面向藝術生Arduino硬件接口的可用性設計決策

李鍇

（福建江夏學院，福州 350108）

近年來，全國各地創客空間迅速增加，各高校成立設計與創意學院，以設計創新驅動經濟發展，Arduino在互動裝置、工業設計、機器人等設計工作中作為原型工具得到廣泛應用。Arduino的可用性直接影響創新的效率和效果。目前國內占主流的創客教育平臺是基于Arduino的創意電子平臺，包括Arduino主板、Arduino核心庫和Arduino IDE編程環境三方面內容。Arduino硬件指Arduino主板及周邊電路。

Arduino在硬件上的發展主要呈現形態多樣化和組件模塊化。MIT Media Lab的副教授Leah Buechley開發了能縫在織物上的Arduino并命名為Lilypad，并開發了一套組件以及應用在電子織物的方法。清華大學的米海鵬副教授開發了一套適用于設計類專業學生使用的InnoKit物理交互教學實驗套件，將各類傳感器模塊化，利用三針接插方式，降低了Arduino主板與傳感器連接的難度。LittleBits是一種磁吸的Arduino組件，利用同極相斥異極相吸的原理，避免了電路連接的出錯。

當前Arduino硬件的優點有：1.易學習，通過封裝bootloader，降低燒寫程序的門檻；2.多樣性，開發板從大到小有幾十種，適用于不同的原型設計；3.開放性，硬件是開源的，設計師可以根據目標用戶的需求進行修改和定制。存在的主要不足有：1.效率性，Arduino主板和各類傳感器電路連接方式不一致，多數接口空置，部分接口設計不合理；2.Arduino配套器件接口靈活性差、價格高；3.部分Arduino主板價格偏高，影響用戶體驗。

面對不足，設計師面臨的挑戰有：1.用戶的目標人群是誰，如何綜合思考不同層次用戶的意見；2.從設計方法學的系統論角度，基于目標用戶的可用性構成因素是什么，因素如何構成；3.用戶如何與Arduino硬件交互，如何得到總體最優交互方式；4.如何根據總體最優交互方式優化設計，即如何設計更加合理的Arduino硬件接口。

一、Arduino硬件接口的可用性設計因素

（一）設定目標用戶

Arduino初創時的目標用戶是藝術類學習者。現在，用戶擴大到創客、教師、電子愛好者、大學生甚至中小學生，說明目標用戶隨著產品的影響力變化而發生擴散和遷移。以下將目標用戶的范圍限定在國內藝術院校。

在藝術院校中，按照熟練程度可把Arduino用戶分為三個級別：新手、中間用戶、專家。首先，Arduino設計的初衷是針對新手，通過對AVR芯片的二次封裝降低了編程難度，能在短時間內幫助用戶從新手迅速升級為中間用戶。設計師需要保證新手用戶的“心流”狀態，新手能快速做出一個想要的小作品，哪怕是點亮一個LED燈，也能讓新手沉浸在成功的快樂中，否則新手將放棄使用該產品，由新手變為非用戶。當新手主動地做出幾個Arduino相關作品，將很快升級為中間用戶。其次，中間用戶和專家是從新手用戶開始。從認知方面說明，解決新手的可用性問題，也能提高中間用戶和專家的使用效率。由于對Arduino認知水平、熟練程度等原因，專家用戶通常能一針見血地指出可用性問題。對于中間用戶在其他設計中應最受重視，但在本例中新手用戶和中間用戶界限模糊。新手用戶相比專家用戶數量占優。因此，Arduino硬件的設計以新手用戶為基礎，還要顧及專家用戶的意見。

（二）Arduino硬件可用性因素

可用性（Usability）在ISO9241/11中的定義是：特定用戶在特定的使用環境中使用產品達到特定目標的有效性、效率和滿意度的程度。Jakob Nielsen對于可用性提出的五個要素：1.可學習性（Learnability），初次接觸產品時，用戶完成基本任務的難易程度；2.效率（Efficiency），用戶能多快完成任務；3.可記憶性（Memorability），當用戶一段時間沒有使用產品后，是否能立即回到以前的熟練程度；4.出錯（Errors），用戶能否從錯誤中恢復；5.滿意度（Satisfaction），用戶對產品的主觀滿意度。這兩種定義都涉及效率、滿意度。

