人機界面設(shè)計之認知心理學

人機界面設(shè)計之認知心理學第一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六第二章用戶認知心理學◆感覺信號的檢測◆人腦◆視覺◆聽覺◆記憶和學習◆

人的特性◆認知心理學中的人機比較第二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六認知心理學是20世紀50年代中期在西方興起的一種心理學思潮，20世紀70年代成為西方心理學的一個主要研究方向。它研究人的高級心理過程，主要是認識過程，如注意、知覺、表象、記憶、思維和語言等。認知心理學第三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六以信息加工觀點研究認知過程是現(xiàn)代認知心理學的主流，可以說認知心理學相當于信息加工心理學。它將人看作是一個信息加工的系統(tǒng)，認為認知就是信息加工，包括感覺輸入的變換、簡約、加工、存儲和使用的全過程。認知心理學第四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六控制論、信息論、計算機科學對認知心理學的發(fā)展具有深遠的影響。計算機科學與心理學相結(jié)合，產(chǎn)生了一門邊緣學科人工智能。人工智能與認知心理學關(guān)系極為密切，計算機的出現(xiàn)使人們找到了分析人的內(nèi)部心理過程和狀態(tài)的新途徑。人工智能第五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六圖靈于30年代發(fā)表后來稱為“圖靈機”的數(shù)學系統(tǒng)，對心理學也發(fā)生了影響。數(shù)量邏輯和圖靈機使人們想到，人類的認知系統(tǒng)也可以視為符號運用系統(tǒng)。人類的某些觀念可以用符號來代表，而且這些符號可以通過確定的符號運算過程加以變換。這些思想不僅在理論上而且在具體研究上對認知心理學都有重要的作用。計算機類比第六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六認知心理學的一個基本觀點是可以用計算機來類比人的內(nèi)部心理過程。計算機接受符號輸入，進行編碼，對編碼輸入加以決策、存儲、并給出符號輸出。這可以類比于人如何接受信息，如何編碼和記憶，如何決策，如何變換內(nèi)部認知狀態(tài)，如何把這種狀態(tài)編譯成行為輸出。計算機與認知過程的這種類比，只是一種水平上的類比，即在計算機程序水平上描述內(nèi)部心理過程，它主要涉及的是人和計算機的邏輯能力，而不是計算機硬件和人腦的類比。計算機類比第七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六◆人的感覺器官（視覺、聽覺）是如何接受信息的◆人腦的結(jié)構(gòu)與功能，知道它是怎樣理解處理信息的◆人的學習記憶有哪些過程，是如何進行推理的了解并遵循用戶認知心理學的原理是進行人機界面設(shè)計的基礎(chǔ)。目的：盡量使設(shè)計適應于人的自然特性，滿足用戶的要求。第八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.1感覺信號的檢測

第九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.2作為用戶的人2.2.1人腦的結(jié)構(gòu)人腦是由大量的神經(jīng)細胞構(gòu)成的，估計約有150億個。神經(jīng)細胞是腦的結(jié)構(gòu)單位，也是功能單位。因此，神經(jīng)細胞又稱為神經(jīng)元。第十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六神經(jīng)沖動圖第十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.2.2人腦的功能第十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.2.2人腦的功能▲大腦的主要機能，是一個接受、分析、綜合、儲藏、發(fā)布各種信息的裝置?！竽X是左右對稱的，一般地說，右腦負責較多的創(chuàng)造性和藝術(shù)性機能，而左腦有較多的邏輯推理機能。第十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.3視覺2.3.1視覺系統(tǒng)第十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.3視覺過程和視覺系統(tǒng)第十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.3.2視敏度和顏色視覺★視敏度是指能夠看到細微事物的能力。它受幾個因素的影響，即光的強度、圖象的顏色以及圖象本身的復雜程度?！锪硗?，人們能感覺到不同的顏色，這是眼睛接受不同的波長的結(jié)果。各種波長的光是從帶色的物體表面或有色光源反射出來的。正常的眼睛可感受到的光譜波長為400～700um。