人机界面的基本概念与分析

第二章人机界面的基本概念与分析教学目标：掌握人机界面的基本概念，分析方法，开发过程教学内容人机界面的基本概念人机界面的分析方法人机界面的软件开发过程重点、难点人机界面的分析方法教学基本要求掌握人机界面的分析方法掌握人机界面的开发过程教学过程设计（参看课件）2—1人机界面的基本概念用户体验，英文叫做UserExperience,缩写为UE,或者UX。它是指用户访问一个网站或者使用一个产品时的全部体验。他们的印象和感觉，是否成功，是否享受，是否还想再来/使用。他们能够忍受的问题，疑惑和BUG的程度以用户为中心的设计，英文叫做User-CenteredDesign缩写为UCD信息架构，英文叫做Informationarchitecture，缩写为IA。它是一个整理信息，斡旋信息系统与使用者需求的过程，主要是要将信息变成一个经过组织、归类、以及具有浏览体系的组合结构。这样的结构性设计将使得使用者对于信息的内容存取更直接，让使用者的任务更容易完成，它也可说是在结构与分类上的艺术与科学，可以帮助我们寻找信息并且予以管理。交互设计，英文叫做InteractionDesign交互设计是指设计人和产品或服务互动的一种机制，以用户体验为基础进行的人机交互设计是要考虑用户的背景、使用经验以及在操作过程中的感受，从而设计符合最终用户的产品，使得最终用户在使用产品时愉悦、符合自己的逻辑、有效完成并且是高效使用产品。交互设计的目的是使产品让用户能简单使用。任何产品功能的实现都是通过人和机器的交互来完成的。因此，人的因素应作为设计的核心被体现出来。HCI：humancomputerinteraction人机交互用户界面-Userinterface图形界面-GraphicsUserInterface在人和机器的互动过程中，有一个层面，即我们所说的界面。从心理学意义来分，界面可分为感觉（视觉、触觉、听觉等）和情感两个层次。有效的界面设计经常是预见的过程，设计目标是开发者根据自己对用户需求的理解而制定的。优秀的界面简单且用户乐于使用，这意味着设计需适应硬件的局限。易用性-Usability是交互式IT产品/系统的重要质量指标，指的是产品对用户来说有效、易学、高效、好记、少错和令人满意的程度，即用户能否用产品完成他的任务，效率如何，主观感受怎样，实际上是从用户角度所看到的产品质量，是产品UsabilityEngineer使用性工程师HandsetUserInterface手持设备用户界面(HUI)humancomputerinteraction人机交互(HCI)ManMachineInterface人机接口(MMI)2—2人机界面的基本特性2—3人机界面的应用领域2—4人机界面的分析方法2—4—1研究人机界面的工具和方法2—4—2人机界面的用户分析界面设计的分析阶段包括任务分析和学习者特点分析。其中任务分析与其他系统的分析基本一样。本节只讨论学习者特点的分析。1、学习者特点分析计算机辅助教学中人机界面的建立应该满足学习者的需要，因此很有必要知道什么样的人在使用界面。不同的学习者对有关计算机知识的条件以及影响他们使用界面的因素是不同的。学习者特点分析的目的就是要获得有关学习者技能和经验的全部信息，预测学习者对不同的界面设计的反应。这样我们就能作出管理上的判断，并使界面的复杂性符合学习者的能力。因而学习者特点分析的关键在于对学习者类型的分类。学习者类型的分法有许多种，它对界面的设计有重要的意义。一般把学习者分成以下四类：♦生手指从未使用过计算机系统的学习者。他们不熟悉计算机的操作，缺乏有关计算机系统的知识。他们对计算机会产生一种陌生的感觉。♦新手指有一定的计算机经验，但对计算机辅助教学系统来说不熟悉的学习者。刚开始使用某个计算机辅助教学系统的学习者都是新手。这些学习者容易出错误。♦熟手指对某些计算机系统已有许多经验，已成为熟练操作员的学习者。大多数经常操作计算机的学习者随着时间的延伸会变得熟练起来，他们要求有一个能快速使用的界面。