本文是一篇管理论文，本文基于前人的研究，结合心理学和眼动追踪技术，对认知负荷缺少定量化测量方法这一问题进行研究。通过对认知负荷等理论进行综述可以发现，当前认知负荷的研究还主要停留在定性研究，而非定量研究。定量研究已经成为了认知负荷研究领域的热门方向。
第1章绪论
1.1研究背景、目的及意义
1.1.1研究背景
随着计算机技术的不断发展，现代核电厂主控室（Main Control Room,MCR）越来越多地采用计算机显示与控制系统，即数字化控制系统（Digital ControlSystem,DCS）。数字化控制系统的出现使得人机界面上传统主控室中的盘台、仪表盘、信号灯、按钮和开关等模拟装置逐渐被基于计算机屏幕的控制所代替[1]。与传统的主控室相比，操纵员不再通过在控制台周围行走才能达成对电厂运行情况的监视与控制，操纵员只需要坐在屏幕面前操纵鼠标就可以获得所需信息、执行控制。基于计算机屏幕的控制技术使得信息的表达形式更加多样化，信息提供和处理的能力也更加灵活。与此同时，数字化人机界面的信息结构较传统的人机界面更为复杂，操纵员在短时间内所接受和处理的信息量急速增加。在DCS系统中，操纵员必须对计算机屏幕画面进行配置，并通过点击鼠标对画面进行切换以获得所需要的信息，对信息进行利用以达到完成主任务的目的[2]。人机界面从模拟量的显示控制向数字化控制的转变减少了操纵员的体力负荷（不再到处走动以获得信息），但却加大了操纵员的认知负荷（所需信息需自己在屏幕页面进行查找，不再一目了然）。主控室操纵员的认知负荷水平的变化，会影响核电厂主控室操纵员人机交互绩效，存在造成人因失误的可能性。
认知负荷指在一个特定的任务时间内施加于个体认知系统的心理活动总量[3]。目前学者们经常采用的认知负荷测量方法主要有四种：主观测量、任务绩效测量、生理测量和多指标综合测量[4][5][6][7]。这四种方法各有其特点和缺陷。主观测量法虽然操作较为简单，干扰性小但缺乏及时性和客观性；任务绩效测量法依赖于任务的类型，不具有普适性；生理测量法虽具有及时性和客观性的优势但缺乏对生理信号的量化；多指标综合测量能够有效避免单一指标测量的局限性。但这些测量方法仅存在与定性研究层面，未能进行定量研究，还不够准确。因此近几年研究学者们针对认知负荷的进一步测量开始提出了注视熵的概念。
1.2研究现状
1.2.1认知负荷的国内外研究现状
1976年，人员“认知负荷”首次由Atwood和Polson[9]提出。Sweller[10]是第一个将认知负荷作为一种理论进行研究的学者。1988年，Sweller[10]提出了认知负荷就是在特定的任务时间内，施加于个体认知系统的心理活动总量。此理论以图式理论和资源有限理论为理论基础。随着认知负荷研究的深入，学者对认知负荷的概念也有了新的认识。国外学者Cooper[11]、Paas和Van Merrienboer[12]、Quiroga[13]等人均提出了各自对于认知负荷的理解，他们均认为认知负荷会占用和消耗个体的认知资源。国内学者辛自强[14]对Cooper所提出的认知负荷的概念表示了认同；曹宝龙[15和赖日生[16]等人认为认知负荷与个体的工作记忆有关。赵俊峰[17]认为认知负荷包括了理论和实践两个层面，从这两个层面出发，认知负荷可以被解释为个体对所需要完成的任务感到的责任和时间压力；孙崇勇[18]与国外学者意见一致，认为认知负荷是对个体认知资源的消耗。
自认知负荷理论被提出以来，针对认知负荷的研究开始向在线学习、教育、医疗、核电、汽车驾驶以及航空航天等各个领域发展。Blayney[19]等人以认知负荷理论为基础提出，如果学习者之前的专业知识水平有差异，那么其学习的结果就会有所不同，个体的专业知识程度会影响到个体的认知负荷；TondeJong[20]对如何优化工作记忆容量进行了研究，提出了建议，避免认知负荷过载的教学系统，来调整学习中的认知过载。汪明等[21]基于认知负荷理论，对如何有效地进行教学设计进行研究分析，提出了通过降低内在认知负荷、外在认知负荷以及提高相关认知负荷的方法可以提高教学设计的有效性的方法；赵立影等人[22]以认知负荷理论为基础，分析了影响认知负荷的多种教学策略，并给出了相应的降低认知负荷的策略；Kallus[23]等人采用综合任务分析方法、认知访谈、行为观察、观察后访谈以及飞行进度重建等方法，对飞行途中操纵者的认知负荷进行研究，确定了认知在管制活动中的地位和作用；Adams[24]基于认知负荷理论，着眼于民用航空领域，强调了对情景意识进行分析和精确理解的必要性；
第2章概念界定与理论基础
2.1认知负荷
2.1.1认知负荷的理论基础
