認知負荷在界面設計中的應用研究進展、熱點與趨勢

陳翰林

本次研究對之前的研究歷程進行分析總結并從學科交叉、通過前沿技術完善評價方法、拓寬研究范圍三個角度對未來發展方向提出參考意見，對未來從事該方向研究的學者與機構有一定的啟發。

關鍵詞：研究趨勢 界面設計 CiteSpace 認知負荷 研究理論

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2022）01-0044-04

引言

通過學者的不斷努力，認知負荷理論日漸完善并被廣泛運用。在應用于界面設計的過程中，有學者發現，用戶在對界面進行學習和理解的過程中會產生認知負荷，元素組織、呈現方式、操作流程等設計不合理會導致認知負荷提升，影響用戶體驗，可以通過調節認知負荷程度從而提高界面設計可用性、用戶滿意度和降低操作錯誤率，從分析中可以發現相關研究長期處于發展態勢，自2014年以來發展態勢迅猛，上升勢頭高漲，因此，以認知負荷為指導理論的界面設計改良方法值得深究。將認知負荷在界面設計中的應用研究進展、熱點以及趨勢進行總結與分析，以此了解目前該理論的研究趨勢、重點并進一步摸索總結出未來的方向和重點，對日后從事該方向研究的學者與機構有一定的啟發。

一、數據來源及研究方法

（一）數據來源：從Web of Science核心合集數據庫（SCI-EXPANDED、SSCI、CPCI-S）中導出本次研究所需要的數據，檢索式為：TS=cognitive load AND TS=interface design，年限設定：2000年—2019年（首篇文獻于2000年發表），限定文獻類型（ARTICLE、PROCEEDING、REVIEW）進行精煉，在整理和篩選后，有效文獻為356篇，該數據于2020年7月22日下載。

（二）研究方法：美國德雷塞爾大學陳超美博士的團隊開發出一款引文可視化分析軟件-CiteSpace。基于計量統計法與內容分析法確定相關文獻數據后，可以運用CiteSpace對文獻數據進行運算，軟件可以用信息可視化的方式直觀呈現相關知識結構及分布等情況、便于學者了解該領域內的動態、重點與趨勢。

本次研究將通過對文獻數據的年發文量、國家機構發文量及合作、作者合作關系和共被引、文獻共被引、關鍵詞頻次等方面著手分析，以此了解領域內的趨勢與重點。

二、文獻的可視化分析

（一）文獻分布及文獻、作者影響力分析

1.文獻量分析：將認知負荷理論在界面設計中的應用研究的文獻量數據轉換成年度分布折線圖。見圖1，由圖可知，自2000年出現第一篇文獻到2019年為止，總體研究趨勢呈現上升態勢，其中：2000年到2006年相關文獻較少，文獻數量從2006年至2008年增長較快，2008年至2014年趨勢起伏波動較大，2014年至2019年發文量明顯增長，并于2019年達到頂峰。可以預見今后將會有更多的研究成果。

通過對文獻量的分析可以幫助對理論發展歷程有一個直觀的了解，也可以更為清晰地分析每一段發展歷程，為結論更加具有條理性提供幫助。

2.國家分析：根據國家、地區發文數量相關數據，通過CiteSpace軟件運算進行國家合作分析，獲取國家發文量從高到低分布圖，圖2為發文量前10的國家。見圖3，通過節點與連線可直觀比對與了解國家發文多少與合作是否緊密，節點越大則該國家發文量多，連線越粗則連線國家合作越頻繁。

由圖表美國發文量較多，為112篇。

通過國家發文量與國家合作分析可以對理論研究現狀進行初步了解，結合接下來的共被引分析對研究重點的梳理提供幫助，同時也可以看出國家間合作是否積極頻繁。

3.機構分析：基于數據分析獲取科研機構發文量柱形圖，前15機構見圖4，通過CiteSpace運算獲取機構合作圖譜，見圖5，由圖可知機構多為高校，前15名中發文國家分別有美國、中國、澳大利亞、德國，美國高校較多。

