基于科學實驗的人機交互界面設計研究——以格力空調為例

王苗輝，李 艷，宋 武，黃梅英，陳 莉

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基于科學實驗的人機交互界面設計研究——以格力空調為例

王苗輝1，李 艷1，宋 武2，黃梅英1，陳 莉1

(1. 華僑大學機電及自動化學院，福建 廈門 361021；2. 華僑大學美術學院，福建 泉州 362021)

針對人機交互界面設計的有效性進行分析。以基于科學實驗的人機交互界面設計研究理論為基礎，以格力柜式空調KF_72LW操作界面的改良設計為對象，通過問卷、心理模型實驗、獨立樣本的任務模型對比實驗等科學方法對柜式空調人機交互界面的可用性進行了研究。得出了空調人機交互界面框架設計不合理，各功能鍵的位置布局不合理。通過分析各實驗產生的數據，科學確定了用戶的需求及現有空調界面設計的問題，歸納空調界面改良設計的思路，并產生了改良交互設計方案，進而通過獨立樣本的對比實驗數據分析，探討了基于科學研究的改良設計的有效性。

工業設計；科學實驗；人機交互界面；人因工程

隨著技術的進步，人機交互研究成為工業設計領域的研究熱點。交互設計關注的重點是經過設計的、合理的用戶體驗[1]。但在交互界面物理設計的層面，已有研究大多仍聚焦于外觀形態，偏重于造型、裝飾、概念等表征化設計，利用科學的理論和實驗數據來進行交互設計研究則相對匱乏。

發達國家則通過利用實驗儀器設備得出科學實驗數據的方式，保障人機界面設計結果的科學性及可信賴性，進而支撐了整個設計行業的發展。這給我國人機界面設計研究的思路提供了參考。

1 理論基礎

1.1 用戶模型

人機交互的基本原則是以用戶為中心進行設計[2]。為了確保用戶在實際使用工業產品時，人機交互界面的安全性、有效性和舒適性，設計過程中應當全面考慮人、產品、環境三者之間的相互作用，充分考慮用戶的學習過程、使用出錯情況。因此，應建立合適的用戶模型。在人機交互界面設計過程中引入用戶模型研究，能很大程度改變傳統的界面設計過程中以設計人員為主導，依賴新技術或新概念研發新的界面時所帶來的用戶被動適應新產品、重建心智模型的問題[3]，即能使界面更好懂、更容易使用。

用戶模型的研究包括了心理模型和任務模型2個方面的內容[4]。本文主要是通過了解用戶在具體操作使用空調過程中的行為習慣及動作，研究其在操作前、中、后的知覺特性和認知特性來建立用戶模型。具體內容是研究界面設計的信息是否存在冗余，信息顯示的位置是否合適，完成指定任務的操作步驟是否合理，信息表達(圖或文字)能否被使用者正確理解。

1.2 眼動追蹤技術

眼動追蹤技術是借助眼動儀對用戶眼動軌跡進行記錄和分析的一種技術，通過記錄用戶操作過程中興趣點的注視次數、注視時間、第一次注視時間等數據，研究用戶對交互界面的認知過程。可以從眼動路徑、熱度、信息量、任務用時和注視頻率等方面對新舊界面進行實驗，以定量實驗方法評估新舊界面的優劣[5]。眼動儀的主要參數有熱點圖(反映了用戶的關注點及關注時長，顏色越紅表示關注的時間越長)、軌跡圖、注視次數、總的注視時間等。總之，在完成指定任務的過程中，注視次數少、注視時間短、掃描路徑和時間短則表明界面設計合理，用戶容易使用且出錯率較低。本研究采用TobiiX2-60C眼動儀對格力柜式空調操作界面進行可用性評估。

2 實驗設計

首先，為避免傳統的界面研發設計過程中以設計人員為主導而出現的主觀隨意的傾向，也為了更加充分地了解使用者對于柜式空調的操作界面的實際認知情況，采用了問卷法進行了調查[6]。本研究共發放問卷85份，有效回收問卷82份。

