基于認知的CAI軟件交互界面改進設計研究

曹國忠，于晶晶，賀蕾，郭小峰

（1.河北工業大學 建筑與藝術設計學院，天津 300130；2.國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心，天津 300131）

CAI軟件系統是近年來TRIZ等創新原理在產品概念設計領域研究的熱點，其特殊性主要在于將發明問題解決原理與信息技術相結合來輔助設計者進行創新。在全球科技迅猛發展的今天，提高企業的創新能力和研發效率是CAI軟件研究的主要任務和根本出發點。近年來關于CAI軟件系統的研究主要集中于優化創新方法、協作環境，驅動產品概念設計與產品詳細設計有機結合等，忽略了CAI軟件系統交互性對用戶創新的重要輔助作用。認知心理學中感知、注意、記憶三種認知活動在創新思維產生的過程中具有重要作用，因此依據三種認知活動特性探討CAI軟件交互界面的具體改進方法及流程，有助于構建符合用戶創新思維產生特性的CAI軟件界面，提升CAI軟件輔助研發人員進行創新的效率。

一、用戶使用CAI軟件產生創意的認知過程研究

信息加工理論是認知心理學的核心觀點，主要研究感知、注意、記憶、表象、思維和語言等各種認知心理活動，包括信息接收、加工、貯存及反饋四個步驟。認知心理學將創新問題解決過程分為問題的表征、算子的選擇、算子的應用及方案的評估篩選四個階段。

創新問題的解決即創意的產生是人進行有目的的認知活動的結果，是人對外界信息進行感知、注意及記憶加工的產物。其中，感覺是人對外界信息的真實摹寫，知覺是人在已有知識和經驗的基礎上對外界信息總體特征及本質的把握，其從一開始就不等同于認知客體本身，同時人自身已有的知識經驗也會受知覺信息影響而發生改變，這為創意的產生提供了客觀必然性與可能性；人類的注意資源是有限的，只有經過注意機制的選擇和集中作用的信息，才能進入認知加工系統。在創意產生過程中，注意的選擇機制為創意的構想篩選重要的信息加工材料，注意的集中機制使人專注于對當前項目的信息加工，以保證創意構想的進行，一旦這種注意機制被打破，創意的構想將陷入僵局；短時記憶是人對當前注意信息的集中加工平臺，也是長時記憶被激活后的臨時存儲平臺。在創意產生過程中，信息經過短時記憶的加工后，一部分會進入高級神經中樞進行類比、想象等一系列加工，最終形成創意；一部分信息則以表象、語義等形式貯存于長時記憶，經過一定刺激則會進行閃配而產生靈感、頓悟等創新思維。

CAI軟件系統是發明問題解決原理與計算機技術及網絡技術的融合，其主要功能是輔助設計者從問題根源出發全面地思考問題，并為設計者提供多領域的知識及創新方法作為借鑒參考，最終產生創新方案。用戶使用CAI軟件的認知過程如圖1，由圖1可知感知、注意、記憶三種認知活動在用戶使用CAI軟件進行創新過程中具有重要作用，因此基于認知活動特性優化CAI軟件界面交互性，對輔助用戶創新具有重要意義。

二、基于認知的CAI軟件交互界面改進方法研究

通過對感知、注意及記憶三種認知活動的特性研究，探討CAI軟件交互界面改進原則。

（一）基于感知的交互界面改進原則

用戶在應用CAI軟件時大多數信息都是通過視覺通道獲得的，人類視覺容易對具有相似性、連續性等特征的事物整體化處理，并構建一定的結構關系，且人有從上到下、從左到右的瀏覽習慣，因此交互界面的左部、上部及中部區域的信息感知效率要高于界面右部和下部。因此可采用以下界面改進原則：（1）模塊化原則。可將界面中功能相似或具有連續性等特征的信息模塊化，但由于人的注意資源有限，模塊數量需控制在7個左右。（2）層級清晰原則。將界面中各個模塊、上下級界面間的聯系及結構關系設計清晰，輔助用戶有效感知界面信息的本質；將啟發用戶創意產生的重要信息放于界面中央，輔助信息按重要程度放于界面的中上、左部和右部等邊界區域，且邊界區域的重要信息在必要時可以采用閃動等方式引起用戶的注意。

人對不同事物的感知加工效率不同。相較于新鮮事物，符合人自身已有知識經驗的事物更易被感知；形狀及有意義的圖片、動畫相較于具有同等信息量的文字更易被感知。因此可采用以下原則改進界面：（1）一般化原則。采用大眾熟知易懂的元素、布局及操作方式等，避免標新立異的界面引發歧義影響用戶創意的產生。（2）一致性原則。在界面中具有類似功能的圖標、操作及布局等要保持一致，以避免用戶感知混亂。（3）信息形象化原則。將界面中的案例圖片形象化，采用圖片或動畫取代大量的文字介紹，必要時配以適量文字輔助用戶理解。

（二）基于注意的交互界面改進原則

人的注意資源是有限的，界面中信息越繁雜越不利于用戶查找，進而影響創新效率。因此可采用以下界面改進原則：（1）簡化原則。簡化界面中重要程度低卻復雜的操作或信息，如可采用閃現的方式取代需點擊確定才能關閉對話框的方式，以減少對當前操作流程的干擾；減少界面跳轉，在保證界面簡潔的情況下讓界面呈現更多與當前任務相關的信息，避免引起用戶注意的轉移及短時記憶的消逝。（2）屏蔽冗余信息原則。去除或隱藏界面中與當前任務無關的操作或信息，必要時可用圖標代替。