通過機構發文與機構間合作可以完善對理論研究現狀的了解，結合后續研究，為結論提供佐證，并可以從中分析是否有不足之處。

4.作者影響力分析：從作者合作關系與共被引可體現作者影響力，運用CiteSpace運算獲取相關圖譜，作者合作關系圖譜見圖6，通過字體大小與連線粗細可知作者發文多少與合作是否頻繁。作者共被引圖譜見圖7，由節點大小可知被引頻次高低，節點越大則被引頻次越高，則證明其在認知負荷理論在界面設計中的應用研究領域中有著突出貢獻，影響力較高。其中共被引頻次前10名的作者見表1。

通過作者合作關系、作者共被引與頻次排序表可以有助于找出影響力較高的作者，他們在理論發展歷程中充當節點作用，為推動理論發展起到重要作用，對核心作者文獻多加研讀有助于對發展歷程、細節、脈絡等進行詳細了解，結合前文佐證可以對結論提供重要依據。

（二）研究趨勢及熱點分析

1.文獻共被引分析：基于citisapace軟件對文獻數據進行共被引分析并導出文獻共被引聚類時間線圖。見表2，整理出共被引頻次最多的6篇重要文獻。見圖8，通過文獻共被引聚類時間線圖使發展脈絡與重要節點更為直觀，易于理解。圖中節點為共被引文獻，節點越大表示該文獻共被引頻次越高，在認知負荷理論在界面設計中的應用研究中有著更重要的地位，節點間連線代表引用關系。

通過對文獻被引頻次排序與時間線圖可以有助于對理論發展歷程中的重要節點有更直觀的認知，在對理論有初步了解的基礎上再通過對以下重要文獻的了解，便可以詳細獲悉理論發展，加以分析總結，了解重點及趨勢，可據此提出部分結論，并為展望打下基礎。

2003年Fred Paas和John Sweller將認知負荷理論分成三類 。

1.內在認知負荷，由認知過程中對信息元素的交互性理解困難所形成;外在認知負荷，從對于形成圖式記憶及長時記憶無關的認知活動中所形成;相關認知負荷，從任務認知負荷過低從而自動化連續的認知行為中形成。2005年Jeroen J.G. Merri?nboer，John Sweller等人將認知過程與生物進化所使用的過程聯系起來。針對一些復雜且內在認知負荷很高的任務將需要更先進的方法來界定專業知識和認知負荷評價指標。2005年JohanEngstr?m，Emma Johansson等人將人工或替代的車內信息系統（S-IVIS）對視覺、認知需求、駕駛性能和駕駛員狀態的影響進行了系統的研究。模擬真實高速公路駕駛的結果。通過收集的數據（速度、車道保持性能、方向盤運動、眼睛運動、生理信號）和自我報告的駕駛性能來研究認知負荷在高速公路駕駛中的作用。2010年John Sweller等學者認為在認知負荷理論中，元素之間的交互作用已被認為是內在認知負荷的基本定義機制。通過分析元素之間的交互性對于當前學習任務是否必不可少，來建立內在的與無關的認知負荷之間的明顯關系。2010年Ton Jong等學者認為認知負荷理論的基本思想是，工作記憶中的認知能力受到限制，因此，如果學習任務要求的能力過多，則會阻礙學習。推薦的補救措施是設計教學系統，以優化工作記憶容量的使用并避免認知超負荷。通過確定一些有問題的概念，方法論和與應用程序相關的問題，探索開放性問題和認知負荷理論的邊界。最后提出了關于未來認知負荷研究的研究議程。2011年John Sweller.Paul Ayres等學者通過將生物進化概念化為信息處理系統并將其與人類認知過程聯系起來，利用認知負荷理論加強了認知學習的效率，避開了傳統學習理論的部分影響[8] 。它著重于與學習和教學有關的人類認知體系結構方面（特別是關于長期記憶和工作記憶的功能），從而重點放在特定領域而非一般學習上，繼而使人們對認知過程有了更清晰的理解。2012年Hasan Ayaz.PatriciaA.Shewokis等學者通過功能性近紅外（fNIR）光譜技術對前額葉皮層內響應于感覺，運動或認知激活的大腦血液動力學進行測量從而能夠監測與操作員操作過程中認知負荷變化相關的血液動力學變化。為評價認知負荷提供了新的方法，有助于更加準確、嚴謹地評估用戶的績效標準。2014年Jimmie Leppink，Fred Paas等學者通過實驗測試了一種新的心理測量儀器用于區分內在，外在和密切的認知負荷。通過儀器和實驗流程的設計可以幫助研究人員區分內在和外在的認知負荷。這些研究為以后對認知負荷的概念補充提供了支持。2016年Jérémy Frey，MaximeDaniel等人基于腦電圖構建了一套完整的評估框架，提供了方法來連續估算用戶在不同交互任務期間的心理工作量，注意力和對交互錯誤的識別來對界面簡易度進行測量。

