基于认知的CAI软件交互界面改进设计研究

曹国忠，于晶晶，贺蕾，郭小峰

（1.河北工业大学 建筑与艺术设计学院，天津 300130；2.国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心，天津 300131）

CAI软件系统是近年来TRIZ等创新原理在产品概念设计领域研究的热点，其特殊性主要在于将发明问题解决原理与信息技术相结合来辅助设计者进行创新。在全球科技迅猛发展的今天，提高企业的创新能力和研发效率是CAI软件研究的主要任务和根本出发点。近年来关于CAI软件系统的研究主要集中于优化创新方法、协作环境，驱动产品概念设计与产品详细设计有机结合等，忽略了CAI软件系统交互性对用户创新的重要辅助作用。认知心理学中感知、注意、记忆三种认知活动在创新思维产生的过程中具有重要作用，因此依据三种认知活动特性探讨CAI软件交互界面的具体改进方法及流程，有助于构建符合用户创新思维产生特性的CAI软件界面，提升CAI软件辅助研发人员进行创新的效率。

一、用户使用CAI软件产生创意的认知过程研究

信息加工理论是认知心理学的核心观点，主要研究感知、注意、记忆、表象、思维和语言等各种认知心理活动，包括信息接收、加工、贮存及反馈四个步骤。认知心理学将创新问题解决过程分为问题的表征、算子的选择、算子的应用及方案的评估筛选四个阶段。

创新问题的解决即创意的产生是人进行有目的的认知活动的结果，是人对外界信息进行感知、注意及记忆加工的产物。其中，感觉是人对外界信息的真实摹写，知觉是人在已有知识和经验的基础上对外界信息总体特征及本质的把握，其从一开始就不等同于认知客体本身，同时人自身已有的知识经验也会受知觉信息影响而发生改变，这为创意的产生提供了客观必然性与可能性；人类的注意资源是有限的，只有经过注意机制的选择和集中作用的信息，才能进入认知加工系统。在创意产生过程中，注意的选择机制为创意的构想筛选重要的信息加工材料，注意的集中机制使人专注于对当前项目的信息加工，以保证创意构想的进行，一旦这种注意机制被打破，创意的构想将陷入僵局；短时记忆是人对当前注意信息的集中加工平台，也是长时记忆被激活后的临时存储平台。在创意产生过程中，信息经过短时记忆的加工后，一部分会进入高级神经中枢进行类比、想象等一系列加工，最终形成创意；一部分信息则以表象、语义等形式贮存于长时记忆，经过一定刺激则会进行闪配而产生灵感、顿悟等创新思维。

CAI软件系统是发明问题解决原理与计算机技术及网络技术的融合，其主要功能是辅助设计者从问题根源出发全面地思考问题，并为设计者提供多领域的知识及创新方法作为借鉴参考，最终产生创新方案。用户使用CAI软件的认知过程如图1，由图1可知感知、注意、记忆三种认知活动在用户使用CAI软件进行创新过程中具有重要作用，因此基于认知活动特性优化CAI软件界面交互性，对辅助用户创新具有重要意义。

二、基于认知的CAI软件交互界面改进方法研究

通过对感知、注意及记忆三种认知活动的特性研究，探讨CAI软件交互界面改进原则。

（一）基于感知的交互界面改进原则

用户在应用CAI软件时大多数信息都是通过视觉通道获得的，人类视觉容易对具有相似性、连续性等特征的事物整体化处理，并构建一定的结构关系，且人有从上到下、从左到右的浏览习惯，因此交互界面的左部、上部及中部区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进原则：（1）模块化原则。可将界面中功能相似或具有连续性等特征的信息模块化，但由于人的注意资源有限，模块数量需控制在7个左右。（2）层级清晰原则。将界面中各个模块、上下级界面间的联系及结构关系设计清晰，辅助用户有效感知界面信息的本质；将启发用户创意产生的重要信息放于界面中央，辅助信息按重要程度放于界面的中上、左部和右部等边界区域，且边界区域的重要信息在必要时可以采用闪动等方式引起用户的注意。

人对不同事物的感知加工效率不同。相较于新鲜事物，符合人自身已有知识经验的事物更易被感知；形状及有意义的图片、动画相较于具有同等信息量的文字更易被感知。因此可采用以下原则改进界面：（1）一般化原则。采用大众熟知易懂的元素、布局及操作方式等，避免标新立异的界面引发歧义影响用户创意的产生。（2）一致性原则。在界面中具有类似功能的图标、操作及布局等要保持一致，以避免用户感知混乱。（3）信息形象化原则。将界面中的案例图片形象化，采用图片或动画取代大量的文字介绍，必要时配以适量文字辅助用户理解。

（二）基于注意的交互界面改进原则

人的注意资源是有限的，界面中信息越繁杂越不利于用户查找，进而影响创新效率。因此可采用以下界面改进原则：（1）简化原则。简化界面中重要程度低却复杂的操作或信息，如可采用闪现的方式取代需点击确定才能关闭对话框的方式，以减少对当前操作流程的干扰；减少界面跳转，在保证界面简洁的情况下让界面呈现更多与当前任务相关的信息，避免引起用户注意的转移及短时记忆的消逝。（2）屏蔽冗余信息原则。去除或隐藏界面中与当前任务无关的操作或信息，必要时可用图标代替。

