基于認知負荷理論的鐵路自動售票機交互設計

譚 雪，蔣秋華，李士達，潘浪濤，李瀟怡

（1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所， 北京 100081）

基于認知負荷理論的鐵路自動售票機交互設計

譚 雪1，蔣秋華2，李士達2，潘浪濤2，李瀟怡1

（1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所， 北京 100081）

為解決鐵路旅客與自動售票機交互時由于認知負荷高而產生的操作不流暢、成功率不高等問題，引入認知負荷理論對自動售票機進行交互設計研究。文章介紹認知負荷理論，深入分析交互過程中認知負荷產生的原因。針對自動售票機交互設計現狀，從信息結構設計、任務流程設計、引導性設計、精簡功能4個角度出發，通過平衡好信息結構寬度和深度相互制約的關系，設計符合用戶操作習慣的任務流程，添加符合認知規律的旅客操作導航，刪除低優先級冗余功能，設計了一個操作直觀簡便的自動售票機交互方案。

認知負荷理論；交互設計；自動售票機

鐵路自動售票機自上線以來，極大地方便了旅客的出行。但由于旅客在年齡、計算機水平、產品使用經驗等方面存在差異，同時受公共場所中聲音、周圍人群、光線等環境因素的影響，其在與自動售票機交互時存在操作不流暢、操作成功率不高等問題。這些問題降低了自動售票機的使用效率，影響了旅客使用自助售票機的積極性。為解決上述問題，亟待對自動售票機進行交互設計研究。

1 認知負荷理論

認知負荷理論[1]把工作記憶容量的有限性看作學習的主要障礙，從認知資源分配角度考察人類的學習和問題解決。認知負荷理論研究如何通過設計優化認知負荷，使工作記憶容量更多地集中于將要學習的材料中，從而促進學習。

1.1 認知負荷的來源

認知負荷[2]是表示處理具體任務時加在學習者認知系統上的負荷。有3種類型的認知負荷：外在認知負荷、內在認知負荷和相關認知負荷。

外在認知負荷是指學習者參與與人類認知加工過程沒有直接關聯的活動時，施加給工作記憶的負荷。外在認知負荷產生的原因主要是認知任務設計和元素組織呈現方式不當。

元素間交互形成的負荷稱為內在認知負荷，是由學習材料難度和學習者原有知識基礎決定的。內在認知負荷來源于學習材料本身的難度、復雜度等內在特征，是由學習材料本身的屬性和學習者的專業技能水平之間的關系決定的。

相關認知負荷是人們對認知任務進行更高級的認知活動而承受的負荷。相關認知負荷是與學習直接相關的過程聯系在一起，雖然增加了用戶工作記憶中的認知負荷，但它促使用戶進行深加工，反而會促進學習[3]。

將認知負荷理論應用于交互設計中，總結得出交互過程中認知負荷來源，如圖1所示。

圖1 交互過程中認知負荷的來源

1.2 基于認知負荷理論的交互設計策略

3種認知負荷中，內在認知負荷和外在認知負荷阻礙學習，相關認知負荷促進學習，因此在交互設計中我們要降低外在認知負荷、減少內在認知負荷、增加相關認知負荷，使三者相加之和不能超過工作記憶容量，否則會造成認知超載。

1.2.1 降低外在認知負荷

降低外在認知負荷主要從兩方面入手：

（1）以實現用戶目標為目的，進行目標導向設計。通過減少對于目標無用的無效行為和增加對目標有用的有效行為，從而達到降低認知負荷的目的。

（2）通過形式結構簡易化、功能表達簡便化、視覺呈現簡潔化對交互進行扁平化設計，避免用戶在信息查詢過程中出現迷航的情況，提高信息訪問的效率。

1.2.2 減少內在認知負荷

學習時要求考慮的元素數量越多，學習者掌握某領域的專業知識越貧乏，內在認知負荷就越高。降低內在認知負荷主要包括兩方面：

（1）設計清晰的信息結構。將邏輯上重要、緊密、包含等關系利用視覺上的突出、相連、包含等體現出來，準確表述頁面內容之間的關系。

（2）遵循用戶行為習慣。盡可能利用用戶已有的知識結構，遵循已有的習慣性流程，建立順應用戶行為的操作方式，從而將用戶無意識的行為轉化為設計概念呈現在用戶面前，方便用戶進行操作。

