思维模型的观点在直觉上具有极大的吸引力。当我们与现实世界进行交互的时候，我们头脑中所产生并“运行”的内部模型的思想似乎在具有常识性的经验中根深蒂固。例如，想象一下在你的生命中所遇到的任何复杂的系统或是现象：汽车、电子制表软件、电脑、通货膨胀的经济学原理和你所工作的公司所具有的行政环境。为了建立对这些系统更深刻的理解，你需要一些内部的表示，你能够用你的思维视角对这些内部的表示进行模拟。这样的表示能够帮助你预测系统是如何在一种广泛的环境中进行运转的。此外，如果没有思维模型，你将在与现实世界进行交互的过程中面临很大局限。1943年，Kenneth Craik^[1]在写作的过程中将其表述为如下的话：

如果有机体承载了外部现实的“一个很小尺度的模型”和在头脑中其自身可能的动作，那么有机体就会试图做出不同的选择，推断出它们之中什么是最好的，并且在它们产生之前就对未来的情况进行反应，使用过去经历的知识来应对当前和未来的情况，同时会以每一种方式（更加全面、更加安全和更加适当的方式）对有机体所面对的紧急情况进行反应^[1]。

本章中，将探讨思维模型的意义是什么，为什么思维模型十分有用，同时还将探讨我们所研究的有关内容——也就是动态图表和表示的设计。我们将看到人类问题解决者使用思维模型的几个实例。这种理解将提供给我们对如何设计智能用户接口（图表在其中扮演中心角色）以很大帮助。本章的中心主题是给出某些图表，而这些图表能够促进对复杂系统的思维模型进行适当发展。

在进行任何更进一步的讨论之前，对思维模型的定义将是十分有益的。本章中，在很窄的范围内使用了“思维模型”，以便对知识的内部表示或是关于一个系统的专门知识进行表示。从这一方面，各类认知科学家提供的定义中都具有惊人的相似性。思维模型的一个定义是关于以下方面的知识：“系统是如何工作的，其组成部件是什么，它们是怎样关联的，内部的过程是什么，它们如何对组成部分产生影响。”^[2]另一个定义如下：“思维模型是‘相互联系的’独立物体的集合，使一个思维模型运行与通过使用内部规则和特别的拓扑传播信息以便调整模型的参数相一致。”^[3]这两种定义都使用了系统组成相互联系性的概念，本章中将对这一概念进行更进一步地完善。

两个定义的重要之处是人们有能力运行一个思维模型。根据这种观点，思维模型并不是一个静态结构，而是能够根据特定的背景和情景进行调整的动态结构。参数的传递和传播是允许以一种合适的方式使用思维模型的机制。通过这些机制，能够对未来的状态进行预测，或是能够对系统响应新的状态进行完成预测。“在人类眼中的模仿机器（或系统）”的表述很好地表达了这种思想。

人们为什么使用思维模型呢？首先，使用思维模型作为接口工具可以去预测在异常条件下的系统行为。思维模型能够使我们从系统参数中预测出系统的输出：可以通过调整系统参数和观测系统的行为是如何改变去运行思维模型。其次，可以使用思维模型生成说明和调整。在使用系统时这样的说明能够给我们信心，并且使我们更乐意去信任系统的结果。最后，能够将思维模型作为记忆装置进行使用，以便使对信息的记忆和长期保持更加便利。这里，思维模型可以给人们提供“封面的故事”，以便使对于系统的理解更加值得记忆并且便于回顾。

这三点原因的基础是对于使用思维模型去理解系统的一个假设：“我可以假设，对于理解的心理上的核心是存在于在你的头脑中你所拥有的对于现象的‘工作模型’”^[4]。因而，思维模型能够使用户对系统产生更深的理解，用户在与这一系统进行交互时可以有意识或无意识地选择这一系统进行使用。因而，通过预测、解释和长期保持的帮助，这一更深刻的理解能够提高用户的问题解决能力。

在本章中，从概念模型（这一模型通过一些类型的图表十分典型地表示出来^[5]）中区别了思维模型。稍后，在本章中，将看到由图表表示的概念模型的实例。思维模型是目标系统的用户模型，是存在于人类头脑中的系统的模型。随着人类对系统建立更多的经验，模型也在发展，并且变得更为精确。因而，在所给出的任何时间点，思维模型（如同用户眼中所看到的）是动态的，并且常常是目标系统的不完全定义。另一方面，概念模型典型的是设计者对于目标系统的完整定义。如此看来，概念模型就是目标系统的精确、一致和完整的表示。我们希望用户的思维模型能与系统设计者的概念模型相一致。(www.daowen.com)

