A model of cognitive load for computer-aided design performance

Computer-Aided Design (CAD) modelling is a common activity in contemporary engineering design, yet CAD performance is not formalised in a way that makes its key elements, influencing factors, and underlying mechanisms explicit. CAD modelling is also a cognitively complex human–computer interaction (HCI) activity that can impose high demands on limited information-processing resources, making cognitive load (CL) relevant both as an individual construct and in relation to CAD performance. However, CAD-specific CL indicators are not well established and reliable approaches for continuous CL measurement and interpretation in realistic CAD tasks remain limited. This thesis addresses these gaps by observing CAD modelling from the lens of information processing as the use of perceptual, cognitive, and motor resources to transform design problem information (inputs) into design representations (outputs), through a CAD modelling process that unfolds over time. The research aimed to develop and validate 1) a theoretical model of engineering designers’ performance in CAD activities, 2) a theoretical model of CL in CAD activities, and 3) a method for measuring and analysing CL in the CAD context, while it hypothesised that psychophysiological monitoring enables assessment of CAD activity performance. The findings from the literature review were corroborated with the first empirical study, where 20 engineering designers generated 3D CAD models from technical drawings with isometric or orthographic projections, while CAD performance was assessed through outcome- and process-based measures and EEG was recorded during modelling. The study was positioned as an initial empirical step to verify prerequisites for later model and method prescription; that a practically relevant influencing factor (representation format, operationalised through projection type) produces measurable differences in CAD performance outcomes and CAD modelling processes, that EEG recording during realistic CAD modelling is feasible and sufficiently sensitive to detect condition-related differences in brain activity, and that human performance (cognitive) modelling is feasible and informative for representing CAD modelling as a structured process through mapping observable CAD behaviour to perceptual, cognitive, and motor (P, C, M) operators. The findings confirmed representation format as an influencing factor reflected in both modelling outcomes and processes across multiple hierarchical goal/task levels and showed that brain activity is sensitive to projection type, implying that representation format can modulate CL. The study also established a hierarchical task decomposition supported by timeline visualisations, thereby providing a foundation for process-based analysis and subsequent theoretical modelling. Building on these theoretical and empirical insights, the thesis developed complementary theoretical models of CAD performance and CL and prescribed a multimodal method integrating subjective CL assessment (NASA TLX), psychophysiological measurement (EEG), and utilisation-based human performance modelling, with defined data inputs and information flow for task- and segment-level analysis. The CAD performance model links observable interaction with a CAD system to P, C, and M operators and supports systematic comparison across engineering designers and CAD tasks. The CL model is anchored in the model of CAD performance. It quantifies CL through P and C operator utilisations and explicit equations linking these utilisations to WL and CL, and it introduces segment-specific weighting to represent differences in information-processing demands across unit task phases and intermediate subtasks. The method operationalised CAD modelling by decomposing the process into hierarchical task segments, mapping observable CAD behaviour to P, C, and M operators, computing indicators based on the utilisation of these operators and dynamic CL estimates, and relating CL indicators to process- and outcome-based CAD performance metrics. A second experimental study with 24 engineering designers then operationalised and tested the integrated method under varying internal task complexity. The study identified parietal and occipital alpha task-related power (TRP) as a prominent EEG-based CL indicator in the CAD context. Utilisation-based indicators provided process-level discrimination across unit task phases and intermediate subtasks, while dynamic alignment between EEG-derived and utilisation-derived CL timeseries indicated that these metrics capture overlapping but distinct aspects of CL. Regression analyses linking utilisation-based CL estimates to overall CAD modelling performance provided evidence supporting the research hypothesis; higher estimated CL was consistently associated with lower performance, and weighted utilisations showed the clearest and most robust relationship, indicating added explanatory value when operator utilisations are combined with EEG-derived information-processing weights. Based on the results of the second empirical study, the thesis also proposed a simplified utilisation-based method variant that preserves the ability to track CL changes across the modelling sequence with reduced experimental data and analysis requirements. Therefore, the thesis contributes two validated theoretical models (engineering designer’s performance and CL in CAD activities) and an operational multimodal method for measuring and analysing CL in CAD modelling.