上述兩種可用性因素只是參考意見，設計具體的產品可以根據不同的用戶人群、不同的使用環境進行適當調整。首先，目標用戶主要針對國內藝術生，Arduino硬件涉及物理學知識，由于國內藝術生生源以文科為主，容易使用是個重要因素，包括可學習性、可記憶性。容易使用是Arduino區別于其他單片機的最顯著特征；其次，Arduino硬件是一種單片機，電路連接是否穩定可靠，連接傳感器的種類數量以及組合的靈活度，也都是重要因素；再次，價格也是一種構成因素，Arduino硬件作為教具，價格決定能否人手一份地進行學習，高昂的價格能讓用戶產生過于謹慎的心理而影響效率；最后，滿意度是一種構成因素，用戶使用產品時的主觀滿意度，與用戶情感有關。因此，在研究目標用戶的基礎上，總結Arduino硬件可用性因素有：易用性、可靠性、拓展性、廉價性、滿意度。

（三）目標用戶與Arduino硬件接口的交互方式

在藝術院校存在各種形式的Arduino，目標用戶與Arduino硬件之間的交互以Arduino硬件接口為媒介。Arduino硬件接口包含主板與電路、主板與PC、電路與器件三個部分（文中主板特指Arduino主板，下同）。如圖1所示，主板與電路的交互方式有：1.用杜邦線對主板接口拔插，另一端連接面包板；2.用鱷魚夾夾到裸露的金屬接口；3.將電線焊接到接口；4.用導電筆在紙上畫出電路，利用導電液的黏性連接主板接口；5.將導電線縫紉到接口上；6.利用磁性鐵塊吸合方式連接電路；7.用電子貼紙方式黏貼到主板接口。主板與PC機的交互方式有：1.USB-B接口；2.USB-Mini接口；3.藍牙接口Bluno Beetle；4.ICSP接口；5.FTDI接口。電路與器件交互方式有：1.直接相連；2.電路與器件組成模塊；3.通過盾板相連。主板與電路的交互方式決定電路到器件的連接方式。由于主板與PC交互只發生在下載程序和串口監視，因此其交互頻度較低。總之，三種交互部分中第一部分占主導因素。歸納總結Arduino硬件接口的交互方式有拔插、夾、焊接、畫、縫紉、磁吸、貼紙。

由于Arduino主板屬于開源硬件，因此可重新設計其接口，以改進其可用性。Arduino主板上的交互只能以上七種交互方式中的一種，因此需要找出最優的交互方式來引導Arduino硬件接口可用性的設計。

二、Arduino硬件接口可用性設計決策

（一）層次分析法建模

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)，是處理多目標、多準則、結構復雜問題，以及定性與定量相結合、定性信息定量化、復雜問題簡單化的一種實用而有效的方法。通常分為目標層、準則層、方案層。設計師經常使用結合定量和定性分析的方法決定產品設計方案。可用性的構成因素屬于定性分析，構成因素占總體的權重屬于定量分析。多種交互方式屬于定性分析，每種交互方式的可用性得分屬于定量分析。結合可用性的構成因素和目標用戶的層次問題，故采用層次分析法。

Arduino硬件接口可用性的層次模型構建如圖2所示。以Arduino硬件接口可用性為目標層；以Arduino硬件接口可用性的構成因素為準則層，包含易用性、可靠性、拓展性、廉價性、滿意度5個項；以Arduino硬件接口的各種交互方式為方案層，包含拔插、夾、焊接、畫、縫紉、磁吸、貼紙7種交互方式。準則層對于目標層的判斷矩陣由專家用戶決定權重。由于方案層涉及與用戶交互，方案層對于準則層的判斷矩陣由新手用戶決定權重。權重采用訪談方式獲取，取值采用1～9標度法。每種交互都有可用性構成因素的得分，再與這些因素的權重得分相乘，可得到每個方案的綜合得分，從得分就可以選出最優方案。