但熟练的学习者可能对系统结构的了解甚少，因而他们缺乏改正意外错误和扩展系统的能力。♦专家专家学习者一般具有计算机软件的专长，深入了解系统运行原理，有修改和维护系统的能力。以上学习者分类法只是为学习者分析提供了一个基础。其实，学习者分类远不是这么简单。在某一学习者总体中，学习者类型经常是混合的，而且同一学习者会随着时间而发生变化。我们在进行学习者分类时应注意到这一点。2、学习者特点的度量标准要对学习者进行分类，需要有基本的衡量尺度。这种尺度有多种，如学习者使用系统的频繁程度、了解系统的程度，以及需要学习的程度等。度量尺度的选择与学习者操作系统的作业成绩有关。例如，使用频次会对学习者的熟练程度发生影响。学习者分类的度量标准一般分为以下几种：♦使用频次经常使用计算机的学习者能较快地获得技能和经验。如果频率很低，技能的发展就会很慢，需要更具有支持性的界面。使用的频率有时也会发生变化。如果经常使用的学习者长时间不用，也会忘掉一些重要信息，也要向他们提供一定的帮助。♦使用随意性使用某一系统对某一个人可能是必须的，也可能不是必须的。例如，公司销售的数据检索人员就必须使用销售订货处理系统。但是是否要用类似销售订货处理系统的软件作预测则是一件很随意事。对于学习者来说不管是何种界面都要求是友好的。但是随意使用的学习者界面，在界面的易用程度上必须更胜一筹。否则，这种系统可能永远不会被使用。♦计算机的熟悉度大多数学习者都有使用计算机的一些经验。但不同的学习者使用计算机经验的程度有很大的差别。学习者训练对熟悉度有很大的影响。♦学习者知识某些学习者具有相当多的计算机程序设计和操作的知识。这些专家学习者有能力扩充系统及其界面的功能。因而他们需要一种灵活的程序设计，或以部分语言型的界面满足他们的要求。♦学习者智能这是对学习者一般知识与智力的度量，用以决定学习者能接受界面的复杂程度。♦学习者人体操作能力和技能如果采用新的设备和工作环境，就必须对学习者的人体操作能力和技能工效学分析，以满足学习者的要求。例如分析学习者使用鼠标、扫描仪等的经验和技能。利用以上的度量标准，可以了解有关学习者特点的一般情况。同时也应了解有关学习者变异的情况，以便使界面满足不同类型学习者的要求。界面设计理论界面设计也需要在一定的理论思想指导下进行。心理模型和学习者模型、人机界面设计的理论模型分类等是界面设计理论中应该考虑的内容。1、心理模型和学习者模型心理模型及其分类在人与计算机系统进行通讯或对话时，需要建立系统工作的心理模型。人们利用这种，模型就能预测在完成某些行动时，系统会表现出来的特性，也能模拟在某些成分的工作不正常时系统的行为特点。心理模型可分为下列几类：♦结构模型和动态模型：结构模型是以一种不变的方式描述一个系统。动态模型则描述系统随时间发生变化的情况。♦成分模型、拓扑模型和几何模型。结构模型可以分解成若干简单的成分模型，也可以分解成各种拓扑结构模型或几何结构的模型。♦行为模型和内部结构模型。在动态模型中，行为模型只是根据系统的输入和输出来描述一个系统。而内部结构模型则把系统分解成各成分间的相互作用。♦聚合模型和机械模型。内部结构模型可以是聚合的，也可以是机械的。在聚合模型中，各成分的行为方式一致，而在机械模型中，各成分的行为方式各不相同。♦因果模型和同步模型。内部结构模型可以是因果的，也可以是同步的。聚合模型实质上是同步的。机械模型既可把成分分解成因果链，也可把它们看成是同步发生的。♦行为流模型和信息流模型。在因果模型中，既可有行动流的模型，也可有信息流的模型。前者强调系统中的物质和能量，后者强调系统中的信息。学习者模型随着计算机辅助教学系统变得越来越复杂和人工智能技术在教学系统设计中的应用，在人机系统相互作用方式的设计中应考虑学习者在兴趣和知识背景上的差异。可以考虑开发出具有复杂学习者模型的机器系统。建立学习者模型可以在三个不同水平上进行：第一个水平的学习者模型只是考虑学习者的生理和身体的特征。例如，假定学习者是右利手的，有一定数目的手指和一定的肌肉力量等。