圖標語義距離對認知負荷影響的研究進展

張 瀅， 邵 將

（中國礦業大學 建筑與設計學院， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

現在，越來越多的傳統人機界面被數字化界面所取代。 各種復雜的數字化界面被應用在不同的領域當中，復雜界面中龐雜的信息會造成用戶較大的認知負荷，造成一定失誤。 圖標作為界面中的重要元素，是實現交互功能的視覺符號，影響圖標的識別因素包括圖標的視覺特征和圖標的內部特征。 一個好的圖標同時具有抽象符號的直觀性和具體符號的具象性，將大大減少用戶認知負荷[1]。 圖標最重要的特征是在傳遞信息方面的有效性，有幾項研究將有效性視為優秀圖標設計的關鍵指標[2-3]。其中，語義距離是影響圖標有效性的重要因素，語義遠的圖標會降低用戶的認知效率， 或導致決策失誤。Kuicheu 等指出， 圖標的語義和圖像相關的語言并不是一組等效物，而是一組可以用來描述特定圖標的屬性[4]。圖標與功能之間的緊密關系，即語義距離，是決定圖標可用性成功與否的首要因素[5]。

1 圖標語義距離概念

有些圖標本身和其代表功能含義之間聯系密切，用戶可以直接識別出其功能含義，即圖標語義距離近；有些圖標需要占有用戶較多的認知資源才能識別出其代表的功能含義， 說明圖標本身和其代表功能含義之間聯系不密切， 即圖標語義距離遠。 早期由Peirce 提出的根據圖標-功能之間的關系，將圖標語義分為三類：①圖標直接代表功能含義； ②圖標中隱喻或隱含的特征間接地代表功能含義；③圖標與功能含義無關[6]。 之后，MC dougall 等根據圖標識別將圖標分為五個認知屬性： 熟悉度、 具象性、復雜性、語義距離和美學吸引力，并在Perice 的基礎上提出語義距離的概念并進行了闡述， 認為語義距離指的是圖標本身與其表達的功能含義之間的關系的遠近程度， 同時研究發現圖標的五個認知屬性之間相互聯系[7]。CHEN 等將圖標語義分為：功能隱喻、操作隱喻、對象隱喻和語義隱喻圖標[8]，并通過眼動實驗研究發現，語義隱喻圖標具有更高的普適性，相較于物體隱喻圖標，語義隱喻圖標具有更高的認知準確性和更低的認知負荷， 同時對圖標語義進行了定量描述[9]。 在語義距離的定量研究中，Cherng 等提出了一種基于腦電圖的圖標語義距離的評估方法，揭示了語義距離在圖標設計中的重要性[10]。 與之前的研究相比，Cherng 等對于語義距離的研究更為具體，將語義距離作為主要的實驗變量， 且多種場景下測量用戶的腦電數據， 把行為數據和腦電數據相互結合解釋用戶對圖標語義距離的感知過程。Kenett 等[11]在研究方法，揭示了語義距離在圖標設計中的重要性[10]。 與之前的研究相比，Cherng 等對于語義距離的研究更為具體， 將語義距離作為主要的實驗變量， 且多種場景下測量用戶的腦電數據，把行為數據和腦電數據相互結合解釋用戶對圖標語義距離的感知過程。Kenett 等[11]在研究中檢查了路徑長度，作為計算分析的語義網絡，是否可以用作度量語義距離。

