产品形态功能示意性ERP 实验研究<br/>——以旋钮造型为例①

产品形态功能示意性ERP 实验研究
——以旋钮造型为例①

2020-05-19陈楚玲华侨大学机电学院福建厦门361021

南京艺术学院学报(美术与设计) 2020年1期

李艳陈楚玲（华侨大学机电学院，福建厦门 361021）

宋武（华侨大学美术学院，福建厦门 361021）

一、产品功能示意形态的语义学内涵

产品语义学的提出者Krippendurff（2084）认为，产品不仅需要具备物理机能，还需要具备隐喻价值，能指示如何使用，构成人们生活中的象征环境；因此，产品形态语义学的核心价值在于，借助产品的形态语义，让使用者理解产品的属性，运行方式及如何操作等特征[1]。产品功能形态作为一般功能型产品必须具备的特性之一，其语义传达精确与否应当是设计师工作围绕的核心问题，并且从本质上来说，一个准确传达了功能及使用方式的产品形态，与产品语义学的研究目的是相符的。因此，产品功能示意形态研究，是产品语义学外延型语义分支下的一个重要问题。

产品功能示意形态是所有实用型产品必须具备的特征，设计师即使在设计过程中常常需要将产品外观进行创意化和艺术化体现，也仍然需要考虑到产品的易用性问题[2]，即通过形态来示意产品某个部位的具体使用方式和功能，这将大大提升用户对产品的认知率和正确使用率。决定产品易用性的核心因素之一，即需要透过产品形态来传达的产品功能的易识别性。在丁玉兰编著的《人机工程学》（第4 版）中，功能示意形态的主体被其归纳为操纵装置，对操纵装置的编码方式分为形状编码、位置编码、尺寸编码、颜色编码以及符号编码五个方面[3]，通过这些方面的编码处理，将有效提高用户的认知和使用效率并减少误操作率。这表示，产品中的功能示意形态部分需要通过形状、位置、尺寸、颜色、符号描述等视觉信息来准确传达使用方式及对应的功能。

以功能性极强的机械产品为例，许多研究者致力于找寻产品功能和形态语义间的对应联系，如欧静、赵江洪（2016）针对以激光切割机为代表的复杂工业设计产品，首先根据人机工程学理论，提取了用户在操作任务过程中的动作和对应产品部件的运动轨迹，得到指示语义特征；其次，利用DFA（Design for Analysis）方法，根据工程师分析产品结构以及功能部件得出的结论，分解出完形、形面、细节层次的图标语义特征；最后根据感性工学理论，借助设计师、工程师及用户等不同角色，对企业意象与竞争产品进行调查，建立了意象知觉图，获得了高级抽象的象征语义整体特征，形成三层语义架构[4]。欧静等人在研究中，在高层次的象征语义下，是以产品功能示意相关的指示语义和图标语义为基础，因为指示语义和图标语义都表现为具象的形式，而象征语义则是整体概念范围的抽象性的表征。

本研究选用的产品功能示意形态，同样需要借助语义学的研究方法，对功能示意形态进行形状编码，提取语义特征描述，在此基础上进行进一步的实验研究，以客观的科学数据佐证形态语义编码的合理性。

二、实验设计

图1 （a）连续旋转旋钮造型（b）间顿旋转旋钮造型（c）限位旋转旋钮造型

图2 （a）连续旋转描述语句（b）间顿旋转描述语句（c）限位旋转描述语句

1.实验背景与目的

本研究的思路是从既有的产品形态中，提取某类特定的形态并进行区分编码，用作实验的视觉呈现材料，以此来探讨该类形态的视觉效果。方法采用内隐性脑神经探测技术，使用ERPs 实验范式以获得被试真实客观的生理数据作为视觉认知情况的佐证。实验具体目的为针对丁玉兰归纳的第一条操纵装置编码之形状因素进行编码探讨，以旋钮的形态为常见产品功能示意形态的代表，通过广泛收集不同形态的旋钮并依照功能进行分类，探讨各类旋钮形态的功能易识别性。

2.实验方法过程

（1）参与者

18 名健康的年轻人参加了本项研究，7 名女性，年龄20-26 岁，平均年龄：23．2 岁，8 名在校大学生、8 名研究生和2 名社会工作人士，无专业限制。所有被试视力正常或矫正视力正常，无神经或精神疾病史。签署实验知情同意书并收到一定酬劳。

