认知心理学与人机工程学精讲

第2章认知心理学与人机工程学内容摘要认知的多个过程，包括感知、关注、记忆、学习、识别、阅读、说话和聆听、规划、推理和决策认知特点对交互界面设计的影响认知的概念框架人机工程学与人机界面设计认知心理学认知心理学研究人们如何获得外部世界信息，信息在人脑内如何表示并转化为知识，知识怎样存储又如何用来指导人们的注意和行为认知心理学涉及心理活动的全部过程——从感觉到知觉、识别、注意、学习、记忆、概念的形成、思维、表象、回忆、语言、情绪和发展过程。感知和认知人的感知:通过人体器官和组织进行人与外部世界的信息的交流和传递认知:人们在进行日常活动时发生于头脑中的事情，它涉及思维、记忆、学习、幻想、决策、看、读、写和交谈等人的感知是认知的基础，认知是将感知获取的信息综合运用认知分为经验认知和思维认知认知过程是相互联系的，单纯的一个认知过程是非常少见的视觉感知视觉是人与周围世界发生联系的最重要的感觉通道。外界80%的信息都是通过视觉得到的，因此视觉显示是人机交互系统中用的最多的人机界面。视觉感知视觉感知可以分为两个阶段：受到外部刺激接收信息阶段和解释信息阶段。一方面，眼睛和视觉系统的物理特性决定了人类无法看到某些事物；另一方面，视觉系统进行解释处理信息时可对不完全信息发挥一定的想象力。进行人机交互设计需要清楚这两个阶段及其影响，了解人类真正能够看到的信息。眼睛的构造视干细胞和视锥细胞的功能区别视干细胞视锥细胞在低水平照明时（如夜间）起作用在高水平照明时（如白天）起作用区别黑白区别彩色对光谱中绿色部分最敏感，在远离视网膜中心处最多对光谱中黄色部分最敏感，在视网膜中部最多对极弱的刺激敏感主要在识别空间位置和要求敏锐地看物体时起作用视角和视敏度视角视角和视敏度一般人能够在2m分辨2mm-20mm的细节，为我们设计界面时字符大小和间距提供了依据。视敏度：指人眼对细节的感知能力，通常用被辨别物体最小间距所对应的视角的倒数表示。感知物体大小、相对距离和深度利用视觉影像中的线索：覆盖关系：被覆盖的物体相对较远；大小比例：一般来讲，较大的物体距离较近；对物体的熟悉度：对非常熟悉物体，人们对物体的大小在头脑中事先有一个期望和预测，因此在判断物体距离时很容易和他看到的物体的大小联系起来感知亮度亮度是光线明亮程度的主观反映增强亮度可以提高视敏度随着亮度的增加，闪烁感也会增强。在高亮度时，光线变化低于50Hz，视觉系统就会感到闪烁在设计交互界面时，要考虑使用者对亮度和闪烁的感知，尽量避免使人疲劳的因素，创造一个舒适的交互环境。感知色彩人能感觉到不同的颜色，这是眼睛接受不同波长的光的结果。颜色通常用三种属性表示：色度、强度和饱和度。色度是由光的波长决定的，正常的眼睛可感受到的光谱波长为400μm-700μm。视错觉莱亚错觉物体的组合方式将影响观察者的感知方式：人们总会夸大水平线而缩短垂直线。视错觉同样会影响到显示页面的对称性。人们经常把对称页面的中心看得稍微偏上些，如果页面以实际中心为基准排版设计，人们就会感到页面上部比下部分要短，影响视觉效果。在实际设计过程中，设计者就会以视觉中心为基准设计图形界面。阅读进行交互界面设计时，文字符号的处理，特别是文字的排版和显示，也要根据人们的视觉感知特点，找出其中一些规律。阅读分为几个阶段：页面上文字的形状被人眼感知，文字被编码成相关的内部语言表示，语言在人脑中被解释成有语法和语义的单词或句子阅读成年人阅读是通过字的特征（如字的形状）加以识别。改变字的显示方式（如用大写字母，改变字体等），会影响到阅读的速度和准确性。9～12号的标准字体（英文）更易于识别，页面的宽度在58～132mm之间阅读效果最佳。在明亮的背景下显示灰暗的文字比在灰暗的背景下显示明亮的文字更能提高人的视敏度，增强文字的可读性。听觉听觉感知传递的信息仅次于视觉，可人们一般都低估了这些信息。人的听觉可以感知大量的信息，但被视觉关注掩盖了许多。