1.2.3 增加相關認知負荷

用戶在學習某一個任務未用完所有的認知資源時，這時用戶便可以把剩余的認知資源運用到更高級的有意識的認知加工活動中，相關認知負荷隨之產生。認知加工活動雖然增加了用戶工作記憶中的認知負荷，但它促使用戶進行深加工，反而會促進學習。

2 自動售票機交互設計現狀

目前，全國鐵路安裝的自動售票機提供售票和取訂票功能，其中，取訂票功能包括取互聯網訂票和取電話訂票。首界面如圖2所示。操作欄位于界面右側，提供購票入口和取訂票入口。

圖2 鐵路自動售票機交互首界面

購票時，旅客根據自己的乘車需求，更改默認的出發車站、到達車站、乘車日期、車次、票種和張數，完成更改后點擊“確認購票”按鈕。系統查詢余票信息，若無余票，返回首界面重新購票。若有余票，旅客依次進行刷身份證、支付和制票完成購票。取訂票時，旅客點擊首界面的“取訂票”按鈕。彈出頁面選擇“互聯網換票”或“取電話訂票”，進入相應的取票流程。具體流程如圖3所示。

經過對北京南站、北京西站、北京北站及北京站進行現場調研時發現，旅客在使用自動售票機的過程中存在一些問題：

（1）購票界面顯示的信息量大、功能多，旅客產生心理恐懼和操作恐慌，擔心自身知識層次低而不敢嘗試，對設備界面存在排斥心理。

（2）界面交互操作易學性不足，容錯性不高，缺少足夠的操作引導。旅客需要很長時間去探索和學習，降低了操作體驗和速度，導致排隊。

（3）在公共場所使用公共信息設備時，旅客會受到聲音、周圍人群、光線等環境因素的影響，難以將注意力完全集中在操作任務本身。

鐵路旅客群體具有數量大、范圍廣的特點，認知水平存在差異。部分旅客由于認知水平較低，以及受操作界面復雜的影響，交互過程中內在認知負荷較高。目前交互設計方案在信息組織結構、任務設計以及功能設計等方面存在不足，導致旅客與自動售票機交互過程中外在認知負荷較高。旅客在自動售票機交互流程中認知負荷較高甚至出現了認知超載，極大地影響了旅客操作的成功率和積極性。為提高自動售票機操作成功率和流暢性，實現交互有用、可用、易用的目的，需要對自動售票機操作過程的認知負荷進行深入分析，有效降低認知負荷。

圖3 目前鐵路自動售票機業務流程圖

3 認知負荷理論在鐵路自動售票機交互設計上的應用

針對鐵路自動售票機交互設計現狀，結合認知負荷理論，從信息結構設計、任務流程設計、引導性設計和精簡功能4個方面提出一個自動售票機交互設計方案。

3.1 信息結構設計

調查研究中發現：大多數年齡較高、文化程度較低、較少接觸電腦的旅客對自動售票機存在恐懼心理。訪談時這些旅客反映，首界面按鈕和信息太多，操作時選擇困難，很難判斷操作的入口。再加上公共環境嘈雜，排隊人較多，給這些旅客很大的心理壓力。旅客認知負荷超載，不敢嘗試使用自動售票機辦理業務。通過進行信息結構設計可以很好地降低旅客的認知負荷。好的信息結構能夠用一種易于理解的方式對頁面進行組織并區分優先級，讓用戶根據需要不斷深入挖掘多個層次的細節信息。通過邏輯上越重要的部分越突出，邏輯上緊密的部分視覺上相連，邏輯上包含的部分視覺上也包含，準確表述頁面內容之間的關系。

