交织与借鉴：范式演变视角下人机交互与设计学的关系研究

王 淦 黄秋野

（南京航空航天大学艺术学院,江苏南京 211106）

近30年来，人机交互学科发展引起了国内外众多学者的关注。随着信息技术普及和发展，人机之间的交集关系、现象和互动成了众多研究的关注点。罗格斯借用艺术史的概念，将人机交互研究划分为古典人机交互、现代人机交互和当代人机交互时代。罗格斯指出，自人机交互诞生的古典研究时期，研究者以严格而受限制的方式引入了认知理论；现代人机交互则从社会学、现象学、认知学和设计学汲取了更多的理论方法；而当代人机交互则变得更加以价值为主导。哈里森将人机交互研究发展划分为三大范式，总计了每个研究时代的交互隐喻和研究共识。无论是称之时代还是范式，二者都概括了人机交互不同时期当时都学科思想和理念基础。

从早期纯粹的计算机学科研究，到20世纪90年代提出人机交互属于设计学学科的口号这段时间，涉及人机交互的设计学研究从研究边缘转为研究重点，从零散、各抒己见的研究发展到了系统、达成共识的研究。这种现象的转变值得以人机交互研究范式发展的视角加以梳理，一窥设计学在范式演进中承前启后地衔接传统人机交互和当代人机交互的过程同时，还能为未来设计学如何与人机交互结合研究的问题带来一些启迪。

一、人机交互研究范式演变：向多学科融合发展

1980年，卡德等学者在论文中首次正式提出了人机交互（Human-Computer Interaction）这个术语，并随著作《人机交互心理学》得到了普及，人机交互逐渐作为一个新兴的研究学科被广大研究者接受。尽管人机交互学科正式创立较晚，但其思想萌芽在20世纪50年代便已出现：1954年,费茨提出了著名的费茨定律，费茨定律在人机交互学科诞生后被广泛纳入学科研究；1959年，布莱恩•沙克尔从人在使用计算机时如何才能减轻疲劳出发设计控制台，贡献了人机界面研究的第一篇文献。1960年利克利德和韦斯•克拉克概述了“在线人机交互”系统的要求，首次提出了人机紧密共栖（Human-Computer Close Symbiosis）的概念。

人机交互根植于工程科学的背景，使其在学科创立时的主要研究内容为识别人与计算机配合工作中出现的问题并提供实际解决方案，而主要的研究对象是商用基于集成电路的计算机。该研究共识被称为人机交互研究的“第一范式”，“交互”被认为是人与机器相互配合的一种形式。第一范式指导下的人机交互研究目标是使人与机器在工作流程中更好地相互配合，人机交互研究关注的中心是在实际交互中出现并引发故障的具体问题，此类问题大都会直接导致工程的失败或是经济的损失，而仅会造成干扰的问题则处于当时研究的边缘地带。

人机交互“第二范式”的出现则与个人计算机的发展与普及密不可分。从1971年计算机终端公司（Computer Terminal Corporation）推出第一部大量生产的个人计算机到1984年期间，可供大众选择的个人计算机品种很少，机器也比较粗糙，用户需要专业的计算机技能才能较好使用。在1983年，卡德等撰写了《人机交互心理学》一书，提出了GOMS模型，标志着人机交互开始从认知科学的角度研究问题。

1984到1987年期间，个人计算机从专业用户逐步普及向广大受众，研究者们发现“第一范式”很难跟进到个人计算机的使用和发展速度中，诸如“信息如何写入”“信息经历了什么转变”“信息如何再次传播”等问题难以解答。“第二范式”将交互视为人与计算机构成的信息处理过程，其基于认知学科的思想逐步开始指导研究。研究者从信息系统角度结合心理学等其他学科理论，根据用户与计算机之间的一系列认知现象和问题提出构想、设计建模和评估总结，借以解释实际交互中信息的因果关系。至20世纪80年代中期，人机交互逐渐形成了自己的理论体系和实践范畴的架构。在理论层面从人机工效学中独立出来，更加强调认知学科和信息系统学的理论指导；在实践层面从人机界面拓展开来，强调人与计算机信息的相互作用与反馈。但“第二范式”难以解释用户对交互的态度、对界面的感觉、无意识交互等信息，此类问题便处于当时研究的边缘地带。