（2）实验材料

本实验素材由3 类旋钮形态图组成，三类旋钮形态根据形状编码，分别为三种旋转方式示意形态：（a）连续旋转：应用于连续转动或频繁转动的旋钮，其位置一般不传递控制信息；（b）间顿旋转：应用于断续转动的旋钮，其位置不显示重要的控制信息；（c）限位旋转：应用于特别受到位置限制的旋钮，它能根据其位置给操作人员以重要的控制信息[3]。每类旋钮经过广泛调研搜集造型后，通过形状编码法设计问卷，筛选得出匹配度60%以上的各类旋钮形态，并总结出形状编码依据——即旋钮外沿凸起形态个数、单个凸出程度、间隔大小、线条曲直等因素，将三类造型各扩充至10 例，作为视觉呈现材料，如图1 所示。旋钮造型的材质、色彩与大小比例均经过了统一处理。其次还有文字界面如图2，内容为旋钮旋转方式描述，即功能描述，被试需要在实验程序中判断旋转方式描述与旋钮的形态是否匹配，即形态-语义匹配性判断。

进行脑电实验后，被试均被要求填写主观量表问卷，询问三种类型的旋钮造型与三种语义描述的匹配程度，辅助以定性分析，问卷如附录A所示，采用李克特5 点量表法，每一个旋钮形态对应三个功能描述，每个语义词汇后都有5 个选项，分别为：不匹配，较不匹配，一般，较匹配，匹配，对应的分值分别为1，2，3，4，5，被试需要完成所有的评分项。

（3）实验程序

实验程序用E-Prime 软件编写而成，如图3 所示，分为练习实验和随后的正式实验两个部分，练习实验为1 组，包含18 个Trial（序列），此设定是为了让被试适应实验流程与任务要求。正式实验分为2 组，每组包含60 个Trial，组间有短暂休息。所有刺激都以混合设计随机呈现，每个Trial 间的刺激间期（ISI）为800 ms，S1 启动界面出现2000 ms，Mask 掩蔽界面出现1000 ms，S2 探测界面出现1000 ms，按键反应界面设为按键继续，实验流程如图3 所示。

图3 “旋钮造型-功能描述”形态-语义匹配实验程序

实验采用“S1-S2”启动-探测实验范式[5,6],即启动刺激与探测刺激先后出现，目的主要在于分析探测刺激与启动刺激对应的内在联系，实验通常重点标记探测刺激出现前后的脑电图段。本研究中，每张旋钮造型图与设定匹配的旋转方式描述语句配对一次，与非设定匹配的语句配对一次，例如：a 型（连续旋转）旋钮与相符描述“连续旋转”配对一次，与不相符描述“间顿旋转”或“限位旋转”配对一次（两组实验不同），即出现了两种情况——S1（a 型旋钮图）与S2（“连续旋转”语句）相符（正确按键“√”），S1（a型旋钮图）与S2（“间顿旋转”或“限位旋转”语句）不相符（正确按键“×”），被试根据任务提示按键反应（如图4 示），本研究在“z”和“/”键位置做了“√”与“×”标记（程序为消除左右利手的影响，设定了两套程序，该两套程序间的区别在于“√”与“×”对应的“z”与“/”键的不同）。

图4 S1 启动刺激与S2 探测刺激匹配与不匹配的情况

本实验在普通亮度，且声音屏蔽的安静实验室内进行。在设备电极接通后，被试需要在每次的图片出现并消失后出现文字时，针对匹配情况用左手食指（z键）或右手食指（/键），按下键盘上相应标记“√”，“×”的按钮进行响应，要求保证速度和准确性。

（4）脑电记录

实验使用Eegosports 64 通道脑电帽，电极位置根据扩展的国际10-20 系统，用ANT Neuro 软件采集脑电图（EEG）数据。用my-lab 放大器对脑电图和脑电图进行放大和数字化，采样率为1000Hz，在线记录期间，每个电极的阻抗保持在10kΩ 上下。

