工作域分析在智能交互界面教學中的應用

由 芳， 楊偉光， 鄭貴鋒， 張 俊， 崔 巍

（1.同濟大學藝術與傳媒學院，上海 201804；2.中山大學計算機學院，廣州 510006；3.同濟大學設計創意學院，上海 200092）

0 引言

隨著汽車自動化和智能化的發展，更多的智能化功能被置入汽車座艙中，而如何與這些功能進行交互成為愈發重要的問題。新的智能化功能提高了用戶的駕乘體驗，同時也對交互設計提出了新的要求，有效、科學的設計方法起著至關重要的作用。交互界面設計教學直接影響研究生的創新能力與設計思維的培養，將教學與工作域分析理論相結合，掌握多種有效的設計分析方法有助于汽車人機交互領域的學生進行設計推導和研究工作。傳統的設計推導，即以用戶為中心的設計方法［1-2］，經常通過頭腦風暴、調查問卷和訪談等主觀數據來確定界面設計的功能框架，相較傳統主觀設計方法，工作域分析（Work Domain Analysis，WDA）則是通過提煉客觀條件逐步推導出功能框架，它的引入能夠為界面設計教學提供新的方法和思路。其中，抽象層次結構（Abstraction Hierarchy，AH）作為WDA中常用的分析方法，能夠較好地幫助學生探索智能座艙等復雜系統中的交互界面設計相關問題。此外，WDA能夠根據需求而對其中的框架單獨使用或組合使用，從而幫助學生解決不同階段的設計問題，啟發設計優化與迭代。如關注減輕駕駛員的認知負荷，提高其完成任務的績效等維度的設計優化。掌握工作域分析中的方法，通過實踐提高界面設計分析推導能力，有助于研究生后續的學習和發展［3］。

本文涉及到“智能座艙界面設計研究與推導”是研究生界面設計課程內容。課程以智能座艙交互功能設計為基礎，在前期引導學生了解并嘗試使用AH 推導相關界面功能架構，并結合不同狀態下的座艙情況進行相應的變化；后期培養學生界面元素定位及設計能力，根據前期方法推導的結果產出具體的界面設計方案并進行簡單的可用性評估，從而證明設計方案的可行性。

1 WDA的應用及優勢

1.1 WDA在人機交互領域的應用

WDA最早是由Rasumussen 提出，它描述了一個從功能目的到物理形式五層次的抽象層次結構，以便產生系統交互的高級概述。垂直的抽象層次之間解釋了分析對象從“是什么”到“怎么做”或“為什么”的問題［4］。該方法廣泛應用于人機交互領域，如艦船指揮與控制，航空領域［5］。目前，WDA在汽車領域也應用廣泛，如人機交互界面HMII 設計、車載系統層級構建等。

1.2 WDA的流程與優勢

1.2.1 基本流程

在使用WDA時，通常運用到AH 作為分析工具，將分析對象代入其中的5 個層次：功能目的、抽象功能、廣義功能、物理功能、物理形式，自上而下或自下而上進行模型構建［6］。

1.2.2 優勢

目前WDA已在汽車HMII 領域有一定的應用案例，若將其推廣至智能座艙界面設計教學中，運用WDA方法進行設計推導具有以下優勢：

（1）運用WDA開展的設計推導結果更為客觀與完整。WDA 是以“工作”為中心，通過分析人的認知行為設計系統框架，分析信息行為對工作的影響，并為信息系統設計提供整體思路［7］。相比使用以“用戶”為中心設計理念相關的方法與工具推導出的結果，前者更具客觀性與整體性［8］。

（2）WDA作為分析工具操作簡單，易于使用［9］。學生容易學習掌握，并根據不同的設計需求來推導各自的功能架構或評測任務，在獨自進行設計推導實踐中不容易出錯，便于在教學中展開。以WDA 為例，AH作為該階段主要的分析工具，工具介紹部分給出了不同層次所對應的內容，便于學生在使用時理解與掌握。AH的層級解釋及模型原理如圖1 所示。

圖1 AH抽象層次結構的解釋及模型原理

2 教學目標及方法探索

2.1 教學目標

為使學生深入了解學習智能座艙中的界面設計，需要在傳統的設計實踐基礎上，注入設計理論支撐，從而使得學生在設計的過程中不再單單憑借主觀的想法或經驗進行設計產出。該環節重視培養學生的設計思維與分析能力，針對界面設計推導實踐開展智能座艙的界面設計課程，課程面向研究生群體，并依托學院多年智能汽車交互研究背景及設備環境條件，學生以“智能座艙中的界面設計”為主題進行發散研究。該課程的開設為達到以下教學目標：

（1）通過課程講授讓研究生了解并掌握從設計需求—設計推導—設計輸出整個過程中的分析流程與方法。培養學生分析復雜系統的能力，引導學生深入了解智能座艙的交互設計及界面設計，拓展學生在此方面的知識。