听觉所涉及的问题和视觉一样，即接受刺激，把它的特性转化为神经兴奋，并对信息进行加工，然后传递到大脑。耳朵的构造声音的处理声波在空气中的振动传播的特性音调与声波的频率有关，低频能产生低调的声音，高频能产生高调的声音。响度指在频率一定的情况下声波的振幅。音色与发声的材料有关，不同的乐器可以产生相同频率和振幅的声波，但音色不同。声音的处理人类能够听到频率在20Hz~20kHz之间的声音，其中在1000Hz~4000Hz范围内听觉的感受性最高。500Hz以下和5000Hz以上的声音，强度很大时才能被听到。音频超过140dB时，所引起的不再是听觉而是痛觉。人可以辨认的语音频率范围是260~5600Hz。声音的解释听觉系统把输入分为三类：噪声和可以忽略的不重要的声音；被赋予意义的非语言声音，如动物的叫声；用来组成语言的有意义的声音。听觉系统就像视觉系统一样，利用以前的经验来解释输入。声音的解释LindsayPH和NormanDA的“材料-驱动”和“概念-驱动”“材料-驱动”（Data-Driven）材料-驱动指的是对言语材料在感知水平上进行的加工过程，它是由下而上的分析过程。“概念-驱动”（Conceptually-Driven）过程。概念-驱动则是在理解水平上进行的加工过程，它是由上而下（从最高的结构概念开始）的分析过程。触觉触觉在交互中的作用是不可低估的，尤其对有能力缺陷的人，如盲人，是至关重要的触觉的感知机理与视觉和听觉的最大不同在于它的非局部性温度感受器-冷热伤害感受器-疼痛机械刺激感受器-压力触觉实验表明，人的手指的触觉敏感度是前臂的触觉敏感度的10倍。对人身体各部位触觉敏感程度的了解有助于基于触觉的交互设备的设计。动觉的概念：对人的躯干和四肢的位置的感觉认知过程与交互原则许多认知过程是相互依赖的，一个活动可同时涉及多个不同的过程，只涉及一个过程的情况非常罕见，例如人们在选购商品时就涉及关注、感知、识别、说话、思考、决策等过程。经验认知经验认知指的是有效、轻松地观察、操作和响应周围的事件，它要求具备某些专门知识并达到一定的熟练程度，如使用Word字处理系统编辑文档，操作机床加工零件，阅读，驾驶汽车等。思维认知思维认知则有所不同，它涉及思考、比较和决策，是发明创造的来源，如设计、学习、写作等。这两个模式在日常生活中都是必不可少的，只是二者需要不同类型的技术支持。认知过程与交互原则认知涉及到多个特定类型的过程，包括：关注感知和识别记忆学习阅读说话和聆听解题、规划、推理和决策什么是关注关注就是在某个时刻，从众多可能的事物中选择一个，并把精力集中在这个事物上。关注涉及到听觉和视觉。例如，彩民对彩票中奖号码的关注，如果通过收听广播来获得号码，这就是一个“听觉关注”；如果通过查找报刊来获得号码，这就是一个“视觉关注”。从这里也可以看出，关注这一过程主要与两个方面有关：目标和信息表示。关注关注的不同类型视觉关注：查找报刊来获得号码听觉关注：收听广播来获得号码关注相关的因素目标：确切知道需要找什么，人们就可以把获得的信息与目标相比较。信息的表示形式：信息的显示方式对于人们能否快速捕捉到所需的信息片断有很大的影响。分类显示的信息就比较便于人们查找信息表示方法：分类表示分类显示的信息就比较便于人们查找。如图是WindowsXP系统中的一个文件列表。由于对文件按字母顺序进行了排序，且对信息进行了分栏，并对各栏进行了分割，因此按文件名查找一个文件是非常容易的。信息表示方法：分类表示关注特点对界面设计的要求由人的关注特点，在设计人机交互界面时应做到。信息的显示应醒目，以便执行任务时使用，可使用动画图形、彩色、下划线，对条目及不同的信息进行排序，在条目之间使用间隔符等。避免在界面上安排过多的信息。尤其要谨慎使用色彩、声音和图像，人们倾向于使用过多的这类表示，而导致界面混杂，分散用户的注意力，让用户反感。朴实的界面更容易使用。更多的应用实例感知和识别在结合不同的媒体时，应确保用户能够理解它们表示的复合信息。