基于认知负荷的老年用户认知衰退研究

王俊钬，李晶*，郁舒兰

（南京林业大学家居与工业设计学院，江苏南京210037）

基于认知负荷的老年用户认知衰退研究

王俊钬，李晶*，郁舒兰

（南京林业大学家居与工业设计学院，江苏南京210037）

面对老年人认知衰退极易造成人机交互中的高认知负荷，本文基于大脑信息加工的层次结构，提出认知负荷大小取决于注意和记忆资源的占用量；通过实验测试年龄、受教育程度、上网情况和就医情况等对老年人注意和记忆的影响，分析其认知衰退情况。结果发现：年龄、受教育程度和上网情况显著影响老年人记忆，注意主要受身体健康的影响；老年人记忆的衰退远大于注意。

老年用户；认知负荷；认知能力测试

目前，人口老龄化趋势是大多数国家共同面临的社会问题。中国人口基数大、医疗设施现代化程度不完善，造成的老年人求医人数多、医疗资源紧张、时间消耗大并影响子女工作、生活幸福感等问题愈演愈烈。老年群体比其他年龄段人群更关注自己的健康问题，因此不少健康服务平台增加了老年板块或老年健康相关内容。但是，随着年龄增长的认知衰退严重制约着老年人的认知资源容量，认知负荷问题的困扰严重影响了老年用户界面接触过程中的信息获取及用户体验[1]。因此，在人机界面设计中关注老年人认知特征及其局限性，分析其认知的限制性调节，才能提供有效的设计方案，保证老年人健康服务平台具有较强可用性和更加实际意义。

关于老年用户认知衰退和认知负荷的研究，Paas等[2]针对随年龄增长的认知衰退，归纳了老年人多媒体教学设计策略。关于老年人认知能力对人机交互的影响，有学者从界面功能出发，探讨智能家庭用户界面[3]、手机移动通讯界面[4]等对老年人使用能力的限制；也有学者从认知能力出发，剖析老年人在界面认知过程中的体验[5]、情感[6]、认知通道[7]变化，进行设计探索。但是，基于认知负荷的老年人的认知衰退影响因素、内容和情况仍有待研究。本文利用认知心理学方法，研究了大脑信息加工的层次结构，分析决定认知负荷大小的内在因素；基于认知能力测评实验考察老年用户认知衰退的主要内容和影响因素，为老年用户界面设计提供有针对性的方向。

1.影响认知负荷大小的内在因素

1.1 大脑信息加工的层次结构

如图1所示，大脑的信息加工主要包括神经系统、感受器、大脑加工活动和记忆范畴4个部分。根据信息在记忆中的存在方式不同，神经系统可分为三类，即用于感觉水平记忆的感觉器官和丘脑，用于知觉水平记忆的大脑皮质，和用于思维水平记忆的海马、间脑、新皮质、反射通路等。界面信息由左往右进入大脑进行信息的加工，各个加工活动分别受到感受器中感觉、知觉、思维和反应的限制。这种限制既包括来自于注意资源的选择加工控制，也包括来自于信息贮存活动中的记忆提取和存储能力的约束。其中，注意资源不仅在信息的输入阶段具有“闸门”的选择作用，还在加工过程中通过对信息进行选择、维持、监督和调节，协调认知资源的有效分配。信息的提取和存储约束主要依赖于记忆系统：由感觉记忆的信息进入短时记忆或工作记忆中，然后与长时记忆中的图式进行互动。当大脑进行低级认知活动（如阅读、再认等）时，感觉记忆中的一部分信息将被选择进入短时记忆中，通过从长时记忆中提取相关信息进行新信息的加工处理，最后贮存于长时记忆中；当大脑进行高级认知活动（如理解、计算等）时，感觉记忆中的信息经过注意筛选，进入工作记忆中进行贮存和加工两种处理过程，最后贮存于长时记忆中。

图1 大脑信息加工的层次结构

上述大脑信息加工过程中，认知资源是否处于高效运行的状态，用于信息加工处理的资源是否能够满足界面信息资源的需求，或者界面信息加工处理的难度是否在认知能力范围之内，都是影响人机界面信息编码的有效性和认知负荷大小的重要因素。认知资源能否有效甚至高效地分配是解决老年人在人机交互过程中的认知负荷问题的关键。

1.2 注意和记忆资源

根据图1中的注意资源的分配控制，可以发现注意对信息的选择、控制和维持功能贯穿于整个大脑信息加工过程。Anderso等（1974）[8]在将感觉记忆与短时记忆区分后，证实了短时记忆编码需要注意资源；当注意水平下降时，短时记忆成绩会相应地受到损害。Johnston等（1972）[9]发现，尽管短时记忆编码、保持、提取都占用注意资源，但提取所占用的注意资源比编码和保持更多。在早期阶段的认知活动中，注意以显性的方式影响用户对信息的感知、选择等行为；而在晚期阶段的认知活动中，注意主要以隐性的方式对信息进行维持等活动。

