第2章 认知心理学

1、山东大学计算机学院 Lecture 2 2 本章课程目标 n了解人的感知模型 n掌握认知过程与交互设计原则 n掌握概念模型及对概念模型的认知 n了解分布式认知 Lecture 2 3 认知心理学 n认知心理学研究： q人们如何获得外部世界信息， q信息在人脑内如何表示并转化为知识， q知识怎样存储又如何用来指导人们的注意和行为。 Lecture 2 4 感知和认知 n人的感知即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 n认知是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 n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

2、 n认知分为经验认知和思维认知 n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 1. 感知通道 n五种基本感知的绝对阈限: q“视觉: 在黑暗而空气清新的夜晚, 人们可以看到30 英里( 48000 千米) 外的一只烛光( 1 英里1.6 千米) ; q听觉: 在安静的环境中, 人能够听到20英尺远处的手表滴答声 ( 1 英尺= 0.3 米) ; q嗅觉:人能嗅到1 公升空气中散布的1/10 万毫克的人造麝香的 气味; q味觉: 人可尝出9 升水中放一茶匙糖的甜味; q触觉: 人可感到蜂蜜翅膀距脸颊1 厘米处落下。 Lecture 2 6 视觉感知 n视觉是人与周围世界发生联系的最重

3、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。 n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。 n视觉感知特点：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。 Lecture 2 7 眼睛的构造 视觉活动始于光，眼 睛接收光线，转化为 电信号。光能够被物 体反射，并在眼睛的 后部成像。眼睛的神 经末梢将它转化为电 信号，传递给大脑。 Lecture 2 8

4、 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 n视网膜由视细胞组成，视细胞分为视干细胞和视锥 细胞两种。它们是接收信息的主要细胞。 Lecture 2 9 视角和视敏度 n视角 n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。通常将能分辨出视角 1的视敏度定为1.0。 n一般人能够在2m的距离分辨2mm-20mm的

5、间距，为我们 设计界面时字符大小和间距提供了依据。 Lecture 2 10 感知物体大小、相对距离和深度 n利用视觉影像中的线索： q覆盖关系：被覆盖的物体相 对较远； q大小比例：一般来讲，较大 的物体距离较近； q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 11 感知亮度 n亮度是光线明亮程度的主观反映 n增强亮度可以提高视敏度 n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 n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

6、的因素，创造一个舒适的交互环境。 Lecture 2 12 感知色彩 n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。 n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400m-700m。 视觉行为的整体性 n格式塔心理学 Lecture 2 15 视错觉 n莱亚错觉 视错觉 n厄任斯错觉 n面积大小视错觉 视错觉 n背景错觉 视错觉 视错觉 Lecture 2 20 视错觉 n物体的组合方式将影响观察者的感知方式： q人们总会夸大水平线而缩短垂直线。 q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

7、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。 Lecture 2 21 阅读 n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。 n阅读分为几个阶段： q页面上文字的形状被人眼感知， q文字被编码成相关的内部语言表示， q语言在人脑中被解释成有语法和语义的单词或句子 n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。 Lecture 2 22 阅读 n9

8、12号的标准字体（英文）更易于识别，页面的宽度在 58132mm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。 颜色模型 nRGB颜色模型 红 绿 蓝 黄=红+绿 青=绿+蓝白=红+绿+蓝 品红=红+蓝 RGB三原色混合效果 蓝(0,0,1) 品红 (1,0,1) 青(0,1,1) 白(1,1,1) 黑(0,0,0) 红(1,0,0)黄(1,1,0) 绿(0,1,0) RGB立方体 nCMYK颜色模型（减性原色系统） 蓝=白-红-绿 青=白-红 绿=白-红 -蓝 黄=白-蓝 黑=白-红-绿-蓝 红=白-绿-蓝 品红-白-绿

9、 CMYK原色的减色效果 n HSV颜色模型 qHSV是指Hue(色相)、Saturation(饱和度)和Value(值或明度) 。设想从RGB沿立方体对角线的白色顶点向黑色顶点观察， 就可以看到立方体的六边形外形。六边形边界表示色彩，水 平轴表示纯度，明度沿垂直轴测量。 nH参数表示色彩信息，即所处的光谱颜色的位置。该参数用一 角度量来表示，红、绿、蓝分别相隔120度。互补色分别相差 180度。 纯度S为一比例值，范围从0到1，它表示成所选颜色的纯度和 该颜色最大的纯度之间的比率。S=0时，只有灰度。 V表示色彩的明亮程度，范围从0到1。有一点要注意：它和光 强度之间并没有直接的联系。 Le

10、cture 2 29 听觉 n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。 n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。 Lecture 2 30 声音的处理 n声波在空气中的振动传播的特性 q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。 q响度指在频率一定的情况下声波的振幅。 q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。 n人类能够听到频率在20Hz20kHz之间的声音，其中在 1000Hz4000Hz范

