＜0.05）有顯著性差異影響，而對連續注意（F=3.023,P=0.056，P＞0.05）和交替注意（F=2.687,P=0.076，P＞0.05）沒有顯著性差異影響。

就醫頻繁情況（身體狀態）對工作記憶（F=5. 233,P=0.008，P＜0.05）、視覺記憶（F=2.63,P=0. 080，P＜0.05）、連續注意（F=10.544,P=0.000，P＜0.05）和交替注意（F=10.173,P=0.000，P＜0.05）有顯著性差異影響，而對詞語記憶（F=2.301,P=0. 109，P＞0.05）沒有顯著性差異影響。

3.2 相關性分析

運用SPSS中兩兩相關性分析檢驗（其中r值為相關性檢驗Pearson值，上標“*”和“**”表示具有顯著性特征），年齡與詞語記憶（r=－0.399，）、工作記憶（r=－0.513，）和視覺記憶（r=－0.554，）三者呈負向相關。年齡越大，記憶能力越差。教育程度與詞語記憶（r=0.566，）、工作記憶（r=0. 407，）和視覺記憶（r=0.465，）三者正向相關。教育程度越高，記憶能力越好。上網頻率與詞語記憶（r =0.404，）、工作記憶（r=0.259，）和視覺記憶（r=0. 451，）三者正向相關，與連續注意時間（r=－0.303，）和交替注意時間（r=－0.284，）負向相關。說明上網時間越長，記憶能力越好，注意時間越短，注意能力也越強。就醫頻繁情況與工作記憶（r =0.357）正向相關，與連續注意時間（r=－0.502）和交替注意時間（r=－0.500）負向相關，說明身體狀況越好（就醫頻率越少），老年人記憶能力和注意能力越好。

4.小結

本文以大腦對信息加工的處理過程為基礎，提出老年人的認知負荷主要受到注意資源和記憶資源的限制；通過對老年人的連續注意、交替注意、詞語記憶、視覺記憶和工作記憶進行認知能力實驗測評，發現年齡、受教育程度和上網情況顯著影響老年人的記憶能力，而注意能力主要受到身體健康情況的影響。因此老年用戶人機界面中，需要重點考慮消耗記憶資源的信息設計。實驗結論對指導老年用戶界面設計有一定的啟發和借鑒意義。

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王俊鈥（1995-），男，本科，whjpho@163.com。李晶(通訊作者)（1987-），女，博士，講師，主要研究方向為人機界面設計、信息可視化，lijing7736@126.com。郁舒蘭（1974-），女，博士，教授，主要研究方向為工業設計。

江蘇高校品牌專業建設工程項目（PPZY2015B150），南京林業大學校青年科技創新基金資助項(CX2016029)，南京林業大學科研啟動基金項目(GXL011)，大學生創新訓練項目（2016NFUSPITP181）