簡介
開發有效的計算機系統接口是人機交互研究的基本目標。
接口可以定義為系統運行和用戶了解其狀態的硬件和軟件組件的總和。 硬件組件包括數據輸入和指點設備（例如，鍵盤、鼠標）、信息呈現設備（例如，屏幕、揚聲器）以及用戶手冊和文檔。 軟件組件包括菜單命令、圖標、窗口、信息反饋、導航系統和消息等。 界面的硬件和軟件組件可能緊密聯繫在一起以致於不可分割（例如，鍵盤上的功能鍵）。 界麵包括用戶在與計算機交互時感知、理解和操作的一切 (Moran 1981)。 因此，它是人機關係的關鍵決定因素。
界面研究旨在提高界面的實用性、可訪問性、性能和安全性以及可用性。 出於這些目的，實用程序是根據要執行的任務來定義的。 一個有用的系統包含完成要求用戶執行的任務（例如，書寫、繪圖、計算、編程）所必需的功能。 可訪問性是衡量一個界面允許幾類用戶——特別是有殘障的人，以及在地理上偏遠地區工作、經常移動或雙手被佔用的人——使用系統來執行他們的活動的能力的量度。 此處從人而不是技術角度考慮的性能是衡量系統提高用戶執行工作效率的程度。 這包括宏、菜單快捷方式和智能軟件代理的效果。 系統的安全性定義為界面允許用戶在沒有人員、設備、數據或環境事故或損失風險的情況下執行其工作的程度。 最後，可用性被定義為學習和使用系統的難易程度。 通過擴展，它還包括上面定義的系統實用程序和性能。
界面設計要素
自從 1963 年共享時間操作系統發明以來，尤其是自 1978 年微型計算機問世以來，人機界面的發展呈爆炸式發展（有關歷史，請參見 Gaines 和 Shaw 1986）。 這一發展的刺激主要是由三個同時作用的因素驅動的：
首先，由於電氣工程、物理學和計算機科學的進步，計算機技術的飛速發展已經成為用戶界面發展的主要決定因素。 它導致了計算機的出現，其功能和速度不斷提高，具有高內存容量、高分辨率圖形屏幕和更自然的允許直接操作的指點設備（例如，鼠標、軌跡球）。 這些技術也促成了微計算的出現。 它們是 1960 年代和 1970 年代基於字符的界面、1970 年代後期的圖形界面以及自 1980 年代中期以來出現的基於虛擬環境或使用各種交替輸入識別的多媒體和超媒體界面的基礎技術（例如，語音、手寫和移動檢測）。 近年來在這些領域進行了大量的研究和開發（Waterworth 和 Chignel 1989；Rheingold 1991）。 與這些進步相伴的是用於界面設計的更高級軟件工具的開發（例如，窗口系統、圖形對像庫、原型系統），大大減少了開發界面所需的時間。
其次，計算機系統的用戶在開發有效界面方面發揮著重要作用。 這有三個原因。 首先，與第一台計算機的用戶不同，當前用戶不是工程師或科學家。 因此，他們需要易於學習和使用的系統。 其次，個人用戶的年齡、性別、語言、文化、培訓、經驗、技能、動機和興趣差異很大。 因此，界面必須更加靈活，能夠更好地適應各種需求和期望。 最後，用戶受僱於各種經濟部門並執行各種各樣的任務。 因此，界面開發人員必須不斷地重新評估其界面的質量。
最後，激烈的市場競爭和更高的安全期望有利於開發更好的接口。 這些關注是由兩組合作夥伴驅動的：一方面，軟件生產商努力降低成本，同時保持產品獨特性以推進他們的營銷目標，另一方面，軟件是提供有競爭力產品的一種手段的用戶和對客戶的服務。 對於這兩個群體，有效的界面提供了許多優勢：
對於軟件生產商：
- 更好的產品形象
- 產品需求增加
- 更短的訓練時間
- 較低的售後服務要求
- 開發產品線的堅實基礎
- 減少錯誤和事故的風險
- 減少文檔。
對於用戶：
- 較短的學習階段
- 提高技能的普遍適用性
- 改進系統的使用
- 使用該系統增加自主權
- 減少執行任務所需的時間
- 減少錯誤數量
- 增加滿意度。