2.關鍵詞頻次分析：根據Citespace軟件得出關鍵詞頻次表，通過篩選、分析可以清楚認知負荷理論在界面設計中的應用研究中的研究熱點，從而幫助學者分析其熱點、演變、趨勢。

共現頻次5次以上的關鍵詞見表3。

對關鍵詞頻次表進行分析，可以得出認知負荷在界面設計中的應用研究的熱點領域有：人機界面（inter face design）、教學設計（instructional design）、交互式學習環境（interactive learningenvironment）、用戶體驗（user experience）等;著重關注界面設計的有：性能（performance）、設計（design）、界面（interface）、干擾（interference）等;理論研究主要有：認知負荷（cognitive load）、心里工作負荷（mental workload）、工作記憶（working memory）、模型（model）、策略（strategy）、工作負載（workload）等;與其他相關理論有關的主要有：心智模型（mental model）等;涉及到評價方法的有：任務（task）、指令（instruction）、可用性（usability）、影響（impact）、注意力（attention）等;與用戶研究相關的有年齡（age）、個體差異（individual difference）等。

據此發現，結合前文可以對研究重點、領域及趨勢有更為詳細的了解，為結論與展望的提出起到參考作用。

3 . 關鍵詞聚類分析：從關鍵詞分析的基礎上進行進一步運算，獲取關鍵詞聚類視圖，見圖9 。可知認知負荷理論在界面設計中的應用研究領域中主要包括以下幾個子群：超媒體系統（multimedia/hypermedia systems）、有形交互設計（tangbleinterac tion）、信息管理（information management）、腦電圖學（ele c troencephalogr aphy）、人機交互（Human computerinteraction）、生理測試（brain monitoring）、認知負荷（cognitiveload）、時間壓力影響（time pressure effec）

通過關鍵詞聚類分析可以對理論研究熱點領域有進一步了解，結合前文分析結果，既可對研究重點、熱點領域的提出提供理論依據，也可對未來的趨勢判斷與展望起到一定幫助。

三、研究總結與展望

（一）研究總結

1.發展歷程。通過前文對文獻量、國家、機構進行分析可以看出：2000年以來的研究發展經歷了三個時期：

（1）探索期：2006年以前處于探索期，主要體現在以John Sweller和Fred Paas為首的學者對認知負荷理論的擴充、完善、分類等方面進行研究。（2）沉淀期：2006年至2014年處于沉淀期，其中，2006年至2008年發文量增長較快，研究相對較多，澳大利亞與美國的學者逐漸開始研究較完善的評價體系，測量方法，相關文獻增多，2008年至2014年，是一段低谷期，研究趨勢波動起伏較大。（3）發展期：2014年至2019年上升態勢高昂，處于發展期，文獻量迅速上升，研究也開始更加系統、具體，越來越重視實踐的發展。研究熱點方向主要體現在理論研究、用戶研究、界面設計和認知負荷的評價體系、方法等方面。

2.研究重點。通過文獻共被引可以看出美國、澳大利亞、中國等國家相關研究較多，美國總體發文量較多、應用于界面設計方面的實踐較多，澳大利亞學者與機構發表文獻被引用得較多、多體現在理論研究與測量方面，再結合關鍵詞頻次、聚類分析可總結其研究重點為：