2 圖標語義距離影響認知負荷的具體表現

2.1 認知負荷概念及其表現分類

早在20 世紀70 年代，認知負荷一詞就被提出[12]，之后John Sweller 把認知負荷作為一種理論進行實驗研究并提出認知負荷理論基礎主要是資源有限論和圖示理論[13]。資源有限理論提出人的認知資源是有限的，這里的認知資源包括注意資源、工作記憶容量以及圖式構建所消耗的資源[14]。由于人的工作記憶資源、注意資源等是有限的，因此當用戶接受的信息大于容量時， 便會超過認知系統所能承受的范圍，形成認知負荷。用戶能順利完成任務過程中加工信息所需要的認知資源的總和就是認知負荷[15]。 影響復雜界面中圖標認知負荷的因素有很多， 其中包括了圖標語義距離。 Niu 等[16]利用ERP 從特征綁定記憶的角度研究圖標的顏色特征對圖標工作記憶的影響中證實，優化圖標語義有助于減輕用戶的認知負荷。語義距離作為衡量圖標有效性的重要因素，對圖標的認知負荷有較大影響，根據認知負荷產生的原因，本文將圖標語義距離對認知負荷的影響表現分為注意資源、工作記憶和認知績效三方面。

2.2 注意資源

當用戶需要完成某項任務的過程中， 隨著任務數量的增多和復雜程度的提高，消耗的資源也就越多。在過多的刺激出現時，注意資源將會耗盡，如果這時候再出現新的刺激，往往就會被用戶忽略[17]。 但當用戶注意力不自覺地被突出刺激吸引時， 這一現象被認為是注意力捕獲效應中的自下而上注意控制， 另一個是受目標和對刺激出現的位置和出現時間的影響的自上而下注意控制[18]。 自下而上注意控制是以刺激為驅動的低水平加工層次，自上而下注意控制過程是神經元向上傳遞信息的過程[19]。部分學者研究發現[20-21]，圖標語義信息在圖標識別過程中有重要作用， 當用戶在進行不同搜索任務中大腦會根據任務類型采用視覺表征、 語義信息表征或兩者同時使用等不同的應對認知策略。 先前的研究證實當圖標本身與語義信息接近或一致時，即圖標語義距離近，最相關的目標刺激圖標會最先被大腦中工作記憶選擇， 從而激發自上而下的注意捕獲效應[22-23]，金濤等通過控制警示圖標語義，結果發現，當警示圖標的語義距離近時，其能夠突破認知資源的限制而自動獲得加工[22]，這證實語義距離是影響警告圖標自動注意處理的關鍵因素。 Cherng 等[10]提出了一種基于腦電圖的圖標語義距離的評估方法， 揭示了語義距離在圖標設計中的重要性，研究表明，語義距離近的圖標更容易觸發與記憶相關的認知， 且更能吸引參與者的注意力。 語義明確的圖標在一定意義上可以被認為是語義距離近的圖標，其能夠自動吸引用戶注意力，對注意力捕獲能力強，而語義距離遠的圖標則相反。

2.3 工作記憶

工作記憶是一個對信息進行暫時性加工的系統，它是信息加工的主要場所，在面對新的信息時，其容量極為有限，當需要處理的信息超出了記憶的容量，且這些信息之間的關聯程度不高，工作記憶就容易發生錯誤，導致記憶失效[23]。胡博等[24]研究了不同時間壓力下圖標語義距離對工作記憶的影響。弱語義圖標中敵機、友機和不明飛行物分別用紅色三角形、綠色圓形、黃色方塊表示。 強語義圖標則通過問卷的形式篩選得出。 實驗中設計了不同的時間壓力、目標圖標數量和目標圖標類型，被試需要記住實驗界面的各個圖標數量后完成一道對于飛機數量的題目。研究結果表明，圖標語義距離和時間壓力的交互作用在信息提取正確率上顯著， 結果發現無時間壓力下圖標語義距離在工作記憶的編碼提取上沒有差異， 而有時間壓力下， 強語義圖標相較于弱語義圖標在工作記憶的提取上具有優勢， 表現在強語義圖標在信息提取的正確率和反應時上比弱語義圖標更高更快。 Y F Niu 等[16]利用ERP從特征綁定記憶的角度研究圖標的顏色特征對圖標工作記憶的影響。 研究表明，圖標語義-顏色綁定內存和圖形-顏色綁定響應時間的顯著差異是由用戶內存編碼的差異造成的。 在圖形-顏色綁定記憶任務中，參與者使用的是雙編碼記憶，而語義編碼記憶主要用于圖標語義-顏色綁定記憶， 說明語義編碼記憶任務難度更大， 認知負荷更大。Y F Niu 等的研究證實圖標語義編碼記憶對用戶工作記憶造成一定負擔， 由此失配的語義編碼相較于匹配的語義編碼會使用戶造成更多的認知負荷。 Zhang J 等[25]研究了語義記憶對圖標復雜性的影響。實驗證明，記憶成分中的語義記憶直接影響理解能力，當刺激物以語義有意義的方式處理時，識別能力增強。 當圖標其視覺特征與用戶記憶中的語義特征相似或一致時，圖標更容易被用戶識別，當圖標的視覺特征與用戶記憶中的語義信息相差較遠或不一致時，則圖標需要占有用戶較多的認知資源才能被識別。人的認知資源是有限的，語義距離近的圖標用戶更容易被記憶與認知，對于語義距離遠的圖標，用戶在圖標-功能匹配會消耗一定的認知資源從而影響工作記憶提取。

