再談人因工程，和UX的同與不同（下）：認知工適學（上）
在上一篇文章中我們討論了如何透過人的肌肉負荷以及人體記測學來設計產品，在這最後一篇文章中，我們來看看人因工程學中的另一個大領域 — 認知工適學。由於內容有點多所以分為上下兩部分，在這篇中會著重於介紹認知工適學的基礎理論，而實際上的研究方法會留在下一篇介紹。另外這一篇的內容因為剛好和我的領域契合，所以會比較深，歡迎有問題在文末提出討論，野望先進前輩們不吝指出錯誤與不清楚的部分。
用實驗來探索人的共通點
人與人之間有著很大的差異，前面大家也已經看到了，身高、體重、四肢長度、肌耐力等等每個人都不盡相同，而人體工適學試著把這些不同點納入考量來設計產品或是服務。但是從另一個角度來看，人與人之間卻也有很多的相似之處，比方說聽覺、視覺、觸覺等等感觀系統，以及注意力、推理思考、學習能力等認知處理能力。這一些認知上的功能是大部分的人都有的，而專攻認知工適學的人因工程專家們所感興趣的，便是尋找一個可以適用到大部分個體的通則，如果說人體工適學是從人的差異出發以期能找到一個收束點，那認知工適學就是假設所有人都有著類似的心理與認知歷程，探尋大家的共通點，並慢慢的將個體差異納入以尋找各別感官與認知的範圍。
人體工適學和認知工適學有些不一樣的地方在於，前者所測得的多為直接資訊，而後者所得到的基本都是間接資訊。在前一篇文章中我們介紹了肌電圖，透過肌電圖我們可以知道特定肌肉束的電位強度變化以測得其施力和負荷大小，這部分的資訊是較直接的，如果有訊號代表該肌肉有動作，訊號強則代表著該肌肉的施力強度(不過這只是大概，也有不少需要間接推論的狀況)。而人類認知系統的測定則隔了一層”內在處理”，這個內在處理包含了認知和神經機制兩個部分，比方說我想知道一個人看到一個視覺訊號時的反應速度，最簡單的就是要他一看到訊號就按按鈕，但是在這之中除了神經訊號傳遞的延遲外，還有包含了比如說這個人專不專心、認不認真、累不累、是不是使用其慣用的手(指)按鈕，甚至是不是真的理解測試的目標，這些要素都會大幅度的影響測定的結果，且由於個體的認知差異較難以量化，多半需要透過統計的方式來推論結果的可靠性，也因此多數認知工適學相關的研究需要比較大的樣本數。
認知科學與產品設計的接點
認知工適學和心理學、神經科學、認知科學、和知覺科學(Perception)有著很大的重疊，或者應該說整個認知工適學便是根基在這些基礎學科之上，並將之實現在產品與系統設計之中。比方說:
- 人的工作記憶(working memory)大小只容許我們同時記憶與處理4-7個"群(chunk)"，所以如果需要使用者記憶，應該避免同時給予過多或是難以分群的內容(這個議題很複雜，未來有機會再分享)
- 人從聽到聲音到肢體反應的極限大約是0.1秒，透過這個知識，世界田徑總會IAAF便規定如果運動員在槍響後的0.1秒內起跑視為搶跑(false start)
- 聲音在超過85分貝就可能造成人聽力受損，超過55分貝時會開始干擾人的認知，因此應該避免暴露在85分貝下超過8小時，工作場所音量應控制在55分貝以下
- 人在不轉動頭和眼睛直視前方時的視角極限大約是180 - 220度，而雙眼立體視覺則是60度，因此在駕照體檢時要求視角要在150度以上才能注意左右後照鏡，重要的訊號則必須要呈現在中央的30度內
但上面這些都是當人處在普通情況之下，我們知道由於這些外來刺激都需要經過我們的大腦處理，而一但意識介入了，這些數值就可能發生改變。比方說當我們實際上在開車時，一但超速到達了100公里，由於注意力全部集中到前方，視野會急速縮小到只有約40度，此時如果在周圍發生了什麼事情，那我們就很難反應。或是你在緊張時，比方說有時間或嘗試次數限制的考試時，反而常常會記不住一些重要的訊息或出現非常低級的失誤。這也可以解釋我們之前提到的二戰戰鬥機飛行員，為什麼平常訓練時表現良好，但在戰場上卻容易發生失誤，因為人類的認知系統是非常複雜而敏感的。