有时，学习者模型并不是明确表述的，而是隐含在教学系统的功能之中。第二个水平的学习者模型是在第一个水平是进一步考虑了学习者的认知加工能力。例如，机器系统可能会假定学习者最多能记住多少数据。所有都无一例外地对学习者的认知功能作了假设。但是在过去，这一水平上的学习者模型没有明确提出来，而是隐含在教学系统之中。这一点在复杂的教学系统中更是如此。因为在复杂的教学系统中，影响学习者的各系统成分是独立设计的。若把整个教学系统看成一个认知系统就有助于将教学系统所有成分整合成一个协调系统。人机之间的不匹配一般都来自教学系统设计者不能明确说明教学系统对人的要求。第三个水平上的学习者模型是把机器也看作是一个认知系统，至少把它看作是模拟了人类认知系统的某些功能。机器系统的学习者模型除了要包括学习者的认知加工技能及其局限性外，还要具有人和机器这两个认知系统如何相互作用的模型。2、人机界面设计的理论模型分类在人与计算机界面中，学习者模型和心里模型共同结合而成为理论模型，它可分为如下几类:♦认知模型：心理学工作者为深入理解人的心理过程而构建的信息加工模型。♦学习者知识模型：主要用于计算机辅助训练以及自适应界面的模型。这类模型主要描述某一领域内的知识类型以及知识类型间的关系。这些模型都嵌入在软件中。♦学习者特点模型：根据技能与能力对学习者进行分类的模型。♦学习者任务模型：学习者关于任务功能及其操作顺序结构的模型。♦学习者系统模型：学习者有关系统结构的模型。这种模型既可以用视觉类比来表示，也可用语言描述。在界面设计中，与软件直接有关系的理论模型有学习者任务模型、学习者系统模型和学习者特点模型。各种模型的关键点在于兼容性程度。一个界面的结构和操作与学习者所设想的越一致，该界面就越容易学习和被接受。许多学习者根据过去使用类似教学系统的经验来建立系统的心理模型。当学习者第一次遇见系统时，学习者的心理模型可能是很含糊的，但会随经验的增加而不断完善。任务模型和学习者系统模型有两个维度，第一是系统静态结构（系统各部分及其相互关系），它与界面显示的设计有关。第二是系统运行的动态特征，它与对话设计有关。学习者的系统模型的分析对界面的表示是非常重要的。如有可能应尽可能采用学习者的语言。系统的视觉类比也可直接转变城图符形式，学习者系统模型对于对话的设计也会有很大的帮助，它可以从学习者的观点来反映系统的功能组成。2—4—3用户的使用需求分析需求分析是创作一种新软件产品的第一阶段。该阶段的任务就是确定用户对应用系统的具体要求和设计目标。需求分析的方法很多，如结构化程序设计在需求分析阶段采用的是结构化分析，即采用“自顶向下”逐步分解的原则，运用相应的工具，进行设计目标描述。在用户需求提出后，设计人员还要从各种不同角度来分析问题，尽可能列出解决问题的各种策略，最后，评估各种方案的可行性，从众多的分析方案中找出一个可行性高而最有价值（创意新颖）的方案。2—4—4界面的分析人机界面的风格分析这里所指的人机界面的风格，是指计算机系统的用户界面上控制输入的方法，大致经过了四代的演变：1命令语言：在图形显示、鼠标、高速工作站等技术出现之前，现实可行的界面方式只能是命令和询问方式，通信完全以正文形式并通过用户命令和用户对系统询问的响应来完成。这种方式使用灵活，便于用户发挥其创造性，对熟练的用户有很高的工作效率，但对一般用户来说要求高，易出错，不友善并难于学习，它的错误处理能力也较弱。2菜单选项：这种方式与命令行方式相比不易出错，可以大大缩短用户的培训时间，减少用户的击键次数，可以使用对话管理工具，错误处理能力有了显著提高。但使用起来仍然乏味，可能出现菜单层次过多及菜单选项复杂的情形，必须逐级进行选择，不能一步到位，导致交互速度显得太慢。3面向窗口的点选界面此类界面亦称WIMP界面，即窗口(Windows)、图标(Icons)、菜单(Menus)、指示器(PointingDevice)四位一体，形成桌面(Desktop)°这种方式能同时显示不同种类的信息，使用户可在几个工作环境中切换而不丢失几个工作之间的联系，用户可通过下拉式菜单方便执行控制型和对话型任务，引入图标、按钮和滚动杆技术，大大减少键盘输入，对不精于打字的用户无疑提高了交互效率。