面向人机交互数字界面的认知负荷研究

颜克彤， 张 昆， 邵 将， 张 震

（中国矿业大学建筑与设计学院， 江苏 徐州 221116）

0 引言

随着科学技术的快速发展， 数字界面已经成为人机交互中重要的媒介之一。 在人机交互过程中，我们会接触大量的信息，其中各种活动都会消耗我们的认知资源，如何在交互过程中减少认知负荷，提高认知效率，成为人机交互过程中要致力解决的问题之一。 在复杂的数字界面中， 当用户对界面认知过程中所消耗的认知资源超过拥有的资源总量时，便会造成认知负荷过载的现象。 认知负荷的大小不仅仅关系到效率问题，更涉及到安全问题，尤其在核电、工程机械、航空航天等领域，操作界面复杂多变、 界面信息呈现过多及不合理设计更容易造成认知过载，严重可能会导致安全事故的发生。 因此，从认知负荷的角度对界面进行科学、合理的设计，对于用户准确获取信息、提高认知绩效具有重大意义。

1 人机交互数字界面中的认知负荷及其分类

1.1 认知负荷定义

认知负荷理论最早是由认知心理学家John Sweller提出的，John Sweller 的认知负荷理论基础主要是资源有限理论和图式理论。资源有限理论认为资源是有限的，主要体现在人的工作记忆的容量是有限的， 如果各种认知加工活动所需要的认知资源超过了人所具有的认知资源的总量，就会造成认知负荷[1]。

1.2 人机界面认知负荷分类

人机界面的认知负荷分为三类：外在认知负荷、内在认知负荷和相关认知负荷[2]。

（1）外在认知负荷。 外在认知负荷是操作者在认知过程中所具有的对认知没有贡献的心理活动引起的， 这种认知负荷与界面元素的组织和呈现方式有关， 当需要的信息与图式获得没有关联时，就会产生外在认知负荷，因此，不合理、不科学的界面设计和信息呈现会增加用户的外在认知负荷，从而会阻碍用户相关的认知加工活动。

（2） 内在认知负荷。 人的内在认知负荷主要是由自身知识储备和内隐知识结构等因素决定。 在人机交互数字界面中，内在认知负荷与人机交互数字界面的复杂程度和用户的经验与认知图式相关，如果人机交互数字界面复杂且用户对界面交互过程缺乏经验，那么用户就会产生较高的内在认知负荷。

（3） 相关认知负荷。 相关认知负荷是指个体在完成某一任务过程中仍有多余的认知资源，并且可以把多余的认知资源运用到更高级的有意识的认知加工中去，如重组、抽象、比较和推理等。 虽然这样的认知加工方式会增加用户的认知负荷，但是这种认知负荷不会阻碍用户的信息认知，相反可以促进用户对界面信息的理解和交互信息的处理。

2 认知负荷在人机交互数字界面中的应用

在Web of science 数据库对近10 年的文献进行检索，以“cognitive load”“Interface design”为检索词进行检索，共计390 篇。 如表1 所示，文献内容主要涉及计算机科学、工程学、行为科学、心理学等学科。 其中在计算机科学领域的文献构成比达到了80%多，由此可见，认知负荷得到了计算机科学领域学者的广泛关注与研究。 将文献检索结果按照国家区域进行分析统计显示中国排列第三。 这说明中国在界面认知负荷的研究上也有一定的基础，这对文章主题的研究具有一定的参考价值。

表1 Web of science 数据库中研究所涉及领域及文章篇数统计

在数字界面人机交互过程中， 其任务的属性主要是信息获取、理解和决策，他们的工作负荷主要表现为认知容量或认知资源超载的认知负荷。 尤其在复杂系统的人机界面中，信息量过多、信息关系复杂更容易造成人机界面设计与用户认知的失衡，针对这一问题，Gahangir等[3]基于用户的认知负荷水平，提出了一种与重新配置的移动Android 手机（R-MAP）集成的用户界面，这种基于认知负荷反馈的辅助用户界面有助于人们使用手机进行日常操作。 针对铁路旅客与自动售票机交互时由于认知负荷高而产生的问题，谭雪等[4]人基于认知负荷理论对自动售票机展开了交互设计研究。 汪海波等[5]人从老年人的认知负荷能力角度出发， 优化了现有智能电饭煲的交互原型， 为老年人带来了愉悦的使用体验。 为减少用户认知负荷提高界面可用性，Helena[6]等人对动态几何系统的简化界面与完整界面进行了实验研究， 结果表明， 隐藏高级和无关功能的界面比使用完整界面的新手用户性能更好。 但是，在接受了适当的培训之后，完整界面比简化界面使用户的效能更好。 总之， 从认知负荷的角度，对数字界面进行优化设计，能够有效提高用户的搜索效率，减少用户的认知负担，对界面的信息呈现与优化设计具有一定的指导意义。