在Human Factors and Ergonomics Design Handbook Third Edition (Tillman et al., 2016) 一書中詳細地羅列了有關”人”的各種測量數據，除了基本的人體計測與延伸的空間設計外，還有針對不同種類刺激的反應時間和靈敏度、不同情境下對於認知與活動所造成的影響、不同活動的熱量消耗與極限、對於外來訊息的內部處理機制、甚至還有在現今文化與教育環境之下我們對於常見符號或顏色等象徵的認知與反應等等。而這些科學家們經過上百年努力所測定出來的內容在經過整理與精簡之後，就成了現今工業安全和UX設計上的常用的準則和規範。
認知工適學的基礎
好了，前面扯了這麼多，現在回歸正題。認知工適學和人體工適學一樣涵蓋的範圍非常的廣，在這篇文章中也只能提幾個比較常被提到的基礎內容。所以下面就簡單以人類資訊處理模型來介紹認知工適學領域中的重要概念。
人類資訊處理模型(Model for human information processing)
人本身就像是一台電腦，我們從外界接收資訊，於內部處理，後做出反應，此即為人類資訊處理模型，在這個模型中我們可以看出幾個人類在處理外在資訊的重要環節:
- 知覺的處理是由感覺(Sensory)接收外在的刺激或是經內在的記憶提取作為刺激而來
- 在接收到來自知覺的訊息後，需要分配注意力資源以便進行處理，並且仰賴我們在長期記憶中的訊息來進行有意義之整合
- 在認知處理的過程中，需要從長期記憶中調取需要的資訊並將之儲存於我們的工作記憶之中
- 透過整合所有訊息我們可以做出決策以對刺激產生反應，而該反應的結果又可能會重新成為刺激進入我們的資訊處理模型
資訊處理模型可以說是認知工適學的核心，讓我們把這個模型拆解，分別介紹其中的關鍵元素。
感覺、知覺、認知
在心理學上把人對於外在訊息的接收與處裡分為三個緊密相關的部分，感覺(Sensation)、知覺(Perception)、認知(Cognition)。從定義上來說，感覺是透過五感(視、聽、嗅、味、觸)對外部訊息的接收，知覺是將該訊息組織成有意義之形式，而認知則是進一步將該訊息與其他訊息或記憶進行整合加工後的一種心智歷程，舉個例子來說，看到一個中文字: 光線進入眼睛而看到東西是感覺，把這些圖像組合成一個有意義的形狀是知覺，而從這個形狀辨識出是哪個字則是認知。由於感覺與知覺彼此間關係緊密，因此兩者也常被視為一個整體。在許勝雄、彭游、吳水丕編著之人因工程:人機境界面工適學設計第六版中指出，人的感官系統還有以下六個特徵:
- 形式(modality): 接受不同性質的物理能量刺激而激發不同性質的感覺
- 投射(Projection): 經由經驗之學習，大腦將感覺局限於感受器之所在
- 強度(Intensity): 感覺強度直接與刺激強度有關
- 對比(contract): 感覺受到先前或同時事件的影響而產生不同之評估
- 後像(afterimages): 刺激消失後仍存在於感官或意識之感覺
- 適應(adaptation): 感受器經刺激不斷作用後逐漸喪失激發之可能
閾值(Threshold)
感知覺仰賴於外來刺激，如果某個外來刺激太弱，低於我們所能感受到的最低限度，那我們就無法有效地接受到這個刺激，更不要說做出反應了，這個我們的感官所能發生反應的最低值便稱為絕對閾(absolute threshold)，除此之外，如果我們改變該刺激的強度，同樣也會有一個我們可以感受到刺激強度變化的最低改變值，即為差異閾(difference threshold)。差異閾和決定閾不同，會依照比較基準改變，比方說20克的筆如果加上5克的橡皮擦，我們很容易感受到變化，但1000克的筆電加上20克的筆，那我們就很可能感覺不出來。而這個剛好可以察覺到差異的值即為洽辨差(Just-Noticeable Difference, JND)
絕對閾的操作型定義為: 受試者有50%的機率察覺到的刺激大小，透過使用三種不同的逼近測定法(定值刺激法、極限法、調整法)，我們可以繪製出如下的，特定感覺的心理物理函數(psychophysical function)並獲得該閾限。
