譚 雪，蔣秋華，李士達(dá)，潘浪濤，李瀟怡

（1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所， 北京 100081）

基于認(rèn)知負(fù)荷理論的鐵路自動售票機(jī)交互設(shè)計

譚 雪1，蔣秋華2，李士達(dá)2，潘浪濤2，李瀟怡1

（1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所， 北京 100081）

為解決鐵路旅客與自動售票機(jī)交互時由于認(rèn)知負(fù)荷高而產(chǎn)生的操作不流暢、成功率不高等問題，引入認(rèn)知負(fù)荷理論對自動售票機(jī)進(jìn)行交互設(shè)計研究。文章介紹認(rèn)知負(fù)荷理論，深入分析交互過程中認(rèn)知負(fù)荷產(chǎn)生的原因。針對自動售票機(jī)交互設(shè)計現(xiàn)狀，從信息結(jié)構(gòu)設(shè)計、任務(wù)流程設(shè)計、引導(dǎo)性設(shè)計、精簡功能4個角度出發(fā)，通過平衡好信息結(jié)構(gòu)寬度和深度相互制約的關(guān)系，設(shè)計符合用戶操作習(xí)慣的任務(wù)流程，添加符合認(rèn)知規(guī)律的旅客操作導(dǎo)航，刪除低優(yōu)先級冗余功能，設(shè)計了一個操作直觀簡便的自動售票機(jī)交互方案。

認(rèn)知負(fù)荷理論；交互設(shè)計；自動售票機(jī)

鐵路自動售票機(jī)自上線以來，極大地方便了旅客的出行。但由于旅客在年齡、計算機(jī)水平、產(chǎn)品使用經(jīng)驗等方面存在差異，同時受公共場所中聲音、周圍人群、光線等環(huán)境因素的影響，其在與自動售票機(jī)交互時存在操作不流暢、操作成功率不高等問題。這些問題降低了自動售票機(jī)的使用效率，影響了旅客使用自助售票機(jī)的積極性。為解決上述問題，亟待對自動售票機(jī)進(jìn)行交互設(shè)計研究。

1 認(rèn)知負(fù)荷理論

認(rèn)知負(fù)荷理論[1]把工作記憶容量的有限性看作學(xué)習(xí)的主要障礙，從認(rèn)知資源分配角度考察人類的學(xué)習(xí)和問題解決。認(rèn)知負(fù)荷理論研究如何通過設(shè)計優(yōu)化認(rèn)知負(fù)荷，使工作記憶容量更多地集中于將要學(xué)習(xí)的材料中，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)。

1.1 認(rèn)知負(fù)荷的來源

認(rèn)知負(fù)荷[2]是表示處理具體任務(wù)時加在學(xué)習(xí)者認(rèn)知系統(tǒng)上的負(fù)荷。有3種類型的認(rèn)知負(fù)荷：外在認(rèn)知負(fù)荷、內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。

外在認(rèn)知負(fù)荷是指學(xué)習(xí)者參與與人類認(rèn)知加工過程沒有直接關(guān)聯(lián)的活動時，施加給工作記憶的負(fù)荷。外在認(rèn)知負(fù)荷產(chǎn)生的原因主要是認(rèn)知任務(wù)設(shè)計和元素組織呈現(xiàn)方式不當(dāng)。

元素間交互形成的負(fù)荷稱為內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，是由學(xué)習(xí)材料難度和學(xué)習(xí)者原有知識基礎(chǔ)決定的。內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷來源于學(xué)習(xí)材料本身的難度、復(fù)雜度等內(nèi)在特征，是由學(xué)習(xí)材料本身的屬性和學(xué)習(xí)者的專業(yè)技能水平之間的關(guān)系決定的。

相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是人們對認(rèn)知任務(wù)進(jìn)行更高級的認(rèn)知活動而承受的負(fù)荷。相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是與學(xué)習(xí)直接相關(guān)的過程聯(lián)系在一起，雖然增加了用戶工作記憶中的認(rèn)知負(fù)荷，但它促使用戶進(jìn)行深加工，反而會促進(jìn)學(xué)習(xí)[3]。