工作记忆的信息加工和存储方式在许多认知活动（如理解、推理、学习等）中都参与。首先，工作记忆是理解力的一个很好的预测者，即工作记忆容量与用户的理解能力呈正相关。其次，工作记忆在推理中的作用得到了许多理论的研究和证实。Oberauer等（2005）[10]通过对前人报告的数据分析发现工作记忆与推理能力之间的相关性高达0.85。Buehner等（2005）[11]也发现高水平工作记忆能够保持更多的信息并对此进行加工，从而获取更好的推理。最后，工作记忆影响用户对信息的获取质量，表现为工作记忆有限性会限制用户对信息的获取。可见，注意通过调控，对有限的认知资源进行合理分配：过滤无用信息、选取有用信息；工作记忆基于注意筛选，使用有限的工作记忆资源对选择进入的信息进行加工。注意和记忆所拥有的资源反映了大脑对信息加工的能力，也限制了设计信息编码的要求和规则。结合Sweller的观点，虽然注意和工作记忆是两个不同的概念，但它们在控制性加工的过程中是一种共生的关系：当人集中注意对某些信息进行深加工时，工作记忆中的目标会相应减少；当工作记忆中的信息超过一定容量时，也反映出注意资源分配不足的问题。由于认知负荷理论通常以“认知资源”描述注意，以“认知容量”描述工作记忆。因此，注意与记忆资源的占用量影响认知负荷的大小。基于注意的认知资源与基于工作记忆的认知容量之间的相互协调、辅助共生，有利于认知负荷问题的解决。

2.认知能力测评实验

根据认知的内容及其分类，注意包括集中注意、连续注意、选择性注意、交替注意和分别注意等；记忆包括视觉和词语感觉记忆、工作记忆、长时记忆和前瞻性记忆等。本文结合连线测试A-B、语言能力测试、Wechler记忆量表WMS视觉再生测试和记忆能力测试，分别对老年人的注意（连续注意、交替注意）和记忆（词语记忆、视觉记忆、工作记忆）进行认知能力测评[12-13]。

2.1 被试

在南京市内选取80名年龄在55～80岁之间的老年人进行问卷调查。按照老年人的受教育程度不同，分别选取受教育程度1年以下、1年以上～4年以下、4年以上～7年以下、7年以上各20人。其中男性40人，女性40人。

2.2 方法

主试首先记录被试的年龄、性别、受教育时间、上网频度、看病频度，随后进行认知能力测试，方法如下：

图2 连续注意测试

图3 交替注意测试

（1）连续注意测试：采用连线测试A方法，要求被试将图2中数字按照顺序两两相连。主试用秒表记录所用时间，即为测试分数。

（2）交替注意测试：采用连线测试B方法，要求被试将图3中阿拉伯数字和中文数字按照顺序交替相连。主试用秒表记录所用时间，即为测试分数。

（3）词语记忆测试：采用语言能力测试方法，要求被试1分钟之内尽可能多的说出动物名称。主试用秒表计时，1分钟内说出的动物的数量即为得分。

（4）视觉记忆测试：采用Wechler记忆量表WMS视觉再生测试方法（图4），被试靠记忆将图默画出来，总分最高15分。

图4 视觉记忆测试

（5）工作记忆测试：采用记忆能力测试方法，要求被试听完10个随机排列的词语后立即回忆说出听到的词语。测试分数为被试回忆出的词语数量。

3.实验结果和分析

3.1 方差分析

根据SPSS方差分析(其中F值为方差分析统计量，P值为显著性)，性别对工作记忆有显著性差异影响（F=4.308,P=0.042，P＜0.05），而对词语记忆（F=0.495,P=0.484，P＞0.05）、视觉记忆（F=0. 070,P=0.792，P＞0.05）、连续注意（F=0.051,P=0. 822，P＞0.05）和交替注意（F=0.301,P=0.585，P＞0.05）没有显著性差异影响。男性工作记忆能力显著强于女性。

年龄对词语记忆（F=3.220,P=0.019，P＜0.05）、工作记忆（F=5.336,P=0.001，P＜0.05）、视觉记忆（F=6.554,P=0.000，P＜0.05）有显著性差异影响，而对连续注意（F=0.526,P=0.717，P＞0.05）和交替注意（F=0.551,P=0.699，P＞0.05）没有显著性差异影响。

受教育程度对词语记忆（F=9.879,P=0.000，P＜0.05）、工作记忆（F=4.095,P=0.010，P＜0.05）、视觉记忆（F=6.014,P=0.001，P＜0.05）有显著性差异影响，而对连续注意（F=1.991,P=0.125，P＞0.05）和交替注意（F=1.521,P=0.218，P＞0.05）没有显著性差异影响。

上网情况对词语记忆（F=6.506,P=0.003，P＜0.05）、工作记忆（F=4.227,P=0.019，P＜0.05）、视觉记忆（F=7.916,P=0.001，P＜0.05）有显著性差异影响，而对连续注意（F=3.023,P=0.056，P＞0.05）和交替注意（F=2.687,P=0.076，P＞0.05）没有显著性差异影响。