第十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六視敏度受幾個因素的影響：★圖像本身的復雜程度★光的強度★圖像的顏色★背景光等。第十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六視桿細胞視錐細胞在低水平照明時（如夜間）起作用區(qū)別黑白對光譜中綠色部分最敏感，在視網(wǎng)膜遠離中心處最多對極弱的刺激敏感在高水平照明時（如白天）起作用區(qū)別色彩對光譜中黃色部分最敏感，在視網(wǎng)膜中部最多主要在識別空間位置和要求敏銳地看物體時起作用2.3.2亮適應和暗適應第十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六★格式塔（Gestalt）心理學（1）接近性原則：某些距離較短或互相接近的部分，容易組成整體。2.3.3視覺模式識別第十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六（1）相似性原則：人們?nèi)菀讓⒖雌饋硐嗨频奈矬w看成一個整體。第二十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六（3）連續(xù)性原則：連續(xù)性是指對線條的一種知覺傾向第二十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六（4）完整和閉合性原則：彼此相屬的部分，容易組合成整體；反之，彼此不相屬的部分，則容易被隔離開來。第二十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六（5）對稱性原則第二十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六★模板匹配（TemplateMatching）識別某個圖象，必須在過去的經(jīng)驗中有這個圖形或東西的“記憶痕跡”或基本模型，這個模型又叫做“模板”。當前刺激如果與大腦中的模板符合，就能識別這個刺激。★原型匹配理論（PrototyPeMatching）這種理論認為眼前的一個字母A，不管它是什么形狀，也不管把它放在什么地方，它都和過去知覺過的A有相似之處。第二十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六★特征分析特征分析是模板匹配理論和原型匹配理論的發(fā)展，它認為刺激是一些基本特征的結(jié)合物。例如，對于英文字母，特征可能包括水平線、垂直線，大約45o角的線以及曲線。這樣，大寫的字母A便能被看成兩條45o角的線（Λ）和一條水平線（–）。字母A的模式由這些線條加上它們結(jié)合在一起的形式組成。在進行模式識別時，個體把知覺對象的基本特征與存貯于記憶中的特征相匹配以作出肯定或者否定的決定。第二十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六從特征分析的角度來解釋圖象的識別。該理論把圖象識別過程分為不同的層次，每一層次都有承擔不同職責的特征分析機制，在此被稱為魔鬼（demon）。它們依次進行工作，最終完成對圖象的識別。由于有許許多多特征分析機制（魔鬼）在起作用，因此該模型叫做“泛魔”識別模型或泛魔系統(tǒng)。第二十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六“鬼域”假說第二十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六第一層：“映象鬼”（imagedemon），它只是記錄外界的原始形象，正和視網(wǎng)膜獲得外界刺激的映象一樣。第二層：“特征鬼”（featuredemon）進一步分析這個映象。在分析過程中每個特征鬼都去尋找與自己有關(guān)的圖形特征。例如在識別字母時，每個特征鬼負責報告字母的一種特征及其數(shù)量，象垂直線、水平線、斜線、直角、銳角、曲線等等?！罢J知鬼”（cognitivedemon）接受特征鬼的反應。每個認知鬼只負責識別一個圖形，一個認知鬼識別A，而另一個識別B等等。A認知鬼尋找與A圖形有關(guān)的特征鬼的反應，當它發(fā)現(xiàn)這種特征時，便開始喊叫。它發(fā)現(xiàn)的特征越多，喊叫聲就越大。第三層：“決策鬼”（decisiondemon）根據(jù)許多認知鬼喊叫聲大小，選擇叫聲最大的認知鬼作為所要識別的圖象。第二十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六視錯覺視錯覺的產(chǎn)生原因主要有兩個：一是人的生理特征所致，即它與眼的視覺通道的構(gòu)造有關(guān)，以及與觀察不同的物體而發(fā)生的變化因素有關(guān)；二是由心理的知覺所致，是知覺恒常性的顛倒，從而形成“受騙”的現(xiàn)象。第二十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六第三十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.4聽覺2.4.1聽覺刺激和聽覺系統(tǒng)第三十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.4.2音高、響度和音色聽覺的主觀體驗：音高、響度和音色分別對應于物理上聲音的三個基本量度：頻率、強度和振動形式。