有效的界面可以顯著改善用戶的健康和生產力，同時提高質量並降低培訓成本。 然而，這需要將界面設計和評估建立在人體工程學原理和實踐標準的基礎上，無論是指南、主要係統製造商的企業標準還是國際標準。 多年來，已經積累了大量與界面設計相關的人體工程學原理和指南（Scapin 1986；Smith 和 Mosier 1986；Marshall、Nelson 和 Gardiner 1987；Brown 1988）。 這個多學科語料庫涵蓋了字符模式和圖形界面的所有方面，以及界面評估標準。 雖然它的具體應用偶爾會出現一些問題——例如，術語不精確、使用條件信息不充分、表述不當——但它仍然是界面設計和評估的寶貴資源。
此外，主要的軟件製造商都制定了自己的界面設計指南和內部標準。 這些指南可在以下文檔中找到：
- Apple 人機界面指南 (1987)
- 打開看看 （1990 年星期日）
- OSF/Motif 風格指南 (1990)
- IBM Common User Access 用戶界面設計指南 (1991)
- IBM 高級界面設計參考 (1991)
- Windows 界面：應用程序設計指南 （微軟 1992）
這些指南試圖通過強制在同一計算機平台上使用的接口之間保持最低水平的統一性和一致性來簡化接口開發。 它們在幾個方面是精確、詳細和非常全面的，並提供了眾所周知、易於訪問和廣泛使用的額外優勢。 他們是 事實上的 開發人員使用的設計標準，因此是不可或缺的。
此外，國際標準化組織 (ISO) 標準也是有關界面設計和評估的非常有價值的信息來源。 這些標準主要關注確保跨接口的一致性，無論平台和應用程序如何。 它們是與國家標準化機構合作開發的，並經過與研究人員、開發人員和製造商的廣泛討論。 主要的 ISO 接口設計標準是 ISO 9241，它描述了視覺顯示單元的人體工程學要求。 它由17個部分組成。 例如，第 14、15、16 和 17 部分討論了四種類型的人機對話——菜單、命令語言、直接操作和表單。 ISO 標準應優先於其他設計原則和指南。 以下部分討論了界面設計的條件原則。
以用戶為中心的設計理念
Gould 和 Lewis (1983) 提出了一種專注於視頻顯示單元用戶的設計理念。 它的四個原則是：
- 立即和持續關注用戶。 與用戶保持直接聯繫，以便更好地了解他們的特點和任務。
- 一體化設計。 可用性的所有方面（例如，界面、手冊、幫助系統）都是並行開發的，並置於集中控制之下。
- 用戶的即時和持續評價。 用戶在設計階段的早期就在模擬工作條件下測試界面或原型。 性能和反應是定量和定性測量的。
- 迭代設計。 系統根據評估結果進行修改，評估週期重新開始。
這些原則在 Gould (1988) 中有更詳細的解釋。 當它們於 1985 年首次發佈時非常相關，十五年後它們仍然如此，因為在沒有用戶測試的情況下無法預測界面的有效性。 這些原則構成了近年來幾位作者提出的基於用戶的開發週期的核心（Gould 1988；Mantei 和 Teorey 1989；Mayhew 1992；Nielsen 1992；Robert 和 Fiset 1992）。
本文的其餘部分將分析開發週期中出現的決定最終界面有效性的五個階段。
任務分析
符合人體工程學的任務分析是界面設計的支柱之一。 本質上，它是闡明用戶責任和活動的過程。 這反過來又允許設計與用戶任務特徵兼容的界面。 任何給定任務都有兩個方面：
- 名義任務，對應於組織對任務的正式定義。 這包括目標、程序、質量控制、標準和工具。
- 真正的任務，對應於執行標稱任務所需的用戶決策和行為。
名義任務和真實任務之間的差距是不可避免的，這是由於名義任務未能考慮到工作流程中的變化和不可預見的情況，以及用戶對其工作的心理表徵的差異。 對名義任務的分析不足以全面了解用戶的活動。
活動分析檢查諸如工作目標、執行的操作類型、它們的時間組織（順序、並行）和頻率、所依賴的操作模式、決策、困難來源、錯誤和恢復模式等元素。 該分析揭示了為完成任務而執行的不同操作（檢測、搜索、讀取、比較、評估、決定、估計、預期）、被操縱的實體（例如，在過程控制中、溫度、壓力、流速、體積）和運營商和實體之間的關係。 執行任務的上下文決定了這些關係。 這些數據對於未來系統功能的定義和組織至關重要。
