面向人機交互數字界面的認知負荷研究

顏克彤， 張 昆， 邵 將， 張 震

（中國礦業大學建筑與設計學院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著科學技術的快速發展， 數字界面已經成為人機交互中重要的媒介之一。 在人機交互過程中，我們會接觸大量的信息，其中各種活動都會消耗我們的認知資源，如何在交互過程中減少認知負荷，提高認知效率，成為人機交互過程中要致力解決的問題之一。 在復雜的數字界面中， 當用戶對界面認知過程中所消耗的認知資源超過擁有的資源總量時，便會造成認知負荷過載的現象。 認知負荷的大小不僅僅關系到效率問題，更涉及到安全問題，尤其在核電、工程機械、航空航天等領域，操作界面復雜多變、 界面信息呈現過多及不合理設計更容易造成認知過載，嚴重可能會導致安全事故的發生。 因此，從認知負荷的角度對界面進行科學、合理的設計，對于用戶準確獲取信息、提高認知績效具有重大意義。

1 人機交互數字界面中的認知負荷及其分類

1.1 認知負荷定義

認知負荷理論最早是由認知心理學家John Sweller提出的，John Sweller 的認知負荷理論基礎主要是資源有限理論和圖式理論。資源有限理論認為資源是有限的，主要體現在人的工作記憶的容量是有限的， 如果各種認知加工活動所需要的認知資源超過了人所具有的認知資源的總量，就會造成認知負荷[1]。

1.2 人機界面認知負荷分類

人機界面的認知負荷分為三類：外在認知負荷、內在認知負荷和相關認知負荷[2]。

（1）外在認知負荷。 外在認知負荷是操作者在認知過程中所具有的對認知沒有貢獻的心理活動引起的， 這種認知負荷與界面元素的組織和呈現方式有關， 當需要的信息與圖式獲得沒有關聯時，就會產生外在認知負荷，因此，不合理、不科學的界面設計和信息呈現會增加用戶的外在認知負荷，從而會阻礙用戶相關的認知加工活動。

（2） 內在認知負荷。 人的內在認知負荷主要是由自身知識儲備和內隱知識結構等因素決定。 在人機交互數字界面中，內在認知負荷與人機交互數字界面的復雜程度和用戶的經驗與認知圖式相關，如果人機交互數字界面復雜且用戶對界面交互過程缺乏經驗，那么用戶就會產生較高的內在認知負荷。

（3） 相關認知負荷。 相關認知負荷是指個體在完成某一任務過程中仍有多余的認知資源，并且可以把多余的認知資源運用到更高級的有意識的認知加工中去，如重組、抽象、比較和推理等。 雖然這樣的認知加工方式會增加用戶的認知負荷，但是這種認知負荷不會阻礙用戶的信息認知，相反可以促進用戶對界面信息的理解和交互信息的處理。

2 認知負荷在人機交互數字界面中的應用

在Web of science 數據庫對近10 年的文獻進行檢索，以“cognitive load”“Interface design”為檢索詞進行檢索，共計390 篇。 如表1 所示，文獻內容主要涉及計算機科學、工程學、行為科學、心理學等學科。 其中在計算機科學領域的文獻構成比達到了80%多，由此可見，認知負荷得到了計算機科學領域學者的廣泛關注與研究。 將文獻檢索結果按照國家區域進行分析統計顯示中國排列第三。 這說明中國在界面認知負荷的研究上也有一定的基礎，這對文章主題的研究具有一定的參考價值。

表1 Web of science 數據庫中研究所涉及領域及文章篇數統計

在數字界面人機交互過程中， 其任務的屬性主要是信息獲取、理解和決策，他們的工作負荷主要表現為認知容量或認知資源超載的認知負荷。 尤其在復雜系統的人機界面中，信息量過多、信息關系復雜更容易造成人機界面設計與用戶認知的失衡，針對這一問題，Gahangir等[3]基于用戶的認知負荷水平，提出了一種與重新配置的移動Android 手機（R-MAP）集成的用戶界面，這種基于認知負荷反饋的輔助用戶界面有助于人們使用手機進行日常操作。 針對鐵路旅客與自動售票機交互時由于認知負荷高而產生的問題，譚雪等[4]人基于認知負荷理論對自動售票機展開了交互設計研究。 汪海波等[5]人從老年人的認知負荷能力角度出發， 優化了現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。 為減少用戶認知負荷提高界面可用性，Helena[6]等人對動態幾何系統的簡化界面與完整界面進行了實驗研究， 結果表明， 隱藏高級和無關功能的界面比使用完整界面的新手用戶性能更好。 但是，在接受了適當的培訓之后，完整界面比簡化界面使用戶的效能更好。 總之， 從認知負荷的角度，對數字界面進行優化設計，能夠有效提高用戶的搜索效率，減少用戶的認知負擔，對界面的信息呈現與優化設計具有一定的指導意義。

