田花果 楊雪松

摘要：探索認(rèn)知負(fù)荷理論如何為有形交互設(shè)計提供設(shè)計心理學(xué)層面上的指導(dǎo)。從認(rèn)知負(fù)荷理論的視角來分析有形交互產(chǎn)品的信息加工與互動過程，總結(jié)出基于認(rèn)知負(fù)荷理論的有形交互產(chǎn)品設(shè)計方法。結(jié)合設(shè)計實(shí)踐，驗(yàn)證該設(shè)計方法的可行性。提出基于認(rèn)知負(fù)荷理論的有形交互產(chǎn)品設(shè)計方法。該方法可以為有形交互產(chǎn)品設(shè)計過程提供設(shè)計心理學(xué)層面上的參考。

關(guān)鍵詞：有形用戶界面 有形交互 認(rèn)知負(fù)荷理論 設(shè)計方法 設(shè)計心理學(xué)

中圖分類號：J59 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-0069（2023）12-0132-04

引言

數(shù)字世界與物理世界的深度融合是人機(jī)交互產(chǎn)品的未來發(fā)展方向之一。與當(dāng)今主流的圖形用戶界面（GUIs）相比，有形用戶界面（TUIs）選擇利用數(shù)字功能來增強(qiáng)和豐富現(xiàn)實(shí)世界，基于有形用戶界面的交互行為一般被稱作有形交互。這種交互方法的動機(jī)是希望保留物理交互的豐富性和情境性，利用用戶與真實(shí)的物理世界互動的知識和技能來直接操控數(shù)字信息，以實(shí)現(xiàn)“數(shù)字”和“現(xiàn)實(shí)”之間的流動轉(zhuǎn)換。有形交互設(shè)計過程中重要的一點(diǎn)就是如何使用戶以最簡單、直接的方式操縱物理工具進(jìn)行輸入，并實(shí)時接收到反饋。當(dāng)下缺乏一些理論知識來為有形交互產(chǎn)品提供設(shè)計參考，認(rèn)知負(fù)荷理論關(guān)注于減少人在信息加工過程中的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，這與有形交互的設(shè)計重點(diǎn)具有較高的重合度。因此文章選擇認(rèn)知負(fù)荷理論作為指導(dǎo)理論，通過理論研究來歸納出一些有形交互設(shè)計方法，結(jié)合有形交互產(chǎn)品設(shè)計實(shí)踐，來分析如何將這些方法運(yùn)用到有形交互設(shè)計過程當(dāng)中。

一、有形交互設(shè)計基本概述

有形用戶界面（TUIs）是一種基于感知的界面類型。1997年麻省理工學(xué)院的學(xué)者Brygg Ullmerr和Hiroshi Ishii提出了基于有形用戶界面的有形交互設(shè)計定義，即將數(shù)字信息耦合到日常物理對象和環(huán)境中以增強(qiáng)真實(shí)物理世界來完成人機(jī)交互[1]。當(dāng)用戶與圖形用戶界面進(jìn)行交互時，不能利用自身的靈活性或者機(jī)能來操控各種物理對象。而有形用戶界面為數(shù)字信息和計算提供了物理形式的載體，從而更有利于用戶直接操控它。這些增強(qiáng)的物理對象通常用作輸入和輸出設(shè)備，為用戶提供平行的反饋循環(huán)：物理的、被動的觸覺反饋來告知某個物理操作已經(jīng)完成，以及視覺或聽覺循環(huán)來告知某個計算操作已經(jīng)完成。TUI試圖將數(shù)字技術(shù)編織到物理環(huán)境中去，使其變的“無形”。它提供了在圖形用戶界面之外的另一種人機(jī)交互的可能性。

圖1是兩種用于景觀分析的有形交互產(chǎn)品，它們的交互方式是用戶更改桌面上物理的沙子和黏土的形狀，來改變模擬景觀的地形。而天花板上的激光掃描儀可以實(shí)時捕捉到不斷變化的幾何形狀，同時使用投影進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