2.4 認知績效

圖標語義距離對認知績效的影響主要來自基于視覺搜索-識別范式實驗的認知研究中，這里圖標語義距離對認知績效的影響主要表現在視覺搜索效率上， 在行為數據中則主要表現為反應時和正確率。 彭寧珗等[26]采用視覺搜索實驗范式， 通過行為和眼動追蹤數據揭示了基于形狀相似、 功能關聯和語義匹配特征三類推理條件的圖標搜索特性，研究發現，語義-圖標匹配下的視覺搜索不易出錯。 宮勇[27]等對形象圖標和抽象圖標在語義匹配和語義不匹配條件下的認知加工過程的實驗研究， 發現語義匹配時比語義不匹配時抽象圖標所需反應時間短，正確率高。 張雄飛[28]將圖標復雜度劃分為圖標風格、圖標語義和環境符合三個維度探究圖標復雜度對用戶搜索績效的影響。 結果表明，扁平化風格優于擬物風格，低負荷條件下圖標優于高負荷條件下圖標， 有語義圖標優于無語義圖標。 Li X 等[29]探討了不同圖標組成-語義關系下軍事圖標的認知效率和認知過程。 結果表明， 當語義距離近時，正確率高，且ERP 數據反映出，語義距離近的圖標產生了較小的認知負荷。 Wu X 等[30]在研究了工業圖標的語義-實體相關性的實驗中發現符合語義認知定律的圖標具有較高的搜索效率。 以上研究表明，當語義距離近時，圖標的視覺搜索效率更好且認知績效優良； 當語義距離遠時，反應時長且正確率低。圖標語義距離會顯著影響用戶的認知績效。對于不同類型的用戶，圖標語義距離對認知績效也產生了影響。 Zhao K 等[31]研究了圖標風格和語義距離這兩個因素對不同智能手機使用體驗水平的老年用戶在識別性能和主觀偏好方面的影響， 通過一系列實驗和訪談發現， 語義距離顯著影響了被試對圖標的識別和偏好。 語義距離較近的圖標更容易被年齡較大的用戶理解， 這反映在更高的識別精度和更低的響應時間。Dosso C 等[32]研究了年齡對導航任務中界面類型和圖標語義距離的影響，結果表明，尤其是語義距離較遠時，年齡較大的用戶需要更多的時間來選擇圖標。相比之下，年輕用戶可以更好地完成實驗任務。 Zhao K 和Dosso C 的研究證實，年長用戶更需要語義距離近的圖標，對他們而言， 語義距離近的圖標可更好地被識別且能順利完成他們設想的任務。 圖標語義距離對認知績的影響會隨著用戶年齡的增長變得顯著。