（三）基于记忆的交互界面改进原则

人的短时记忆容量有限且易受干扰而消逝，长时记忆存贮时间长却容易出错。因此可采用以下界面改进原则：辅助记忆原则。采取改变颜色、加深背景等形式给用户正确的引导，提示用户当前任务的完成情况；在当前任务需要时，界面可自动显示前期的操作成果或已填写过的信息等。

为更好地提升现有CAI软件界面的交互性辅助用户创意产生，构建了CAI软件交互界面改进流程。（图2）

三、实例验证

以团队研发的CAI网络版软件为例进行改进，验证上述改进流程的可行性。

（一）找出并汇总交互界面存在的问题

1.确定目标软件：CAI网络版软件。

2.实验的前期准备。实验设备：调试好的鼠标移动轨迹记录软件及电脑和录像机各一台。实验对象：有CAI软件操作经验的10位研究生用户。研究员2名，分别负责记录与用户访谈。实验任务：用户应用CAI网络版软件解决具体问题。

3.实验试验。随机选取3位用户进行试验，结果发现用户的鼠标移动轨迹杂乱且无法作出解释。为明确此现象产生的真实原因及用户的操作意图，在实验后进行用户访谈以修正实验。经验证修正后的实验合理，正式实验。

4.正式实验。要求10名用户应用软件进行多轮实验解决不同的创新问题，并记录用户的操作过程及鼠标移动轨迹。

5.实验结果分析。以其中一次实验为例，对用户在发明原理界面的鼠标移动轨迹进行分析，如图4中的发明原理原界面（以多色鼠标案例界面进行展示），蓝色虚线以上为浏览器页面缩放比例为100%时屏幕显示的区域，虚线以下为需滚轮滑动才能浏览的区域。

10位用户在发明原理界面的操作轨迹如图3，图中黑色圆点的大小代表鼠标在界面中停留时间的长短，线条代表鼠标移动轨迹。红框标注区域鲜有操作轨迹，用户的鼠标操作轨迹主要集中于案例详细信息及分类树模块。黄框中文字介绍区域鼠标平行移动及长时间停留较多，案例图片区域鼠标移动轨迹杂乱，选择图标区域轨迹明显变少。用户在冲突解决工具、技术冲突表的返回图标区域操作频繁如图4圈注的放大区域，二者的功能均为返回冲突确定界面。经访谈可知大部分用户理解案例信息存在困难，创新效率低，且多数用户提出反复返回冲突确定界面查看下一冲突十分不便。

6.实验及访谈结果汇总。不同用户鼠标轨迹具有不同的特点，通过分析每位用户的鼠标轨迹及访谈结果，结合10位用户存在的共同问题，得出发明原理界面中存在的问题。表1）

（二）交互界面问题的根原因分析

采用根原因分析法对发明原理界面存在的问题进行分析，结果见表1。

>表1 发明原理界面存在的问题及根原因

（三）交互界面改进设计

1.界面细节改进

>图1 用户使用CAI软件产生创新思维的认知过程

>图2 基于认知的CAI软件交互界面改进流程

>图4 发明原理界面新旧对比

>图3 10名用户的鼠标移动轨迹叠加图

依据表1选择相应原则进行改进。针对问题1采用信息形象化原则，将案例图片生动化，下方配以简洁的文字描述，如图4中改进前后的多色鼠标案例模块。针对问题2采用模块化原则，将所有冲突对应的发明原理置于界面同一模块中；采用辅助记忆原则将重复出现的原理标红，并提示用户“原理重复出现”，对于已读案例进行颜色变浅处理，如图4中蓝色框区域为改进前后的分类树模块。针对问题3，采用一致性、屏蔽冗余信息及模块化原则，用方案撰写图标代替“技术冲突表”，并将方案撰写图标与案例详细信息模块放置于同一模块，将方案撰写图标放置在模块左边，如图4中红色框区域为改进前后的“技术冲突表”。针对问题4，采用辅助记忆原则在界面中添加问题冲突模块用于记录要解决的基本问题，如图4中基本问题描述模块。针对问题5采用结构清晰原则及辅助记忆原则，将冲突解决界面分为冲突确定、发明原理、方案汇总三个分界面，加深当前分界面标题的背景色，如图4中的副标题栏。

2.界面布局优化

采用层级清晰及一般化原则规划界面布局。将案例详细信息模块放置于界面中间区域，发明原理分类树置于案例详细信息的左侧，将基本问题模块置于案例详细信息模块上方；将工具栏置于界面标题栏下方，副标题置于标题栏的下方，使新界面中信息能全部同时展示在电脑屏幕上，如图4改进前后发明原理界面对比。

（四）交互界面测试与评估

随机选取20名具有TRIZ知识背景的用户，平分为两组分别使用新、旧界面进行软件试用，并作出评价。结果表明：用户使用新界面的案例理解效率、创新方案产生的数量及质量明显优于原界面，且绝大多数用户对新界面评分较高，认为案例详细信息简单易懂。因此可继续改进其他界面。

四、结语

目前已有研究将认知应用于CAI软件系统功能、流程等的优化。本文基于对感知、注意、记忆三种认知活动在创意产生中的作用研究，结合用户使用CAI软件进行创新的认知过程，提出了基于认知的CAI软件交互界面改进方法，以构建符合用户创意产生时信息加工特点的CAI软件交互界面，进而更好的辅助用户进行创新。文章最后以CAI网络版软件为例进行验证，结果表明改进后的交互界面在案例信息理解、创新方案产生质量及数量等方面能有效提升用户的创新效率。