人机交互的三次革命(一)

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2021/5/31 5:06
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「第零次革命」与键盘的诞生

从计算机诞生后,键盘的出现可以被认为是「第零次革命」,主要产物是命令行界面,命令行界面至今仍然是计算机的核心界面之一。
一百多年前键盘诞生,如今键盘依然在发挥着古老又暂时无法替代的作用。
B. Shneiderman 认为键盘是一种按键设备 (正文输入设备),为电脑提供用户输入的字符串流 1。 经过多年研究改进, 现行计算机键盘不论是尺寸形状还是布局,都较为完善且基本不再变化 2。
常用键盘的基本形状是长方形,但这一形状不符合人体工程学标准,长方形增加了对手腕的压力,手腕长期以弯曲的姿势使用鼠标或键盘,会使得手腕酸痛,易得医学上所说的「腕管综合征」,这是一种对腕部的累积性伤害 3。
1972 年,K. Kroemer 为了避免这种现象,提出了符合人体工程学的「K 键盘」设计 4,虽然符合人体工程学的键盘诞生了,但大多数键盘形状并没有被更改。
微软 Surface Ergonomic Keyboard
键盘的布局和基本形状一样,从 1868 年被 C. L. Sholes 发明开始,从打字机沿用至键盘 5,如今最为常用的「QWERTY」布局不再发生变化,但这一布局存在两大问题。
  1. 打英文读物时,左右手负担比例为 57 : 43,左手工作量大于右手,对占多数的「右撇子」不利。
  1. 频率较高的字母(「I」「S」「O」等)由小拇指或无名指敲击,不合理。
虽说 1932 年就有改进的 Dvorak 键盘布局问世,但因「惯性」使然,「QWERTY」键盘依旧是最为普遍的布局 6。
Dvorak Keyboard
命令行界面改进了键盘布局,增加了固定命令键与固定功能键,增加了效率 7
  • 基于键盘的固定命令键(如删除、输入和撤销)
  • 依据特定命令设置的固定功能键 (如 F11 打印)
除形状与布局外,剩下最重要的是触觉和听觉的反馈。这种对反馈的追求,造成键盘按键结构与轴体的多样性。
键盘根据结构,一般分为薄膜键盘与机械键盘。
火山口键盘是一般的机械键盘的结构,Macbook 被诟病的蝶式键盘是薄膜键盘的结构之一,2019 年新款 Macbook Pro 的剪刀式键盘也是薄膜键盘的结构之一 (如下图)。
键盘的不同结构
相同的火山口结构,不同的轴体 (如下图)8。
绿轴
橙轴
黄轴
不同触觉听觉的反馈会造成不同的打字感受,这些感受带有明显的个人主观体验,甚至还带有点「玄学」. 键盘作为主要的正文输入工具,依旧持续活跃,随着科技进步,相信会出现更快更方便的正文输入工具。
「第零次革命」后的「第一次革命」,不仅使得使用电脑易于使用,更扩展了用户群体。

「第一次革命」 间接指点设备

间接指点设备与图形用户界面

人机交互至 2018 年已完成了两次革命。
「第一次革命」是鼠标输入的图形用户界面。 它扩展了早期电脑输入局限 (键盘的敲击令) 9,非专业用户不需要记住大量命令,就可以使用电脑,这一革命_减轻了用户的认知负担,方便快捷,简单易学_ 10,但相较于命令行界面需占用较多的屏幕空间 11
除这些因素外,心理学研究表明,人的注意力有限. 交互界面本身需要用户投入的注意力资源越少越好,这样用户可以把注意力集中在需要完成的任务本身 12。例如,在输入一篇文章时,应将注意力放在文章的构思上,而非键盘和鼠标上. 在某些特殊环境下这一点特别重要,例如在驾车、手术等伴随着危险的任务时。
而设计心理学里面的一个假说,特斯勒的复杂守恒定律体现了图形用户界面诞生的艰难。13
「系统的复杂性的总量是一个恒量,把系统的一部分变得简单,那么剩下的部分就会变得更加复杂。」或者说「当你使人的互动行为更简单,那么隐藏在幕后的复杂性就增加了。」
实际上他描述的是一个平衡关系:用户用起来更容易,意味着设计师或工程师的难度更大。
对比图形用户界面和命令行界面,图形用户界面虽然方便了我们的生活,但根据这一定律,图形用户界面的产生需要设计师和工程师更多的努力. 那些看起来方便我们生活的东西,往往需要大量投入才得以诞生,而不是人们想象中的灵机一动。
罗技 M570 跟踪球
同一时期的间接指点设备几乎成为唯一的主流交互输入设备,如跟踪球、控制杆、触控板等. 而这些设备与视觉关系密切,直观性好,操作快捷,易于学习 14.
间接指点设备与图形界面几乎同时出现,并且传统二维交互有两个特征:
两个特征
  • 图形用户界面的交互元素甚至比指甲盖还小 15
  • 间接指点设备可以精确控制到屏幕像素一级 16
两者相互搭配,方便使用。
如今人们操作界面时,鼠标点击次数甚至能超过每小时 1000 次,鼠标在图形界面的输入效率远高于键盘,但依然存在问题,移动时光标的起始位置未知,所以必须先找到光标,但是这一行为会导致效率减慢 17。