3 人机交互数字界面中认知负荷的测量方法与改善方式

3.1 人机交互数字界面中认知负荷的测量方法

目前，常用的认知负荷的测量方法有主观测量法、任务绩效测量法、 生理测量法和行为测量法。 主观测量法主要是根据被试的评价来测量认知负荷， 常用的多维度评价量表有NASA-TLX 量表、SWAT 量表等。生理测量法是通过测量生理指标数据来客观反映被试的认知负荷变化。 常用的生理测量法有心率测量、 眼动测量和脑电测量等。 任务绩效测量法是测量被试的绩效来测量认知负荷， 是一种客观测量方法。 行为测量法是通过不让被试意识到自己的行为正在被记录作为搜集其完成任务过程中的数据，从而对认知负荷进行客观、非侵入性以及隐性的分析[7]。

在认知负荷测量方面，不同学者基于不同测量方法对认知负荷展开了研究， 有些学者通过实验探讨了主观测量量表在疲劳感评估中的适用性和有效性[8-9]，还有学者提出了认知负荷的测量模型和量化模型，并验证了模型的可行性[10]。 目前，综合运用多种测量方法成为测量认知负荷的发展趋势。 如Zekveld 等[11]采用生理测量法和主观测量法评估了年龄、、 听力损失和认知能力对听力加工负荷的影响。 Yan 等[12]基于绩效测量法、主观测量法、生理测量法，分析了用户界面布局对核电站应急操作过程中操作人员心理负荷的影响。 Mazur 等[13]采用了主观测量法、生理测量法评估了电子医疗任务需求、负荷与绩效之间的关系。

3.2 改善人机交互数字界面认知负荷的方式

对国内外在数字界面方向的认知负荷相关研究进行梳理分析，针对人机界面中存在的认知负荷问题，一些学者通过构建认知负荷模型来改善认知负荷问题，如薛耀锋等[10]利用眼动追踪技术，通过眼动指标提出了在线学习的认知负荷量化模型。 J.Zhang 等[14]构建了核动力系统OM 界面认知负荷模型， 分析了OM 界面认知负荷的构成及其影响因素，研究核电系统认知负荷的应对策略和方法， 并提出了一种基于眼动的OM 界面认知负荷测量实验方法。 Sega 等[15]通过研究人的眼动行为构建了新的认知模型， 以提高用户认知模式和心理负荷的有效性。 徐小萍等[16]为了量化自然交互系统中用户的认知负荷，提出了一种基于面向虚拟现实自然交互系统的认知负荷模型，并通过实验验证了模型的可行性。

另外一些学者通过分析界面不同要素呈现方式对认知负荷的影响研究界面中的认知负荷问题，如侯冠华等[17]通过实验研究了不同时间压力与导航结构下老年读者完成任务的情况，研究发现导航结构与认知负荷均对老年读者体验有影响。方永超等[18]人采用了双任务范式，分析了智能手机虚拟键盘不同布局在不同认知负荷下的可用性，证明了九宫格键盘对认知资源和任务难度比较敏感，而全键盘是一种可以在复杂认知环境中完成汉字文本输入的较稳定键盘布局。 Roodenrys 等[19]指出分离注意效应可以有效降低认知负荷， 即将空间上分开的信息，如文本、图表等关联起来，降低用户搜寻和匹配相关信息时所需要的心理努力。

还有一些学者基于认知负荷的测量方法和评定方法的角度进行研究，如Luria 等[20]采用了行为测量法测试了心理负荷对手写行为的影响。 杨景等[21]为研究指控舱显控界面中字符显示方式对人的认知负荷影响性问题，提出一种面向脑力认知负荷的综合评价方法，其研究结果可为指控舱显控界面的优化设计与评价提供依据。 王霞等[22]为研究空中交通复杂度对管制员认知负荷的影响，构建了管制员认知负荷测评量表进行测量并验证。 侯冠华等[23]基于认知负荷角度，利用主观测量、眼动测量和正交实验设计研究了影响中老年人数字阅读的体验。

三种改善界面认知负荷的方式是从不同阶段对认知负荷开展研究，构建认知负荷模型一般是从前期对认知负荷相关知识进行研究并构建认知负荷模型，从而改善界面中的认知负荷问题。 分析要素呈现方式对认知负荷的影响是在认知行为中研究不同条件对用户造成的认知负荷， 寻找有效改善认知负荷的呈现方式和方法。基于测量与评价方法的研究方式是通过测量认知负荷，并在后续进行分析与评价，从而改善认知负荷，指导界面的优化设计。

4 结束语

在智能化日益发展的今天， 人机界面中用户使用行为产生的生理负荷已不再是突出问题，而相应的交互行为中信息加工和认知过程等带来的认知负荷问题，已经变成影响用户认知效率和用户体验的重要因素。 通过梳理国内外人机交互数字界面方向认知负荷研究的相关文献可知，国内外学者基于不同角度对认知负荷开展了相关研究。 文章主要展开了认知负荷在人机交互数字界面领域的研究，分析了认知负荷的影响因素以及人机交互数字界面认知负荷的分类，其中外在认知负荷是可以通过对界面进行信息编码来调控的。 除了构建认知负荷模型和分析界面要素呈现对认知负荷的影响外，还可以通过测量认知负荷来改善界面中的认知负荷问题。 总之， 希望通过文章对国内外认知负荷研究应用的梳理，可以为认知负荷在人机交互数字界面的研究提供一定的思路和方向。