（一）有形交互設(shè)計的基本交互模型

人與數(shù)字信息之間的連接需要兩個關(guān)鍵的要素：輸入和輸出，或者叫作控制與表示。輸入控件使用戶能夠操縱信息，而輸出表示則由人類的感官感知。在傳統(tǒng)的GUI界面中，用戶通過鼠標(biāo)等設(shè)備進(jìn)行信息輸入，數(shù)字信息則通過無具體形態(tài)的像素圖像、聲音等反饋出來[2]。在有形用戶界面中，通過將數(shù)字信息變?yōu)榭捎|摸的形式，強(qiáng)調(diào)對物理表達(dá)與控制設(shè)備的無縫結(jié)合[3]，一些無形輸出例如視頻投影等可以與有形物體同步來補(bǔ)充表達(dá)。從基于GUI交互的MVC（模型、視圖、控制）模型中，Ullmer和Ishii提出了一個名為MCR的交互模型，它是英文當(dāng)中模型-控制-表示的縮寫。MVC模型強(qiáng)調(diào)了圖形表示（通過像素表示信息）和控制（通過鍵盤、鼠標(biāo)等輸入信息），MCR模型則強(qiáng)調(diào)了有形用戶界面中物理表示和物理控制的集合[4]，如圖2所示。通過有形用戶界面的MCR模型，可得出TUI具有“表示和控制的無縫結(jié)合”的特性，這意味著可觸摸物理對象包含了表示和操控數(shù)字信息的能力。

（二）有形交互設(shè)計的主要特征

1.有形物體通過計算機(jī)化功能和數(shù)字信息相耦合。這也是有形用戶界面的核心特征，有形交互設(shè)計過程中重要的挑戰(zhàn)，是如何以一種有意義的方式，將物理對象及其操作映射到數(shù)字計算和數(shù)字反饋當(dāng)中去[5]。

2.有形物理對象作為交互過程中的控制器，移動與操縱對象是主要的控制形式。有形物體可以通過用戶直接操作，或通過電力或磁力驅(qū)動間接操作，來進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。為了使操作簡單易學(xué)，需要設(shè)計交互行為，使有形交互對象支持的操作與物理對象自身的操作機(jī)制匹配。

3.可感知的物理對象與數(shù)字對象產(chǎn)生的表征的耦合。有形界面依賴于有形和無形表現(xiàn)之間的平衡。雖然物理的有形元素在TUI的表示和控制當(dāng)中發(fā)揮著中心和定義的作用，但TUI的無形表示（通常是圖像和音頻）同樣重要。無形表征的實(shí)時反饋與有形表征的操作相對應(yīng)，是確保感知耦合的關(guān)鍵。

有形交互拋卻了圖形用戶界面使用的WIMP范式，通過將數(shù)字信息賦予物理物體，允許用戶真正地使用雙手“抓住”信息、操控信息。人與數(shù)字世界的關(guān)系通過有形的界面變得更加直接與簡單。

二、認(rèn)知負(fù)荷理論基本概述

與傳統(tǒng)的基于圖形用戶界面的交互產(chǎn)品相比，有形交互產(chǎn)品將交互范圍擴(kuò)大至用戶身邊的環(huán)境，它非常注重人與環(huán)境、物理工具之間的信息交互過程。認(rèn)知負(fù)荷理論作為一門研究人與信息的交互活動的心理學(xué)，與有形交互設(shè)計密切相關(guān)。認(rèn)知負(fù)荷理論的基本假設(shè)主要部分如下：人的記憶由工作記憶和長時記憶兩種組成，前者貯存容量有限，主要負(fù)責(zé)信息加工，一次只能處理兩到三條基本信息塊；而后者具有無限的貯存容量，主要負(fù)責(zé)信息貯存。工作記憶被認(rèn)為由三個部分組成，分別是執(zhí)行控制系統(tǒng)、視覺空間系統(tǒng)、發(fā)音或語音識別系統(tǒng)。圖式是一種基于經(jīng)驗(yàn)循環(huán)模式形成的已有知識，知識以圖式的方式長期儲存在長時記憶當(dāng)中。