信息結構[4]即信息組織的方式結構。信息結構通過對內容進行分類,并建立交互來導航這些內容,以便旅客能夠邏輯直觀的、毫無阻礙的接近他們需要的信息。信息結構有寬而淺和窄而深兩種類型。寬而淺型的信息結構信息層級淺,適用于任務種類多，信息多樣化且綜合性強，信息需要即時反饋的產品。窄而深型的信息結構信息層級深，適用于任務流程長、分支少，任務步驟因果關系緊密的產品。為解決旅客操作時認知負荷過高的問題，首界面選擇窄而深的信息層級結構。在首頁面上清晰顯示自動售票機提供的4項基本功能入口：售票、取電話訂票、互聯網換票、銀通卡換票。各個功能按鈕緊密相連，且旅客使用頻率最高的售票和互聯網換票按鈕面積最大，突出顯示。旅客點擊首界面按鈕后進入相應的操作流程。窄而深的信息層級結構降低了旅客的認知負荷，讓更多旅客嘗試并成功使用自動售票機辦理業務。設計效果如圖4所示。

3.2 業務流程設計

圖4 首界面設計效果圖

目前自動售票機售票交互流程為更改出發車站、到達車站、乘車日期、車次、票種和張數五項后查詢后臺數據庫信息，給旅客分配車票。但如果所購車次無余票或需要修改車次時，旅客需要取消當前操作并返回首頁重新購票。購票流程如圖3a所示。旅客購票時可能需要多次重復操作，購票操作時間長，購票體驗不夠友好。

為了降低旅客購票操作中的認知負荷，交互設計需要遵循用戶的行為習慣。旅客出行時，出發地、目的地和出發日期一般是確定的，車次和票種可根據余票量、出發時間、列車運行時間等進行選擇和調整。新的交互設計方案中，在同一界面中選擇出發地、目的地和出發日期，3項選擇完畢后依次選擇車次、席別和張數，列出購票信息供旅客確認。如所選車票信息不滿意，旅客可以在選擇出發地、目的地和出發日期不變的情況下重選車次。信息確認后依次進行身份驗證、支付和制票，從而完成購票。新的業務流程遵循了旅客已有的習慣性流程，極大地降低旅客操作時的認知負荷。業務流程圖如圖5所示。

圖5 售票業務流程圖

3.3 引導性設計

現場調研發現：自動售票機購票操作步驟過多，交互操作易學性不足，缺少足夠的操作引導。交互設計要求：操作前，結果可預知；操作時，操作有反饋；操作后，操作可撤銷。我們可以通過增加旅客的相關認知負荷，從而達到促進旅客學習，降低認知負荷的目的。自動售票機流程包含多步操作跨越多個頁面，且各個步驟之間有著緊密的聯系，所以對自動售票機交互任務進行引導性設計就顯得格外重要。我們通過構建一個綜合性符合認知規律的導航來引導旅客行為。在頁面頂端添加導航欄，導航欄可以告訴旅客完成這個任務一共需要多少步，現在位于哪個階段，之前操作的結果是什么，剩下多少步可以完成任務等。設計效果如圖6所示。

圖6 界面引導性設計效果圖

3.4 精簡功能

對旅客與現有版本界面交互時在各個界面停留時間進行統計分析得知，旅客在操作車次選擇頁面時耗費的時間最長。車次選擇界面顯示出所有符合條件的車次，但是由于車次往往多達幾十列，旅客選擇困難。目前版本界面提供“顯示有票車次”、“最近車次”、“12點后車次”、“18點后車次”、“動車組”“全部車次”6個按鈕實現對車次進行篩選。6個按鈕給了旅客個性化選擇的機會，但是過多按鈕造成旅客選擇困難，旅客在此頁面停留的時間較長。