3 人機交互數字界面中認知負荷的測量方法與改善方式

3.1 人機交互數字界面中認知負荷的測量方法

目前，常用的認知負荷的測量方法有主觀測量法、任務績效測量法、 生理測量法和行為測量法。 主觀測量法主要是根據被試的評價來測量認知負荷， 常用的多維度評價量表有NASA-TLX 量表、SWAT 量表等。生理測量法是通過測量生理指標數據來客觀反映被試的認知負荷變化。 常用的生理測量法有心率測量、 眼動測量和腦電測量等。 任務績效測量法是測量被試的績效來測量認知負荷， 是一種客觀測量方法。 行為測量法是通過不讓被試意識到自己的行為正在被記錄作為搜集其完成任務過程中的數據，從而對認知負荷進行客觀、非侵入性以及隱性的分析[7]。

在認知負荷測量方面，不同學者基于不同測量方法對認知負荷展開了研究， 有些學者通過實驗探討了主觀測量量表在疲勞感評估中的適用性和有效性[8-9]，還有學者提出了認知負荷的測量模型和量化模型，并驗證了模型的可行性[10]。 目前，綜合運用多種測量方法成為測量認知負荷的發展趨勢。 如Zekveld 等[11]采用生理測量法和主觀測量法評估了年齡、、 聽力損失和認知能力對聽力加工負荷的影響。 Yan 等[12]基于績效測量法、主觀測量法、生理測量法，分析了用戶界面布局對核電站應急操作過程中操作人員心理負荷的影響。 Mazur 等[13]采用了主觀測量法、生理測量法評估了電子醫療任務需求、負荷與績效之間的關系。

3.2 改善人機交互數字界面認知負荷的方式

對國內外在數字界面方向的認知負荷相關研究進行梳理分析，針對人機界面中存在的認知負荷問題，一些學者通過構建認知負荷模型來改善認知負荷問題，如薛耀鋒等[10]利用眼動追蹤技術，通過眼動指標提出了在線學習的認知負荷量化模型。 J.Zhang 等[14]構建了核動力系統OM 界面認知負荷模型， 分析了OM 界面認知負荷的構成及其影響因素，研究核電系統認知負荷的應對策略和方法， 并提出了一種基于眼動的OM 界面認知負荷測量實驗方法。 Sega 等[15]通過研究人的眼動行為構建了新的認知模型， 以提高用戶認知模式和心理負荷的有效性。 徐小萍等[16]為了量化自然交互系統中用戶的認知負荷，提出了一種基于面向虛擬現實自然交互系統的認知負荷模型，并通過實驗驗證了模型的可行性。

另外一些學者通過分析界面不同要素呈現方式對認知負荷的影響研究界面中的認知負荷問題，如侯冠華等[17]通過實驗研究了不同時間壓力與導航結構下老年讀者完成任務的情況，研究發現導航結構與認知負荷均對老年讀者體驗有影響。方永超等[18]人采用了雙任務范式，分析了智能手機虛擬鍵盤不同布局在不同認知負荷下的可用性，證明了九宮格鍵盤對認知資源和任務難度比較敏感，而全鍵盤是一種可以在復雜認知環境中完成漢字文本輸入的較穩定鍵盤布局。 Roodenrys 等[19]指出分離注意效應可以有效降低認知負荷， 即將空間上分開的信息，如文本、圖表等關聯起來，降低用戶搜尋和匹配相關信息時所需要的心理努力。

還有一些學者基于認知負荷的測量方法和評定方法的角度進行研究，如Luria 等[20]采用了行為測量法測試了心理負荷對手寫行為的影響。 楊景等[21]為研究指控艙顯控界面中字符顯示方式對人的認知負荷影響性問題，提出一種面向腦力認知負荷的綜合評價方法，其研究結果可為指控艙顯控界面的優化設計與評價提供依據。 王霞等[22]為研究空中交通復雜度對管制員認知負荷的影響，構建了管制員認知負荷測評量表進行測量并驗證。 侯冠華等[23]基于認知負荷角度，利用主觀測量、眼動測量和正交實驗設計研究了影響中老年人數字閱讀的體驗。

三種改善界面認知負荷的方式是從不同階段對認知負荷開展研究，構建認知負荷模型一般是從前期對認知負荷相關知識進行研究并構建認知負荷模型，從而改善界面中的認知負荷問題。 分析要素呈現方式對認知負荷的影響是在認知行為中研究不同條件對用戶造成的認知負荷， 尋找有效改善認知負荷的呈現方式和方法。基于測量與評價方法的研究方式是通過測量認知負荷，并在后續進行分析與評價，從而改善認知負荷，指導界面的優化設計。

4 結束語

在智能化日益發展的今天， 人機界面中用戶使用行為產生的生理負荷已不再是突出問題，而相應的交互行為中信息加工和認知過程等帶來的認知負荷問題，已經變成影響用戶認知效率和用戶體驗的重要因素。 通過梳理國內外人機交互數字界面方向認知負荷研究的相關文獻可知，國內外學者基于不同角度對認知負荷開展了相關研究。 文章主要展開了認知負荷在人機交互數字界面領域的研究，分析了認知負荷的影響因素以及人機交互數字界面認知負荷的分類，其中外在認知負荷是可以通過對界面進行信息編碼來調控的。 除了構建認知負荷模型和分析界面要素呈現對認知負荷的影響外，還可以通過測量認知負荷來改善界面中的認知負荷問題。 總之， 希望通過文章對國內外認知負荷研究應用的梳理，可以為認知負荷在人機交互數字界面的研究提供一定的思路和方向。