認(rèn)知負(fù)荷理論的基本觀點(diǎn)如下：認(rèn)知負(fù)荷包括三種形式，即內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷，與有效認(rèn)知負(fù)荷。內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是工作記憶對認(rèn)知任務(wù)本身所包含的信息元素，及其交互性進(jìn)行認(rèn)知加工所產(chǎn)生的負(fù)荷。外在認(rèn)知負(fù)荷是由于不恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)知方式設(shè)計，造成與圖式構(gòu)建沒有直接關(guān)聯(lián)的活動[6]，其造成的工作記憶負(fù)荷，與人為的交互過程設(shè)計息息相關(guān)。有效認(rèn)知是工作記憶對認(rèn)知任務(wù)進(jìn)行圖式構(gòu)建而承受的負(fù)荷[7]。

為了提升信息處理效率，在認(rèn)知活動的過程中應(yīng)盡可能減少外部認(rèn)知負(fù)荷，增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷[8]，人在認(rèn)知過程中所應(yīng)承受的壓力過高或過低都會影響用戶的使用和體驗(yàn)。研究認(rèn)知負(fù)荷理論能幫助設(shè)計師構(gòu)建出與用戶模型較為匹配的設(shè)計模型，從而減少用戶認(rèn)知壓力，提高用戶體驗(yàn)[9]。

三、認(rèn)知負(fù)荷理論指導(dǎo)下的有形交互設(shè)計方法探索

（一）有形交互產(chǎn)品的設(shè)計要素分析

在對有形交互的模型和特征進(jìn)行分析后，文中將有形交互產(chǎn)品的設(shè)計要素總結(jié)為以下4種：物理對象、數(shù)字對象、動作交互、信息關(guān)系（如圖3所示）。這4 種要素的設(shè)計決定了有形交互產(chǎn)品的呈現(xiàn)方式。

1.物理對象：物理對象是用戶與有形交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行交互的物理材料。它是存在于現(xiàn)實(shí)世界中的具體的物質(zhì)對象，具有必要的物理屬性。例如視覺屬性（如顏色、明暗度），觸覺屬性（如紋理、材質(zhì)），空間屬性（如位置、大小、方向），有時候還有聽覺屬性（如音色、音調(diào)）等。

2.數(shù)字對象：數(shù)字對象是TUI系統(tǒng)中具有特定屬性（如顏色、位置）的虛擬對象。數(shù)字對象需要設(shè)計的屬性和物理對象的屬性大致相似，但不包括觸覺屬性，此外數(shù)字對象還具有隨著時間動態(tài)變化的屬性。

3.動作交互：人擁有豐富的知覺與運(yùn)動技能，利用這些以及對物理對象的條件反射，有形交互能夠調(diào)動人本身既有的知識技能。通過動作交互，有形用戶界面的物理和數(shù)字對象之間形成耦合，即用戶通過與物理物體進(jìn)行動作交互實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息輸入。

4.信息關(guān)系：信息關(guān)系可以看作是物理對象、數(shù)字對象、人與產(chǎn)品的動作交互，以及對現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體的引用之間的信息關(guān)系集合[10]。一個物理對象可能代表有形交互界面中特定的東西，但它也可以同時承載現(xiàn)實(shí)世界中的意義映射（如物體的動作、含義或現(xiàn)象）。

（二）有形交互產(chǎn)品要素設(shè)計方法及理論支撐

結(jié)合認(rèn)知負(fù)荷理論知識來思考有形交互產(chǎn)品的人機(jī)交互過程，文中總結(jié)出三點(diǎn)有形交互產(chǎn)品要素的設(shè)計方法：

方法一、在設(shè)計物理對象與數(shù)字對象時，可以使用多種模式的信息分配，來拓寬工作記憶的容量，減輕工作記憶的負(fù)荷。

理論依據(jù)：根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論，使用視覺和聽覺兩種表征形式，可以將信息加工分配在兩個不同的工作記憶處理系統(tǒng)中，降低認(rèn)知負(fù)擔(dān)。比如在已經(jīng)需要用到視覺認(rèn)知的前提下，可以讓文字以聲音而非文本的形式呈現(xiàn)，以將交互過程中施加的認(rèn)知負(fù)荷分配到視覺處理系統(tǒng)和語音識別處理系統(tǒng)中。