早期鼠标设计与后期变化

早期鼠标设计多种多样,主要问题集中在微软和苹果的两者设计间 18。
微软设计的鼠标,和现在的鼠标较为相似,是两个按键的,左键和右键.
Microsoft Green Eye Mouse 1983
苹果设计的鼠标,和如今的 妙控鼠标 Magic Mouse 极为相似,是只有一个按键的鼠标,而另一个在键盘上,即键盘上的「苹果键」。
Apple Lisa Mouse 1983
Apple Magic Mouse 2 2015
苹果之所以采用这一设计,是因为一些心理学的研究。
一些心理学研究指出,人们可以很容易的分辨上下差异,但分辨左右差异,对儿童来说有很大的困难,甚至一直影响到很多人成年以后。在人类错误的编年史上,左右混淆频繁地出现,而上下混淆几乎从来没有过。将一个按键移动到键盘上让它有一个独特位置,就几乎不可能与鼠标上的按键混淆,且更容易学习. 事实告诉我们,如果经过充分的练习,人们可以学会左右的区别并操作得很好。但在鼠标驱动电脑的早期时代,使初级用户尽快适应产品是很重要的。
而在鼠标诞生后期,每个人都很熟悉鼠标,所以早期的反对意见不再适用。微软通过使用右键提供关联性信息来证明了双键鼠标的好处:提供菜单和帮助。
但因为苹果的单键鼠标,已成为其独特的标志,便不再进行修改.
两者的设计,孰优孰劣?苹果的决策是否明智?单键鼠标比多键鼠标简单吗?
这都取决于我们站在什么角度看待这个问题。

老三样 —— 鼠标,键盘与显示屏

鼠标,键盘与快捷键

老三样
「第一次革命」,人们用鼠标、键盘、显示器进行精确的二维交互。不同于键盘,间接指点设备提供的是原始数据格式,也就是光标的「位置编码」19。
键盘鼠标的原始数据格式不同,意味着两者的功能较少发生重叠。键盘是正文输入工具,主要是用于输入正文,而鼠标则主要是控制图形界面。
「第一次革命」虽为革命,但在速度上是一种退步,命令行界面比图形界面速度更快 20。
上文曾言,键盘的固定命令键与固定功能键的存在是命令行界面优秀基因的遗留,而在「第一次革命」后的图形界面,另一种增加效率的方式诞生了 —— 快捷键。
快捷键,也叫热键 Hot Key,键盘固定键相对比,快捷键是多按钮组合的非固定键。
现在大多数时候,人们广泛使用鼠标来使用图形界面,似乎快捷键是一种无用的存在,但快捷键有其必要性。
从人机交互角度考虑,人机交互将用户分为两种,「新手」和「专家」。 新手倾向于使用命令菜单,通过滚动菜单列表来选择特定的命令,而专家会因为这些复杂动作的必须性而产生挫折感,所以大多数软件的允许通过快捷键来完成相同的功能 21,快捷键的存在也增加了界面的灵活性 22。
HOT KEY 热键
快捷键 23:
  • 命令键是用来代替菜单的「热键」和单击文件菜单效果一致。
  • 功能键,例如 Ctrl+ C 复制,Ctrl+ V 粘贴。
作为新手用户,我们经常用到一种情况,当使用软件上方的扩展菜单时,通常需要鼠标的精确控制,但依然会出错,一是不小心会选择错误选项,二是尝试将鼠标移动到二级或三级菜单时,菜单却整个消失不见 24。正因如此,用命令键快速打开菜单内需要的功能,更为方便。
一般来说,常用操作使用频率高,减少操作序列长度或设置快捷键,快捷键的设置不仅提高工作效率,还使界面在功能上简洁而高效。25 相比鼠标点击,快捷键可以使操作至少加快 1 倍 26 ,这一研究表明,快捷键及第二键盘的存在确实极大的提高了输入效率。如今,许多窗口系统采用鼠标和快捷键共用的办法提高效率 27. 减少鼠标的移动距离,支持快捷键的操作,会让系统更易使用 28
工程心理学有一项研究是关于飞行员观察仪表和操纵装置的,这一研究告诉我们一系列动作的所需时间:
  • 肌肉调节集中注视 0. 175s
  • 眼动 0.05s
  • 中央凹聚焦 0. 07s
  • 知觉 (最小觉察时间) 0. 65s
  • 视神经冲动从视网膜传到大脑 0.10s
  • 决策 2.0s
  • 操纵控制 0.40s
将时间相加,我们可以得出从观察仪表到操纵装置累计需要时间为 3.445s。
类比于电脑前的人们,当我们观察显示屏并操作鼠标键盘的反应时间约为 3.445s,这个时间受人生理限制,基本上不存在太大的改善 29.
虽说鼠标与键盘一般一同使用,但两者间的切换会造成不必要的眼球移动,从而降低效率 30。尽量减少两者间的切换,例如,在打字的过程中,围绕键盘进行,除非从一个段落跳到另一个段落或删除一段文字时,鼠标 + 键盘的操作更快捷,其他时候单纯的键盘操作就会更加快捷。