La modellazione Computer-Aided Design (CAD) è un’attività comune nella progettazione ingegneristica contemporanea; tuttavia, la stima della prestazione relativa alla modellazione CAD non è formalizzata in modo tale da rendere espliciti i suoi elementi chiave, i fattori che la influenzano e i meccanismi sottostanti. La modellazione CAD è inoltre un’attività di interazione uomo-computer (Human–Computer Interaction, HCI) cognitivamente complessa, che può imporre elevate richieste a risorse limitate di elaborazione delle informazioni, rendendo il carico cognitivo (Cognitive Load, CL) rilevante sia come costrutto individuale sia in relazione alla prestazione della modellazione CAD. Tuttavia, gli indicatori di CL specifici per la modellazione CAD non sono ancora ben consolidati e gli approcci affidabili per la misurazione e l’interpretazione continua del CL in compiti CAD realistici rimangono limitati. Questa tesi affronta queste lacune osservando la modellazione CAD dalla prospettiva dell’elaborazione delle informazioni, intesa come utilizzo di risorse percettive, cognitive e motorie per trasformare le informazioni del problema progettuale, ossia gli input, in rappresentazioni di sistemi tecnici, ossia gli output, attraverso un processo di modellazione CAD che si sviluppa nel tempo. La ricerca ha avuto l’obiettivo di sviluppare e validare: 1) un modello teorico della prestazione dei progettisti ingegneristici nelle attività CAD, 2) un modello teorico del CL nelle attività CAD e 3) un metodo per misurare e analizzare il CL nel contesto CAD, ipotizzando che il monitoraggio psicofisiologico consenta la valutazione della prestazione nelle attività CAD. I risultati emersi dalla revisione della letteratura sono stati corroborati dal primo studio empirico, nel quale 20 ingegneri progettisti hanno generato modelli CAD 3D a partire da disegni tecnici con proiezioni isometriche o ortografiche, mentre la prestazione in CAD è stata valutata mediante misure basate sia sull’output sia sul processo anche attraverso i dati da elettroencefalografia (EEG) registrati durante la modellazione. Lo studio è stato concepito come un primo passo empirico volto a verificare i prerequisiti per la successiva prescrizione del modello e del metodo: • che un fattore di influenza rilevante dal punto di vista pratico, ossia il formato di rappresentazione, declinato secondo diversi metodi di proiezione, produca differenze misurabili negli esiti della prestazione CAD e nei processi di modellazione CAD; • che la registrazione EEG durante una modellazione CAD realistica sia fattibile e sufficientemente sensibile da rilevare differenze nell’attività cerebrale legate alla condizione sperimentale; e • che la modellazione della prestazione umana, di tipo cognitivo, sia fattibile e informativa per rappresentare la modellazione CAD come un processo strutturato attraverso la mappatura del comportamento CAD osservabile su operatori percettivi, cognitivi e motori (P, C, M). I risultati hanno confermato il formato di rappresentazione come fattore di influenza, con effetti visibili sia negli esiti sia nei processi di modellazione attraverso molteplici livelli gerarchici di obiettivi e compiti. Hanno, inoltre, mostrato che l’attività cerebrale è sensibile al tipo di proiezione, suggerendo che il formato di rappresentazione possa modulare il CL. Lo studio ha inoltre stabilito una decomposizione gerarchica del compito supportata da visualizzazioni temporali, fornendo così una base per l’analisi basata sul processo e per la successiva modellazione teorica. Sulla base di queste evidenze teoriche ed empiriche, la tesi ha sviluppato modelli teorici complementari della prestazione CAD e del CL, e ha prescritto un metodo multimodale che integra la valutazione soggettiva del CL (attraverso NASA TLX), la misurazione psicofisiologica (attraverso EEG) e la modellazione della prestazione umana basata sull’utilizzazione delle risorse, con input di dati e flussi informativi definiti per l’analisi a livello di compito e di segmento. Il modello di prestazione CAD collega l’interazione osservabile con un sistema CAD agli operatori P, C e M, e supporta un confronto sistematico tra progettisti ingegneristici e compiti CAD. Il modello di CL è collegato direttamente al modello di prestazione CAD. Esso • quantifica il CL attraverso le utilizzazioni degli operatori P e C e mediante equazioni esplicite che collegano tali utilizzazioni al carico di lavoro (Workload, WL) e al CL; inoltre, • introduce una pesatura specifica per segmento per rappresentare le differenze nelle richieste di elaborazione delle informazioni tra le fasi dei compiti unitari e i sottocompiti intermedi. Il metodo ha caratterizzato la modellazione CAD decomponendo il processo in segmenti gerarchici inerenti le attività svolte, mappando il comportamento CAD osservabile sugli operatori P, C e M, calcolando indicatori basati sull’utilizzo degli stessi operatori e stime dinamiche del CL, e mettendo in relazione gli indicatori di CL con misure della prestazione CAD basate sia sul processo sia sull’output. Un secondo studio sperimentale con 24 progettisti ingegneristici ha quindi applicato e testato il metodo integrato in condizioni di diversa complessità interna del compito. Lo studio ha identificato la Task-Related Power (TRP) nella banda alfa nelle regioni parietale e occipitale come un indicatore EEG prominente del CL nel contesto CAD. Gli indicatori basati sull’utilizzo degli operatori PCM hanno consentito di discriminare compiti unitari e i sottocompiti intermedi a livello di processo, mentre l’allineamento dinamico tra le serie temporali di CL derivate dall’EEG e quelle derivate dall’utilizzazione ha indicato che tali metriche catturano aspetti sovrapposti ma distinti del CL. Le analisi di regressione che collegano le stime del CL basate sull’utilizzo di operatori PCM alla prestazione complessiva nella modellazione CAD hanno fornito evidenze a supporto dell’ipotesi di ricerca: un CL stimato più elevato è risultato costantemente associato a una prestazione inferiore, e le utilizzazioni pesate hanno mostrato la relazione più chiara e robusta, indicando un valore esplicativo aggiuntivo quando l’utilizzo degli operatori PCM viene combinato con pesi di elaborazione delle informazioni derivati dall’EEG. Sulla base dei risultati del secondo studio empirico, la tesi ha inoltre proposto una variante semplificata del metodo basato sull’utilizzo di operatori PCM, che preserva la capacità di tracciare i cambiamenti del CL lungo la sequenza di modellazione con requisiti ridotti in termini di dati sperimentali e di analisi. Pertanto, la tesi contribuisce con due modelli teorici validati, relativi rispettivamente alla prestazione di ingegneri progettisti e al CL nelle attività CAD, e con un metodo multimodale operativo per misurare e analizzare il CL nella modellazione CAD.