其次，結合眼動儀對格力柜式空調操作界面改良前、后進行了基于任務模型的可用性評估實驗及兩獨立樣本的對比實驗。首先請6名未使用過此款空調且視力正常的被試者按要求尋找并確定仿真界面中的最為重要的開關鍵位置，并將調試好的眼動儀放置在被試者與仿真界面之間以獲取被試的眼動軌跡圖。然后，在細致分析用戶真實使用操作界面時常見的操作行為的基礎上，提煉了5個典型任務，分別為“打開空調開關”、“溫度調至25度”、“模式調至制冷”、“定時1個小時”、“關閉空調開關”。以原始操作界面及改進后的仿真操作界面為對象，征召男女各半、視力正常且未使用過該型號空調的24名實驗對象進行上述5個指定任務的模擬操作，錄屏記錄被試完成各任務的動作、操作時間、是否出錯等信息，實驗結束后進行深度訪談。

另選男女各15名試驗者(為了避免實驗誤差及干擾，這30名被試者未參與用戶模擬實物操作及眼動實驗)進行心理模型研究實驗，即讓其參與界面設計[7]，將結果進行數據疊加后提取公共因素，用戶的心理模型可據此確定。具體方式是將原界面中的相關元素等比例打印(為了避免色彩對布局結果產生影響，元素為黑白打印，打印出來后把每個元素單獨裁剪出來，并把界面中的元素打亂)，讓30名被試者對界面中的元素按照各自的理解確定其在界面中的位置，即進行界面的布局設計，對30份布局設計的數據進行圖形化處理，重疊最多的位置體現了用戶心理模型下的優化布局設計方案。

3 實驗結果分析

3.1 問卷分析

統計發現，在中國南部城市，更多的用戶使用空調的時間是夏季，秋冬季節對于空調的使用頻率較低，制冷模式使用頻率最高，占比90.2%。約75.6%的被調查者表示沒有使用過空調的除制熱、制冷以外的其他特殊功能；在使用過空調的其他特殊功能的用戶中，60%的用戶使用了“換氣”功能，35%的用戶使用了“干燥”功能，20%的用戶使用了“輔熱”功能，5%的用戶使用了“其他”功能；占比65.8%的用戶沒有使用過空調的“環境”模式，甚至有近三分之一的用戶對環境功能毫不知情；在使用過空調的環境模式的用戶中，60.7%的用戶使用的環境模式是節能，其次是客廳模式，占17.9%。

3.2 可用性評估實驗分析

可用性評估實驗中6名被試者的注視點軌跡圖(圖1)和注視點熱點圖(圖2)顯示，被試者注意力集中的區域為操作面板上溫度顯示的區域及開關件所在位置的區域，即圖1各顏色小圓點重疊最為密集及圖2熱點圖上紅色標識的區域；圖1所示的眼動軌跡圓圈里的數據從小到大的順序體現了被試者觀察時眼動的先后順序，將這些點按從小到大的順序連起來后形成的折線即為被試者的觀察路徑。對6名被試者的注視點數據綜合分析后發現：被試者在尋找開關鍵的過程中，注視點移動的規律表現為先注意數字溫度顯示，再從左向右搜尋，最后是右邊的開關鍵，視線搜尋路徑變動較大，且不規則，表明了被試者在尋找開關鍵的過程中耗費了較多的時間及注意力，體現了開關鍵布局設計上的不合理，需要進行改善。

圖1 注視點軌跡圖

圖2 注視點熱點圖

3.3 獨立樣本對比實驗分析

心理模型實驗中30名被試者的實驗數據圖形化疊加處理的結果如圖3和圖4所示，其中不同顏色及透明度的圓點代表著不同的功能按鍵，圓點的數量代表著被試者的數量，不同色相和透明度的框線標識的區域是被試者布局設計方案重疊較多、共性較顯著的區域。圖形分析結果表明：在所有被試者關于按鍵布局設計的方案中，用來控制溫度升降的加減鍵位置如圖3所示的藍色框線區域所示，且傾向于布置在整個界面的右方，并且上下排布；定時鍵與模式設置鍵則更傾向于放在兩側；開關鍵放在左上方，其他鍵沒有明顯規律。