（2）學習掌握WDA中所涉及到分析方法與實踐工具，學會借助AH推導出具有理論支撐的設計方案，并能夠在此基礎上進一步深入與優化。

2.2 教學方法探索

教學方法采用翻轉課堂模式，以小組為單位。課程在傳統的設計教學模式基礎上，融入設計理論，加強設計產出部分的理論支撐。并且建立以研究生作為界面設計課程的學習主體、教師為引導的教學關系，充分發揮學生的主觀能動性［10］。這種教學模式貫穿整個設計流程，主要體現在以下三方面：

（1）自主選擇設計載體及交互對象。教師根據學院的研究背景及設備環境條件確定課程主題，學生可根據主題背景自主選擇交互載體并以小組合作的形式開展對應的界面設計工作。各組同學根據選擇的不同載體確定對應的設計目的，教師在此過程中把握大的設計方向，并指導學生使用WDA 相關的設計分析方法推導對應的功能架構。

（2）自主擬定交互流程與原型制作。要求學生根據所選擇的交互載體以及推導出的功能架構進行交互低保真的繪制，教師對其交互流程方案提出改進意見。學生根據教師的反饋落實交互流程方案的合理性，并著手方案的紙上原型制作。學生通過簡單的紙上原型演繹在智能座艙中相應載體的界面跳轉變化。

（3）自主設計評測實驗與數據分析。教師介紹評測環境、評測方法和設備使用方法，并鼓勵學生運用制作的紙上原型與現有的虛擬仿真模擬器擬定評測實驗任務，學生根據設計方案自主開展實驗設計，選擇合適的測量指標，教師對實驗評測方案提出改進建議。隨后要求學生對實驗采集的主觀數據與行為績效數據進行分析處理，探究所采集的數據與駕駛員認知負荷的內在關聯性，綜合分析原因并給出結論。

3 課程設計實踐

3.1 設計分析與推導

設計方案由學生提出，圍繞“智能座艙中的界面設計”主題，在確定載體為中控屏幕后，將設計點集中于手動/自動駕駛狀態下中控智能化功能的信息架構差異。并使用AH作為該階段主要的分析工具開展設計工作。學生由此推導整理出手動/自動駕駛狀態下不同的抽象層次結構內容，如圖2 所示。

圖2 駕駛情況下抽象層次結構推導過程

學生使用抽象層次結構推導至第5 層結構后，可獲得所需功能架構的初始形態，通過整理歸納則可得到在不同駕駛情況下的信息功能架構。值得一提的是，整理時需考慮到駕駛狀態的變化會引起功能架構上的變化，該變化一方面是以AH 推導出的結果為基礎；另一方面學生能夠加入自己的主觀理解，從而產出具有差異化的設計方案。

例如，手動駕駛狀態下，著重展示功能的完整性以及快捷操作的屬性，則對應的信息架構會將絕大多數功能平展在頁面上，功能多為一級信息；自動駕駛狀態下，著重展示車輛狀態和駕駛意圖，則對應的信息架構會將車輛基本信息置于一級信息，其他的功能都將視為輔助功能放置二級信息。圖3 為手動/自動駕駛狀態下對應信息功能架構的差異示圖。

圖3 手動/自動駕駛狀態下對應信息功能架構的差異示圖

3.2 界面設計與原型制作

（1）界面設計。學生在推導出智能座艙不同駕駛狀態下的信息架構后，需要結合人機界面標準化設計原則［11-12］，即清晰性原則、一致性原則、易學性原則和容錯性原則開展設計工作。在此階段，學生需遵循人機界面設計原則的同時，融入自定的視覺語言，輸出每個功能的關鍵頁面與基本的交互流程說明，為后續的評測實驗做準備。不同駕駛模式下的高保真界面設計如圖4 所示。

圖4 手動/自動駕駛模式高保真界面設計

（2）原型制作。學生根據前期的界面設計方案推導，設計適合其搭載的展示載體。載體造型可尋找立體構成造型以及人機工程學尺寸比例等進行參考，確保紙上原型的比例大小滿足用戶正常且舒適地使用，同時也能演繹在智能座艙中界面的跳轉變化。圖5 為學生根據設計搭建的紙上原型。

圖5 紙上原型搭建

3.3 實驗設計與準備

（1）實驗設備與實驗參與者。實驗裝置包括中控界面紙上原型、汽車駕駛環境模擬器，駕駛模擬器采用Fanatec Porsche 918 RSR 方向盤及相關配件，搭建一臺搭載三通道融合環幕的電腦，采用Unity 軟件開發模擬車輛周圍環境仿真程序，評測的虛擬場景為自主開發的雙向兩車道程序。其他實驗材料包括評估問卷、訪談錄音設備等。共有9 名具備駕駛經驗的被試參與了模擬器上的原型測試實驗，平均年齡24 歲，平均駕齡1.25 年。