11、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。 n响度超过140dB（分贝）时，所引起的不再是听觉而是痛 觉。 n人可以辨认的语音频率范围是2605600Hz。 Lecture 2 31 声音的解释 n听觉系统把输入分为三类： q噪声和可以忽略的不重要的声音； q被赋予意义的非语言声音，如动物的叫声； q用来组成语言的有意义的声音。 n听觉系统就像视觉系统一样，利用以前的经验来解释输入。 nLindsay PH和Norman DA 的“材料-驱动”（Data-Driven） 和“概念-驱动”（Conceptually-Driven）过程。 q材料-驱动指

12、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。 q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。 n人类听觉系统对声音的解释可帮助设计人机交互界面中的语 音界面 Lecture 2 32 触觉 nTouch 或者 Haptic perception n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 n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 q温度感受器-冷热 q伤害感受器-疼痛 q机械刺激感受器-压力 n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

13、敏感程度的了解有助于基于触 觉的交互设备的设计。 n动觉的概念：对人的躯干和四肢的位置的感觉，主要由于 人的关节处的感受器。 Lecture 2 33 2.认知过程与交互设计原则 n认知涉及到多个特定类型的过程，包括： q感知和识别 q注意 q记忆 q学习 q阅读 q说话和聆听 q解题、规划、推理和决策 n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。 Lecture 2 34 注意 n注意就是在某个时刻，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。 n注意的不同类

14、型 q视觉关注 q听觉关注 n注意相关的因素 q目标 q信息的表示形式 Lecture 2 35 信息表示方法 n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。 Lecture 2 36 注意特点对界面设计的要求 n由人的关注特点，在设计人机交互界面时应做到。 q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。 n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。 n朴实的界

15、面更容易使用。 Lecture 2 38 感知和识别 n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。 q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。 n用户应能不费力地区别图标或其他图形表示的不同含义。 n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。 n文字应清晰易读，且不受背景干扰 q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。 n在虚拟环境中使用触觉反馈时，用户应能识别各种

16、触觉表示的含义。 q例如“紧握”的触感与“按下”的触感不同。 黄色黄色黄色黄色黄色 Lecture 2 39 记忆 n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： q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； q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； q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。 n广告词设计 q味道好极了雀巢咖啡 q让我们做的更好菲力普 q我们一直在努力爱多 q牛肉哪去了某快餐店的汉堡食品 q维维

17、豆奶, 欢乐开怀维维集团 q我的眼里只有你娃哈哈纯净水 q送礼就送脑白金脑白金 Lecture 2 41 减轻记忆负担 n人的识别能力大于回忆能力 q图文界面替代命令界面 q安装过程的wizard n回忆提示 q密码的提示语句 Window xp 搜索界面 n信息检索的两大过程： q定向回忆 q扫描识别 Lecture 2 42 Lecture 2 43 交互设计原则 n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： q应考虑用户的记忆能力，勿使用过于复杂的任务执行步 骤。 q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。 q

18、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。 Lecture 2 44 问题解决 n问题解决的过程一般包括理解问题、制订计划、 实施计划、检验结果四个步骤。 q要考虑做什么、有那些选择、执行某个活动会有什么结 果？ qEg:淘宝 q人的思维认知能力取决于在相关行业的经验以及对应用 和技能的掌握程度。 n设计时应考虑在界面中隐藏着一些附加信息，专 门供那些希望学习如何更有效地执行任务的用户 访问。 Lecture 2 45 语言处理阅读、说话、聆听 n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。

19、以下是三种形式的不同之处： q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。 q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。 q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。 q书面语言往往是合乎语法的，而口头语言常常不符合语法。 Lecture 2 46 阅读、说话和聆听 n为了弥补人在某些方面的不足，开发了易于使用的系统。 q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。 q认知辅助系统，用于帮助有

20、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帮助这些人员。 q接受用户语音指令的语音识别系统，如听写式字处理系统、声控家 电产品等； q帮助人们学习外语的交互式课本和基于Web的材料； q各种输入、输出设备，用于协助残疾人士浏览互联网、使用文字处 理器和其他软件包。 Lecture 2 47 阅读、说话和聆听 n从方便用户阅读、说话和聆听的角度，在人机界 面设计时应注意： q尽量减少语音菜单、命令的数目。研究表明：人们很难 掌握超过三四个语音选项的菜单的使用方法，人们也很 难记住含有多个部分的语音指令。 q应重视人工合成语音的语调，因为合成语音要比自然语 音难以理解。 q应允许

21、使用和自由放大文字，同时不影响格式，以方便 难以阅读小字体的用户。 Lecture 2 48 影响认知的因素1-情感的影响 n人的行为远非如此简单。情感因素会影响人的感知和认知能力。如积极的 情感会使人的思考更有创造性、解决复杂问题的能力更强，而消极的情感 使人的思考更加片面，还会影响其他方面的感知和认知能力； n当一个人处于放松状态时，推理、判断能力会比较强，而当他紧张、受到 挫折或感到害怕时，正常的推理、判断能力就会受到影响。 n当一个人处于积极的情感状态时，对系统中的交互设计缺陷可能不会太在 意，但这决不能成为可以设计一个较差的交互系统的理由。一个差的交互 系统，会反过来影响一个人的情绪

