以用戶為中心的人機交互課程實驗案例設計

陸 焱

（荊楚理工學院計算機工程學院，湖北荊門 448000）

0 引言

計算機課程中人機交互技術強調用戶體驗的重要性，是一門非常注重實踐操作的課程。僅靠理論講解什么是好的交互產品，分辨出好的交互設計是不夠的，需要充分掌握人機交互設計的思路、原理和目標，重視人機交互課程的實驗實踐環節。傳統計算機類實驗以技術為中心，看似設計出了功能完善的系統，但系統實際上并不好用。結合人機交互強調的產品可用性和用戶體驗概念，開展以用戶為中心的實驗案例設計很有必要。

1 人機交互實驗建設必要性

1.1 國外科研及產業發展現狀

國際人機交互研究成果主要集中在歐美發達國家。從2012 年起，國際計算機學會ACM（Association for Computing Machinery）在計算機領域分類中把人機交互列為重要分支領域，標志人機交互在計算機大類中占據重要位置［1］。2019 年初，斯坦福大學正式成立以人為本的人工智能研究院（Institute for Human-Centered Artificial Intelligence），標志著教育界已經開始重點關注如何發展人與技術的未來，并致力于新一代兼備思想與技術的人才培養［2］。美國大學排名前100 名的院校均設有人機交互的專門學院，積極參與各種學術研究和產業政策制定。各大著名的軟件公司如谷歌、微軟和IBM 等均設有專門的用戶體驗設計部門或研究院，為產品設計提供理論與技術支持，并積極制定用戶設計產業標準。

1.2 國內科研及產業發展現狀

國內人機交互研究近年發展迅速。我國在2009 年發布《中國至2050 年信息科技發展路線圖》，將人機交互研究作為重點發展項目；2016 年《國家自然科學基金“十三五”發展規劃》將人機交互列為重點支持課題。清華大學在個人終端接口智能交互/智能空間多設備協同交互方面開展創新研究［3］；中科院軟件所在筆式界面模型和方法/筆式人機交互關鍵應用等方面進行了廣泛研究；華為、騰訊、阿里巴巴、百度等紛紛成立人機交互研究團隊，大力開展產學研合作，聯合組建人機交互實驗室。

1.3 人機交互實驗課程存在的問題

（1）對于人機交互實驗如何開展缺乏深刻理解。人機交互學科表面上是探究人與計算機的輸入輸出問題，實際上涉及人的自身機制、策略、使用場景甚至未來人工智能形態。因此簡單地把人機交互實驗等同于計算機程序設計類實驗，很難讓學生理解人機交互的實質和意義，更難以帶動其它學科如心理學、認知科學等學科知識的學習與研究。

（2）對計算思維和交叉學科重要性認識比較單一。國內對于計算機及相關專業的學生培養更傾向于理工思維，而實際上人機交互并不僅僅是計算機學科的一個重要分支，它同時融入了其它學科知識，如藝術設計領域知識，如何在人機交互實驗過程中體現設計學科內容的更新與拓展值得研究。

（3）實驗室硬件配置和實驗條件有待提升。由于人機交互實驗包含很多可用性工程評估內容，要實現以用戶為中心的實驗理念不能僅僅靠理論講授，更要模擬一些用戶的操作環境并且記錄用戶數據，這對于人機交互實驗室環境要求非常嚴格，而國內很多高校在這方面政策支持力度和資金投入還需加強。

2 實驗設計理論依據

由于人機交互技術課程具有交叉復合特點，相對于傳統教學模式，尤其是計算機人才培養，教學過程更提倡一種基于設計思維的通才教育理念［2］。在人機交互實驗教學中，對技術的思考與練習只是學生培養的一個維度，對于交叉學科知識的積累和掌握、應用場景構想、實驗設計、描述場景等能力另有一定要求。因此在課程實驗環節，筆者始終將人機交互學科強調的以用戶為中心設計思想貫穿在每個實驗任務中，讓學生充分認識到用戶體驗的重要性，并通過實驗內容來驗證課程的理論知識。

2.1 用戶體驗重要性

ISO 9241-210 標準將用戶體驗定義為“人們對使用或期望使用的產品、系統或者服務的認知印象和回應”，簡稱UX（User Experience）［4］。Jesse James Garrett 在《用戶體驗要素：以用戶為中心的產品設計》一文中，將用戶體驗由抽象到具體分為5 個層次，如圖1 所示。5 個層次分別是戰略層（產品目標）、范圍層（功能組合、信息內容的詳細描述）、結構層（信息空間中內容元素的分布）、框架層（用戶如何與產品功能進行交互）、表現層（產品的外觀設計）［5］。