显示屏

现在大多数工作者,都使用多屏幕工作,甚至四五块屏幕一起用,但是多屏幕显示真的可以提高效率吗?
Razer
多项研究发现,使用两个或多个计算机屏幕可以显着提高效率,以下两项研究是很好的例子:
2004 年,在 Colvin 进行的第一项研究中 31,参与者在开始使用多台计算机屏幕之前接受了五分钟的培训。 所有参与者使用单个显示器工作一个小时,然后使用两个或三个显示器工作一个小时。 小组的一半使用两个显示器,另一半使用三个显示器. 该任务包括根据指示要进行更改的文档,
  1. 更正 Word 中的文本
  1. 更正 PowerPoint 中的幻灯片文本
  1. 更正 Excel 中的电子表格
这些工作虽然复杂但也非常常见。
研究结果表明,两个或三个显示器的条件下,效率有显着提高:同一时间段内,工作产量提高了 10%,错误率降低了 33% 。
与使用单个监视器相比,使用多个显示器可以显着提高效率。
而 2003 年的第二项研究 32,检查了屏幕尺寸和显示器数量对效率的影响,测量数据是完成任务所需时间. 除了常用的 18 到 22 英寸的计算机屏幕外,这组研究人员还包括对角线分别为 22、26 和 30 英寸的宽屏显示器. 这些宽屏显示器可以在一个屏幕上有效地显示两个应用程序,类似于在两个屏幕上工作。
研究结果表明,显示器的尺寸与效率之间存在明确的相关性。 显示器越大,效率越高。
使用两个显示器时的增益也比仅使用提供与两个显示器相同的表面数量的一个监视器更大. 最高效率来自使用单个 26 英寸宽屏显示器(并排显示两个应用程序)或使用两个 20 英寸显示器的双屏设置. 与使用单个 18 英寸计算机屏幕相比,效率提高了 40% 以上. 出乎意料的是,使用更大的(30 英寸)宽屏显示器比使用 26 英寸显示器产生的效率要低。 这表明我们可以在监视器上处理的最大信息量是有限的。
(Czerwinski,2003)
那么多显示器是否适合所有人呢?
Colvin 的研究 33 指出,如果用户将超过 20% 的时间花费在涉及整合来自多个来源的信息的任务上,那么效率的提高无疑会使投资成本值得. 考虑到显示器的价格已经比进行这项研究时便宜得多,今天的收支平衡点甚至不到 20%。
曾经有人认为多屏幕间的切换会显著影响效率,从工程心理学的角度去估计显示器之间切换的使用时间。
一项研究表明 34,飞行员从观察机外景物,再转移视线到舱内仪表,然后再转而观察机外,大约需要 2. 39〜2.5s。类比于注意力从一个显示器到另一个显示器所需时间是这个任务的一半约 1.19〜1.25s,这个时间受人生理限制,所以不存在太大的改善和缩短. 但当我们对比一下用鼠标(按钮)切换窗口的时间,能够发现,时间被缩短了,效率提高了,虽然一次节约的时间不多,但是多次使用,能节约大量的时间。
每天在显示器前工作四个小时,可轻松节约 30 分钟左右的时间. 35

鼠标与触控板

Apple Magic Trackpad 2
鼠标与触控板都是间接指点设备,但基本操作上却截然不同的,鼠标本身需要进行移动,对空间需求高,而触摸板是不需要移动的,对空间需求小.
鼠标一般是 2-3 手指进行精细操作,很少支持手势; 触摸板包含触觉传感器,可感知触点个数 (5 手指 +),支持多手势操作 (如两指捏合即放大缩小,四指横扫即切换全屏程序等)35。
妙控板 触控手势
触控手势的交互方式降低了视觉交互的需求,提高了效率,同时也能即时反馈 36。
所以两者的区别实际上很明显,鼠标用做传统的指点设备,主要用于精确的指点操作,而触控板主要是用做模糊的手势操作。
但当触控板需要精细操作时,如点按触控板左下方 (具体位置信息),则需要进行视觉交互,会导致反应速度下降。
(待续)
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