4自然语言使用自然语言与应用软件进行通信，把第三代界面技术与超文本、多任务概念结合起来，使用户可同时执行多个任务(以用户的观点)。随着文字、图形、语音的识别与输术技术的进一步发展，多媒体技术在人机界面开发领域内的进一步发展，自然语言风格的人机界面将得以迅速的发展，最终走向实用化。2—4—5开发用户友好性系统的设计方法界面设计形式界面设计的形式可以根据学习对象的年龄、专业、学科等不同的特点而有所不同。但是不论界面的设计形式如何变化，界面设计标准和界面中的对话设计形式应该有一个基本的统一。1、 界面设计标准在任务实际完成后，就需要选择界面设计的形式。这是一个需认真决策的过程，必须在系统任务和软硬件的约束之下，使界面设计形式符合学习者的特点。许多不同类型的界面设计形式已在人机界面中得到应用，它们的质量与功用也各不相同。界面设计人员必须熟悉各种界面形式的特点。大多数界面使用一种以上的设计形式，每一种形式满足一组任务的要求。设计的复杂程度要合适，以便支持所有的学习者。界面设计的主要标准有：♦易用性：对无经验的学习者，界面使用的难易程度。♦易学性：学习界面命令与功能的难易程度。♦操作速度：完成某一操作时界面的效率。通常用操作步骤，击键或反映时来衡量。♦复杂性：所能提供的功能范围，以及这些功能能否以新的方式组合以扩展界面的能力。♦控制：由学习者还是计算机发起和控制的对话。♦易开发性：设计界面的难易程度，开发这种界面需要花费多大的努力。2、 对话设计的形式问答式。这是一种简单的人一计算机对话方式。它由计算机提示一系列的问题，由人作出回答。其最简单的形式只作是和否(Y/N)反应，也可填入复杂的数字和字母。学习者的回答只限于很少一组有效的反映。因而这类对话的复杂程度，受到极大的限制。问答对话容易使用和学习，因为它给出了完整的提示，告诉用于该做什么。（2） 菜单。菜单是一种适合于无经验学习者的简单对话形式。在菜单中所有可能的项目都作为提示显示在屏幕上，学习者用一字母或数字选择其中之一。单个屏幕上每次显示的菜单数量是有限的，一般最后局限于9各项目。超过这个项目就会使短时记忆负荷过大，会增加菜单内的搜索时间。因此，选择项很多的系统可采用层次结构，为学习者提供一种逻辑路径。这种方法对没有经验的学习者简便易用，但对专家学习者则会感到太慢太繁。菜单常常用于提取功能。但是当选择项目有限时，也可用作数据输入。对菜单的编程比较容易，学习者也容易检验它的正确性。但是菜单所消耗的CPU资源较多。对远程终端来说，若每次大量地改变屏幕的内容，会使系统的反应时大大增加。（3） 图符。图符是一种类似显示菜单那样在显示器上表示不同功能的图象，如Windows视窗界面上的图符。学习者若要选择某一功能，只要用鼠标等指示装置把光标指向图符即可。如果图符设计得非常逼真，它将是一种非常有效的技术。对有经验和无经验的学习者，其学习和操作时间都会大大减少。图符也可说是一种超越语言障碍的国际对话语言。由于对图符的解释存在着很大的个体差异，因此，图符必须配有一定的文字说明。图符通过拟物化来产生意义，这对某些的对象很容易实现，但对一些抽象的概念却很难表达。若图符所表示的对象是唯一的或无异义的，它的作用就很大。但是当用图符表示几个类似的项目时，界面设计者要设计可区别且有意义的图形就很不容易。（4） 填表填表是一种数据输入时常用的对话形式，它也可用在数据的提取和编辑中。这种办法的核心是在CRT屏幕上显示一张与一般使用的表相类似的表。显示中有整个表的表头，还有不同数据域的表头和提示数据位置的光标等。在填表式对话方式中，使用相同的显示可完成数据的提取、显示和编辑。表格的优点在于它具有与传统行文档案相类似的布局。其操作步骤也清楚明了。在数据输入对话中，填表时伴有联机核对。（5） 命令语言。