以用戶登錄購物網站為例，當用戶登錄購物主頁，看到圖片和文字組成的網頁，用戶可通過點擊一些圖片執行某種功能，這個網頁就是表現層。而網頁中的按鈕、控件、照片和文本區域位置就是表現層下面的網站框架層，框架層用于優化設計布局，以達到這些元素的最大效果和效率。與框架層相比更抽象的是結構層，框架層確定在結賬頁面上交互元素的位置，而結構層則用來設計用戶如何達到結賬頁面，并在用戶結賬之后指引去什么頁面。結構層確定購物網站各種特性和功能最佳的組合方式，而這些特性和功能就構成范圍層。購物網站的范圍基本上由網站戰略層所決定，這些戰略不僅僅包括經營者想從網站上得到什么，也包括購買者想從網站上得到什么。這5 個層面提供一個基本架構，只有在這個基礎架構上才能討論用戶體驗問題，以及用什么工具解決用戶體驗問題。

圖1 Jesse James Garrett 用戶體驗的5 個層次

2.2 以用戶為中心的設計思想

傳統的計算機課程實驗中，教師習慣于以技術為中心開展實驗設計，沒有體現出用戶體驗的重要性。用戶體驗既包含用戶與系統的所有接觸點，也包含用戶的情感因素。學生在傳統實驗過程中很容易側重技術方法是否正確，忽視了從用戶角度分析這個產品設計是否真正好用的問題。出現這種現象的原因在于學生沒有完全從設計者的角度轉變，忽視了用戶的真實需求，或者把用戶操作過程理想化，進行了完美假設，最終導致無法體會人機交互設計課程的精髓。

以用戶為中心的設計（User-Centered Design，UCD）由美國加州大學圣地亞哥分校的唐納德·諾曼研究實驗室首創，它側重以人為本，關注的重點是獲得對使用目標系統的人的全面了解。以用戶為中心的設計思想指以真實用戶目標作為系統開發驅動力，而不僅僅是以技術為驅動力。設計良好的交互產品應該充分利用用戶的操作技能和判斷力，應該同用戶的工作內容息息相關，應該支持用戶而不是限制用戶，這種設計思想不是純粹的技術［6］。以用戶為中心的設計需要透徹了解誰是用戶，用戶的真正需求以及用戶要完成的任務是什么，并通過這些信息來指導設計。

本課程實驗環節采用UCD 項目，主要包含以下方法［7］：

（1）用戶參與。在有些項目中，用戶會成為設計團隊的一部分，并在設計過程中不斷被請教、被咨詢，甚至被替換。

（2）焦點小組。焦點小組通常用于產品功能界定、工作流程模擬、用戶需求發現、用戶界面的結構設計與交互設計、產品的原型測試、用戶模型的建立等。

（3）問卷調查。問卷調查可以獲得地理位置上分散的大量用戶群體信息，包括用戶的喜好和對產品的意見等。

（4）可用性測試。可用性測試采用多種不同的形式。從可用性的基本特征，包括易學性、易記性、使用效率、低出錯率以及主觀滿意度等方面進行產品的系統度量和評估。

3 實驗流程

3.1 實驗目的

通過人機交互實驗課程實踐，使學生了解人機交互技術與計算機圖形、程序設計、藝術設計、認知心理學以及計算機硬件等領域發展密切相關，加深學生對人機交互知識的理解，增強學生的實際運用能力和開發高可用性交互界面的能力。通過案例操作，讓學生理解不同的人機交互產品設計案例思想，以及成功與失敗案例所帶來的啟示。通過原型設計使學生體會原型的作用，并了解用戶需求對設計一個良好人機交互界面的重要性。通過原型和界面評估，使學生掌握交互系統的評估方法。

3.2 實驗步驟

選取與學生學習生活密切相關的案例作為課程實驗項目，可使學生在實驗過程中更容易轉換用戶角色，結合真實的操作體驗進行客觀的實驗分析與設計。為培養學生團隊合作的學習意識和獨立思考能力，在實驗項目之前要求自由組合成立團隊，團隊一般不超過6 人，可以自主選題。

團隊成員進行任務分工，將其中一些成員設定為設計組，其他成員為用戶組。設計組對用戶組成員進行面對面采訪，記錄用戶組需求信息，并對用戶需求進行迭代設計反復修改，直至需求趨于平穩。設計組按用戶需求設計出低保真原型后，讓用戶組參與評測，驗證產品的可用性，同時設計組對用戶組的評價過程進行詳細記錄，通過分析和討論對用戶界面原型進行改進，實現高保真原型設計，最終完成實驗報告的撰寫和數據整理。

以用戶為中心的實驗設計強調用戶體驗在整個產品設計與開發中的必要性。以用戶為中心的方法適用于整個實驗階段，無論是需求挖掘還是設計評估，都需要與用戶進行深入接觸［8］。