第三十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.4.3聲音的解釋聲音的解釋與語言的理解完全聯(lián)系在一起，兩種功能都是在大腦的聽覺皮層中完成的。為了解釋聲音，聽覺系統(tǒng)必須把輸入分成三類：★噪聲和可以忽略的不重要的聲音★被賦予意義的非語言聲音，如動物的叫聲★以及用來組成語言的有意義的聲音。第三十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.4.3聲音的解釋◆“材料一驅(qū)動”（data－driven）：對言語材料在感知水平上進行的加工過程，它是由下而上（從最低的感覺材料開始）的分析過程。概念驅(qū)動負責對將出現(xiàn)的材料（詞、短語、句子）進行預測，使分析過程進行得順利；◆“概念一驅(qū)動”（conceptually－driven）：概念一驅(qū)動則相反，它是在理解水平上進行的加工過程，它是由上而下（從最高的結(jié)構(gòu)概念開始）的分析過程。材料的驅(qū)動則提供據(jù)以預測的具體對象，并對預測的錯誤加以糾正。第三十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.5記憶和學習2.5.1記憶的分類◆感覺記憶◆短時記憶◆長時記憶第三十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六在這個階段中，關(guān)于刺激的一定信息就以真實的形式（即與原初呈現(xiàn)的刺激幾乎相同的形式）短暫地記錄在感覺記憶中。接著，刺激轉(zhuǎn)化為新的形式（通過模式識別過程），并傳遞到系統(tǒng)的另一個成分。刺激的信息停留在寄存器中，會自動地迅速“衰變”，保留的時間很短暫，大約１秒鐘左右；另一方面，原有的刺激信息也會由于新的刺激信息進入感覺寄存器而被掩蔽和抹掉?！舾杏X記憶第三十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六（1）短時記憶的能力是相當有限的，一般為7±2個項目，保持的時間一般為30秒左右。短時記憶的信息容量為7彼特。（2）短時記憶中信息是以信息組塊的形式存儲的，這些組塊包括從簡單的字母和數(shù)字到復雜的概念和圖像。例如記憶536436326這個數(shù)字很難，但如果按其讀音規(guī)律分為536―436―326這樣3組就好記得多；◆短時記憶第三十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六（3）記憶內(nèi)容的系列位置對短時記憶也有影響。如果記憶的內(nèi)容是7個字母，例如在抄寫、讀數(shù)、計算機輸入等作業(yè)中，出現(xiàn)錯誤的可能性較大的系列位置是第5個字母。（4）短時記憶會借助于“復述”的過程，把信息“長時間”地保存下來.（5）聽覺材料的開頭和結(jié)尾部分比較容易記憶，而視覺材料的前面部分較之后面部分容易記憶。第三十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六長時記憶實際上是一個有關(guān)知識的永久性的倉庫。一方面，進入系統(tǒng)的刺激被識別而傳遞到短時記憶以后，再轉(zhuǎn)移到長時記憶中，長期地保留在人的頭腦里面，成為我們關(guān)于世界的永久性指示；另一方面，系統(tǒng)在進行加工活動時，要從長時記憶中提?。z索）有關(guān)知識（包括數(shù)據(jù)和程序），以供加工和活動使用。◆長時記憶第三十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六第四十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六第四十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六記憶系統(tǒng)操作的時間能力編碼類型遺忘機制感覺記憶一秒鐘的幾分之幾只限于感受器所接受的瞬時形象記憶和聲象記憶（直接編碼）消極的衰退短時記憶少于一分鐘只有5-9個項目間接編碼消極的衰退長時記憶一分鐘以上到許多年很大，幾乎無限復雜的編碼干擾、壓抑和遺忘圖2.10三種記憶形式的特性比較第四十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六長時記憶較普遍的分類（塔爾文