（1）完善理論：起初學者基于認知資源、工作記憶容量與圖式記憶建立認知負荷理論，結合個體差異、認知過程將其分為內外在與相關認知負荷，并逐漸意識到需要研究方法與技術來對負荷程度進行量化。（2）初級應用：基于生成機制并通過對認知資源的有效使用、單個任務內容不超出工作記憶總量、任務內元素合理分配等手段提出優化策略并具體到每一類。再通過評價方法得出結論進行比較。（3）評價體系：隨著研究的深入，尤其在界面設計中，逐漸重視評價方法的客觀性，與評價體系的完善，通過對科學技術的發現與研究，結合生理評價得出客觀結論，并對結論數據進行驗證，以證實優化有效。

3.探討不足。（1）通過國家分析、機構分析、作者分析可以看出：研究機構間缺乏交流，合作基本只在本國機構中交流。（2）通過文獻共被引、關鍵詞頻次與聚類可以看出：對于有明確載體的針對性實踐與研究的文獻較少，應多從實踐中檢驗理論與方法，可更有助于未來發展，學科交叉有待提高，實踐應用應加強。（3）用戶研究不夠全面，目前研究基本沒有考慮到特殊人群，比如：視障人群，老年人，兒童等，他們在使用界面的過程中因其區別于常人的認知特征將會有較高的認知負荷，因此，應多考慮特殊人群。

（二）研究展望

互聯網時代下層出不窮的應用軟件、操作系統影響到了人們生活中的方方面面，生活更加便利的同時也帶來了許多問題，互聯網行業的蓬勃發展所帶來用戶體驗稍顯不足，老齡化程度的加深，弱勢群體的存在都給界面設計帶來了各種各樣的挑戰，而通過降低內外在認知負荷并同時提升相關認知負荷的方式則可以讓界面更加為用戶所容易接受，容易操作。同時我們可以基于內容分析與趨勢判斷對未來的趨勢、重點、范圍進行展望：

1.基于內容分析與趨勢判斷可以看出，未來認知負荷的發展道路上，學科交叉將會是一種必然趨勢。John Sweller也曾提出基于生物進化論來理解人類認知系統，繼而引申到認知負荷。學科交叉也是促進理論發展的重要幫助。通過關鍵詞頻次與聚類分析可以看出，學者逐漸發現交互式學習環境、身體感受、個體差異等也是造成用戶認知負荷的一些很重要的原因，因此未來對于如何通過環境、感受等角度去解決用戶認知負荷是一個重要趨勢，例如體感交互技術未來將很有可能會是熱點趨勢。2.如何更加客觀、精確地對認知負荷程度進行測量是很重要的。因此，未來對于生理測量方面的研究與拓展將會是重點，利用前沿技術對用戶操作過程中的大腦血液動力學變化和腦電圖變化等腦機制變化進行精確測量將會是未來在測量方面的研究重點，同樣也是認知負荷在界面設計中的應用中的研究重點。3.目前的認知負荷理論在界面設計中的應用研究對用戶研究范圍較窄，忽略了因生理、心理原因造成界面使用障礙的弱勢群體。例如，認知能力較弱的老年人、視障人群、聾啞人，基于人口老齡化的加劇，體現人文關懷等原因，多對他們的需求進行關注也是非常值得的。因此拓寬視角與研究范圍也將是未來的研究重點之一。

結語

新時代會帶來許多新機遇、新想法，認知負荷理論在界面設計中的應用研究將會穩步前進。本次研究基于Citespace運算對認知負荷理論在界面設計中的應用研究相關文獻進行詳細分析，從發文量、作者與國家合作、作者被引、文獻被引、關鍵詞等分析結果中厘清研究的脈絡與重點。并對未來發展方向提出參考意見，將對未來從事該方向研究的學者與機構有一定的啟發。與此同時，因為本次研究所選取數據僅從單一數據庫中獲得，所以相關數據分析結果可能不夠全面，期望以后學者能研究出更為系統且精確的研究方法。

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