使用MatLab 的EEGLab 插件进行数据处理，将EEG 数据通过0．1-40 Hz 带通滤波器滤波，利用ICA独立成分分析去除眨眼伪迹，并分段为刺激前200ms到刺激后1000ms，然后进行基线校正，去除超过±75μv 的伪迹，在此基础上进一步以20Hz 进行数字低通滤波，以降低高频噪声，之后叠加平均，得到单个被试的ERPs 数据。后期再进行总平均叠加，得到整体的ERPs 数据，而后进行各成分波的独立性分析。

3.实验数据分析

（1）分析方法

本次实验的所有数据均用SPSS 进行分析。实验中记录了被试的准确率和反应时行为学数据，使用单因素方差分析法（one-way ANOVA）比较形态-语义匹配与不匹配两种情况之间的差异性。

对于ERPs 结果，以语义描述界面出现的时间点为基线，通过t 检验比较形态-语义匹配与不匹配两种情况下诱发的各成分峰值和潜伏期的差异性。根据以往研究，语义处理在前额与中央区有比较明显的加工，因此取了前额（Fp1，Fp2）、中央区（C1，C2）、中线位置（Fpz，Fz，Cz，Pz，Oz）等区域的电位点分析N200（200ms 附近负波），以及N400（400ms附近负波）。但在本次实验中，N200 与N400 的潜伏期都较为提前，分别在114ms 左右和324ms 左右。此外，还分析了明显观测到的P200 成分（200ms 附近正波），该成分与早期分配注意力相关，在额区呈现出左右半球波幅大小关系的反转，因此取左右前额（Fp1，Fp2）、左右侧额（F1，F2），以及额区中线（Fpz、Fz）等区域的电位点进行分析。分别取幅值-潜伏期附近的5 个点进行相互比较。

脑电实验结束后的主观量表问卷采用李克特5 点量表法，将三类旋钮形态各自设定匹配的一项功能语义描述主观匹配度评分与另两项非设定匹配的功能语义描述主观匹配度评分进行对比分析（如“a 类旋钮形态-连续旋转”为设定匹配，“a 类旋钮形态-间顿旋转”和“a 类旋钮形态-限位旋转”为非设定匹配），使用t 检验分析各类评分结果的差异性。

（2）ERPs 分析成分

针对本次研究，与记忆冲突相关的N200 将被列入讨论的内容。并且，由于涉及到对语义成分的处理，我们将讨论N400 的数据结果。并预测形态与描述不匹配的情况会引发更强烈的负性电位。

N200 被认为反映了刺激的检测和分类[7]，但N200 并不反应语义处理[8]。一系列ERPs 研究表明N2 反映了刺激的感知显著性，视觉模板的冲突和不匹配，即刺激与长期心理模板的不熟悉或偏离，例如，当一对中的第二刺激（S2）与第一刺激（S1）的物理属性（例如颜色，形状，方向，位置等）不匹配时，已发现N2 成分具有更大的振幅[9]。除了这些物理属性之间的冲突之外，感知冲突还可以唤起N2 成分。例如，Ma 等人当参与者在品牌延伸评估中感觉到品牌（S1）和扩展产品（S2）之间更强烈的冲突时，观察到更大的N2 幅度[10]。

N400 同语义处理具有相当大的关联[11]。许多研究表明，不正确的语义或较少预期的单词会比正确或预期的单词引起较大的N400（一个较大的负向振幅），N400 幅度的调节也表明一个词与当前语境之间的融合程度，它可以是单个词或句子语境，振幅的差异被称为N400 效应[11]。有学者观测N400 成分在跑车意象和语义匹配脑电实验中的特征，发现模糊匹配与无关匹配语义词会诱发更大的N400 幅值[12]。还有学者在进行品牌延伸评估研究时，观察到品牌-商品关联度更低的配对将诱发更大的N400 幅值[6]。因此本研究预测，旋钮形态-功能语义描述匹配度更低的将诱发更大的N400 幅值。

4.结果

（1）行为表现

对于形态-语义匹配与不匹配两种情况的行为学数据，单因素方差分析结果发现，被试判断为匹配比判断为不匹配的平均反应速度更快，但两组数据整体未呈现出明显差异性（匹配和不匹配判断反应时分别为678ms 和707ms；F＜1），两种情况下判断的准确度也相似（匹配：83%，不匹配：85%，F＜1）。