（二）用戶訪談

用戶訪談是獲得用戶數據的重要手段。訪談的目的是獲取模型中用戶數據。典型的新手角色（Persona）比如大學生，而教師是接近專家用戶的角色。在國內某美術學院對5位教師和15位學生進行訪談，訪談結果如表1、表2所示。b1～b5分別表示易用性、可靠性、拓展性、廉價性、滿意度。c1～c7分別表示拔插、夾、焊接、畫、縫紉、磁吸、貼紙。矩陣B表示Arduino硬件可用性要素權重，bij是五位專家以bi的角度與其他要素相對重要性評分，取值采用1～9標度法，分值越高相對重要性越低。矩陣C表示Arduino硬件不同交互方式在可用性要素上的評分，15用戶評分為取整中位數。例如有一組數據X1……XN，按從小到大的順序排序為：X（1）……X（N），則當N為奇數時，中位數m0.5=X（N+1）/2，當N為偶數時，m0.5=（X（N/2）+X（N/2+1））/2。由于中位數是通過排序得到的，不受最大、最小兩個極端數值的影響，常用于描述這組數據的集中趨勢，因此，中位數能排除極端用戶意見并較為客觀地表達大部分用戶的體驗。

表1 Arduino硬件接口可用性因素權重

表1 Arduino硬件接口可用性因素權重

表2 Arduino硬件接口不同交互方式可用性因素評分

表2 Arduino硬件接口不同交互方式可用性因素評分

（三）層次分析及計算

模型中層次分析采用求和法，計算步驟是：1.構造針對上一層的權重矩陣aij；2.列向量歸一得Mi，按行求和得權重向量Wi，歸一化得最大特征值的近似值λmax；3.一致性指標檢查C.I≤0.1，一致比率檢查C.R≤0.1，R.I由平均隨機一致性指標表（表3）決定。其中，λmax、C.I、C.R的計算公式分別是公式（1）（2）（3）。

通過計算，準則層對于目標層的權重。

C.I與C.R均小于0.1，滿足一致性要求，Wi可用。令 A=CWi，得 A=（7.4488，6.7352，3.6863，6.9566，6.4418，7.3485，6.4307）T。綜合得分矩陣A每個分量對應每個交互方案的綜合得分。

表3 平均隨機一致性指標表

表3 平均隨機一致性指標表

圖1 Arduino主板與電路七種交互方式

圖2 Arduino硬件接口可用性的層次模型

（四)數據分析

新手用戶意見總結，從表2的數據分析得到：1.易用性較好的交互方式有拔插、畫、磁吸、貼紙，與實際情況接近。電路焊接對藝術生難度極大，夾對于操作精度要求高，縫紉與畫趣味性好但需要預先設計好電路草圖避免交叉難度大，畫對于藝術生容易故得分高；2.可靠性較好的有焊接、縫紉，從電路連接可靠度分析，這兩種方式最牢固，拔插和夾都容易因晃動而脫落，磁吸可能出現物理連接但電路沒接通，畫和貼紙容易因折疊而短路；3.拓展性較好的有拔插、焊接，拔插通過面包板或者盾板幾乎可以連接所有傳感器，焊接類似，夾、縫紉、畫和貼紙對主板與外圍電路接口都有特殊要求，例如縫紉需要主板接口開孔，磁吸要求所有外圍電路都有磁性接口且需要連接回路端口；4.廉價性較好的有拔插、夾和焊接，畫、縫紉和貼紙需要專用的主板和電路材料因而造價高，磁吸需要每個器件都配有磁吸接口因而價格最高；5.滿意度較好的交互方式有畫、縫紉、磁吸、貼紙，電路焊接對于藝術生操作困難且有一定危險性，拔插和夾可以接受。

