人机交互与软件工程：用户界面可塑性设计

# 人机交互与软件工程：用户界面可塑性设计 ## 引言 人机交互（HCI）和软件工程（SE）如同背景不同的老友，虽有着共同的价值观，但运用方式各异。二者都致力于设计和开发实用且易用的系统，关注“需求分析”“增量迭代设计”以及“质量保证”。然而，它们解决问题的开发流程、符号表示和优先级却有所不同。 在 HCI 中，人是开发各阶段的核心；而 SE 的最终目标是以最低成本及时开发出满足合同规格的运行系统，用户最多在过程伊始参与，项目末尾可能参与总结性评估，但这对于避免或纠正错误设计决策而言，为时已晚且参与不足。即便在开发早期，功能需求和质量目标也鲜少是 HCI 和 SE 专家紧密合作的成果。 HCI 和 SE 缺乏合作的原因众多，包括教育背景导致的相互无知以及经济考量。HCI 方法如情境设计、基于场景的方法和任务分析，被认为在时间和能力上要求过高，难以正式且及时地为系统需求提供信息。而统一建模语言（UML）用例虽以场景为导向表达系统应支持的功能，但未能体现以用户为中心的需求分析，也缺乏任务模型的表达能力。任务建模技术如并发任务树（CTT）或用户动作表示法（UAN），虽使用计算机科学家熟悉的符号，但未在软件工程中得到应用。反之，任务模型中引用的领域相关概念定义不明确，而 UML 类图能显著改进任务规范。 总之，HCI 和 SE 目标一致，开发流程和符号有时相互重叠、相互补充。本文将介绍如何利用这两个领域开发可塑性用户界面，以模型为关键纽带连接这两个学科。 ## 用户界面可塑性的问题空间 ### 上下文与使用上下文 通常认为，上下文是不断演变、结构化且共享的信息空间，旨在服务特定目的。因此，使用“使用上下文”而非“上下文”来指代在上下文变化时服务于适应过程的信息空间。上下文变化可定义为上下文信息空间中任何元素值的改变，为避免上下文数量爆炸，需要更具结构性的定义。 ### 上下文的本体论基础 上下文信息空间被建模为有向图，节点表示上下文，边表示上下文之间转换的条件。上下文又是情境的有向图，节点为情境，边为情境间转换的条件。因此，上下文信息空间是一个两级数据结构。 上下文定义基于实体集 E、实体可满足的角色集 Ro 以及实体间的关系集 Rel。实体、角色和关系通过可观察量的表达式建模。例如，在会议室中，E 表示参与者，Ro 表示演讲者和听众的角色，Rel 表示空间关系。同一上下文中的情境共享 E、Ro 和 Rel。 上下文之间转换的条件包括：E 被不同集合替换、Ro 发生变化或 Rel 发生变化。情境之间转换的条件包括：E 的基数改变、实体的角色分配改变或实体间的关系改变。 ### 使用上下文的可观察量 使用上下文的可观察量定义了三个信息空间： - **用户模型**：描述使用或打算使用交互系统的典型用户的属性和功能，包括个人资料、特性、任务和活动。 - **环境模型**：表征交互发生的物理场所的属性和功能，包括位置、社会规则、活动、光照、温度和声音条件。 - **平台模型**：描述将物理环境与数字世界连接起来的计算、传感、网络和交互资源。在传统 GUI 范式中，平台通常是连接网络并配备固定交互资源的单一计算设备。但随着技术发展，平台可建模为动态的异构资源集群。 ### 可用性 可用性的定义在不同作者甚至同一科学界内部都存在差异。在软件工程中，可用性被视为软件产品的固有属性；而在 HCI 中，可用性是与上下文相关的。国际标准化组织/国际电工委员会（ISO/IEC）9126 标准提出了“使用质量”的概念，但软件人员常将可用性等同于用户界面组件的表面问题，而忽略系统延迟、可靠性、功能缺失和功能顺序不当对系统“使用价值”的影响。 价值中心方法认为，软件开发应从明确为特定使用上下文创造价值开始，将预期价值转化为评估标准。对于系统的每个目标使用上下文 Ci，定义预期价值 Vi，并将其转化为三元组集合{(ci1, di1, wi1), ..., (cij, dij, wij), ... (cin, din, win)}，其中 cij 是评估标准，dij 和 wij 分别是 cij 在 Ci 中的预期值范围和相对重要性。系统在上下文 Ci 的可用性 Ui 通过组合函数 Fi 对该集合进行评估，结果应在值范围 Di 内。 一个交互系统 S 从源使用上下文 Ci 到目标使用上下文 Cj 具有可塑性，需满足两个条件：一是在从 Ci 切换到 Cj 时支持必要的适应；二是适应过程中在 Cj 中保持可用性（价值）。目标上下文 Cj 中可用性得以保持需满足：可用性函数 Fj 在其预期范围 Dj 内；元用户界面的可用性函数 meta - Fij 在其预期范围 meta - Dij 内。 系统的可塑性领域是实现可用性的使用上下文 Ci 的集合。必要时，可在情境层面进行更细致的推理，为每个上下文的每个情境定义预期价值，转化为评估标准，并在情境变化时评估可用性的保持情况。 ### 系统适应 系统对使用上下文的适应有多种形式，这里主要讨论用户在用户界面上感知到的适应结果，包括 UI 重塑、UI 分布和 UI 迁移。 |适应技术|描述| | ---- | ---- | |UI 重塑|对用户界面的部分或全部应用一个或多个转换，可在多个抽象层次进行，包括模态内、模态间或多模态转换。转换包括抑制无关组件、插入新组件、替换组件和重新组织组件。| |UI 分布|使用分布在集群中的交互资源，分布粒度可从应用级别到像素级别，包括应用级、工作区级、交互器级和像素级分布。| |UI 迁移|将部分或全部 U