人機交互課程中費茨定律的講授方案探析

涂華偉

摘 要 費茨定律（Fitts Law）是人機交互界面設計中的重要指導理論。因此，費茨定律的講授是人機交互課堂的重要環節。在本文中，作者以自身教學實踐為基礎，提出費茨定律的三層次講解模型（理論層次、應用層次和科研層次），以系統地講授費茨定律的理論及應用。具體而言，這個模型首先對比香農定理和費茨定律，分析費茨定律起源及其參數含義。其次參考商業操作系統（iOS和Windows）的設計，說明費茨定律的應用場景。最后以發表在人機交互頂級會議CHI上新穎的研究成果為例，闡述費茨定律的理論指導作用。課堂反饋初步說明了該教學模型的有效性。該教學方式不僅為更好地講解費茨定律提供了借鑒，也為講授人機交互課程的其他知識給出了思路。

關鍵詞 費茨定律 人機交互課程 三層次講解模型 界面設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.08.017

Abstract Fitts' law plays an important role in human-computer interface design. Hence， the lecture on Fitts' law is vital in Human-computer Interaction （HCI） courses. In this article， the author proposes a three-level lecture model （theory， application and research levels） based on the author' teaching experience. Specifically， this model first compares Shannon's theorem to Fitts' law so as to analyze the origin of Fitts' Law and the meanings of its parameters. Then this model refers to commercial OS design such as iOS and Windows to illustrate application scenarios of Fitts' law. Last， this model demonstrates the function of Fitts' law as a theoretical guidance by taking research outcomes published in the top level HCI conference CHI as examples. The initial feedback demonstrates the effectiveness of the lecture model. The proposed method not only provides references of how to better lecture on Fitts' law， but also offers thoughts to lecture on other HCI knowledge.

Key words Fitts' law； Human-computer Interaction courses； Three-level lecture model； interface design

1 介紹

費茨定律①是人機交互界面設計最成功的指導模型之一。作為理論框架，費茨定律可用于計算機輸入設備的評估、界面的優化以及其他復雜人機交互任務建模。費茨定律可以對點擊任務所耗費的時間進行理論預測，其預測公式是 = + （ + 1）。式中，表示從起始點到目標的預測時間，表示從起始點到目標的距離，表示目標的寬度，和反映系統的效率。

鑒于費茨定律在人機界面設計的重要性，人機交互的教學中需要從其進行深入細致的講解。②講授費茨定律既要對其理論性進行分析，又要結合聯系實際產品以及科研工作對該定律的理論性進行佐證。③基于作者的教學經驗，本文從理論、應用和科研層次出發，提出了三層次的講解模型，闡述其具體講授內容，并在教學實踐中證明了方法的有效性。

2 教學方法

在三層次講解模型中，費茨定律的內容將分為如下三個部分：

2.1 費茨定律的理論層次

在教學過程中，我們首先從費茨定律的起源講起。費茨定律是1954年由保羅·費茨基于香農定律提出，將人體控制運動能力類比成信息的傳輸。香農定律的表示形式為 = （ + 1），其中是信道支持的最大速度或者叫信道容量，是信道的帶寬，是平均信號功率，是平均噪聲功率，即信噪比。

與香農定律相對的，費茨定律的公式參數可類比為平均信號功率，可類比為平均噪聲功率。任務的困難度 = （ + 1），單位為bits。IP則定義為ID/T，單位為bits/s。

總結起來，費茨定律有兩個新穎的特點。第一，提出任務的復雜程度可以用信息論的度量單位bits來表示。第二，提出在執行運動任務的時候，信息可以理解為通過人的通道進行傳輸的。

2.2 費茨定律的應用層次

（1）右鍵菜單的設計可根據費茨定律探尋其設計的理論基礎。點擊鼠標右鍵，在點擊處出現右鍵菜單，用戶可以移動光標進行菜單功能項選擇。根據費茨定律，出現在用戶正在操作的對象旁邊的右鍵菜單比下拉菜單或工具欄可以被更快得選中，因為選擇右鍵菜單項需要移動光標的距離短。

（2）屏幕的邊和角適合放置像菜單欄和按鈕這樣的元素，因為邊角是巨大的目標，他們無限高或無線寬，用戶不可能用鼠標超過他們。即不管你移動了多遠，鼠標最終會停在屏幕的邊緣，并定位到按鈕或菜單的上面。從費茨定律的角度，這相當于目標的大小是無限大，因此用戶會更快點中目標。因此，可以在理論上得出，圖3中左圖的菜單欄設計比右圖更符合人機交互的規律。

2.3 費茨定律的科研層次

模型的目的是在開展大規模實驗之前，可以對設計的效果進行初步預測。如下列舉兩個目標點擊的例子，用以說明費茨定律的理論指導功能。這兩個設計都是發表在人機交互的頂級會議CHI上。點擊任務是圖形用戶界面的基本任務，因此改進點擊的效率能夠給用戶帶來交互的便利。

2.3.1Bubble光標④

Bubble光標是根據光標中心與目標之間的距離，來動態改變光標的選擇區域。如果目標包含在光標區域里面，則可以選中這個目標。如果多個目標包含在區域里面，則選擇距離光標中心最近的目標。根據費茨定律，這實際上是增大了目標的大?。ㄙM茨定律公式中的W參數），因此理論上可以判斷bubble光標會導致更短的目標選擇時間。

2.3.2Ninja光標⑤

Ninja光標的設計目的是為了幫助用戶更快地選擇屏幕的目標。它的設計方式是在屏幕上給出多個光標，用戶可以移動離目標最近的光標操作目標。根據費茨定律，這是減少了光標到目標的距離（費茨定律公式中的D參數）。

3 結束語

費茨定律是人機交互領域最流行的理論指導之一。因此，對其的講授是人機交互課程的重要部分。這篇文章提出了費茨定律的三層次講解模型，從理論、應用以及研究層次對費茨定律進行了深入分析，力圖將費茨定律的理論規律和應用價值更好地傳授給學生。課堂反饋說明該講解方式具有良好的效果。學生普遍表示理解了費茨定律的理論原理，并且掌握了該定律的界面設計指導作用，課堂講授生動有趣。該三層次講解模型也對其他人機交互知識的講授提供了參考方式。

注釋

① Fitts P. M.， The information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement [J]， Journal of Experimental Psychology，1954.47：381-391.

② 林連南，龍釧，秦聞達.斯坦福大學人機交互課程體系分析與應用[J].計算機教育，2015.21：101-106.

③ 陳小武.從人機界面到人機交互的課程改革進展[J].計算機教育，2009.3：49-50.

④ Grossman T. and Balakrishnan R.， The bubble cursor： enhancing target acquisition by dynamic resizing of the cursor's activation area[C].CHI 2005：281-290.

⑤ Kobayashi M. and Igarashi T.， Ninja cursors： using multiple cursors to assist target acquisition on large screens[C].CHI 2008：949-958.