將認(rèn)知負(fù)荷理論應(yīng)用于交互設(shè)計中，總結(jié)得出交互過程中認(rèn)知負(fù)荷來源，如圖1所示。

圖1 交互過程中認(rèn)知負(fù)荷的來源

1.2 基于認(rèn)知負(fù)荷理論的交互設(shè)計策略

3種認(rèn)知負(fù)荷中，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和外在認(rèn)知負(fù)荷阻礙學(xué)習(xí)，相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷促進(jìn)學(xué)習(xí)，因此在交互設(shè)計中我們要降低外在認(rèn)知負(fù)荷、減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，使三者相加之和不能超過工作記憶容量，否則會造成認(rèn)知超載。

1.2.1 降低外在認(rèn)知負(fù)荷

降低外在認(rèn)知負(fù)荷主要從兩方面入手：

（1）以實現(xiàn)用戶目標(biāo)為目的，進(jìn)行目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計。通過減少對于目標(biāo)無用的無效行為和增加對目標(biāo)有用的有效行為，從而達(dá)到降低認(rèn)知負(fù)荷的目的。

（2）通過形式結(jié)構(gòu)簡易化、功能表達(dá)簡便化、視覺呈現(xiàn)簡潔化對交互進(jìn)行扁平化設(shè)計，避免用戶在信息查詢過程中出現(xiàn)迷航的情況，提高信息訪問的效率。

1.2.2 減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

學(xué)習(xí)時要求考慮的元素數(shù)量越多，學(xué)習(xí)者掌握某領(lǐng)域的專業(yè)知識越貧乏，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷就越高。降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷主要包括兩方面：

（1）設(shè)計清晰的信息結(jié)構(gòu)。將邏輯上重要、緊密、包含等關(guān)系利用視覺上的突出、相連、包含等體現(xiàn)出來，準(zhǔn)確表述頁面內(nèi)容之間的關(guān)系。

（2）遵循用戶行為習(xí)慣。盡可能利用用戶已有的知識結(jié)構(gòu)，遵循已有的習(xí)慣性流程，建立順應(yīng)用戶行為的操作方式，從而將用戶無意識的行為轉(zhuǎn)化為設(shè)計概念呈現(xiàn)在用戶面前，方便用戶進(jìn)行操作。

1.2.3 增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷

用戶在學(xué)習(xí)某一個任務(wù)未用完所有的認(rèn)知資源時，這時用戶便可以把剩余的認(rèn)知資源運(yùn)用到更高級的有意識的認(rèn)知加工活動中，相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷隨之產(chǎn)生。認(rèn)知加工活動雖然增加了用戶工作記憶中的認(rèn)知負(fù)荷，但它促使用戶進(jìn)行深加工，反而會促進(jìn)學(xué)習(xí)。

2 自動售票機(jī)交互設(shè)計現(xiàn)狀

目前，全國鐵路安裝的自動售票機(jī)提供售票和取訂票功能，其中，取訂票功能包括取互聯(lián)網(wǎng)訂票和取電話訂票。首界面如圖2所示。操作欄位于界面右側(cè)，提供購票入口和取訂票入口。

圖2 鐵路自動售票機(jī)交互首界面

購票時，旅客根據(jù)自己的乘車需求，更改默認(rèn)的出發(fā)車站、到達(dá)車站、乘車日期、車次、票種和張數(shù)，完成更改后點擊“確認(rèn)購票”按鈕。系統(tǒng)查詢余票信息，若無余票，返回首界面重新購票。若有余票，旅客依次進(jìn)行刷身份證、支付和制票完成購票。取訂票時，旅客點擊首界面的“取訂票”按鈕。彈出頁面選擇“互聯(lián)網(wǎng)換票”或“取電話訂票”，進(jìn)入相應(yīng)的取票流程。具體流程如圖3所示。