在交互設計中，為降低旅客認知負荷，需要以目標為導向進行設計，確定產品功能的優先級，刪除冗余的功能。6個按鈕從發車時間、列車類型和有無余票3個維度實現對車次的篩選。由于車次顯示默認按照列車開行時間先后順序進行排列，“最近車次”按鈕可以省略，不計入篩選按鈕點擊次數統計。對現行車次選擇界面篩選按鈕點擊次數進行統計，得到分布圖，如圖7所示。

圖7 現行車次選擇界面篩選按鈕點擊次數分布圖

“12點后車次”和“18點后車次”利用發車時間對車次進行篩選，點擊次數占比合計約6%，點擊次數過低，功能冗余。通過在車次列表中對無票車次進行灰色處理，清晰地實現了與有票車次區分，“顯示有票車次”按鈕可省略。列車類型可分為動車組和普速列車兩種，兩類列車在票價、開行時間和舒適度上有較大區別，且在目前版本中“動車組”和“全部車次”按鈕點擊頻率較高，則在新交互設計中保留對列車類型的篩選。將3個功能維度的按鈕精簡為列車類型一個功能維度，在界面顯示為“動車組”和“其他車次”兩個按鈕，兩個按鈕均未按下時顯示為全部車次。設計效果如圖8所示。

圖8 車次選擇界面設計效果圖

4 結束語

基于認知負荷理論的自動售票機交互設計方案充分考慮了不同認知能力旅客的需要，吸引更多的旅客能夠去嘗試并且成功使用自動售票機辦理業務，極大地提高了操作成功率。同時，新的交互設計方案增加了引導性設計并對功能進行精簡，提高了交互的流暢性，縮短了操作時間，給旅客帶來更加友好、令人愉悅的操作體驗。

[1]陳巧芬.認知負荷理論及其發展[J].現代教育技術，2007，17（9）：16-19.

[2]羅曉云，謝慶森.基于目標導向設計理論減輕產品認知負荷的探究[J].設計，2015（16）：119-120.

[3]梁慧玉.從認知負荷的角度分析交互設計策略[J].吉林藝術學院學報，2012（3）：22-24.

[4]龐建康.基于用戶體驗的鐵路自助售票機交互設計研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[5]李士達，張家鋒，王騰霄.鐵路旅客自動取票系統的設計與實現[J].鐵路計算機應用，2013，22（2）：21-23.

[6]王 紅，潘浪濤，趙 楠，等.中鐵銀通卡取號機在京津城際線的研發與應用[J].鐵路計算機應用，2015，24（11）：58-60.

[7]汪海波，薛澄岐，黃劍偉，等.基于認知負荷的人機交互數字界面設計和評價[J].電子機械工程，2013，29（5）：57-60.

[8]張 寧.基于認知負荷的公共信息設備界面設計研究[D].大連：大連海事大學，2013.

責任編輯 付 思

Interaction design of Ticket Vending Machine based on Cognitive Load Theory

TAN Xue1,JIANG Qiuhua2,LI Shida2,PAN Langtao2,LI Xiaoyi1
( 1.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.Institute of Computing Technologies,China Academy of Railways Sciences,Beijing 100081,China)

In order to solve the problems of imperfect operation experience and low success rate during the interaction between railway passengers and Ticket Vending Machine (TVM)owing to high cognitive load,Cognitive Load Theory (CLT) was put forward for the interaction design of TVM.By introducing CLT,the source of cognitive load during interaction was summarized.According to the current situation of TVM interaction design,the interaction design contained four parts:information structure design,transaction flow design,guidance design and function simplification.Firstly,balance the mutually restricted relations between width and depth in information structure design;and then design transaction fow diagram which suited passenger’ s pattern of behavior;thirdly,add navigation bar adjusting to passengers’ cognition rule;fnally,delete redundant functions of low priority.An interaction design plan of TVM based on CLT was presented.

Cognitive Load Theory(CLT);interaction design;Ticket Vending Machine(TVM)

U293.22∶TP39

A

1005-8451（2016）10-0057-05

2016-02-02

中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所（DZYF16-13）。

譚 雪 ，在讀碩士研究生；蔣秋華，研究員。