认知负荷在界面设计中的应用研究进展、热点与趋势

陈翰林

本次研究对之前的研究历程进行分析总结并从学科交叉、通过前沿技术完善评价方法、拓宽研究范围三个角度对未来发展方向提出参考意见，对未来从事该方向研究的学者与机构有一定的启发。

关键词：研究趋势 界面设计 CiteSpace 认知负荷 研究理论

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2022）01-0044-04

引言

通过学者的不断努力，认知负荷理论日渐完善并被广泛运用。在应用于界面设计的过程中，有学者发现，用户在对界面进行学习和理解的过程中会产生认知负荷，元素组织、呈现方式、操作流程等设计不合理会导致认知负荷提升，影响用户体验，可以通过调节认知负荷程度从而提高界面设计可用性、用户满意度和降低操作错误率，从分析中可以发现相关研究长期处于发展态势，自2014年以来发展态势迅猛，上升势头高涨，因此，以认知负荷为指导理论的界面设计改良方法值得深究。将认知负荷在界面设计中的应用研究进展、热点以及趋势进行总结与分析，以此了解目前该理论的研究趋势、重点并进一步摸索总结出未来的方向和重點，对日后从事该方向研究的学者与机构有一定的启发。

一、数据来源及研究方法

（一）数据来源：从Web of Science核心合集数据库（SCI-EXPANDED、SSCI、CPCI-S）中导出本次研究所需要的数据，检索式为：TS=cognitive load AND TS=interface design，年限设定：2000年—2019年（首篇文献于2000年发表），限定文献类型（ARTICLE、PROCEEDING、REVIEW）进行精炼，在整理和筛选后，有效文献为356篇，该数据于2020年7月22日下载。

（二）研究方法：美国德雷塞尔大学陈超美博士的团队开发出一款引文可视化分析软件-CiteSpace。基于计量统计法与内容分析法确定相关文献数据后，可以运用CiteSpace对文献数据进行运算，软件可以用信息可视化的方式直观呈现相关知识结构及分布等情况、便于学者了解该领域内的动态、重点与趋势。

本次研究将通过对文献数据的年发文量、国家机构发文量及合作、作者合作关系和共被引、文献共被引、关键词频次等方面着手分析，以此了解领域内的趋势与重点。

二、文献的可视化分析

（一）文献分布及文献、作者影响力分析

1.文献量分析：将认知负荷理论在界面设计中的应用研究的文献量数据转换成年度分布折线图。见图1，由图可知，自2000年出现第一篇文献到2019年为止，总体研究趋势呈现上升态势，其中：2000年到2006年相关文献较少，文献数量从2006年至2008年增长较快，2008年至2014年趋势起伏波动较大，2014年至2019年发文量明显增长，并于2019年达到顶峰。可以预见今后将会有更多的研究成果。

通过对文献量的分析可以帮助对理论发展历程有一个直观的了解，也可以更为清晰地分析每一段发展历程，为结论更加具有条理性提供帮助。

2.国家分析：根据国家、地区发文数量相关数据，通过CiteSpace软件运算进行国家合作分析，获取国家发文量从高到低分布图，图2为发文量前10的国家。见图3，通过节点与连线可直观比对与了解国家发文多少与合作是否紧密，节点越大则该国家发文量多，连线越粗则连线国家合作越频繁。

由图表美国发文量较多，为112篇。

通过国家发文量与国家合作分析可以对理论研究现状进行初步了解，结合接下来的共被引分析对研究重点的梳理提供帮助，同时也可以看出国家间合作是否积极频繁。

3.机构分析：基于数据分析获取科研机构发文量柱形图，前15机构见图4，通过CiteSpace运算获取机构合作图谱，见图5，由图可知机构多为高校，前15名中发文国家分别有美国、中国、澳大利亚、德国，美国高校较多。

通过机构发文与机构间合作可以完善对理论研究现状的了解，结合后续研究，为结论提供佐证，并可以从中分析是否有不足之处。

4.作者影响力分析：从作者合作关系与共被引可体现作者影响力，运用CiteSpace运算获取相关图谱，作者合作关系图谱见图6，通过字体大小与连线粗细可知作者发文多少与合作是否频繁。作者共被引图谱见图7，由节点大小可知被引频次高低，节点越大则被引频次越高，则证明其在认知负荷理论在界面设计中的应用研究领域中有着突出贡献，影响力较高。其中共被引频次前10名的作者见表1。

通过作者合作关系、作者共被引与频次排序表可以有助于找出影响力较高的作者，他们在理论发展历程中充当节点作用，为推动理论发展起到重要作用，对核心作者文献多加研读有助于对发展历程、细节、脉络等进行详细了解，结合前文佐证可以对结论提供重要依据。

（二）研究趋势及热点分析

1.文献共被引分析：基于citisapace软件对文献数据进行共被引分析并导出文献共被引聚类时间线图。见表2，整理出共被引频次最多的6篇重要文献。见图8，通过文献共被引聚类时间线图使发展脉络与重要节点更为直观，易于理解。图中节点为共被引文献，节点越大表示该文献共被引频次越高，在认知负荷理论在界面设计中的应用研究中有着更重要的地位，节点间连线代表引用关系。