在最基本的情況下，任務分析由數據收集、編譯和分析組成。 它可以在任務計算機化之前、期間或之後執行。 在所有情況下，它都為界面設計和評估提供了基本指南。 任務分析總是關注真實的任務，儘管它也可能通過模擬或原型測試研究未來的任務。 在計算機化之前執行時，它研究使用現有工作工具執行的“外部任務”（即計算機外部的任務）（Moran 1983）。 這種類型的分析即使在預期計算機化會導致任務的重大修改時也是有用的，因為它闡明了任務的性質和邏輯、工作程序、術語、操作員和任務、工作工具和困難的來源。 通過這樣做，它提供了任務優化和計算機化所需的數據。
在任務計算機化期間執行的任務分析側重於由計算機系統執行和表示的“內部任務”。 系統原型用於在此階段收集數據。 重點是在前一階段檢查的相同點上，但從計算機化過程的角度來看。
隨著任務計算機化，任務分析也研究內部任務，但現在分析的重點是最終的計算機系統。 這種類型的分析通常用於評估現有接口或作為新接口設計的一部分。
分層任務分析是認知工效學中的一種常用方法，已被證明在包括界面設計在內的廣泛領域非常有用 (Shepherd 1989)。 它包括將任務（或主要目標）劃分為子任務，每個子任務都可以進一步細分，直到達到所需的詳細程度。 如果數據是直接從用戶那裡收集的（例如，通過訪談、發聲），層次劃分可以提供用戶對任務的心理映射的畫像。 分析結果可以用樹形圖或表格表示，每種格式都有其優點和缺點。
用戶分析
界面設計的另一個支柱是分析 用戶特徵. 感興趣的特徵可能與用戶年齡、性別、語言、文化、培訓、技術或計算機相關知識、技能或動機有關。 這些個體因素的變化導致了用戶組內部和用戶組之間的差異。 因此，界面設計的關鍵原則之一是沒有普通用戶這樣的東西。 相反，應該識別不同的用戶組並了解他們的特徵。 應鼓勵每個小組的代表參與界面設計和評估過程。
另一方面，心理學、人體工程學和認知工程學的技術可用於揭示與感知、記憶、認知映射、決策和學習相關的用戶特徵信息（Wickens 1992）。 很明顯，開發真正與用戶兼容的界面的唯一方法是考慮這些因素的差異對用戶能力、限制和操作方式的影響。
界面的人體工程學研究幾乎完全集中在用戶的感知、認知和運動技能上，而不是情感、社會或態度因素，儘管近年來後一領域的工作變得越來越流行。 （有關將人類視為信息處理系統的綜合觀點，請參閱 Rasmussen 1986；有關設計界面時要考慮的與用戶相關的因素的回顧，請參閱 Thimbleby 1990 和 Mayhew 1992）。 以下段落回顧了在界面設計過程中應考慮的四個主要的用戶相關特徵。
心理表徵
用戶構建他們使用的系統的心智模型反映了他們接收和理解這些系統的方式。 因此，這些模型會根據用戶的知識和經驗而變化（Hutchins 1989）。 為了最小化學習曲線並促進系統使用，系統所基於的概念模型應該類似於用戶對它的心理表徵。 然而，應該認識到這兩個模型從來都不是相同的。 心理模型的特點是它是個人的（Rich 1983），不完整，從系統的一個部分到另一個部分是可變的，可能在某些點上有錯誤並且在不斷發展。 它在常規任務中起次要作用，但在非常規任務和問題診斷期間起主要作用（Young 1981）。 在後一種情況下，如果沒有足夠的心理模型，用戶將表現不佳。 界面設計師面臨的挑戰是設計系統，其與用戶的交互將促使後者形成類似於系統概念模型的心智模型。
學習
類比在用戶學習中起著重要作用（Rumelhart 和 Norman 1983）。 出於這個原因，在界面中使用適當的類比或隱喻有助於學習，最大限度地從已知情況或系統中轉移知識。 類比和隱喻在界面的許多部分都發揮著作用，包括命令和菜單的名稱、符號、圖標、代碼（例如，形狀、顏色）和消息。 當相關時，它們極大地有助於呈現界面自然且對用戶更透明。 另一方面，當它們不相關時，它們會妨礙用戶（Halasz 和 Moran 1982）。 迄今為止，圖形界面中使用的兩個隱喻是 桌面 並且，在較小程度上， 房間.