（三）基于記憶的交互界面改進原則

人的短時記憶容量有限且易受干擾而消逝，長時記憶存貯時間長卻容易出錯。因此可采用以下界面改進原則：輔助記憶原則。采取改變顏色、加深背景等形式給用戶正確的引導，提示用戶當前任務的完成情況；在當前任務需要時，界面可自動顯示前期的操作成果或已填寫過的信息等。

為更好地提升現有CAI軟件界面的交互性輔助用戶創意產生，構建了CAI軟件交互界面改進流程。（圖2）

三、實例驗證

以團隊研發的CAI網絡版軟件為例進行改進，驗證上述改進流程的可行性。

（一）找出并匯總交互界面存在的問題

1.確定目標軟件：CAI網絡版軟件。

2.實驗的前期準備。實驗設備：調試好的鼠標移動軌跡記錄軟件及電腦和錄像機各一臺。實驗對象：有CAI軟件操作經驗的10位研究生用戶。研究員2名，分別負責記錄與用戶訪談。實驗任務：用戶應用CAI網絡版軟件解決具體問題。

3.實驗試驗。隨機選取3位用戶進行試驗，結果發現用戶的鼠標移動軌跡雜亂且無法作出解釋。為明確此現象產生的真實原因及用戶的操作意圖，在實驗后進行用戶訪談以修正實驗。經驗證修正后的實驗合理，正式實驗。

4.正式實驗。要求10名用戶應用軟件進行多輪實驗解決不同的創新問題，并記錄用戶的操作過程及鼠標移動軌跡。

5.實驗結果分析。以其中一次實驗為例，對用戶在發明原理界面的鼠標移動軌跡進行分析，如圖4中的發明原理原界面（以多色鼠標案例界面進行展示），藍色虛線以上為瀏覽器頁面縮放比例為100%時屏幕顯示的區域，虛線以下為需滾輪滑動才能瀏覽的區域。

10位用戶在發明原理界面的操作軌跡如圖3，圖中黑色圓點的大小代表鼠標在界面中停留時間的長短，線條代表鼠標移動軌跡。紅框標注區域鮮有操作軌跡，用戶的鼠標操作軌跡主要集中于案例詳細信息及分類樹模塊。黃框中文字介紹區域鼠標平行移動及長時間停留較多，案例圖片區域鼠標移動軌跡雜亂，選擇圖標區域軌跡明顯變少。用戶在沖突解決工具、技術沖突表的返回圖標區域操作頻繁如圖4圈注的放大區域，二者的功能均為返回沖突確定界面。經訪談可知大部分用戶理解案例信息存在困難，創新效率低，且多數用戶提出反復返回沖突確定界面查看下一沖突十分不便。

6.實驗及訪談結果匯總。不同用戶鼠標軌跡具有不同的特點，通過分析每位用戶的鼠標軌跡及訪談結果，結合10位用戶存在的共同問題，得出發明原理界面中存在的問題。表1）

（二）交互界面問題的根原因分析

采用根原因分析法對發明原理界面存在的問題進行分析，結果見表1。

>表1 發明原理界面存在的問題及根原因

（三）交互界面改進設計

1.界面細節改進

>圖1 用戶使用CAI軟件產生創新思維的認知過程

>圖2 基于認知的CAI軟件交互界面改進流程

>圖4 發明原理界面新舊對比

>圖3 10名用戶的鼠標移動軌跡疊加圖

依據表1選擇相應原則進行改進。針對問題1采用信息形象化原則，將案例圖片生動化，下方配以簡潔的文字描述，如圖4中改進前后的多色鼠標案例模塊。針對問題2采用模塊化原則，將所有沖突對應的發明原理置于界面同一模塊中；采用輔助記憶原則將重復出現的原理標紅，并提示用戶“原理重復出現”，對于已讀案例進行顏色變淺處理，如圖4中藍色框區域為改進前后的分類樹模塊。針對問題3，采用一致性、屏蔽冗余信息及模塊化原則，用方案撰寫圖標代替“技術沖突表”，并將方案撰寫圖標與案例詳細信息模塊放置于同一模塊，將方案撰寫圖標放置在模塊左邊，如圖4中紅色框區域為改進前后的“技術沖突表”。針對問題4，采用輔助記憶原則在界面中添加問題沖突模塊用于記錄要解決的基本問題，如圖4中基本問題描述模塊。針對問題5采用結構清晰原則及輔助記憶原則，將沖突解決界面分為沖突確定、發明原理、方案匯總三個分界面，加深當前分界面標題的背景色，如圖4中的副標題欄。

2.界面布局優化

采用層級清晰及一般化原則規劃界面布局。將案例詳細信息模塊放置于界面中間區域，發明原理分類樹置于案例詳細信息的左側，將基本問題模塊置于案例詳細信息模塊上方；將工具欄置于界面標題欄下方，副標題置于標題欄的下方，使新界面中信息能全部同時展示在電腦屏幕上，如圖4改進前后發明原理界面對比。

（四）交互界面測試與評估

隨機選取20名具有TRIZ知識背景的用戶，平分為兩組分別使用新、舊界面進行軟件試用，并作出評價。結果表明：用戶使用新界面的案例理解效率、創新方案產生的數量及質量明顯優于原界面，且絕大多數用戶對新界面評分較高，認為案例詳細信息簡單易懂。因此可繼續改進其他界面。

四、結語

目前已有研究將認知應用于CAI軟件系統功能、流程等的優化。本文基于對感知、注意、記憶三種認知活動在創意產生中的作用研究，結合用戶使用CAI軟件進行創新的認知過程，提出了基于認知的CAI軟件交互界面改進方法，以構建符合用戶創意產生時信息加工特點的CAI軟件交互界面，進而更好的輔助用戶進行創新。文章最后以CAI網絡版軟件為例進行驗證，結果表明改進后的交互界面在案例信息理解、創新方案產生質量及數量等方面能有效提升用戶的創新效率。