經(jīng)過對北京南站、北京西站、北京北站及北京站進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，旅客在使用自動售票機(jī)的過程中存在一些問題：

（1）購票界面顯示的信息量大、功能多，旅客產(chǎn)生心理恐懼和操作恐慌，擔(dān)心自身知識層次低而不敢嘗試，對設(shè)備界面存在排斥心理。

（2）界面交互操作易學(xué)性不足，容錯性不高，缺少足夠的操作引導(dǎo)。旅客需要很長時間去探索和學(xué)習(xí)，降低了操作體驗和速度，導(dǎo)致排隊。

（3）在公共場所使用公共信息設(shè)備時，旅客會受到聲音、周圍人群、光線等環(huán)境因素的影響，難以將注意力完全集中在操作任務(wù)本身。

鐵路旅客群體具有數(shù)量大、范圍廣的特點，認(rèn)知水平存在差異。部分旅客由于認(rèn)知水平較低，以及受操作界面復(fù)雜的影響，交互過程中內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷較高。目前交互設(shè)計方案在信息組織結(jié)構(gòu)、任務(wù)設(shè)計以及功能設(shè)計等方面存在不足，導(dǎo)致旅客與自動售票機(jī)交互過程中外在認(rèn)知負(fù)荷較高。旅客在自動售票機(jī)交互流程中認(rèn)知負(fù)荷較高甚至出現(xiàn)了認(rèn)知超載，極大地影響了旅客操作的成功率和積極性。為提高自動售票機(jī)操作成功率和流暢性，實現(xiàn)交互有用、可用、易用的目的，需要對自動售票機(jī)操作過程的認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行深入分析，有效降低認(rèn)知負(fù)荷。

圖3 目前鐵路自動售票機(jī)業(yè)務(wù)流程圖

3 認(rèn)知負(fù)荷理論在鐵路自動售票機(jī)交互設(shè)計上的應(yīng)用

針對鐵路自動售票機(jī)交互設(shè)計現(xiàn)狀，結(jié)合認(rèn)知負(fù)荷理論，從信息結(jié)構(gòu)設(shè)計、任務(wù)流程設(shè)計、引導(dǎo)性設(shè)計和精簡功能4個方面提出一個自動售票機(jī)交互設(shè)計方案。

3.1 信息結(jié)構(gòu)設(shè)計

調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)年齡較高、文化程度較低、較少接觸電腦的旅客對自動售票機(jī)存在恐懼心理。訪談時這些旅客反映，首界面按鈕和信息太多，操作時選擇困難，很難判斷操作的入口。再加上公共環(huán)境嘈雜，排隊人較多，給這些旅客很大的心理壓力。旅客認(rèn)知負(fù)荷超載，不敢嘗試使用自動售票機(jī)辦理業(yè)務(wù)。通過進(jìn)行信息結(jié)構(gòu)設(shè)計可以很好地降低旅客的認(rèn)知負(fù)荷。好的信息結(jié)構(gòu)能夠用一種易于理解的方式對頁面進(jìn)行組織并區(qū)分優(yōu)先級，讓用戶根據(jù)需要不斷深入挖掘多個層次的細(xì)節(jié)信息。通過邏輯上越重要的部分越突出，邏輯上緊密的部分視覺上相連，邏輯上包含的部分視覺上也包含，準(zhǔn)確表述頁面內(nèi)容之間的關(guān)系。