在结合使用声音和动画时，需要仔细协调，合理安排它们的调用次序。在设计虚拟人物时，就应该使其唇形与所说的话同步，两者之间的微小延迟都会使人难以忍受，这类似于给外文电影配音。用户应能不费力地区别图标或其他图形表示的不同含义。感知和识别声音应足够响亮而且可辨识，以便用户理解它们的含义。用户应能够理解输出的语音及其含义。文字应清晰易读，且不受背景干扰如可以在黑色或蓝色背景上使用黄色文字，但不能在白色或绿色背景上使用黄色文字。在虚拟环境中使用触觉反馈时，用户应能识别各种触觉表示的含义。例如“紧握”的触感与“按下”的触感不同。人机交互人机交互记忆记忆就是回忆各种知识以便采取适当的行动。记忆过程中有三个环节：识记：相当于信息的输入和编码过程，也就是使不同感官输入的信息，经过编码而成为头脑可接受的形式；保持：相当于信息的贮存，即信息在头脑中被再加工整理，使其成为有序地组织结构，以便贮存；再认和回忆：再认和回忆相当于信息的提取，编码越完善、组织越有序，提取也就越容易，反之，提取越困难。一个认知实验关注人机交互图形彩色下划线排序间隔符信息混杂注意力反感•由人的关注特点，在设计人机交互界面时应做到。•信息的显示应醒目，以便执行任务时使用，可使用动画图形、彩色、下划线，对条目及不同的信息进行排序，在条目之间使用间隔符等。•避免在界面上安排过多的信息。尤其要谨慎使用色彩、声音和图像，人们倾向于使用过多的这类表示，而导致界面混杂，分散用户的注意力，让用户反感。•朴实的界面更容易使用。减轻记忆负担人的识别能力大于回忆能力图文界面替代命令界面安装过程的wizard回忆提示密码的提示语句信息检索的两大过程：定向回忆：记忆的信息尽可能贴切地描述所需检索的信息,并在界面显示检索空间;扫描识别：即浏览各个文件目录;Windowxp搜索界面交互设计原则综上所述，考虑人的记忆特点，进行交互设计时应该注意的问题有：应考虑用户的记忆能力，勿使用过于复杂的任务执行步骤。由于用户长于“识别”而短于“回忆”，所以在设计界面时，应使用菜单、图标，且它们的位置应保持一致。为用户提供多种电子信息（如文件、邮件、图像）的编码方式，并且通过颜色、标志、时间戳、图标等，帮助用户记住它们的存放位置。学习学习包括两个方面：学习使用某个计算机应用程序借助于计算机应用程序，学习特定内容。人们不喜欢采用的按部就班式的学习方式，而更喜欢“边学习边实践”的方式。GUI和直接操作界面就能很好地支持这种方式，它们不但能提供交互式讲解，还允许用户“撤销”自己的操作学习Carroll提出了另一种帮助学习者的方法：在开始时，只允许初学者执行基本功能，随着他们经验的积累，在逐步增加可执行的功能。这个方法的基本思想是：使最初的学习过程尽可能简单，让学习者先专注于简单操作，再接触更复杂的操作。学习在交互式设计中，人们利用动态链接来学习难学的事物，动态链接能够明确地表示内容之间的关系，对问题加以解释。为了有利于学习，应有以下设计原则：界面设计应能激发对用户界面使用的探索。设计界面应限制可选项，并引导用户选择合适的动作。使用动态链接把具体表示与待学习的抽象表示相联系。阅读、说话和聆听许多人认为聆听要比阅读容易得多，但学习外语时，阅读要比聆听容易。以下是三种形式的不同之处：书面语言是永久性的，而聆听是暂时性的。若第一次阅读不理解，可以再读一遍，但对于广播消息，人们则无法做到这一点。阅读比听、说更快。人们可以快速扫描书面文字，但只能逐一听取其他人所说的词语。从认知的角度来看，听要比读和说更容易。儿童尤其喜欢观看基于多媒体或Web的叙述性学习材料，而不喜欢阅读在线文字材料。书面语言往往是合乎语法的，而口头语言常常不符合语法。阅读、说话和聆听为了弥补人在某些方面的不足，开发了易于使用的系统。语音输出系统，如适合盲人使用的文－语转换系统，可输出人工合成的语音。认知辅助系统，用于帮助有阅读、书写和语言障碍的人。研究人员已开发了许多特殊的界面以