就医频繁情况（身体状态）对工作记忆（F=5. 233,P=0.008，P＜0.05）、视觉记忆（F=2.63,P=0. 080，P＜0.05）、连续注意（F=10.544,P=0.000，P＜0.05）和交替注意（F=10.173,P=0.000，P＜0.05）有显著性差异影响，而对词语记忆（F=2.301,P=0. 109，P＞0.05）没有显著性差异影响。

3.2 相关性分析

运用SPSS中两两相关性分析检验（其中r值为相关性检验Pearson值，上标“*”和“**”表示具有显著性特征），年龄与词语记忆（r=－0.399，）、工作记忆（r=－0.513，）和视觉记忆（r=－0.554，）三者呈负向相关。年龄越大，记忆能力越差。教育程度与词语记忆（r=0.566，）、工作记忆（r=0. 407，）和视觉记忆（r=0.465，）三者正向相关。教育程度越高，记忆能力越好。上网频率与词语记忆（r =0.404，）、工作记忆（r=0.259，）和视觉记忆（r=0. 451，）三者正向相关，与连续注意时间（r=－0.303，）和交替注意时间（r=－0.284，）负向相关。说明上网时间越长，记忆能力越好，注意时间越短，注意能力也越强。就医频繁情况与工作记忆（r =0.357）正向相关，与连续注意时间（r=－0.502）和交替注意时间（r=－0.500）负向相关，说明身体状况越好（就医频率越少），老年人记忆能力和注意能力越好。

4.小结

本文以大脑对信息加工的处理过程为基础，提出老年人的认知负荷主要受到注意资源和记忆资源的限制；通过对老年人的连续注意、交替注意、词语记忆、视觉记忆和工作记忆进行认知能力实验测评，发现年龄、受教育程度和上网情况显著影响老年人的记忆能力，而注意能力主要受到身体健康情况的影响。因此老年用户人机界面中，需要重点考虑消耗记忆资源的信息设计。实验结论对指导老年用户界面设计有一定的启发和借鉴意义。

[1]王琳,饶培伦,GAVRIEL Salvendy.影响老年人接受信息科技因素的调研 [J].工业工程,2010,13(5):85-88

[2]GERVEN P W M V,PAAS FGWC,VAN M J J G,SCHMIDT H G.Modality and variability as factors in training the elderly[J].Applied cognitive psychology,2006,?20(3):311-320

[3]ZHANG B,RAU P L P,SALVENDY G. Design and evaluation of smart home user interface: effects of age,tasks and intelligence level[J].Behaviour& Information Technology,2009,28(3): 239-249

[4]SHARMA S,SHARMA R,SINGH P, MAHAJAN A.Age based user interface in mobile operating system[J].International Journal of Computer Science,Engineering and Applications,2012,2 (2):177-184

[5]彭佳.基于用户体验的老年智能手机APP界面交互设计研究[D].上海：华东理工大学，2014

[6]刘源，李世国.面向老年人的智能手机场景式界面设计研究 [J].包装工程，2015,36（10）：40-48

[7]宋.面向老年人多通道交互技术及应用[D].北京：北京工业大学，2015

[8]ANDERSON CMB,CRAIK FIM.Effect of a concurrent task on recall from primary memory [J].Journal of Verbal Learning and Verbal Behavior, 1974,13(1):107-113

[9]JOHNSTON WA,WAGSTAFF RR, GRIFFITH D.Speed,accuracy,and ease of recall [J].Journal of Verbal Learning and Verbal Behavior, 1972，11(4):512-520

[10]OBERAUER K,SCHULZE R,WILHELM O,et al.Working memory and intelligence-their correlation and their relation:comment on Ackerman,Beier,and Boyle [J].Psychological Bulletin,2005，131(1):61-65

[11]BUEHNER M,KRUMM S,PICK M. Reasoning=working memory not equalattention[J]. Intelligence,2005,33(3):251-272

[12]TUOMO H.,KEIJO K.,KARI J.R.,et al.Prevalence of ageing-associated cognitive decline in an elderly population[J].Age and Ageing,1996,25: 201-205.

[13]TOM N.TOMBAUGH.Trail Making Test A and B:Normative data stratified by age and education[J].Archives of Clinical Neuropsychology, 2004,19:203-214

王俊钬（1995-），男，本科，whjpho@163.com。李晶(通讯作者)（1987-），女，博士，讲师，主要研究方向为人机界面设计、信息可视化，lijing7736@126.com。郁舒兰（1974-），女，博士，教授，主要研究方向为工业设计。

江苏高校品牌专业建设工程项目（PPZY2015B150），南京林业大学校青年科技创新基金资助项(CX2016029)，南京林业大学科研启动基金项目(GXL011)，大学生创新训练项目（2016NFUSPITP181）