用戶通常更喜歡通過立即使用而不是通過閱讀或參加課程來學習新軟件——他們更喜歡基於行動的學習，在這種學習中他們的認知是活躍的。 然而，這種類型的學習確實給用戶帶來了一些問題（Carroll 和 Rosson 1988；Robert 1989）。 它需要一個兼容、透明、一致、靈活、自然出現和容錯的界面結構，以及一個確保可用性、反饋、幫助系統、導航輔助和錯誤處理的功能集（在這種情況下，“錯誤”指的是用戶希望撤消的操作）。 有效的界面讓用戶在探索過程中有一定的自主權。
發展知識
用戶知識隨著經驗的增加而發展，但往往會迅速趨於平穩。 這意味著界面必須靈活，能夠同時響應具有不同知識水平的用戶的需求。 理想情況下，他們還應該對上下文敏感並提供個性化幫助。 由 Desmarais、Giroux 和 Larochelle (1993) 開發的 EdCoach 系統就是這樣一個界面。 將用戶分為初學者、中級和專家類別對於界面設計的目的是不充分的，因為這些定義過於靜態並且沒有考慮個體差異。 能夠響應不同類型用戶需求的信息技術現已可用，儘管是在研究層面，而不是商業層面（Egan 1988）。 目前對性能支持系統的狂熱表明這些系統在未來幾年將得到大力發展。
不可避免的錯誤
最後，應該認識到用戶在使用系統時會犯錯誤，無論他們的技能水平或系統質量如何。 Broadbeck 等人最近的一項德國研究。 (1993) 顯示，白領在計算機上工作所花費的時間中至少有 10% 與錯誤管理有關。 錯誤的原因之一是用戶依賴糾正策略而不是預防策略（Reed 1982）。 用戶更喜歡快速行動並產生他們必須隨後糾正的錯誤，而不是更慢地工作並避免錯誤。 在設計人機界面時，必須考慮這些因素。 此外，系統應該是容錯的並且應該包含有效的錯誤管理（Lewis 和 Norman 1986）。
需求分析
需求分析是 Robert 和 Fiset 的開發週期（1992）的一個明確部分，它對應於 Nielsen 的功能分析，並被集成到其他作者描述的其他階段（任務、用戶或需求分析）中。 它包括識別、分析和組織計算機系統可以滿足的所有需求。 在此過程中會識別要添加到系統中的功能。 上面介紹的任務和用戶分析應該有助於定義許多需求，但可能不足以定義因引入新技術或新法規（例如安全）而產生的新需求。 需求分析填補了這個空白。
需求分析的執行方式與產品的功能分析相同。 它需要一群對產品感興趣並擁有補充培訓、職業或工作經驗的人的參與。 這可以包括系統的未來用戶、主管、領域專家，並根據需要包括培訓、工作組織和安全方面的專家。 還可以對相關應用領域的科學和技術文獻進行審查，以確定當前的技術水平。 也可以研究用於類似或相關領域的競爭系統。 然後，通過該分析確定的不同需求被分類、加權並以適合在整個開發週期中使用的格式呈現。
原型
原型製作是大多數界面開發週期的一部分，包括界面的初步紙質或電子模型（或原型）的製作。 有幾本關於原型設計在人機交互中的作用的書籍可供使用（Wilson 和 Rosenberg 1988 年；Hartson 和 Smith 1991 年；Preece 等人 1994 年）。
原型製作幾乎是必不可少的，因為：