在基于任務模型的簡單對比實驗中，被試者完成任務正確率80.00%，操作錯誤原因均由定時失敗造成。根據實驗觀察得到，其中5名被試者在模式設置過程選擇模式時，按鍵多按一輪才能選到需要的模式。根據實驗后訪談得知：定時失敗是由于定時1小時之后忘記確認定時或不知道確認定時，而按功能鍵直接關機。模式選擇出現錯誤，且都是因為從自動模式選到制冷模式時需要連續按多次操作，出現了誤操作或出錯現象。

圖3 按鍵排布的心理模型構建圖

圖4 顯示排布的心理模型構建圖

3.4 結 果

通過實驗發現現有格力柜式空調調節界面設計中存在的主要問題有：空調柜機中的人機交互界面的框架設計不合理，用戶在操作過程中不理解，從而導致操作出錯；布局設計不合理，即重要的功能鍵比如開關鍵位置不明顯，不容易被較快地發現，不常用的按鍵與常用按鍵的分布沒有主次，邏輯關系不強烈；定時操作容易出錯，制冷模式的操作需要多個環節且缺乏有效的信息提示。

4 基于科學研究的界面改良設計

考慮到格力空調柜機界面框架設計的合理性是影響用戶使用體驗及使用效率的主要因素，擬對柜式空調的操作結構框架進行優先級分類和重塑[8]。

在格力柜式空調KF_72LW操作界面的原始框架中，各個功能的優先級沒有完全遵循使用頻率原則，例如使用頻率較高的定時在功能級的下一級，界面框架設計的不合理性嚴重影響用戶的使用體驗及使用效率。本實驗通過對用戶心理模型的構建進行總結歸納，打破原始框架，對柜式空調的操作結構框架進行優先級分類和重塑(圖5，6)：通過將容易出錯的定時功能和常用的掃風功能單獨作為按鍵，減少界面選項和精確化操作[9]；常用掃風功能根據界面設計一致性原則單獨作為按鍵選擇[10]；將溫度、風速等功能顯示安排在居中位置(圖7)。

圖5 原界面的框架

圖6 改良后的框架

圖7 改良設計界面效果圖

5 結 論

本研究通過2個獨立樣本的T檢驗以及方差分析，探討界面設計改良前后被試者完成各項任務的總時間是否具有顯著差異以及單個任務完成時間是否具有顯著差異的指標來探討設計改良的效果。為此，在SPSS24軟件系統中，首先進行了改良前后完成任務的總時間這一變量進行獨立樣本T檢驗，分析結果見表1。

表1 改良前、后任務時間統計數據

從表1可以看出，改良前有效樣本數為24個，完成各任務的平均時間為47.57 s；改良后的有效樣本數為19個，完成任務所需總時間為28.05 s，比改良前減少了19.52 s，直觀判斷設計改良有較大的改善。獨立樣本檢驗結果見表2，由于其顯著性水平為0，可以拒絕原假設，即可以認定界面設計改良前后完成各任務的總時間存在顯著差異，改良具有顯著效果。

表2 獨立樣本T檢驗

事實上，可以通過方差分析來印證這一推論。表3是改良前后對完成任務總時間的單因素方差分析結果。可以看到：觀測變量完成任務總時間的離差平方總和是9 297.024。如果只考慮總時間單個因素的影響，則在總變差中，改良與否引起的可解釋的變差為4 039.514，抽樣誤差引起的變差為5 257.509，其均方差分別為4 039.514和128.232，相除所得的F統計量的觀測值為31.502，對應的概率p-值近似為0。由于顯著性水平為0.05，則應拒絕原假設，即應認為改良前后完成任務的總時間存在顯著差異，即改良后的完成任務時間與改良前有顯著減少，改良是有顯著效果的。

為進一步探討各任務對于改良效果的貢獻情況，可進一步進行多因素方差的均值比較分析，結果見表4，其中a1表示的變量為設計改良前后。由此可見，除任務2，改良后的其他4個任務的完成時間與檢驗值(總體均值)間存在顯著差異，且明顯優于平均水平；任務2的t檢驗統計量的概率p-值為0.104，大于默認的顯著性水平0.05，因此不能拒絕改良后完成此任務的時間與總體平均時間不存在顯著差異這一假設，即改良前后完成任務2的時間與均值差異不明顯，但只是差異不明顯，而不是說沒有差異，完成任務2的均值與總體均值的時間差為1.58體現了這一點。