（2）實驗設計。實驗設計由學生提出，實驗目的在于讓被試使用結合WDA 產出的設計方案，通過主觀數據和客觀數據的雙重論證，證明該設計方案在可行性上占優。實驗分為主任務與次任務，主任務為被試駕駛模擬器以規定速度完成一段目標行程，次任務則是被試在手動駕駛和自動駕駛狀態下分別完成與中控原型的交互操作，次任務的任務規劃與學生已有界面高保真內容有關，學生根據已有實驗材料安排合適的實驗任務。具體任務描述如圖6 所示。

圖6 實驗駕駛任務清單

（3）實驗流程。在搭建完實驗環境后，中控紙上原型放置符合人機工程學的對應位置，邀請9 名被試上駕駛仿真臺架逐一進行實驗：實驗前會為被試安排基礎培訓并讓其提前試駕模擬器，使其熟悉相關設備。隨后依次完成主任務和次任務，每個次任務完成后需填寫ASQ 場景后問卷，待所有任務均完成后，完成SUS系統可用性量表并對被試進行深度訪談［13］。實驗流程說明與實驗過程如圖7、8 所示。

圖7 實驗流程

圖8 實驗現場操作

4 實驗結果與討論

4.1 客觀數據分析

實驗過程中，被試者通過汽車駕駛環境模擬器進行模擬駕駛，模擬器收集被試者完成任務期間的車速數據，統計結果如圖9 所示。多數被試者在完成任務期間能夠保持車速穩定在25 ～35 km/h，車速平均值為31.72 km/h，被試操作中控原型的動作對被試維持行駛速度的影響較小，說明被試者在使用該設計方案時能夠較為迅速和準確地完成操作任務，且對駕駛安全性影響不大。

圖9 駕駛模擬器車速數據

4.2 主觀數據分析

4.2.1 ASQ場景后問卷數據分析

根據被試者填寫的ASQ場景后問卷數據，對每個任務在問卷關于有效性、效率、滿意度3 個可用性維度上的問題計算平均得分，結果如圖10 所示。根據所得數據，兩個任務在有效性、效率、滿意度3 個維度上的得分均較高，表明中控原型在兩個任務上都具備較高的可用性。其中，任務2 在效率維度上的得分相對較低，結合實驗觀察，可能存在的原因是首頁功能入口的icon設計存在歧義，表意不明，導致用戶在完成任務時花費的時間提高。

圖10 ASQ場景后問卷數據

4.2.2 SUS系統可用性數據分析

根據被試者填寫的SUS 可用性量表數據，換算得出系統可用性總得分以及系統在可用性、易學性2 個分維度的得分［14］，如圖11、12 所示。在系統總體可用性上，中控原型的平均得分為74.7，將該分數引入研究者提出的評級量表［15-16］中，對應的可用性評級為GOOD。如圖13 所示，說明系統可用性較好，處于中上水平。中控原型在易學性維度的平均得分低于可用性維度的平均得分，后期設計的迭代改進應著重于引導用戶對界面設計元素的認知提升和學習等方面。

圖11 SUS系統可用性量表數據

圖12 SUS系統可用性量表均值數據

圖13 Bangor提出的系統可用性形容詞評級量表

4.3 實驗結果

實驗收集的客觀數據與主觀數據表明，實驗所用中控原型設計方案在被試者模擬駕駛汽車的過程中，對車輛正常行駛的影響較小，被試者能夠以較好的交互體驗完成任務的同時，維持平穩駕駛，駕駛的安全性也得到了較好的保證。說明通過使用WDA所推導出的結構框架、界面設計，在后期的論證過程中被證明有一定的可用性。

5 結語

本文選取學生界面設計課程方案，選題為“基于WDA的智能座艙中控模塊界面設計”，通過使用WDA以及對應的AH分析工具，推導智能座艙自動與手動狀態下的功能架構，產出最終的界面設計方案，評測實驗借助駕駛模擬器，完成手動與自動兩種狀態下的主次駕駛任務。結合客觀車輛數據與主觀SUS 可用性量表數據、ASQ數據以及訪談數據，發現通過WDA推導出的界面設計方案在完成實驗任務時可用性水平較好，等級達到GOOD，后續的優化可著重于提升用戶操作效率與提升易學性兩方面。

該課程依托學院科研背景，緊密結合專業特色，為提高學生界面元素定位及設計能力和評測能力，教師從課程前期指導學生自主展開功能推導和方案設計，到課程后期由學生自主進行實驗設計，在實驗中模擬真實駕駛場景，結合主觀測量綜合分析出推導方案的可用性水平，幫助學生加強對界面設計推導能力，深化信息架構分析能力與評測能力，同時培養汽車人機交互設計的興趣和實驗能力，為學生后續自主展開研究奠定基礎。