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近十年认知负荷在界面设计中的应用研究综述

范文

袁义凡

摘要：归纳近十年认知负荷在界面设计中应用研究的热点领域、研究重点和研究趋势。利用CiteSpace计量可视化分析法和文献分析法对文献进行国家及机构分析和文献共被引分析。1认知负荷在界面设计中的应用研究热点领域为调节策略及测评研究。2界面认知负荷成因分为信息量超过工作记忆容量、信息难度超过认知加工水平、注意资源分配不均三种，并提出相对应的调节策略。3认知负荷综合评价方法通常结合其他领域的模型和技术，对认知负荷进行综合评价。最后从三方面探讨了研究发展趋势。

关键词：认知负荷界面设计 CiteSpace 计量可视化分析

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 09-0116-03

引言

认知负荷理论发展到今天，已广泛应用于心理学、教育学、设计学等众多领域。近年来，一些学者对人机交互界面研究发现，认知负荷存在于界面信息的获取、加工和反馈过程中，界面设计中的信息量越大，用户在操作界面过程中的认知负荷越高，容易造成信息误读和操作失误等情况，因此认知负荷是影响界面设计可用性和用户体验的重要因素之一。调节界面设计中的认知负荷能够增强用户对界面信息的理解能力，从而降低用户操作的错误率，进而提高用户满意度，所以基于认知负荷的界面优化设计是一个重要的应用研究课题。对当下认知负荷在界面设计中的应用研究现状进行分析，可以了解国际研究力量的分布情况和现阶段的研究热点，探索研究前沿和研究方向，为后续的理论及应用研究提供有效的参考。

一、认知负荷在界面设计中的应用研究可视化分析

（一）数据来源及研究方法

外文文献来源于Web of Science核心合集，包括三个子数据库：SCI-EXPANDED、SSCI、CPCI-S，检索式为：TS=cognitive loadAND TS=interface design，文献类型：（ARTICLE，PROCEEDING，REVIEW），时间跨度为2009年-2018年，经过整理和筛选，共检索有效文献265篇，数据下载时间为2019年1月10日。统计上述文献年发文量，得到图1。

运用文献计量分析方法，借助信息可视化工具CiteSpace软件，通过信息可视化的方法以呈现科学知识架构及分布情况，可窥探出某个研究领域内的动态与趋势[1]。本文综合运用了计量统计法、文献分析法和信息可视化方法，借助信息可视化工具CiteSpace软件，对文献进行年代分布统计、国家及机构分析和文献共被引分析，并绘制相应的科学知识图谱，归纳总结出近十年来界面设计中的认知负荷研究的热点领域、重点和趋势。

（二）国家及机构研究分析

从Web of Science里将全部有效文献数据按照国家和地区进行分类统计，得到发文量由高到低的国家分布树状图，见图2。可以发现，认知负荷在界面设计中的应用研究主要集中在美国、中国、加拿大、澳大利亚等国家。使用CiteSpace进行国家合作分析，得到图3。图中节点代表国家或区域，节点越大表示研究力量越大，年轮颜色从蓝到黄标示着研究文献。由图3可知，美国仍然处于研究的中心位置，發文量较多的国家之间合作关系也相对更多。

（三）认知负荷研究的关键节点文献分析

共被引是指被一篇文献同时引用的两篇文献之间的关系，文献共被引分析最早是由Small提出的一种研究方法[2]，从文献之间的相互引用中可以看出研究之间参考、交流、借鉴以及继承科学成果的关系，因此共被引分析能反映领域内相关研究的内在联系和研究主题的知识基础。对文献数据进行共被引分析，从CiteSpace中导出10篇共被引频次最多的文献，见图4。

2003年Paas F_和Sweller J.对认知负荷理论的发展进行梳理，总结出三种认知负荷可加性的特点[3]。内在认知负荷是元素间的相互作用施加于个体工作记忆能力的驱动因素，外在认知负荷是不必要的信息获取及自动化加工，相关认知负荷是个体进行学习活动中的图式习得过程。目前大家公认采用Sweller关于认知负荷的分类方法，但随着认知负荷理论的不断发展，一些学者对无法准确度量单一类型认知负荷而提出不同分类方法。今后认知负荷的基础理论研究部分，也会侧重归纳出可量化的认知负荷分类方法。