图5 观测脑区的ERPs 叠加波形图

脑电实验结束后的主观量表问卷中，a 类旋钮形态为从形态素材中通过问卷筛选定为连续旋转的形态，b 类为间顿旋转旋钮形态，c 类为限位旋转旋钮形态，这三类选定的形态均投入了脑电实验作为视觉呈现素材。问卷目的是考量参与脑电实验的被试对于每一类旋钮形态功能语义的主观判断。分析结果表明，a 类形态对应“连续旋转”语义描述匹配度评分均值为4．39（SD=0．11），高于“间顿旋转”（2．70±0．53）和“限位旋转”（1．19±0．01）；b 类形态对应“间顿旋转”语义描述匹配度评分均值（4．00±0．01）也高于“连续旋转”（2．08±0．03）和“限位旋转”（2．43±0．02）；同样，c 类形态对应“限位旋转”语义描述匹配度评分均值也高于“连续旋转”（1．75±0．02）和“间顿旋转”（1．86±0．06）；且上述所有比较经t 检验分析均具有显著差异性p＜0．001。

（2）事件相关电位

本次脑电实验结果分析选取的电位点如图所示，均体现出明显的N200、N400 和P200 波形。本实验需要观测被试对语义词汇的神经加工进程，因此需要获取N400 成分的特征，对语义加工相关的前额、中央区的N400 成分进行分析。并且根据前人研究和本次试验的观察发现，与记忆冲突相关的N200 成分在前额区域与中央区域有明显的峰值出现。N400 的幅值反映了形态-语义匹配性判断集中在前额、侧额与中央区的情况，诱发了较大的负向波幅。针对与早期注意力分配相关的P200 成分，在全脑ERPs 分布图上观测到额区左右脑的差异，且在后脑枕区呈现出最大的幅值。

首先我们分析了N200 成分的情况，形态-语义匹配与不匹配两种情况诱发的N200 除了在额区的F5、F6 和Fz 位点潜伏期有明显的差异外，其他分析位点都没有潜伏期上的明显差异（t 检验结果为p＞0．05）。但峰值明显是匹配比不匹配情况所诱发的更负向（p＜0．001），两种情况下左侧前额比右侧前额负向幅值都更大[t(15．788)=-12．845,p＜0．001]。在两侧额区的F5、F6 位点，匹配情况诱发的N200 幅值更负向，匹配情况下右侧比左侧更负向[t(8)=40．907,p＜0．001]，不匹配情况下左侧比右更负向[t(8)=-30．414,p＜0．001]。中央区的C1，C2 两个位点的N200，不匹配情况将诱发更大的波幅（p＜0．001），且两侧脑区幅值的差异与侧额区呈类似趋势，即匹配情况下右侧比左侧更负向[t(8)=25．482,p＜0．001]，不匹配情况下左侧比右更负向[t(8)=-13．125,p＜0．001]。中线各位点（Fpz，Fz，Cz，Pz，Oz）的潜伏期呈现出前后脑从晚到早再到晚的趋势，位于前后脑区的前额与枕区的幅值更为负向，枕区的N200 幅值在不匹配情况下最大（-3．276μV），位于顶区的Pz 点两种情况诱发的N200 负向幅值都最小。且除了中线Cz点幅值无明显差异外[t(8)=1．761,p=0．116＞0．05]，其他电位点都呈现出幅值的明显差异，但随着脑区的不同，匹配与不匹配情况之间的幅值大小关系有所变化。

其次是N400 成分。在所有分析的电位点上，不匹配情况诱发的N400 幅值都比匹配情况下的幅值更负向[t(20)=3．014,p＜0．01]，且潜伏期更靠后[t(12．819)=-8．692,p＜0．001]。其中差异最为明显的（t 值最大）的电极点为中央区的C1 点[t(8)=1016．334,p＜0．001]，其次差异性从大到小序列为Pz ＞ Fp1 ＞ Fpz ＞ C2 ＞ Cz ＞ Oz ＞ F5 ＞ Fz ＞ Fp2 ＞F6。中线分布电位点的N400 反映了匹配情况下前后脑幅值从大到小和潜伏期从晚到早的变化趋势，和不匹配刺激诱发幅值较大区域集中在额区与中央区的情况[t(3．336)=-4．011,p＜0．05]。