每位專家用戶意見均等無等級之分，因此總結應看綜合專家意見，無需考慮專家個人意見。從上一節得到，一致性指標與一致比率均小于0.1，滿足一致性要求，說明五位專家的評價細節有差異但總體意見一致。從可用性因素構成權重指標Wi得到：1.專家認為在該可用性因素按重要性排序是，易用性＞可靠性＞滿意度＞拓展性＞廉價性；2.專家對于Arduino硬件接口的可用性看重的是其易用性及可靠性，滿意度居中，拓展性在一定范圍內可以接受，廉價性排在最后。實際情況中一個產品易用且可靠，必定用戶滿意，拓展性差一點和價格貴一點用戶能夠接受。且專家和新手收入水平存在差異，導致兩種用戶觀點不一致；3.易用性權重最大，占46.56%，專家認為易用性是Arduino硬件可用性因素的核心。

新手用戶意見與專家用戶意見融合總結，從綜合得分A得到：交互方式以拔插最優，磁吸次之。磁吸交互在易用和滿意度上得分高，只因在拓展性、廉價性方面得分過低，否則應是最優方案。拔插交互方式用戶在其構成因素評分分別是[8、7、8、9、6]，相對其他方式得分均衡，又因為專家對于構成因素前兩項比重高，導致其總體得分最優。綜合用戶需求和專家意見，以易用性優先，采用拔插交互方式。因此，圍繞以上兩點計算結果，Arduino硬件接口的可用性設計原則有：1.減少交互對象；2.一致性設計；3.降低交互難度。

三、Arduino硬件接口的可用性重構

根據設計原則重構Arduino硬件接口如下：

1.減少的電路引腳。主板上一組接插件數量應不超過4個，從認知心理學角度太多接口容易導致情緒緊張而出錯。從新手用戶的行為觀察得到，有用戶為了防止出錯從一列17個接口中數到某一個插入杜邦線。新手用戶不會同時使用6個模擬接口和13個數字接口，最常見是使用一個或者兩個數字或者模擬接口。由于USB-mini接口與手機可以通用，可以去掉兩組接口ICSP、DC插頭。去掉其他新手用戶不常用的接口，例如AREF、IOREF、RESET等。減少用戶記憶的數量，減少誤操作的機會。因此，主板引腳每組取4個，數量太少則影響拓展性。

2.重新設計主板與電路、主板與PC、電路與器件交互三個交互部分。使三個部分在交互方式上保持一致性。行為上，只有拔和插兩個動作，即可完成電路的連接和斷開；視覺上，顏色、提示符上主板接口、杜邦線、面包板、常用模塊接口保持一致。交互以顏色引導，容易學習，能靈活擴展，且不會增加成本；觸覺上，接口尺寸及拔插的阻尼保持一致。

3.將相同功能的接口放在一組。將接口分為四組，分別是數字接口、模擬接口、電源接口、通訊接口。接口對應的電路板位置印刷與杜邦線一致的顏色，接口外側面印刷相同文字。

重新召集測試用戶進行測試驗證，用戶對新設計的易用性、可靠性、拓展性、廉價性和滿意度進行評分，分數為c8=[9、7、7、9、8]，a8=c8Wi=8.3525。從用戶意見看新設計：易用性提高了，引腳減少犧牲部分拓展性，但是用戶的主觀滿意度提高了。綜合了專家意見，新設計的得分超過原來所有得分，說明設計得到改進。從宏觀看，整個設計改進是按用戶的意見去改的，改進結果由用戶評價的，符合以用戶為中心的設計理念。

四、結語

可用性要素結合用戶研究的結果構建一個Arduino硬件接口可用性的層次模型，計算權重指標來決策接口的交互方式，重構Arduino硬件接口的設計，以達到提高可用性的目的。當前設計決策是基于藝術院校的用戶研究，當目標用戶發生變化或者遷移時，或者研究對象改為其他類似的智能硬件，權重分析應當改變，設計原則也需變化，但是結合定性與定量的層次分析方法可以不變。并且，提高Arduino硬件接口可用性的設計方向不變，高可用性的工具可以讓創客群體迅速站在巨人的肩膀上，快速流暢地創造出新事物。