方法二、在設(shè)計有形交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)的信息關(guān)系設(shè)計時，物理對象或者數(shù)字對象與現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的形式和行為之間的信息映射保持一致，這有助于減少額外的認(rèn)知負(fù)荷。

理論依據(jù)：認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為產(chǎn)品施加給用戶的用于理解產(chǎn)品本身的認(rèn)知負(fù)荷，對于用戶來說是不必要的，比如GUI界面中的流程邏輯、圖標(biāo)意義等。在有形交互中減少這種外部認(rèn)知負(fù)荷的方法之一，是將系統(tǒng)中物理對象和數(shù)字對象的信息關(guān)系映射與現(xiàn)實(shí)世界保持一致。因此可以多使用現(xiàn)實(shí)生活中被多次強(qiáng)化的，不需多加思考的信息關(guān)系來映射有形交互中的信息關(guān)系，比如向上抬高物體對應(yīng)有形交互當(dāng)中音量的增加。

方法三：在設(shè)計動作交互時，在輸入操作中利用用戶的已有圖式有助于提高產(chǎn)品的易學(xué)性。

理論依據(jù)：圖式是一種基于經(jīng)驗(yàn)循環(huán)模式形成的已有知識，人有默認(rèn)的意象圖式（例如前-后、大-小、快-慢、遠(yuǎn)-近等），并且每種意向圖式都會產(chǎn)生一些隱喻延伸，例如快樂與明亮、悲傷與黑暗聯(lián)系起來。人們常會將它運(yùn)用到對新事物的理解中。在有形交互產(chǎn)品當(dāng)中，可以利用圖式來設(shè)計，用戶無意識地進(jìn)行操作，這種減少了學(xué)習(xí)成本，用戶專注于使用產(chǎn)品，降低外在認(rèn)知負(fù)荷。

（三）基于認(rèn)知理論的有形交互產(chǎn)品設(shè)計流程構(gòu)建

通過對有形交互的基本概念與設(shè)計要素分析，文中構(gòu)建了基于認(rèn)知理論的有形交互產(chǎn)品設(shè)計流程（如圖4所示）。

首先，有形交互產(chǎn)品的調(diào)研可以重點(diǎn)關(guān)注用戶的身份特征與使用目的，身份特征決定了用戶的使用環(huán)境、認(rèn)知能力與肢體操作能力。調(diào)研方法一般有訪談法、問卷法、觀察法、定性研究法與實(shí)驗(yàn)研究法。下一步的概念設(shè)計，是將上述用戶信息轉(zhuǎn)換為設(shè)計方案的一種過程，這一步可以交互流程圖的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。

在概念設(shè)計的基礎(chǔ)之上，可以提出具體的設(shè)計想法，包括產(chǎn)品的功能、界面選擇、操作模式等，來構(gòu)建產(chǎn)品的功能原型。接下來，可以用草圖或者實(shí)物模型來表達(dá)有形交互的創(chuàng)意、用戶體驗(yàn)和物理交互對象之間的關(guān)系等方面。

最后，可以進(jìn)行系統(tǒng)的4種要素，即物理對象、數(shù)字對象、交互動作、信息關(guān)系與設(shè)計，它們是系統(tǒng)設(shè)計流程中極為重要的一環(huán)。前面文章通過認(rèn)知理論的視角分析了有形交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)要素設(shè)計，并得出了一些設(shè)計方法，來提升學(xué)習(xí)系統(tǒng)的可用性和用戶學(xué)習(xí)效率。在進(jìn)行系統(tǒng)要素設(shè)計時，可以將這些設(shè)計方法作為理論參考。