通过对文献被引频次排序与时间线图可以有助于对理论发展历程中的重要节点有更直观的认知，在对理论有初步了解的基础上再通过对以下重要文献的了解，便可以详细获悉理论发展，加以分析总结，了解重点及趋势，可据此提出部分结论，并为展望打下基础。

2003年Fred Paas和John Sweller将认知负荷理论分成三类 。

1.内在认知负荷，由认知过程中对信息元素的交互性理解困难所形成;外在认知负荷，从对于形成图式记忆及长时记忆无关的认知活动中所形成;相关认知负荷，从任务认知负荷过低从而自动化连续的认知行为中形成。2005年Jeroen J.G. Merriënboer，John Sweller等人将认知过程与生物进化所使用的过程联系起来。针对一些复杂且内在认知负荷很高的任务将需要更先进的方法来界定专业知识和认知负荷评价指标。2005年JohanEngström，Emma Johansson等人将人工或替代的车内信息系统（S-IVIS）对视觉、认知需求、驾驶性能和驾驶员状态的影响进行了系统的研究。模拟真实高速公路驾驶的结果。通过收集的数据（速度、车道保持性能、方向盘运动、眼睛运动、生理信号）和自我报告的驾驶性能来研究认知负荷在高速公路驾驶中的作用。2010年John Sweller等学者认为在认知负荷理论中，元素之间的交互作用已被认为是内在认知负荷的基本定义机制。通过分析元素之间的交互性对于当前学习任务是否必不可少，来建立内在的与无关的认知负荷之间的明显关系。2010年Ton Jong等学者认为认知负荷理论的基本思想是，工作记忆中的认知能力受到限制，因此，如果学习任务要求的能力过多，则会阻碍学习。推荐的补救措施是设计教学系统，以优化工作记忆容量的使用并避免认知超负荷。通过确定一些有问题的概念，方法论和与应用程序相关的问题，探索开放性问题和认知负荷理论的边界。最后提出了关于未来认知负荷研究的研究议程。2011年John Sweller.Paul Ayres等学者通过将生物进化概念化为信息处理系统并将其与人类认知过程联系起来，利用认知负荷理论加强了认知学习的效率，避开了传统学习理论的部分影响[8] 。它着重于与学习和教学有关的人类认知体系结构方面（特别是关于长期记忆和工作记忆的功能），从而重点放在特定领域而非一般学习上，继而使人们对认知过程有了更清晰的理解。2012年Hasan Ayaz.PatriciaA.Shewokis等学者通过功能性近红外（fNIR）光谱技术对前额叶皮层内响应于感觉，运动或认知激活的大脑血液动力学进行测量从而能够监测与操作员操作过程中认知负荷变化相关的血液动力学变化。为评价认知负荷提供了新的方法，有助于更加准确、严谨地评估用户的绩效标准。2014年Jimmie Leppink，Fred Paas等学者通过实验测试了一种新的心理测量仪器用于区分内在，外在和密切的认知负荷。通过仪器和实验流程的设计可以帮助研究人员区分内在和外在的认知负荷。这些研究为以后对认知负荷的概念补充提供了支持。2016年Jérémy Frey，MaximeDaniel等人基于脑电图构建了一套完整的评估框架，提供了方法来连续估算用户在不同交互任务期间的心理工作量，注意力和对交互错误的识别来对界面简易度进行测量。

2.关键词频次分析：根据Citespace软件得出关键词频次表，通过筛选、分析可以清楚认知负荷理论在界面设计中的应用研究中的研究热点，从而帮助学者分析其热点、演变、趋势。

共现频次5次以上的关键词见表3。

对关键词频次表进行分析，可以得出认知负荷在界面设计中的应用研究的热点领域有：人机界面（inter face design）、教学设计（instructional design）、交互式学习环境（interactive learningenvironment）、用户体验（user experience）等;着重关注界面设计的有：性能（performance）、设计（design）、界面（interface）、干扰（interference）等;理论研究主要有：认知负荷（cognitive load）、心里工作负荷（mental workload）、工作记忆（working memory）、模型（model）、策略（strategy）、工作负载（workload）等;与其他相关理论有关的主要有：心智模型（mental model）等;涉及到评价方法的有：任务（task）、指令（instruction）、可用性（usability）、影响（impact）、注意力（attention）等;与用户研究相关的有年龄（age）、个体差异（individual difference）等。

据此发现，结合前文可以对研究重点、领域及趋势有更为详细的了解，为结论与展望的提出起到参考作用。

3 . 关键词聚类分析：从关键词分析的基础上进行进一步运算，获取关键词聚类视图，见图9 。可知认知负荷理论在界面设计中的应用研究领域中主要包括以下几个子群：超媒体系统（multimedia/hypermedia systems）、有形交互设计（tangbleinterac tion）、信息管理（information management）、脑电图学（ele c troencephalogr aphy）、人机交互（Human computerinteraction）、生理测试（brain monitoring）、认知负荷（cognitiveload）、时间压力影响（time pressure effec）