人機交互實驗流程分為4 個步驟，注意這4 個步驟不是線性依次執行，而是迭代交叉并行執行，如圖2 所示。

圖2 人機交互實驗流程

4 經典實驗案例

4.1 交互式需求的人物角色和場景設計

要讓學生通過實驗理解人物角色并不是真實的人，但他們具有我們觀察到的真實人的行為和動機，并且在整個設計過程中代表真實的人，是在人種學調查收集到的實際用戶行為數據基礎上形成的綜合原型。它是一種用戶描述性模型，給我們提供一種可以精確思考和交流的方法［9］。在研究階段觀察用戶的行為模式，在建模階段將其模型化，之后生成人物角色。通過人物角色設定，理解在特定情境下用戶的目標，在此基礎上再將人物角色放在一個具體的故事場景中，以敘述的方式描述人的行為或任務，從中挖掘出任務的上下文環境和用戶需求。

4.1.1 實驗內容

幫助學齡前兒童學習數學運算（如10 以內加減法）的軟件系統，制定人物角色和關鍵情景場景劇本。

4.1.2 實驗目的

理解人物角色定義，熟悉場景劇本描述方法，掌握用戶需求定義過程。

4.1.3 實驗步驟

（1）創建問題和前景綜述。提出以下問題：使用該軟件系統的用戶是誰，這個系統能幫助這些用戶解決什么問題，系統的基本功能包括哪些方面，除了基本的學習功能是否還包括其它方面的功能等。

（2）頭腦風暴。以小組為單位根據第一階段提出的問題進行討論，討論過程不受約束和不加評論，直到小組討論信息已經開始重復，或者提出的想法越來越少。反饋信息包括諸如本款數學運算軟件系統只能幫助幼童完成10以內加法和減法的學習任務，對學習進度和成績進行跟蹤與評價，由家長選擇動畫及音樂等設置功能。

（3）確定人物角色期望。要求學生在實驗過程中至少設定代表3 個不同類型用戶的人物角色，設定方式包括數據分析、問卷調查、訪問調研等。為使人物角色更為生動，常常結合卡片分類確定用戶群主次，比如學齡前兒童是主要用戶群體，家長和教師是次要用戶群體。一個可信的、易于理解的用戶模型需要貫穿在整個設計過程中，學生可通過與它建立關系來理解和分析用戶需求。

（4）構建情景場景劇本。可利用故事板形式描述使用軟件場景。故事板是運用圖片和文字的視覺性將人物角色放在具體情景中的一種有效方法。通過講故事的方法讓學生在特定的場景下全面理解用戶和軟件系統的交互關系。故事板需要描述人物角色、情境及用戶使用情景，盡量不給出用戶行為和交互動作。

（5）確定需求。產品主要針對3-6 歲的學齡前兒童學習加減算術，是一款寓教于樂的學習軟件。考慮到這個年齡范圍的兒童學習特點，軟件更應偏向兒童喜歡的卡通游戲學習界面，同時交互方式以語音交互和觸摸交互為主。另外，系統可隨時聯網升級題庫動畫內容和功能。

本實驗步驟大致按以上5 個步驟執行，代表一個迭代過程，設計師可能需要從步驟（3）到步驟（5）循環多次，直到需求變得穩定。

4.1.4 實驗體會

學生以小組為單位對學齡前兒童和家長開展詳細的用戶訪問調研和數據分析，充分發揮團隊合作能力和交流能力，進一步體會人物角色的重要作用和制作流程，針對特殊用戶群體歸納總結出主要需求，并建立合理的人物角色模型。

4.2 低保真原型設計

在獲取人物角色和場景實驗需求之后，很重要的一項工作是檢查獲取的需求是否真正符合用戶要求，這個工作稱為需求驗證。相比需求評審、測試用例等需求驗證技術，原型能夠給用戶一個更加直觀的產品形象，是用戶樂于接受并愿意與設計人員合作的一種需求驗證方式，特別是交互需求驗證，原型是最恰當的驗證工具［6］。原型分為低保真原型和高保真原型。由于低保真原型制作成本低、效率高，在實驗過程中借助簡單的工具和方法就能快速創建，達到一邊思考一邊討論、一邊動手制作一邊驗證修改的效果，學生的注意力很容易轉向探討交互方案本身而不是專注在高保真視覺稿的刻畫描摹中［10］。