结果发现，ERPs 中还出现了很明显的P200 峰值。形态-语义匹配与不匹配两种情况在各个电位点所诱发的P200 幅值都呈现出明显的差异性，但随着脑区的不同，两种情况诱发幅值的大小关系有所变化，且呈现出左右脑相反的趋势，如左前额Fp1 匹配语义诱发幅值（1．93μV）大于不匹配（1．795μV）（p＜0．001），右前额Fp1 则为不匹配情况幅值（1．899μV）大于匹配（1．789μV）（p＜0．001）；左侧额F5 匹配语义诱发幅值（1．719μV）大于不匹配（1．413μV），右侧额F6 不匹配幅值（1．931μV）大于匹配幅值（1．07μV）（p＜0．001）；且中线上除了Fz 点不匹配语义诱发幅值（2．45μV）大于匹配情况（2．071μV）外，都呈匹配语义诱发幅值更大的情况。中线上电位的P200 特征表明，不匹配语义情况的潜伏期在中央区至前额区都较匹配语义情况提前，从顶区至枕区呈相反的态势。然而所分析的电位点中Fp2、Fz、C2、Cz、Pz 点两种情况的P200 潜伏期并没有明显的差异（P＞0．05）。

三、讨论与总结

在与语义加工相关的N400特征中我们可以看出，旋钮形态-功能描述不匹配情况诱发了更大的峰值，这符合我们的预期，并且也与前人的品牌延伸评估测试结果相类似[5,6]。此外，S1-S2 启动-探测实验范式在本次实验中获得成功，表明其他形态设计研究也同样可以采用。然而与前人研究不同的是，本实验条件诱发的ERPs 数据中N200 和N400 波幅的潜伏期均有提前，另外，从各电位点N400 的差异性分析可看出，虽然形态-语义不匹配诱发的较大幅值集中在额区和中央区，但并非仅仅只有额叶参与了形态-语义区分处理，包括与视觉加工高度相关的枕区[13]也参与了形态-语义匹配性判断的神经加工进程。这些结果表明，在形态-语义匹配实验研究中，该范式的利用具有自身的特点。本研究涉及到形态认知，调用的不光为长期视觉记忆机制，还探索了人的认知习惯，因此所参与加工的脑区与品牌延伸评估中略有不同，包含了与视觉认知紧密相关的枕区神经加工的参与。但结果表明，不同匹配性情况诱发的N400 波幅间所体现的明显差异可以清晰地代表被试对于形态-语义匹配度判断的生理反应指标，这在形态设计评价范畴中是一个值得关注的测评指标，可有力地为主观量表问卷结果辅以客观证明。

从神经生理学的角度，N200 的波形特征也揭秘了人们在进行形态功能示意认知活动时的神经机制。从结果可以看出，在形态-功能语义匹配的情况下，脑侧额区与中央区右侧的N200 表现出更为负向的波幅，而在不匹配的情况下，左侧N200 波幅更为负向，这可能揭示了左右脑在进行形态-功能语义匹配性判断时神经加工的分工性。且同N400 一样，不仅前额与中央区参与了形态功能语义匹配性判断加工，枕区同样表现出了明显的负向波幅，且幅值为最大，潜伏期同顶区到额区呈现出同样的延迟趋势。这些结果可能表明了人们在进行形态功能语义分析时，对于特定的视觉对象也伴随着很大程度的认知加工。

此外，我们还发现了P200 的明显特征。在以往的研究中，P200 被认为是对目标刺激（特殊颜色，方向或大小）敏感的成分，并且反映了任务相关特征的检测和分析[14]，同时，P200 也与情感图片的效价有关，对负面情感图片特别敏感[15]。然而在本研究结果中出现，除图像刺激呈中性无法诱发情绪反应因此可排除P200 的这类含义的考虑外，很有可能进一步佐证了被试在进行形态-功能语义匹配评价过程中，面对语义描述的同时大脑仍然在处理图像认知加工进程。这与产品语义学之源头符号二分法是有极大的关联的，也与一些学者描述的“心象”一说有了联系，即阿恩海姆认为，任何思维方式都是通过意象（心象）进行[16]。因此这些理论在本次与视觉形态认知尤其相关的测验中，通过电神经生理数据得以揭露。