通过关键词聚类分析可以对理论研究热点领域有进一步了解，结合前文分析结果，既可对研究重点、热点领域的提出提供理论依据，也可对未来的趋势判断与展望起到一定帮助。

三、研究总结与展望

（一）研究总结

1.发展历程。通过前文对文献量、国家、机构进行分析可以看出：2000年以来的研究发展经历了三个时期：

（1）探索期：2006年以前处于探索期，主要体现在以John Sweller和Fred Paas为首的学者对认知负荷理论的扩充、完善、分类等方面进行研究。（2）沉淀期：2006年至2014年处于沉淀期，其中，2006年至2008年发文量增长较快，研究相对较多，澳大利亚与美国的学者逐渐开始研究较完善的评价体系，测量方法，相关文献增多，2008年至2014年，是一段低谷期，研究趋势波动起伏较大。（3）发展期：2014年至2019年上升态势高昂，处于发展期，文献量迅速上升，研究也开始更加系统、具体，越来越重视实践的发展。研究热点方向主要体现在理论研究、用户研究、界面设计和认知负荷的评价体系、方法等方面。

2.研究重点。通过文献共被引可以看出美国、澳大利亚、中国等国家相关研究较多，美国总体发文量较多、应用于界面设计方面的实践较多，澳大利亚学者与机构发表文献被引用得较多、多体现在理论研究与测量方面，再结合关键词频次、聚类分析可总结其研究重点为：

（1）完善理论：起初学者基于认知资源、工作记忆容量与图式记忆建立认知负荷理论，结合个体差异、认知过程将其分为内外在与相关认知负荷，并逐渐意识到需要研究方法与技术来对负荷程度进行量化。（2）初级应用：基于生成机制并通过对认知资源的有效使用、单个任务内容不超出工作记忆总量、任务内元素合理分配等手段提出优化策略并具体到每一类。再通过评价方法得出结论进行比较。（3）评价体系：随着研究的深入，尤其在界面设计中，逐渐重视评价方法的客观性，与评价体系的完善，通过对科学技术的发现与研究，结合生理评价得出客观结论，并对结论数据进行验证，以证实优化有效。

3.探讨不足。（1）通过国家分析、机构分析、作者分析可以看出：研究机构间缺乏交流，合作基本只在本国机构中交流。（2）通过文献共被引、关键词频次与聚类可以看出：对于有明确载体的针对性实践与研究的文献较少，应多从实践中检验理论与方法，可更有助于未来发展，学科交叉有待提高，实践应用应加强。（3）用户研究不够全面，目前研究基本没有考虑到特殊人群，比如：视障人群，老年人，儿童等，他们在使用界面的过程中因其区别于常人的认知特征将会有较高的认知负荷，因此，应多考虑特殊人群。

（二）研究展望

互联网时代下层出不穷的应用软件、操作系统影响到了人们生活中的方方面面，生活更加便利的同时也带来了许多问题，互联网行业的蓬勃发展所带来用户体验稍显不足，老龄化程度的加深，弱势群体的存在都给界面设计带来了各种各样的挑战，而通过降低内外在认知负荷并同时提升相关认知负荷的方式则可以让界面更加为用户所容易接受，容易操作。同时我们可以基于内容分析与趋势判断对未来的趋势、重点、范围进行展望：

1.基于内容分析与趋势判断可以看出，未来认知负荷的发展道路上，学科交叉将会是一种必然趋势。John Sweller也曾提出基于生物进化论来理解人类认知系统，继而引申到认知负荷。学科交叉也是促进理论发展的重要帮助。通过关键词频次与聚类分析可以看出，学者逐渐发现交互式学习环境、身体感受、个体差异等也是造成用户认知负荷的一些很重要的原因，因此未来对于如何通过环境、感受等角度去解决用户认知负荷是一个重要趋势，例如体感交互技术未来将很有可能会是热点趋势。2.如何更加客观、精确地对认知负荷程度进行测量是很重要的。因此，未来对于生理测量方面的研究与拓展将会是重点，利用前沿技术对用户操作过程中的大脑血液动力学变化和脑电图变化等脑机制变化进行精确测量将会是未来在测量方面的研究重点，同样也是认知负荷在界面设计中的应用中的研究重点。3.目前的认知负荷理论在界面设计中的应用研究对用户研究范围较窄，忽略了因生理、心理原因造成界面使用障碍的弱势群体。例如，认知能力较弱的老年人、视障人群、聋哑人，基于人口老龄化的加剧，体现人文关怀等原因，多对他们的需求进行关注也是非常值得的。因此拓宽视角与研究范围也将是未来的研究重点之一。

结语

新时代会带来许多新机遇、新想法，认知负荷理论在界面设计中的应用研究将会稳步前进。本次研究基于Citespace运算对认知负荷理论在界面设计中的应用研究相关文献进行详细分析，从发文量、作者与国家合作、作者被引、文献被引、关键词等分析结果中厘清研究的脉络与重点。并对未来发展方向提出参考意见，将对未来从事该方向研究的學者与机构有一定的启发。与此同时，因为本次研究所选取数据仅从单一数据库中获得，所以相关数据分析结果可能不够全面，期望以后学者能研究出更为系统且精确的研究方法。

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