22、，从而影响他解决问题的能力。一个好 的交互系统，应该能够充分考虑人在各种情感状态下的认知特点，有针对 性地进行交互的设计。 q避免使人产生疲劳的界面：视觉画面带来的眼睛的疲劳， 反复的动作产生的身体和脑力的疲劳等； q异常行为的判断：如用户快速敲击鼠标； q 关键动作时的有意识的提醒：真的要这样做吗？ q情感计算和交流 Lecture 2 49 影响认知的因素2-个体的差异 n进行交互系统设计时还不应该忘记人是存在个性 差异的。 q长期的，如性别、体力和智力水平； q短期的，如压力和情感因素对人的影响； q随时间变化的，如人的年龄等。 n人的个性的差异应该在进行人机交互设计时被充 分考虑。明确

23、地排除某类人作为系统的用户是极 端的，如现有的强调图形界面的交互设计实际上 排除了那些有视力缺陷的人，因此系统应考虑提 供其他的感知通道。 q儿童界面的程序（金山画王） q考虑针对女性的界面，老年人的界面，智障人士的用户 界面特点 Lecture 2 51 概念模型及对概念模型的认知 n概念模型：指的是一种用户能够理解的系统描述 ，它使用一组集成的构思和概念，描述系统做什 么、如何运作、外观如何等。 n设计开发一个概念模型的关键过程包括两个阶段 ： q首先是了解用户任务需求； q然后选择交互方式，并决定采用何种交互形式（是使用菜 单系统，还是使用语音输入，或命令式的系统）。 Lecture 2

24、 52 概念模型的迭代开发过程 n一个完整的概念模型也是一步步充实起来的，可以使 用各种方法，包括 q草拟构思； q情节串联法； q描述可能的场景； q设计原型系统。 n通过不断的与用户交流，逐步完善交互系统的概念模 型。 Lecture 2 53 对概念模型的认知 nNorman提出了一个用于说明“设计概念模型”与“ 用户理解模型”之间关系的框架 设计模型设计模型设计师设想的 模型，说明系统如何运作。 系统映像系统映像系统实际上如 何运作。 用户模型用户模型用户如何理解 系统的运作。 Lecture 2 54 几种认知概念框架 n 从人们不同的认知特点，讨论用户如何理解系统 概念模型，它们是

25、： q思维模型 q信息处理模型 q外部认知模型 q分布式认知模型 Lecture 2 55 思维模型 n用户思维模型：人们在学习和使用系统的过程中 ，积累了有关如何使用系统的知识，而且在一定 程度上，也积累了有关系统如何工作的知识。 n在认知心理学中，思维模型被认为是外部世界的 某些因素在人脑中的反映，掌握和运用思维模型 使得人们能够进行推测和推理。思维模型牵涉到 两个过程“构建”和“运用”过程，人们既可能 进行有意识的思维处理，也可能进行无意识的思 维处理。 Lecture 2 56 思维模型用以指导交互的重要性 n错误的思维模型带来错误的思维模式： q使用空调调温器（受水龙头、音量控制的影

26、响）； q互联网网页浏览时的错误思维模式。 Lecture 2 57 正确的思维模型的建立 n在理想情况下，用户开发的思维模型应与设计人员开发的 概念模型相符，如何帮助用户达到这个目标是一个非常关 键的问题。 q一个交互式系统在设计时，应该开发一个易于用户理解的系统映像 ，应该做到及时响应用户的输入并给出有用的反馈；提供易于理解 的、直观的反馈信息。 q此外，一个好的交互系统还需要提供正确的信息类型以及正确的信 息层次，以针对不同层次的用户，提供不同层次的系统透明度。这 方面包括： n有条理的、易于理解的说明 n合适的在线帮助和自学教程 n上下文相关的用户指南，即，针对不同层次的用户，解释在不

27、同的任 务阶段应如何处理各种情况 Lecture 2 58 信息处理模型 n人们把大脑视为一个信息处理机，信息通过一系列有 序的处理阶段进、出大脑。在这些阶段中，大脑需要 对思维表示（包括映像、思维模式、规则和其他形式 的知识）进行各种处理（如比较和匹配）。 n信息处理模型的步骤 响应 执行 响应 选择 比 较 编 码 输 入 或 刺 激 输 出 或 响 应 Lecture 2 59 信息处理模型的局限 n“信息处理模型”是不是正确地反应了人们日常的 认知活动呢？ 它能否解释真实世界中的认知现象 ，又能否解释人们与计算机交互时的认知活动呢？ q有些研究人员认为，“信息处理”方法没有说服力，因 为这种方法只是考虑纯粹的智能活动，把这种活动同外 界的干扰源以及人工辅助物隔离开来。 n目前，日益被人们认同的是在认知发生的上下文中 研究、分析认知过程。主要目标是分析环境中的结 构如何帮助人类认知，并减轻认知负担。 Lecture 2 60 外部认知模型 n外部认知是要解释人们在与不同外部表示相交互时涉及 的认知过程。外部表示包括书本、报纸、网页、多媒体 、地图、图表等。其主要目的是要详细说明在不同的认 知活动、认知过程中使用不同表示的好处，主要包括： q将信息、知识表面化以减轻记忆负担