- 用戶很難根據功能規範對界面進行評價——界面的描述與真實界面相距太遠，評價過於抽象。 原型很有用，因為它們允許用戶查看和使用界面並直接評估其有用性和可用性。
- 第一次嘗試就構建一個合適的接口幾乎是不可能的。 接口必須由用戶測試和修改，通常是反復進行。 為了克服這個問題，可以測試、修改或拒絕的紙質或交互式原型被生產和改進，直到獲得滿意的版本。 這個過程比在真實界面上工作要便宜得多。
從開發團隊的角度來看，原型製作有幾個優點。 原型允許在設計週期的早期集成和可視化界面元素，快速識別詳細問題，在開發團隊和與客戶討論期間產生具體和共同的討論對象，以及針對目的的替代解決方案的簡單說明接口的比較和內部評估。 然而，最重要的優勢是讓用戶評估原型的可能性。
用於製作原型的廉價且非常強大的軟件工具可在商業上獲得，可用於各種平台，包括微型計算機（例如，Visual Basic 和 Visual C++（™Microsoft Corp.）、UIM/X（™Visual Edge Software）、HyperCard（™ Apple Computer），SVT（™SVT Soft Inc.））。 它們隨時可用且相對容易學習，在系統開發人員和評估人員中越來越普遍。
原型設計的集成徹底改變了界面開發過程。 鑑於原型製作的快速性和靈活性，開發人員現在傾向於減少對任務、用戶和需求的初始分析，並通過採用更長的評估週期來彌補這些分析缺陷。 這假設可用性測試將識別問題，並且延長評估比花時間進行初步分析更經濟。
接口評估
用戶對界面的評價是提高界面有用性和可用性不可或缺的有效方法 (Nielsen 1993)。 接口幾乎總是以電子形式進行評估，儘管也可以測試紙質原型。 評估是一個迭代過程，是原型評估-修改循環的一部分，該循環一直持續到接口被判定為可接受為止。 可能需要幾個評估週期。 評估可以在工作場所或可用性實驗室中進行（參見特別版 行為與信息技術 (1994) 對幾個可用性實驗室的描述）。
一些接口評估方法不涉及用戶； 它們可以用作用戶評估的補充（Karat 1988；Nielsen 1993；Nielsen 和 Mack 1994）。 此類方法的一個相對常見的示例包括使用諸如兼容性、一致性、視覺清晰度、明確控制、靈活性、腦力負荷、反饋質量、幫助質量和錯誤處理系統等標準。 有關這些標準的詳細定義，請參見 Bastien 和 Scapin (1993)； 它們還構成了界面人體工程學問卷的基礎（Shneiderman 1987；Ravden 和 Johnson 1989）。
評估之後，必須找到已識別問題的解決方案，討論和實施修改，並就是否需要新原型做出決定。
結論
界面開發的討論突出了人機交互領域的主要利害關係和廣泛趨勢。 總之，(a) 任務、用戶和需求分析在理解系統需求方面發揮著重要作用，進而在理解必要的界面特徵方面發揮著重要作用； (b) 原型設計和用戶評估對於界面可用性的確定是必不可少的。 一個令人印象深刻的知識體系，由原則、指南和設計標準組成，存在於人機交互中。 然而，目前不可能在第一次嘗試時就產生一個合適的接口。 這是未來幾年的一個重大挑戰。 必須在分析（任務、用戶、需求、上下文）和界面設計之間建立更明確、直接和正式的聯繫。 還必須開發方法，將當前的人體工程學知識更直接、更簡單地應用於界面設計。