信息結(jié)構(gòu)[4]即信息組織的方式結(jié)構(gòu)。信息結(jié)構(gòu)通過對內(nèi)容進(jìn)行分類,并建立交互來導(dǎo)航這些內(nèi)容,以便旅客能夠邏輯直觀的、毫無阻礙的接近他們需要的信息。信息結(jié)構(gòu)有寬而淺和窄而深兩種類型。寬而淺型的信息結(jié)構(gòu)信息層級淺,適用于任務(wù)種類多，信息多樣化且綜合性強(qiáng)，信息需要即時反饋的產(chǎn)品。窄而深型的信息結(jié)構(gòu)信息層級深，適用于任務(wù)流程長、分支少，任務(wù)步驟因果關(guān)系緊密的產(chǎn)品。為解決旅客操作時認(rèn)知負(fù)荷過高的問題，首界面選擇窄而深的信息層級結(jié)構(gòu)。在首頁面上清晰顯示自動售票機(jī)提供的4項基本功能入口：售票、取電話訂票、互聯(lián)網(wǎng)換票、銀通卡換票。各個功能按鈕緊密相連，且旅客使用頻率最高的售票和互聯(lián)網(wǎng)換票按鈕面積最大，突出顯示。旅客點擊首界面按鈕后進(jìn)入相應(yīng)的操作流程。窄而深的信息層級結(jié)構(gòu)降低了旅客的認(rèn)知負(fù)荷，讓更多旅客嘗試并成功使用自動售票機(jī)辦理業(yè)務(wù)。設(shè)計效果如圖4所示。

3.2 業(yè)務(wù)流程設(shè)計

圖4 首界面設(shè)計效果圖

目前自動售票機(jī)售票交互流程為更改出發(fā)車站、到達(dá)車站、乘車日期、車次、票種和張數(shù)五項后查詢后臺數(shù)據(jù)庫信息，給旅客分配車票。但如果所購車次無余票或需要修改車次時，旅客需要取消當(dāng)前操作并返回首頁重新購票。購票流程如圖3a所示。旅客購票時可能需要多次重復(fù)操作，購票操作時間長，購票體驗不夠友好。

為了降低旅客購票操作中的認(rèn)知負(fù)荷，交互設(shè)計需要遵循用戶的行為習(xí)慣。旅客出行時，出發(fā)地、目的地和出發(fā)日期一般是確定的，車次和票種可根據(jù)余票量、出發(fā)時間、列車運(yùn)行時間等進(jìn)行選擇和調(diào)整。新的交互設(shè)計方案中，在同一界面中選擇出發(fā)地、目的地和出發(fā)日期，3項選擇完畢后依次選擇車次、席別和張數(shù)，列出購票信息供旅客確認(rèn)。如所選車票信息不滿意，旅客可以在選擇出發(fā)地、目的地和出發(fā)日期不變的情況下重選車次。信息確認(rèn)后依次進(jìn)行身份驗證、支付和制票，從而完成購票。新的業(yè)務(wù)流程遵循了旅客已有的習(xí)慣性流程，極大地降低旅客操作時的認(rèn)知負(fù)荷。業(yè)務(wù)流程圖如圖5所示。

圖5 售票業(yè)務(wù)流程圖

3.3 引導(dǎo)性設(shè)計

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)：自動售票機(jī)購票操作步驟過多，交互操作易學(xué)性不足，缺少足夠的操作引導(dǎo)。交互設(shè)計要求：操作前，結(jié)果可預(yù)知；操作時，操作有反饋；操作后，操作可撤銷。我們可以通過增加旅客的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，從而達(dá)到促進(jìn)旅客學(xué)習(xí)，降低認(rèn)知負(fù)荷的目的。自動售票機(jī)流程包含多步操作跨越多個頁面，且各個步驟之間有著緊密的聯(lián)系，所以對自動售票機(jī)交互任務(wù)進(jìn)行引導(dǎo)性設(shè)計就顯得格外重要。我們通過構(gòu)建一個綜合性符合認(rèn)知規(guī)律的導(dǎo)航來引導(dǎo)旅客行為。在頁面頂端添加導(dǎo)航欄，導(dǎo)航欄可以告訴旅客完成這個任務(wù)一共需要多少步，現(xiàn)在位于哪個階段，之前操作的結(jié)果是什么，剩下多少步可以完成任務(wù)等。設(shè)計效果如圖6所示。