许多对思维模型进行调查的实验研究表明用户如何经常产生了病态形式的思维模型：这些模型是不完整的、错误的、矛盾的、在时域上不稳定，并且常常是充满迷信的。例如，一项研究通过使用计算器来审视人类的思维模型^[6]。用户将经常会对一些计算器产生不信任，甚至当他们已经充分意识到了计算器的存在。用户常常采取其他的步骤或是不能有效利用计算特性。例如，即使当用户意识到中间的结果会存储在计算器内存中，他们也将经常清除显示（有时候按下清除按钮许多次），或是将部分结果写在一张纸上。

另一个实验研究^[7]表明用户的思维模型是随时间发展的。这项研究对思维模型进行了调查，这些思维模型是人们在试着理解并且证明一个简单的热交换器（用这一热交换器对热的流体进行冷却）的动作是合理的过程中所建立的。在有声思维协议^[2]中，一个目标开始建立一系列的包含三个逐步完善的模型。每一个成功的模型比先前的模型都能够做出更多的预测，并且在前面的模型失效时，能够提供更加正确的预测。在开始时，目标由试验者的问题驱动，以便产生部分正确的系统模型，这些模型仅仅能够说明所观测到的现象。当目标不能回答问题时，将构建一个新的并且是更全面的模型，以便说明无法解释的行为。

这一实验研究说明思维模型是一个动态结构。随着时间推移并且随着对系统更多地了解，人们可以逐渐开发出更为有力的思维模型（相反，如果不使用系统或错误地使用系统，那么思维模型都有可能会恶化）。那么，可以对思维模型的发展进行记录，这更像是认知技巧的发展。当思维模型进化时，三个建立过程可能起到了作用^[8]。首先，泛化意味着思维模型变得更加有力，这是因为泛化在更加变化多样的情形下将会起到作用。第二，辨别意味着思维模型对于在给定的情形中的变化更加敏感，以使思维模型能够添加重要的新条件，而这些条件在之前被忽视了。第三，强化意味着坚持在过去成功应用的思维模型的一些方面，并且这些方面被表现得更加突出和显著。

个体如何建立并形成的思维模型呢？有时不是不可能，但很难得到一个完整和精确的思维模型。爱因斯坦和英菲尔德将获取思维模型比作是一个人试着去理解一个封闭的手表的运行机理。也就是当我们努力去理解现实的时候，我们有点像一个试着去理解封闭手表运行机理的人。这个人能够看到表的外观和指针，甚至听到表的滴答声，但是他却没有办法打开表壳。如果这个人是天才，他可以形成关于表的运行机理的一些图片，这些运行机理可能与他所见的所有的事物有关^[9]。

事实上，大多数人从没有获得一个正确的思维模型，这可能是一种十分常见的情形。也就是所考虑的系统更像是一个众所周知的封闭手表一样，在检查时是难以理解的，并且是不可见的。这些人必须使自己满足于对系统所具有的很肤浅的认识。这种理解可能能够满足绝大多数的目标。另一方面，学习者可以动态地建立和获得思维模型。个人能够创建和建立他或她自身的思维模型，这可以通过个人的观察、实验、错误、其他人的解释和个人为自身构建模型的简单能力（这或是来自一系列的基本元素，或是来自于个体已经在内部所拥有的相似模型）来获得^[10]。

与动态学习观点或是与个体将能动地构建自身的思维模型这一思想相反的是将要精确地提供去进行理解的系统概念模型所需要的方法。本书所推荐的方法就是这一方法。在本章中，我们将看到大量的图表帮助的实例，这些图表可作为系统的概念模型使用。这些图表可能能够帮助用户尝试去学习如何能够更好地理解系统，以便相对于应用动态学习方法的方式，更为有效地并且在更短的时间内开发出一个更为丰富的思维模型。此外，如同对在思维模型上的研究可以详细地说明，如果任由学习者自行其是，那么将常常建立非常不精确的思维模型。