资源有限理论和图式理论是认知负荷理论发展的基础。美国心理学家Kahneman在1973年提出了资源有限理论，即心理资源（认知资源和注意力资源）是有限的[18]。工作记忆容量是认知资源的主要组成部分。资源有限理论所依据的假设为：个体在做一件事情的时候，需要运用到个体的心理资源；而当个体需要同时做两项及以上的事情的时候可以共用心理资源，但是个体的心理资源是有一定的限度的。个体在同时完成两项及以上的任务时，大脑会依据不同任务的难度以及个体对于不同任务的兴趣进行心理资源的分配。当同时需要完成的任务所需的心理资源的总量低于个体所拥有的心理资源总量，那么我们认为个体可以同时完成这几项任务。如果个体在完成任务的过程中，任务完成过程中的信息加工阶段所消耗的心理资源超过了个体所拥有的心理资源总量，那么就会产生认知超负荷，即认知负荷过载，这会对操纵者的效率产生影响，甚至会产生安全威胁[48]。举例来说，假设人的心理资源总量为10个单位，当操纵一个消耗心理资源为4的任务时，个体可以很好地完成；再加入一个消耗心理资源为3的任务时，由于尚未达到最大的心理资源总量10，所以可以同时很好地完成这两个任务；但若完成第二个任务需要消耗的心理资源总量为8，那么当同时进行两项任务的操作时，所需心理资源已经超过最大心理资源量10，那么个体就无法同时完成两项任务，个体处于超负荷状态。
图式理论是认知负荷理论的第二个理论基础，最早提出“图式”一词的是著名哲学家康德。心理学研究者认为，人的生命中有太多的知识需要学习和掌握，人们在学习和积累知识时，并不会把这些知识胡乱地储存在脑子里，而是按所学到的知识的不同，把它们连接起来，形成一个储存知识的单元，这个单元叫做“图式”。心理学研究者们认为人的一生有很多需要学习和掌握的知识，人在进行知识的学习和积累的过程中并不是将这些信息杂乱地储存在大脑中，而是根据所学知识的主题对其进行相互之间的联系，以建立知识的存储单元，这种单元就被称为图式。
2.2眼动追踪技术
中世纪时期就开始了对眼动技术的研究，随着当今科学技术的进步，眼动设备可以很准确地对眼动数据进行采集，实时测量个体的眼动数据，为学者们研究视觉加工、在线学习注意力分配等提供了基础。眼动即眼球的运动。
眼动被定义为三种模式：一是注视。当个体观看某一点的时间大于100ms（一般为200~600ms）时，将其称为注视。注视期间也存在微弱的眼动。二是眼跳。个体从一个注视点迅速转向另一个注视点的过程，称之为眼跳，眼跳的速度可以达到400~600°/s。眼跳伴随注视点位置的改变而产生，一般认为眼跳过程中的信息是无用的。三是平滑追踪。当人眼追踪运动目标的过程称之为平滑追踪运动，其最大速度为30°/s[69]。
在利用眼动行为对某些指标进行测量时，需要对眼动指标进行量化，眼动指标主要有以下几种[69]：
注视时长（Fixation Duration）：指在某个规定的区域内，个体所有注视点的时长之和。注视时长可以反映个体对此区域的兴趣程度，证明个体对此区域越感兴趣；也可以反映个体的认知负荷大小，注视时间越长，证明获取信息的难度越大，认知负荷也就越大；也可以用于界面优化，当注视时间过长，证明信息获取难度大，界面设计不合理。
注视次数（Fixation Count）：指在某个规定的区域内，所有注视点的个数。注视点的个数可以反映任务的困难程度，注视点个数越多，证明任务越困难。
平均注视时间（Average Fixation Duration）：指在某个规定的区域内，每个注视点的平均注视时长。平均注视时间＝注视总时长/注视点的个数。平均注视时间可以反映个体信息处理的认知负荷的大小。平均注视时间越长，证明个体信息处理的认知负荷越大。
第3章注视熵的验证性分析...............................19
3.1研究方法与实验设计...............................19
3.1.1研究方法....................................19
3.1.2实验........................................20
第4章基于注视熵的认知负荷量化模型构建.................33
4.1量化模型的可行性分析.............................33
4.1.1技术可行....................................33
4.1.2理论可行....................................33
第5章总结与展望...........................42
5.1研究总结.......................42
5.2局限与展望.......................43
第4章基于注视熵的认知负荷量化模型构建
4.1量化模型的可行性分析
4.1.1技术可行
本次模型构建中所