2003年Mayer R.E.展开了多媒体学习过程中降低认知负荷的方法研究，针对五种认知负荷过载的情景提出相应九种调节策略[4]。目前关于认知负荷调节策略的研究均围绕着Mayer所提出的九种调节策略，但在界面设计中的认知负荷调节策略因其成因与学习有所差异，会有一定的不同。但目前针对于界面设计中的认知负荷成因尚未有系统并被学者公认的研究结论，在提出相应界面调节策略的时候，需要提取该界面认知负荷点并加以归类。

2003年Paas F.等人对认知负荷的度量技术展开研究[5]，认知负荷的度量通常采用了评定量表、心理生理学和辅助任务技术。自我评定量表能够使人们回忆自己的认知过程，给出相对感性的暗示。生理技术是间接由生理物理变量来反映认知负荷的变化，但需要对多种度量指标进行综合分析。然而，研究人员虽然已经测量了总认知负荷，却还没有使用其中一种测量技术来区分这三种认知负荷的构成，未来认知负荷度量方法研究发展趋势是探索具有实用性的新心理学生理度量法，并能对认知负荷的构成分别加以度量。

通过共被引文献可以看出，认知负荷在界面设计中的应用研究除了论述认知负荷理论基础之外，研究更关注界面设计中认知负荷的调节策略及测评。认知负荷的调节策略研究围绕着Mayer所提出的九种调节策略，测评研究则对主观测评方法和客观测评方法两方面进行探究。

二、认知负荷在界面设计中的应用研究重点分析

（一）界面认知负荷成因及调节策略研究

1.国外研究现状

俄罗斯罗蒙诺索夫国立大学Burmistrov 1.在研究网页视觉搜索任务发现搜索平面图标的时间是搜索现实图标的两倍，具有较高的认知负荷，他认为界面图形数量和密度越高，界面会越清晰，会提高界面的注视时间，并减少扫视次数，从而降低认知负荷[6]。瑞士巴塞尔大学Leuthold S.在比较网页不同导航设计（垂直和动态菜单）和任务复杂度（简单和复杂导航任务）对用户性能、导航策略和主观偏好的影响，得出垂直菜单在性能和主观偏好方面优于动态菜单和简单菜单，用户需要更少的注视，处理复杂任务时，材料的呈现方式使用分组链接更符合用户认知[7]。

2.国内研究现状

汪海波在老年智能电饭煲交互原型研究中，通过减少智能电饭煲的信息量以及需要处理的信息量和操作任务的数量，来降低内在认知负荷[8]。孟钰婧从认知负荷、容错性、情感化设计、通用性四个交互设计影响因子角度提出信息简化处理、信息合理突出或弱化、符合用户习惯、简化操作流程四个调节外在认知负荷的策略[9]。张凯和刘舒杨从认知负荷角度提出交互规则构建的四个策略[10]。罗晓云利用目标导向设计减轻三种认知负荷，使用户快速完成目标任务[11]。

目前关于认知负荷的调节策略研究基本上以Mayer在多媒体学习过程中降低认知负荷的方法研究中所提出的九种调节策略为基准，根据应用研究领域不同略有调整。根据认知负荷的生成机制，界面认知负荷的成因共有三种：1.信息量超过工作记忆容量;2.信息难度超过认知加工水平;3.注意资源分配不均。相对应的界面认知负荷调节策略见表3。信息加工量降低到工作记忆容量以内，包括7+2原则，即将界面信息分割成若干7±2个信息单元;信息可视化，即将界面相关语言信息转换为图形、符号等用户所易认知的信息;感官通道转换，即将界面信息由文本阅读由视觉通道转换为听觉通道。信息难度调节到认知均线以下，包括提示，即任务完成引导;预操作，即预先操作界面以获得更好的知识迁移。合理分配注意资源，包括空间连续，即界面中相关联信息需保持在同一界面或区域内;信息一致性，即删除多余信息。见图5。

（二）界面认知负荷评价体系构建研究

1.国外研究现状

澳大利亚新南威尔士大学Khawaja M.A提出基于语言特征的认知负荷测量系统的高级功能模型，由环境、用户演讲和其他形态数据的输入，经过认知负荷处理器，并结合用户及任务的属性，可得出认知负荷的评价结果[12]。韩国大学Park S.提出了一种基于ACT-R理论的定量计算多源工作负荷的数学模型来反映时间压力的影响，将NASA-TLX主观评价量表的每个子指标以及时间压力对信息处理速度的影响通过数学方程进行量化，定量评估复杂系统或界面设计领域操作人员的工作负荷[13]。