四、基于認(rèn)知負(fù)荷理論的有形交互產(chǎn)品設(shè)計實(shí)踐

以基于認(rèn)知負(fù)荷理論的有形交互的設(shè)計要素方法為理論指導(dǎo)，結(jié)合有形交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計流程，針對兒童對于幾何數(shù)學(xué)的理解困難問題，文中設(shè)計了一種有形交互學(xué)習(xí)產(chǎn)品——“幾何積木”?！皫缀畏e木”目的是在兒童在玩積木的過程當(dāng)中，構(gòu)建或提升對幾何學(xué)的基本概念、空間關(guān)系、幾何符號的認(rèn)知水平。

（一）“幾何積木”設(shè)計概念

“幾何積木”中的物理對象是帶有RFID標(biāo)簽的積木，作為產(chǎn)品的信息輸入裝置，兒童可以自由地進(jìn)行積木連接、堆疊。每當(dāng)用戶把積木拼成值得探索的圖形時（正方形、棱形、等腰/等邊三角形等），系統(tǒng)會用聲音提醒用戶看向屏幕，用動畫播放的方式顯示出幾何體的組合路徑，并且屏幕上的圖形顯示出該幾何形體的數(shù)學(xué)信息（如圖5所示）。當(dāng)積木被放置在進(jìn)行地毯上進(jìn)行組合時，信息會被讀取并發(fā)送到電腦上，當(dāng)用戶搭建出值得探索的幾何組合后，系統(tǒng)會做出相應(yīng)的回應(yīng)（聲音、圖案、動畫）展示給用戶該幾何體的數(shù)學(xué)信息。

（二）基于認(rèn)知理論的有形交互要素設(shè)計

1.物理對象和數(shù)字對象設(shè)計：根據(jù)有形交互產(chǎn)品要素設(shè)計方法一，物理對象與現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的形式和行為之間的信息映射保持一致，有助于減少用戶的信息負(fù)荷。因此在物理對象的設(shè)計中，選擇了木質(zhì)積木作為產(chǎn)品的信息輸入物理對象，其操作邏輯與普通積木類似，兒童很快就能從普通積木的使用經(jīng)驗(yàn)中學(xué)會如何使用它。在數(shù)字對象的設(shè)計當(dāng)中，使用了視覺和聽覺兩種信息分配模式。視覺信息的主要作用為顯示幾何物體空間關(guān)系以及數(shù)學(xué)概念。聽覺信息的主要作用為用戶探索提示音、正向反饋。將輸出信息以視覺和聽覺兩種不同的表征形式傳遞給用戶，來減小交互過程中用戶工作記憶的負(fù)荷。

2.信息關(guān)系設(shè)計：根據(jù)有形交互產(chǎn)品要素設(shè)計方法二，在設(shè)定物理對象的信息關(guān)系時，使用現(xiàn)實(shí)世界中的玩具積木隱喻映射到幾何積木的操作實(shí)體上，有形物體操作與現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的形式和行為保持一致。另一種信息關(guān)系——物理對象到數(shù)字對象的映射，已經(jīng)被設(shè)計和定義，用戶使用積木搭建出幾何體后，相同的數(shù)字形象出現(xiàn)在屏幕上。

3.交互動作設(shè)計：根據(jù)有形交互產(chǎn)品要素設(shè)計方法三，在動作交互設(shè)計中，調(diào)用了用戶已掌握的操作積木的技能，來操作有形交互產(chǎn)品。用戶的輸入動作（擺放積木）和輸出動作（屏幕信息顯示）幾乎同時進(jìn)行。系統(tǒng)不存在錯誤交互，用戶可以隨意進(jìn)行輸入。

（三）“幾何積木”產(chǎn)品設(shè)計特色

為了測試“幾何積木”帶給用戶的直觀感受，穩(wěn)重使用了卡片反映法進(jìn)行用戶體驗(yàn)定性測試。共選取了目標(biāo)用戶25人，測試者提供了30個寫著不同的形容詞的卡片。被測試者在觀看“幾何積木”產(chǎn)品的視頻交互流程后，選擇5個最符合感受的卡片，并結(jié)合產(chǎn)品視頻對卡片進(jìn)行解釋。然后將所有用戶的卡片進(jìn)行匯總，并對測試結(jié)果以詞云顯示的方式呈現(xiàn)出來，結(jié)果中出現(xiàn)次數(shù)越多的形容詞在詞云中比重越高（如圖6所示）。