由於閾值會存在著非常大的個體差異，並且會隨著環境、使用者的狀態、刺激的形式、前一次刺激的強度(加上前面提到的感知覺的六個特徵)等有很大的差異，因此認知工適學很大的一個工作項目就是以標準情況下的閾值為基礎，加上目標產品的設計與使用環境進行測定，以量測出新的閾值。
訊號偵測理論(Signal Detection Theory, SDT)
閾值的測定中包含了三個部分，其一為感覺層面，我們的感覺細胞是否真的有辦法接收到該刺激，其二為知覺層面，我們的知覺系統是否有辦法將接收到的訊號處理到可以進行判斷的地步，到此為偵測(detection)，最後為認知層面，即實際上對該訊號做出判斷與決策。針對這種這種資訊處理和決策的過程，我們可以用訊號偵測理論來解釋。
訊號偵測理論中引入了雜訊的概念，所謂雜訊(Noise)，就是對於人實際想要偵測到的真實訊號的干擾。如果我們假設雜訊的強度會隨著時間變動，請此變動為常態分配，就可以畫出下面這一張圖。左側鐘型圖所表示的是只有雜訊的分配，而右側的鐘形圖則是雜訊+真實訊號的分配，而兩者之間的交疊部分面積，兩個頂峰間的距離則取決於敏感度d’(sensitivity, 類似電子學中的訊噪比Signal to Noise Ratio, SNR)，如果真實訊號比雜訊強很多，則兩個分佈就離的越開，反之就會越近，交疊部分也會增加，可以從下方右圖看到d’對訊號跟雜訊的分離狀況。
對於觀察者來說，其目標是正確的分辨出訊號是否有出現，其會根據其接收到之訊息，經驗，以及偏好來訂立一個判斷基準(Criterion)，即圖中的垂直線X。於是便會出現四種狀況:
- 命中(Hit): 有訊號，判斷為有訊號 (正確)
- 偽警(False Alarm): 沒訊號，判斷為有訊號 (錯誤)
- 漏失(Miss): 有訊號，判斷為沒訊號 (錯誤)
- 正棄(Correct Rejection): 沒訊號，判斷為沒訊號 (正確)
在畫出了基準線後，如果我們更進一步的把這條X直線與兩個鐘型分布相交的高度b(與雜訊+訊號相交)除以高度a (與雜訊相交)，就可以得到一個Beta值，此值反應了判斷者的判斷偏好，如果為1則是中庸者，小於1(左偏)是冒險者，大於1(右偏)則是保守者。保守者傾向有明確資訊才判斷"有"，所以偽警機率要低很多，但同時漏失機率也高很多，而冒險者則傾向基於不明確資訊就判斷"有"，雖然漏失機會變少，但偽警機率也會高很多。
訊號偵測理論與認知工適學
說了這麼多，到底訊號偵測理論和認知工適學有什麼關係呢? 實際上關係非常密切，認知工適學的宗旨在於計量人的感官與認知系統，並減少可能的人為失誤，而這些閾值的劃分就是透過訊號偵測理論。保守者與冒險者則反應了個人差異，比方說如果你在拆一顆炸彈，但你是必要便得保守，相對得如果你是在決定要吃哪塊餅乾，那冒險也無訪，訊號偵測理論說明了訊號本身的強度與外在干擾會造成的偵測問題，同時也說明了個人與環境的差異所會造成的反應上的變化，同時提醒了我們偽警與漏失的可能性。連結到產品設計，我們必須要考慮到如何增加敏感度，降低偽警和漏失的機會，增加命中和正棄的比例，這些正是減少人為失誤的方法，也是人因工程的核心價值。
更進一步的，當我們詢問一名剛剛做完一個非常困難測試的受試者"你現在是否覺得壓力很大時"，其"是"或"否"的回答也可以使用此理論來說明，測驗材料是否有引發足夠的壓力讓其可以與非測試時區隔開，受試者對於壓力的承受度，主觀上是否想要承認其感受到壓力，這些都會影響到受試者的回答，"是"的背後可能有偽警，"否"的背後可能有漏失。這些都是在設計認知工適學研究時必須要考慮進去的可能性。
注意力
在討論注意力前，大家可以先看一下這個影片
https://www.youtube.com/watch?v=IGQmdoK_ZfY
注意力是連接資訊處理模型中的橋樑。所有人的資訊處理都需要仰賴注意力資源的分配，如果沒有注意力，資訊多半會卡在知覺的階段而無法真的被我們的意識所處理，也因此在認知工適學中，如何讓人適當且合理的分配注意力資源一直都是一個重要的課題。其大概可以分為四種