命令语言具有很多不同的类型，其中包括单词命令和具有一定语法的复杂命令。命令语言的一个基本特点就是几乎都不向学习者显示附加的信息。学习者输入命令的位置有提示符指示。由于显示的信息较少，命令语言对屏幕空间的使用和在数据传输上是非常经济的。命令语言的最大优点在于其界面的完善性和灵活性。如果一个系统具有许多学习者想调用的功能，而且这些功能需要不同的组合，那么命令语言就是一种理想的界面。这是因为不同的功能可以用语法组合在一个句子中。一旦形成语法，就可以用嵌套的方法形成更复杂的命令。这种界面对控制某些系统来说是一种完善的、能扩充的界面。命令语言的缺点在于学习编码和语法的时间很长。这种界面对初学者是难以使用的。如果命令语言不只是采用某些关键词，那么就会增加编程的难度，增加学习者的负担，因为这时相当于建立一个简单的编译器。（6） 自然语言。自然语言采用学习者自然的通讯方法。按理说，它是最理想的人机界面。然而从学习者的角度看这种方法有许多局限性，而且还带来计算量大等问题。自然语言既可用语言直接输入，也可用键盘输入。语言输入是一种较快的理想方法，但目前的语言识别技术还未达到成熟的地步。键盘输入的方法费时较长，且容易出错。自然语言理解的主要问题在于可在不同层次上产生意义，要真正做到自然语言对话，必须建立具有智能的机器以及相应的语义数据库。因此，目前自然语言界面只局限于在某些领域中使用。（7） 交互类型。许多时候，系统的功能往往决定了可采用的界面设计类型。如一个超大规模集成电路（VLSI）,其设计系统就必须要求一个交互的图形界面，以及电路元件的图符库。因此有必要根据交互作用的类型对任务进行分类。主要的交互类型有：数据输入、数据显示、数据提取（搜索和显示）、数据编辑、命令（学习者调用的系统功能）、对话、等等。这些分类并不是互相排斥的，作这样的分类可对界面设计起到一般的指导作用。2-4-6人机界面设计的黄金法则1） 合理性原则，即保证在系统设计基础上的合理与明确。任何的设计都既要有定性也要有定量的分析，是理性与感性思维相结合。努力减少非理性因素，而以定量优化、提高为基础。设计不应人云亦云，一定要在正确、系统的事实和数据的基础上，进行严密地理论分析，能以理服人、以情感人。2） 动态性原则，即要有四维空间或五维空间的运作观念。一件作品不仅是二维的平面或三绝的立体，也要有时间与空间的变换，情感与思维认识的演变等多维因素。3） 多样化原则，即设计因素多样化考虑。当前越来越多的专业调查人员与公司出现，为设计带来丰富的资料和依据。但是，如何获取有效信息，如何分析设计信息实际上是一个要有创造性思维与方法的过程体系。4） 交互性原则，即界面设计强调交互过程。一方面是物的信息传达，另一方面是人的接受与反馈，对任何物的信息都能动地认识与把握。5） 共通性原则，即把握三类界面的协调统一，功能、情感、环境不能孤立而存在。6） 用户原则。人机界面设计首先要确立用户类型。划分类型可以从不同的角度，视实际情况而定。确定类型后要针对其特点预测他们对不同界面的反应。这就要从多方面设计分析。7） 信息最小量原则。人机界面设计要尽量减少用户记忆负担，采用有助于记忆的设计方案。8） 帮助和提示原则。要对用户的操作命令作出反应，帮助用户处理问题。系统要设计有恢复出错现场的能力，在系统内部处理工作要有提示，尽量把主动权让给用户。9） 媒体最佳组合原则。多媒体界面的成功并不在于仅向用户提供丰富的媒体，而应在相关理论指导下，注意处理好各种媒体间的关系，恰当选用。（详见媒体的选择）2-4-7几种常用的人机界面设计原则建构主义的学习观认为，学习者是在一定的学习环境中，通过和环境的相互作用实现知识的发现，问题的解决的。学习环境不仅是指学习者学习、生活的环境，而且还包含着学习动机，学习兴趣，思维方式等方面的信息。作为一种新型的教学传播方式，利用CAI多媒体课件进行教学就是要让学习者实现知识的高效率学习，同时培养学习者探索知识，发现知识的能力，以及分析问题，解决问题的能力，最终成为具有创新意识的人才。