（1）實驗內容。使用任意一款原型工具設計一個手機端APP 界面原型，基本界面包括登錄頁、系統主頁等，可對生成的原型系統進行測試和改進。

（2）實驗目的。①明確手機端系統基本功能和用戶需求，掌握低保真原型設計技巧；②完成登錄界面原型設計，生成可演示的原型系統。

（3）實驗過程。①明確系統功能要求。基本功能需求包括用戶登錄、簽到打卡等主界面；②分析主要目標用戶。主要目標用戶如在線教學系統用戶包括學生、教師。以學生用戶為例進行分析，其具有好奇、有活力、樂于接受新興事物、有基本的計算機操作能力，但是專注力較差、自控力不強、忍耐性較弱等特點；③確定界面原型結構布局。通過實驗小組討論后，由于登錄系統平臺運行在手機端，因此界面采用以手指觸摸點擊方式為主、鍵盤輸入為輔的交互方式，簡潔的登錄流程使用戶能夠在短時間內登錄主界面。低保真原型設計無需過多關注界面細節設計，應重點關注整體布局效果，其原型設計如圖3 所示，學生可在此基礎上完善其它模塊界面的原型設計。

圖3 某課程在線學習系統簽到與課表界面

（4）實驗體會。設計原型能有效簡化文檔編制、吸引使用者參與、早期辨認需求遺漏，將外在需求風險降到最低。將大量文字性文檔轉變為帶有注釋與互動性的可視畫面，更能引起使用者注意。快速原型法是一種高效的以用戶為中心技術，可幫助學生創造更加實用的產品。

4.3 人機交互系統可用性評估

為了滿足用戶使用需求，人機交互系統應該具備可用性特征，如產品是否容易學習和使用；系統是否能幫助用戶減少錯誤發生的幾率；一旦發生操作錯誤系統能否及時提示并幫助糾錯。可用性是人機交互中一個既重要又復雜的概念，它不僅涉及正在與人發生交互作用的系統，還包括系統對使用人產生的作用。因此可用性度量實驗充分利用“可用性工程”評估方法開展實驗任務，這樣既可提升學生從用戶角度操作實驗內容，又加深了學生對“可用性”概念的理解。

（1）實驗內容。要求學生以小組為單位利用可用性度量方法選擇一個網站進行可用性分析，并設計一個用戶調查問卷進行評估。

（2）實驗目的。①了解人機交互系統的可用性評估方法；②掌握人機交互系統可用性評估步驟；③理解可用性目標基本特征含義。

（3）實驗過程。選擇一個經常使用的網站進行可用性工程分析和評估，設計用戶調查問卷（見表1）。通過用戶調查問卷采集用戶數據，對所采集的數據進行統計；根據所得的統計數據對此平臺系統進行綜合分析和評估，最后給出網站的改進意見。

表1 網站可用性評估調查問卷

（4）實驗體會。通過問卷調查、用戶訪談等方式從系統易用性、有效性和主觀滿意度等方面開展可用性測試，讓用戶就測試項目是否容易識別逐個打分，以1-5 或1-7的Likert 度量尺度或語義差異尺度作為打分標準，得分越高認可程度越高，使學生對可用性評估方法和流程有更加深刻的理解。

5 實驗教學反饋結果

以荊楚理工學院2020 年春季疫情期間開設的網上實驗學生評價數據為例，2018 級數字媒體技術專業某班50人，參與評價樣本數45 人，參與評價率90%，實驗滿意率達95.6%，具體評價統計結果如表2 所示。

表2 2020 年春季網上教學實驗效果評價數據

由于新冠疫情影響，本應在學校實驗室開展的實驗過程轉到網上進行。為使學生更有團隊合作精神，激發學生實驗興趣，以小組為單位的人機交互實驗案例應盡量選取學生能接觸到現實生活的產品。讓學生自由選擇實驗項目，在啟動時就要求學生聯系到實際用戶群體，以方便后續開展訪談和觀察等活動，同時要求學生在進行觀察和訪談時使用手機拍攝活動照片，撰寫訪談記錄和觀察報告。實驗成果驗收可采用學生互評、網上演示等方式，制定嚴格的評分細則。需要說明的是，學生互評是知識傳遞的有效途徑，能及時反饋驗收信息，而公開演示環節則充分激發了學生的學習熱情，鍛煉了交流表達和應變能力［11］。

6 結語

人機交互課程實驗不僅僅鞏固了人機交互學科的理論內容，更培養了學生交互設計思維，讓學生從簡單的設計者向用戶體驗角度轉變。2020 年5 月“兩會”期間，全國政協委員葉友達反復強調培養用戶體驗行業人才的重要性［12］，但人機交互課程實驗案例設計仍存在一些不足，用戶體驗度好與差是一個很主觀的判斷。因此，建立較客觀的評價方法值得進一步研究。后續實驗改革應加強產學研合作模式，將實驗的實施過程與市場前沿技術結合，充分利用真實的實驗環境和先進的實驗工具提升人機交互實驗的教學效果，實現真正意義上以用戶為中心的實驗設計。