- 選擇性注意(Selective attention): 同時監測多個資訊源以偵測特定資訊，比方說煮菜時看好複數個鍋子
- 聚焦性注意(Focus attention): 專注一某一件事物並屏除其他干擾，比方說專心念書
- 分割性注意(Divided attention): 一心多用，比方說一邊看電視一邊講電話
- 持續性注意(Sustained attention): 即監測(monitoring)或警戒(Vigilance)，持續境的注意以偵測不確定之目標，比方說保全
在上面的選擇性注意實驗中我們可以知道人的注意力資源是有限的，而且其限制可能比我們想像的要少。在認知工適學中有一個重要的領域名為狀態意識(Situational Awareness, SA)，其便是研究如何讓人可以保持對同一時空環境中各元素的知覺，理解其意義，並進行預測。
記憶
記憶是構成人最重要的元素，其影響了我們性格、學習、認知等所有要素。也是因為有記憶，我們才能夠順利地處理從感覺到認知的訊息。記憶力大致分為三類:
- 感覺記憶(Sensory memory):來自五感的訊息，保持約1-4秒
- 短期記憶(Short-term memory):保持約18秒
- 長期記憶(Long-term memory): 又可分為陳述記憶(Declarative memory)和非陳述記憶(non-declarative memory)
而跟認知工適學最相關的，則是所謂的工作記憶(Working memory)，工作記憶常被視為是短期記憶的一種，其特性是透過注意力資源將短長期記憶中與當下作業相關的資訊提取出來放在一個短期暫存區以便隨時存取，和短期記憶不同的地方在於短期記憶一般是單純的暫存，而工作記憶則是可以被即時的修改更新。
記憶會影響到我們對於整個訊息的判讀，以至於影響最終的決策，所以如何讓人記得也是一個很重要的研究議題。舉例來說，人對於影視圖像的記憶強度比音聲高，而文字最後，所以現今在設計各種教學資料時，教學影片要遠比文字檔案來的好記憶。
決策
決策是整個模型中最重要的一個環節，也是最複雜最難分析的一個環節。決策是透過所有已知的資訊做出最終裁量的階段。決策的過程大概可以分為三類，選擇(choice)、診斷(diagnosis)、預測(Prediction)，不過礙於人對於資訊的處理能力有限，決策往往都存在著偏誤，這也是就算模型上其他項目資訊都已經固定，但我們仍然難以準確預測人之行為的原因。
設計一個信號燈
最後，讓我們整合上面的內容，舉個具體的例子。假設今天我們想要設計一個晚上使用的信號燈，讓在40公里外的漁船也能看見，如果套用上面的閾值與訊號偵測理論，該如何進行呢?
從閾值的表格我們可以看出如果是晴朗夜晚，只要有燭光的亮度就足夠了，但是漁船本身有光，水面會反光，陸地上可能有會有其他光源干擾，即雜訊將會與真正的訊號相重疊，於是我們理解到只有一個燭光的亮度勢必不夠，因為兩個分布的交疊區域太大，所以為了增加敏感度，我們應該要適當的增加亮度，但與此同時我們也需要考慮到主觀上的判斷。這個燈號的目的是什麼呢? 只是提示返航時間，還是告知危險，不同的狀況會影響到漁船在看到該燈光的判斷會趨向保守還是冒險。最後如果有多於一個的訊號，那這些訊號會不會互相干擾呢? 當其他訊號出現時會如何影響到分佈? 另外這個燈光的顏色和形狀是否容易引起人的注意? 其代表意義是否容易記憶? 比起用閃光打摩斯電碼，是不是乾脆做大一點顯示出符號呢? 但如果要顯示符號，人在這個距離下分辨符號的閾值又是多少呢?
在考量到上面這些因素後，我們便可以開始設計各種環境來反覆測定觀察者的反應，並以之訂出新的閾值，後便可以此閾值為基準設計信號燈。當然如果今天信號燈要用在市區，抑或是要使用不同的顏色，條件不同，則又必須要在新的條件下反覆測定。
小結
認知工適學的內容博大精深，在這篇文章中主要介紹了認知工適學的部分理論基礎，在下一篇文章中則會以此為底討論一下我一直很想分享的實驗設計、實驗典範、以及實驗倫理的部分。