）：■語義記憶：指對一般知識和規(guī)律的記憶，它們與一定的概念的內(nèi)涵意義有關(guān)，具有層次網(wǎng)絡的特點，它在提取時是以激活態(tài)在網(wǎng)絡通道上擴散而實現(xiàn)的?！銮楣?jié)記憶：與一定的時間、地點以及事件的具體情景相聯(lián)系的記憶，它的信息來自外在的信息源，但是它要被儲存在長時記憶中又需要有一定編碼的過程，因而情節(jié)記憶的痕跡是內(nèi)外信息源相互作用的混合物，需要語詞代碼和意象代碼的參加。所以情節(jié)記憶信息的提取是一個較復雜的過程，是一種基于信息模式的相似性匹配的記憶和再認知的過程。第四十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六界面設(shè)計★盡量減少必須學習的信息總量。當學習是無法避免時，用記憶線索來幫助回憶?！锏诙€人機交互的原理是一致性，它對記憶和學習是很重要的。某事物的一致性越好，就越容易感知事物內(nèi)部的組成模式，因而越容易學習它的結(jié)構(gòu)和特性。人是一個很好的模式識別和聯(lián)想的機器，任何事物只要有助于建立模式就能夠幫助減輕記憶負荷。第四十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.6人腦信息處理的某些特征★有選擇性：有實驗證明，在十分之一秒時間內(nèi)，成人一般能注意到8個左右的黑色圓點或4－6個沒有聯(lián)系的外文字母。另外，通常我們很難同時完成兩個或兩個以上的心理任務?！镯樞蛐裕嘿Y源分配★人的注意力除了受外界刺激物的特點、人的精神狀態(tài)影響之外，還受任務的難度、個人的興趣和動機的影響。2.6.1注意第四十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.6.2學習遷移（1）先學的干擾（2）后學的干擾第四十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六計算機信息系統(tǒng)人的信息系統(tǒng)存儲器寄存器（register）主存儲器（RAM）外存儲器（disktape等）感覺記憶短時記憶長時記憶書本、圖片輸入設(shè)備鍵盤觸屏聲音識別設(shè)備鼠標眼睛耳朵感覺器官輸出設(shè)備顯示器聲音設(shè)備打印機繪圖儀手聲音眼動姿勢處理器操作系統(tǒng)編譯器應用程序可執(zhí)行的控制單元模式識別知識和技能計算機系統(tǒng)與人的信息系統(tǒng)比較第四十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.6.3人的易出錯性?信號太弱；?人沒有執(zhí)行人機系統(tǒng)中分配給他的功能；?人由于識別錯誤而執(zhí)行了分配給他的功能；?按錯誤的順序或時間執(zhí)行了分配給他的功能；?執(zhí)行了未分配給他的功能。第四十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六我們可以在主、客觀兩方面采取措施。主觀方面，增強人的責任心、增加訓練、提高人員素質(zhì)?？陀^方面，可以在人、機、環(huán)境及管理上加以改善。（1）人方面：處理好人際關(guān)系，明確分工；（2）機器方面：提供優(yōu)良的人機界面，例如配置適合于用戶操作、使用、管理的顯示器和操作器等；（3）環(huán)境：提供適宜的溫度、濕度、照明、無噪聲等的作業(yè)環(huán)境，合理安排忙作業(yè)期內(nèi)操作人員的休息等；（4）管理：對人機系統(tǒng)及整個作業(yè)的安全管理。避免出錯第四十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六★把注意力引向用戶需要的信息和要采取的行動上★避免同時對注意力過多競爭的設(shè)計，否則會超出認知處理器的處理能力，從而導致人體機器的失靈和故障。通常它是由于緊張和任務失敗所造成的，界面設(shè)計者的任務就是不要使計算機系統(tǒng)成為引起緊張的因素。★家庭生活、社會關(guān)系、經(jīng)濟問題等等。界面設(shè)計第五十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六2.6.2疲勞（Fatigue）（1）注意失調(diào)。即注意容易分散、怠慢、少動；或者正相反，產(chǎn)生雜亂無章、好動、游移不定。（2）感覺失調(diào)：參與活動的感覺器官的卻能紊亂。如果一個人不間歇地長時間讀書，會感到眼前的文字變得模糊不清。又例如，手的工作時間過長，會導致觸覺和運動知覺敏感性的減弱。（3）動覺紊亂：動作節(jié)律失調(diào)，動作滯緩或者忙亂，動作不準確、不協(xié)調(diào)，動作自動化程度減低。（4）記憶和思維故障：忘記與工作有關(guān)的操作規(guī)程，而對與工作無關(guān)的東西則熟記不忘，理解能力降低，頭腦不夠清醒。（5）意志衰退：人的決心、耐性和自我控制能力減退，缺乏堅持不懈的精神。第五十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六日本學者橋本邦衛(wèi)將大腦覺醒水平分為5個等級，其研究資料表明：人在精力充沛狀況下，大腦處于常態(tài)而清醒，有隨機處理和準確決策能力，其工作可靠度在0.999999以上；當機體出現(xiàn)疲勞、困倦和輕睡狀態(tài)時，大腦處于常態(tài)以下意識模糊，此時極易失誤、出事故，其工作可靠度在0.9以下。第五十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六疲勞狀態(tài)的神經(jīng)生理模型第五十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期六疲勞的測定（1）完成作業(yè)的數(shù)量和質(zhì)量。（2）疲勞的主觀感覺。（3）腦電圖。（4