圖6 界面引導(dǎo)性設(shè)計效果圖

3.4 精簡功能

對旅客與現(xiàn)有版本界面交互時在各個界面停留時間進(jìn)行統(tǒng)計分析得知，旅客在操作車次選擇頁面時耗費(fèi)的時間最長。車次選擇界面顯示出所有符合條件的車次，但是由于車次往往多達(dá)幾十列，旅客選擇困難。目前版本界面提供“顯示有票車次”、“最近車次”、“12點后車次”、“18點后車次”、“動車組”“全部車次”6個按鈕實現(xiàn)對車次進(jìn)行篩選。6個按鈕給了旅客個性化選擇的機(jī)會，但是過多按鈕造成旅客選擇困難，旅客在此頁面停留的時間較長。

在交互設(shè)計中，為降低旅客認(rèn)知負(fù)荷，需要以目標(biāo)為導(dǎo)向進(jìn)行設(shè)計，確定產(chǎn)品功能的優(yōu)先級，刪除冗余的功能。6個按鈕從發(fā)車時間、列車類型和有無余票3個維度實現(xiàn)對車次的篩選。由于車次顯示默認(rèn)按照列車開行時間先后順序進(jìn)行排列，“最近車次”按鈕可以省略，不計入篩選按鈕點擊次數(shù)統(tǒng)計。對現(xiàn)行車次選擇界面篩選按鈕點擊次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到分布圖，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)行車次選擇界面篩選按鈕點擊次數(shù)分布圖

“12點后車次”和“18點后車次”利用發(fā)車時間對車次進(jìn)行篩選，點擊次數(shù)占比合計約6%，點擊次數(shù)過低，功能冗余。通過在車次列表中對無票車次進(jìn)行灰色處理，清晰地實現(xiàn)了與有票車次區(qū)分，“顯示有票車次”按鈕可省略。列車類型可分為動車組和普速列車兩種，兩類列車在票價、開行時間和舒適度上有較大區(qū)別，且在目前版本中“動車組”和“全部車次”按鈕點擊頻率較高，則在新交互設(shè)計中保留對列車類型的篩選。將3個功能維度的按鈕精簡為列車類型一個功能維度，在界面顯示為“動車組”和“其他車次”兩個按鈕，兩個按鈕均未按下時顯示為全部車次。設(shè)計效果如圖8所示。

圖8 車次選擇界面設(shè)計效果圖

4 結(jié)束語

基于認(rèn)知負(fù)荷理論的自動售票機(jī)交互設(shè)計方案充分考慮了不同認(rèn)知能力旅客的需要，吸引更多的旅客能夠去嘗試并且成功使用自動售票機(jī)辦理業(yè)務(wù)，極大地提高了操作成功率。同時，新的交互設(shè)計方案增加了引導(dǎo)性設(shè)計并對功能進(jìn)行精簡，提高了交互的流暢性，縮短了操作時間，給旅客帶來更加友好、令人愉悅的操作體驗。

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責(zé)任編輯 付 思

Interaction design of Ticket Vending Machine based on Cognitive Load Theory

TAN Xue1,JIANG Qiuhua2,LI Shida2,PAN Langtao2,LI Xiaoyi1
( 1.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.Institute of Computing Technologies,China Academy of Railways Sciences,Beijing 100081,China)

In order to solve the problems of imperfect operation experience and low success rate during the interaction between railway passengers and Ticket Vending Machine (TVM)owing to high cognitive load,Cognitive Load Theory (CLT) was put forward for the interaction design of TVM.By introducing CLT,the source of cognitive load during interaction was summarized.According to the current situation of TVM interaction design,the interaction design contained four parts:information structure design,transaction flow design,guidance design and function simplification.Firstly,balance the mutually restricted relations between width and depth in information structure design;and then design transaction fow diagram which suited passenger’ s pattern of behavior;thirdly,add navigation bar adjusting to passengers’ cognition rule;fnally,delete redundant functions of low priority.An interaction design plan of TVM based on CLT was presented.

Cognitive Load Theory(CLT);interaction design;Ticket Vending Machine(TVM)

U293.22∶TP39

A

1005-8451（2016）10-0057-05

2016-02-02

中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所（DZYF16-13）。

譚 雪 ，在讀碩士研究生；蔣秋華，研究員。