為了測試“幾何積木”與現(xiàn)有的幾何學(xué)習(xí)產(chǎn)品之間的差異性，選取了較為典型的幾種現(xiàn)有幾何學(xué)習(xí)產(chǎn)品：方格圖、幾何折紙、幾何堆積模型、幾何視頻教學(xué)，來與“幾何積木”進(jìn)行用戶體驗(yàn)度量差異分析。由3名兒童和7位家長進(jìn)行測試，測試的三種用戶體驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以馬斯洛心理學(xué)當(dāng)中的感官層、行為層和反思層為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計。

在測試結(jié)果計算中，“方格紙”的平均總得分為15.9分?！皫缀握奂垺钡钠骄偟梅譃?9.4分?！皫缀味逊e模型”的平均總得分為17. 5分?！皫缀我曨l學(xué)習(xí)”的平均總得分為19. 7分。“幾何積木”的平均總得分為22.9。分?jǐn)?shù)越高代表其綜合性體驗(yàn)越好。由圖7可知，有形交互產(chǎn)品“幾何積木”在用戶體驗(yàn)定性測試結(jié)果中，相較于同類產(chǎn)品而言總體較好。

傳統(tǒng)的幾何平面教學(xué)，實(shí)際上缺乏學(xué)習(xí)抽象概念所需的物理空間操作；實(shí)體幾何模型雖然有助于增強(qiáng)學(xué)習(xí)者對空間想象力的認(rèn)知，卻又不能形成用戶反饋，屬于單向交互?；趫D形用戶界面的電子產(chǎn)品幾何教學(xué)，雖然實(shí)現(xiàn)了雙向交互，但仍屬于平面交互，用戶不能直觀地感受到空間關(guān)系和幾何物體變換過程。

有形交互產(chǎn)品“幾何積木”彌合了物理操作與數(shù)字操作之間的鴻溝，它借助人與積木模型在空間中的交互，來提升用戶的幾何空間想象力；又依靠積木模型內(nèi)耦合的數(shù)字信息，來進(jìn)行人與數(shù)字信息的直接互動。將搭建積木的動作設(shè)計為產(chǎn)品的信息輸入過程，伴隨著用戶的動作，產(chǎn)品使用聲音和動畫的形式進(jìn)行實(shí)時輸出，實(shí)現(xiàn)了人與物體的雙向交互。人與產(chǎn)品之間的互動不需要其他的媒介與認(rèn)知過程，交互過程是在空間中直接發(fā)生的，是簡單的、雙向的，實(shí)時的。

結(jié)論

在數(shù)字信息與萬物進(jìn)行互聯(lián)的趨勢之下，有形交互以其直接而自然的交互方式逐漸成為人機(jī)交互領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一，對有形交互設(shè)計的方法研究是開展有形交互設(shè)計的重要前提與基礎(chǔ)。文中以有形交互設(shè)計方法為研究內(nèi)容，以認(rèn)知負(fù)荷理論為理論支持，嘗試從認(rèn)知負(fù)荷理論的角度分析有形交互中的信息模式、映射關(guān)系、動作輸入方式，得出了有形交互產(chǎn)品四要素的設(shè)計方法；結(jié)合對有形交互設(shè)計流程的分析，總結(jié)出了有形交互產(chǎn)品的設(shè)計方法。

依據(jù)此方法設(shè)計了有形交互產(chǎn)品——“幾何積木”，并進(jìn)行用戶定性測試。結(jié)果顯示該設(shè)計方法具有一定的可行性。基于認(rèn)知負(fù)荷理論的有形交互設(shè)計方法探索，有助于設(shè)計出更加自然、便于理解和操作的創(chuàng)新性有形交互產(chǎn)品。

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