2.国内研究现状

李金波认为认知负荷具有时变性、非线性和不确定性的特点，因此构建了BP神经网络认知负荷综合评估模型”[14][15]。盖晓琳基于模糊算法以及组合赋权法，构建了界面认知负荷模糊综合评价模型，对改良前后的界面进行模糊综合评分，证明界面改良设计的可行性[16]。

目前关于认知负荷评价研究已由认知负荷评价指标的可靠性研究转向评价体系构建研究，主观评价方法有自我评定量表和NASA-TLX量表等对任务过程中投入的心理努力、任务难度等指标，具有操作简便、无干扰的优点，但容易出现评定偏差和个体差异。任务绩效评价方法对任务准确性、反应时等指标对用户或整个系统的任务绩效做出评价，优点是直接可观，缺点是任务不同，方法不同。生理评价方法有心电分析、脑电分析、眼动分析等，具有客观性和实时性的特点，但易受干扰，脱离实际情景。因此，在认知负荷评价体系构建研究中多为选取多个评价指标，对认知负荷进行综合评价。随着多学科交叉研究的深入，认知负荷综合评价方法通常结合其他领域的模型和技术，对评价体系进行量化，对界面设计做出评分及对比。

（三）界面认知负荷度量方法研究

1.国外研究现状

国外更多注重对脑电、眼动、前额叶皮层等神经心理学的方法进行研究。Giraudet L.等人使用egg和erp方法对人机界面设计作出神经工效学的评价，结果表明P300振幅可以作为界面设计效率和界面认知负荷的有效評估指标[17]。Durantin G.等人使用近红外光谱和心率变异性来检测心理负荷，发现近红外（fNIR）和高分辨红外（HRV）对不同程度的心理负荷均有敏感性，在难度最高的情况下，前额叶激活较低[18]。

2.国内研究现状

国内对界面认知负荷度量方法的研究主要在主观度量方法对比研究、眼动实验度量与分析研究以及脑电实验度量指标研究。孙崇勇对认知负荷主观评价量表进行对比，研究发现WP量表在敏感度和效度上优于NASA-TLX量表，在中低任务难度下，是较为理想的主观度量认知负荷的方法[19]。刘鑫对眼动数据度量认知负荷水平的研究发现，相同任务下眨眼频率差异主要受到个体眨眼习惯的影响，可利用T检验筛选出可用的眼动指标，并利用数学公式对眨眼频率特征进行处理[20]。

如图6梳理，虽然认知负荷主观度量方法研究对比发现WP量表更优，但目前国内外主流主观度量方法还是NASA-TLX量表。而生理度量方法研究百家争鸣，心电分析以测量心率及心率变异性为主;脑电分析有相关事件电位（ERP）、近红外光谱（fNIR）等;眼动分析主要分析眨眼频率、注视次数、凝视时间、回视次数、瞳孔直径等。总结与研究趋势展望

本文使用CiteSpace分析软件，对近十年来Web of Science核心合集有关于认知负荷在界面设计中应用研究的文献进行共被引，追溯出认知负荷在界面设计中应用研究的理论基础，并找到其理论应用范围以及研究价值，以此追踪到其研究热点领域。然后通过文献分析法对相关文献进行分析，从认知负荷成因及调节策略研究、认知负荷评价体系构建研究和认知负荷度量方法研究三个方面，对国内外认知负荷在界面设计中应用的研究重点进行归纳与总结。

关于研究趋势的展望：在调节策略研究上，还是以降低内外在认知负荷并提高相关认知负荷为目标，从工作记忆容量、注意资源和认知图式三种认知负荷生成机制出发，对如何使信息难度降到认知均线以下、信息量控制在工作记忆容量以内以及合理分配注意资源作以策略性研究。随着研究的深入，学者们注意到用户情绪、喜好、动机等个体因素对学习以及操作绩效有一定的影响，因此相关界面的具身策略及劝导策略会是今后认知负荷调节策略的研究方向重点之一。由于认知负荷定量研究是评判界面设计优良的有力证据，因此在构建认知负荷评价体系时，多与其他学科及理论进行结合，构建多学科交叉认知负荷综合评价模型。在认知负荷度量方法上，随着神经心理学的发展，将越来越重视认知负荷的脑机制研究，对实时任务的认知负荷水平进行精准度量，并寻找能够度量出每种认知负荷构成的方法。.

参考文献

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