好的人机界面设计会有助于达到这样的一种教学效果。界面的设计没有固定的模式，但有着以下基本的设计原则：♦界面上内容明了，信息区、交互区的排列位置合理。♦界面结构设计美观合理，主题突出。♦交互图标意义明确，使用方便，易于接爱。♦动画的变化速度合理。♦支持键盘，鼠标双重操作。♦具有帮助功能。在这些基本的设计原则下，还需要考虑到使用多媒体CAI课件的学习对象及其相应的学习环节。学习对象分为在校学习者、在职的业余学习者和社区学习者，学习者还有年龄的差异。人机交互界面的设计原则要适应不同学习对象和不同学习环境的差异。研究人机交互界面设计的目的就是要从学生的行为模式、心理认知模式等方面来分析什么样的人机界面才能使学生与计算机之间能进行轻松便利的交互，让学生更有兴趣并取得最佳的学习效果。在人机界面中，若学生能够向计算机提问，那么人机交互将又向前迈进一大步，达到高水平的人机交互作用。在这种高水平的人机交互作用里，学生将可以通过人机交互方便地改变学习系统中的变量和参数。从而改变学习系统的运动特性。这样，学生与学习环境的相互作用水平也得以提高。通过系统中各种参数的变化，学生将会认识到教学系统的运动特性，发现规律，从而达到对知识的学习和问题的求解。另外，发展中的自动化语言识别技术，触摸浏览器、虚拟现实技术以及人工智能技术等将不仅改善人与计算机接触时计算机对人的感应而且将会进一步地改进人机界面的物理设计，使得计算机更好地为教育服务。人机交互设计遵循的认知原则根据用户心理学和认知科学，提出了如下基本原则指导人机界面交互设计。（1） 一致性原则。即从任务、信息的表达、界面控制操作等方面与用户理解熟悉的模式尽量保持一致。（2） 兼容性。在用户期望和界面设计的现实之间要兼容，要基于用户以前的经验。（3） 适应性。用户应处于控制地位，因此界面应在多方面适应用户。（4） 指导性。界面设计应通过任务提示和反馈信息来指导用户，做到“以用户为中心”。（5） 结构性。界面设计应是结构化的，以减少复杂度。（6） 经济性。界面设计要用最少的支持用户所必须步骤来实现一个操作。在上述基本原则指导下，提出以下几点针对界面设计与屏幕设计的参考：（1） 由具体到抽象。即首先通过多媒体界面给用户提供具体的对象。然后从具体对象、内容中让学习者归纳出抽象的概念或原理，或用模拟系统来引导出抽象的原理。（2） 由可视化的内容显示不可见的内容。尽可能利用数字、图解、动画、色彩等清晰爽目的对象显示原理、公式或抽象的概念。（3） 由模拟引导创新。突出人机交互，尽量启发用户的积极思维和参与，并激起用户的学习和创造欲望。（4）合理运用再认与再忆，减少用户短期记忆的负担。所谓再认就是从系统给定的几个可能答中要用户选择一个正确的或最好的。再忆即要求用户输入正确的答案或关键字。（5）考虑用户的个别差异，使用用户语言。以上5点具体体现了“由易而难，逐步强化。”这一源于认知心理学的原则。2—5人机界面的软件开发过程在人和机器的互动过程（HumanMachineInteraction）中，有一个层面，即我们所说的界面（interface）。从心理学意义来分，界面可分为感觉（视觉、触觉、听觉等）和情感两个层次。用户界面设计是屏幕产品的重要组成部分。界面设计是一个复杂的有不同学科参与的工程，认知心理学、设计学、语言学等在此都扮演着重要的角色。用户界面设计的三大原则是：置界面于用户的控制之下；减少用户的记忆负担；保持界面的一致性。用户界面设计在工作流程上分为结构设计、交互设计、视觉设计三个部分。•结构设计StructureDesign结构设计也成概念设计（ConceptualDesign），是界面设计的骨架。通过对用户研究和任务分析，制定出产品的整体架构。基于纸质的的低保真原型（PaperPrototype）可提供用户测试并进行完善。在结构设计中，目录体系的逻辑分类和语词定义是用户易于理解和操作的重要前提。如西门子手机的设置闹钟的词条是“重要记事”，让用户很难找到。•交互设计I