總之，通過均值比較可以得出：從5個任務的完成時間考慮，改良后與改良前有差異，且任務1、任務3、任務4、任務5與改良前有顯著差異。從任務模型的角度考慮，改良后的方案總體上講是有明顯效果的，設計改良是有效的。

表3 改良前后完成任務總時間方差分析結果

表4 多因素方差分析均值對比結果(K矩陣)

(注：a為參考類別= 2)

6 結束語

本研究通過調查問卷、基于任務模型的獨立樣本可用性對比實驗、心理模型研究實驗及用戶深度訪談等多種科學的設計研究方法，獲取用戶數據，在科學分析的基礎上建立了用戶在柜式空調操作界面使用過程中的心理模型及用戶模型，以此為依據，進行了格力柜式空調操作界面的改良設計，并驗證了改良設計的有效性。這種研究范式可為基于科學研究的人機界面設計提供參考。

另一方面，由于受應用項目本身的條件限制，本研究具有一定的局限性，主要是受實驗樣本總數及問卷投放范圍的限制，導致問卷調查的結果具有較強的地域偏向，這可能對后續的實驗設計產生了一定的影響，從而使得在此基礎上展開的設計結果可能只適用于某些特定的區域。在今后的設計研究中，應想辦法避免，以確保應用設計研究結論的普適性。

[1] 辛向陽. 交互設計: 從物理邏輯到行為邏輯[J]. 裝飾, 2015(1): 58-62.

[2] 周將銘. 以用戶為中心的新產品開發方法研究與應用[D]. 北京: 清華大學, 2013.

[3] 李樂山. 工業設計心理學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004: 269-272.

[4] 劉青, 薛澄岐. 基于眼動跟蹤技術的界面可用性評估[J]. 東南大學學報: 自然科學版，2010, 40(2): 331-334.

[5] 李映彤. 創作與設計[J]. 包裝工程, 2004, 25(3): 139-140.

[6] 李笈熹. 遵循用戶心理模型的產品交互設計[J]. 美術教育研究, 2016(3): 66-67.

[7] 周將銘. 以用戶為中心的新產品開發方法研究與應用[D]. 北京: 清華大學, 2013.

[8] 蔡濤. 人人手中的斯金納箱——操作性條件反射在手機界面設計中的作用[J]. 藝術與設計(理論), 2017(3): 87-89.

[9] 呂富強. 基于眼動追蹤的ATM機界面通用性設計研究[D]. 杭州: 浙江理工大學, 2017.

[10] 孫林巖, 李志孝, 金天拾. 認知綜合模型及其在人機界面設計中的應用[J]. 西安交通大學學報, 1997, 12(S1): 76-83.

Research on Man-Machine Interface Design Based on Scientific Experiment ——A Case Study of the Improved Design of Gree Air Conditioner Interface

WANG Miao-hui1, LI Yan1, SONG Wu2, HUANG Mei-ying1, CHEN Li1

(1. College of Mechanical Engineering and Automation, Huaqiao University, Xiamen Fujian 361021, China; 2. College of Arts, Huaqiao University, Quanzhou Fujian 362021, China)

This study analyzes the efficiency of the man-machine interface design based on the scientific and credible industrial design theory, taking the re-design of KF_72LW operation interface as an example. A series of methods were employed in the study including questionnaire, usability test, psychological model experiment, task model experiment and other scientific methods. The framework layer of the interface is found to be unreasonable, and the distribution of the keys illogical. According to the data generated from the experment, the design problems were identified and the interface was re-designed, then the efficiency of the re-design was approved by the independent sample comparison experiment.

industrial design; scientific experiment; man-machine interface; ergonomics

TP 18

10.11996/JG.j.2095-302X.2019010181

A

2095-302X(2019)01-0181-05

2018-06-28；

2018-07-17

中國高校創新創業教育改革研究基金項目(16CCJG01Z009)

王苗輝(1979-)，女，湖南婁底人，講師，碩士，碩士生導師。主要研究方向為人因工程、設計文化等。E-mail：wangmiaohui6596@sina.com

李 艷(1973-)，女，遼寧沈陽人，教授，博士，碩士生導師。主要研究方向為設計學等。E-mail：liyan73@hqu.edu.cn