3 圖標語義距離的設計原則

圖標作為復雜界面中的重要組成部分， 其可用性程度影響著整個界面的可用性因素。 良好的語義距離可優化圖標認知，減輕用戶對復雜界面的認知負荷。 目前已有不少對于界面設計原則和圖標設計原則的研究，例如，肖紅等[33]分析了交互界面的視覺設計發展趨勢，并此基礎上提出了人機交互界面的視覺設計應遵守“簡潔易用”的總原則。在現有設計原則的基礎至上，結合圖標語義距離的特征和屬性，提出基于語義距離的圖標設計原則，主要總結為以下四點原則：

（1）具象一致性。圖標本身的視覺特征要與功能或語義具有一致性，即語義距離近。特別是當圖標語義是現實中所真實存在的物體， 設計師應當盡量選擇物體特征并映射到圖標設計中。 良好的語義距離可以使用戶快速學習并上手復雜界面的操作， 當圖標的視覺特征與用戶認知的功能或語義一致時，可減少用戶的學習成本和認知負荷，且在完成緊急任務時提高用戶的決策正確率，減少人因失誤。

（2）抽象隱喻性。 對于一些抽象功能或語義，需要通過隱喻的方式進行圖標設計。 隱喻主要通過意象來實現其目的。圖標設計的整個過程就是圖標的隱喻性生成，在這個過程中要注重“意義”在圖標視覺特征中的表現，即在合理的隱喻中優化圖標的語義距離， 使得圖標的隱喻是有效的。

（3）語義簡潔性。除了圖標的視覺特征要符合其語義或功能之外， 對于語義詞和圖標所代表的功能也應盡量簡潔，避免過長的語義詞，或者是過于復雜的功能。 對于圖標這一圖像來說， 其大小在不同的界面中有不同的標準，在其大小的限制中，過長的語義或復雜的功能，會使得圖標的視覺特征變得抽象或復雜， 這會讓用戶難以記憶語義以及難以匹配圖標，造成認知負荷過載。因此在設置圖標語義時應遵循簡潔的原則， 避免一個圖標多重語義、圖標功能信息復雜難以記憶等情況。

（4）顏色明確性。 圖標的最終目的是被用戶識別并使用，圖標在具有美學吸引力的同時需要能表達明確的功能。圖標的視覺特征和功能語義之間必須距離相近，過遠的語義距離會使得圖標的使用有效性降低。

4 結束語

目前對于圖標語義距離單獨的研究較少，有學者[28]將語義距離作為一個實驗變量與其他主變量結合進行實驗，少數學者[10，24]將圖標語義距離作為主要的研究對象。目前對于圖標語義距離的實驗研究數據已經不僅僅局限于行為數據，腦電技術及ERP 成分已應用于此。 相較于傳統的行為數據和主觀測試問卷，ERP 更能直觀地觀察到用戶的感知， 其中ERP 成分中的N400 是觀測圖標語義感知的主要成分。 現有研究對于語義距離的概念缺少量化標準，未來需要根據ERP 成分對語義距離有更合理的量化。在語義距離對不同用戶的認知識別影響方面，已經有學者[31-32]對比了不同年齡用戶對圖標語義距離的感知，研究表明， 語義距離較近的圖標更容易被年齡較大的用戶理解且具有更好的用戶體驗。隨著老齡化社會的到來，適老化圖標及其語義距離是或許是未來的研究熱點。 在語義距離應用方面，一些學者[30，39]將優化語義距離后的圖標應用到數字化界面當中， 并通過驗證實驗發現優化語義距離后的圖標更符合用戶的認知定律且具有更好的識別效率。

綜上所述，隨著信息技術的日益發展，數字復雜界面逐漸取代傳統人機界面的趨勢下， 圖標對于界面的有效使用起著關鍵作用， 未來對于圖標語義距離的研究熱點和發展趨勢還將在影響因素、用戶體驗等方面展開。