随着个人计算机的普及、图形用户界面（GUI）的发展以及互联网的发明，人机交互学科迎来了全新的挑战。哈里森总结了新形势下前两大范式难以适应的问题：一是普适计算（Ubiquitous computing）概念的提出，这种基于上下文（Context）的交互理念和已有范式以过程为中心的传统思想并不相合；二是社交计算过程中产生交互的意义与第二范式的研究中心并不一致；三是在以用户为中心的人机交互理论下，如何提升用户满意度的研究处在当前研究边缘；四是部分无意识交互用现有范式难以表达和衡量；五是情感化设计理论的提出使得人机交互学科开始从新的领域汲取方法。

面对前两范式难以适应的问题，人机交互逐步结合了设计学、现象学、社会学等诸多研究成果，并在21世纪初期催生了“第三范式”。“第三范式”的交互隐喻，是指人——机互动中在现象学上呈现的相互作用。该范式的目标是使交互在特定的语境中感知和捕捉用户的动作（action）和表达（expression），并围绕语境提取要素构建形式化的互动。在此目标下，第三范式对于人机交互问题偏向多学科的解释，将设计学理论和方法迁移到了人机交互研究中，创造了价值敏感型设计、可持续性设设计、包容性设计等新术语。“第三范式”把设计责任、设计哲学、设计批评纳入人机交互研究范畴，以理解交互的意义与交互意义的建构和设计视为人机交互研究的中心。

图1 人机交互重要理论成果发展

如图1所示，自诞生以来，人机交互研究从工程科学领域扎根，逐步发展于认知科学领域，到现今位于计算机科学、行为科学、认知科学、设计学、传播学、社会学等多个研究领域的交汇处。最初从工业工程和人因工程背景下创立后，人机交互的研究范式被阐明为认知科学与认知工程之间的相互关系，后来它纳入了多元的科学基础。在多学科融合发展的趋势下，设计学开始与人机交互紧密结合。

二、范式演变中设计学的介入与影响

在人机交互萌芽阶段到学科正式建立期间，“第一范式”框架下的人机交互研究往往是以系统（system）或工程（project）为范畴进行展开，属于基于工程科学和行为科学的研究方法：通过定义和分析问题，展开完全基于问题定义和项目约束的决策来开发解决方案。设计在整个流程中被视为用于构建界面原型和早期造型实践的环节，带有浓厚的工学特色，如命令行界面（CLI）的发明便是基于打字机的设计。尽管此时已经出现了早期的用户图形界面，但亟须适合的理论和方法进行指导和评估。

自20世纪80年代中期到90年代，“第二范式”推动了人机交互从工程科学和行为科学转向信息科学和认知科学研究的发展过程，设计学相关理论、实践作为经验和实证被广泛借鉴。通过引入设计学相关的案例研究，研究者们开始使用启发式评估，以用户为中心或情感化思想来研究人机交互。而在整个90年代，人机交互学科直接吸收并最终催生了一系列设计社区。

设计学方法与人机交互技术的重大进步和发展的吻合，将人机交互的许多潜在专有价值转移到了界面设计、体验设计和服务设计中，这个时期不少学者以设计学的理论和方法研究人机交互，推动了人机交互研究从“第二范式”到“第三范式”的转变。

在信息设计与交互设计领域，比尔•巴克斯顿结合信息科学进行了大量人机交互设计实践和设计分析研究。巴克斯顿在20世纪90年代开始提出自然语言交互的观点，以普适计算的概念拓宽了人机交互的范围。在“第二范式”研究时期，巴克斯顿从信息科学的角度，研究了人——机的输入输出方式和关系，在原型开发的基础上总结了交互信息的流动和信息内容的界定。在实践中他发现许多可用性问题并不是简单通过技术就能实现，需要引入设计来提高交互原型的可用性，并于2003年撰写了《通过设计实现性能：设计在软件开发中的作用》，回顾和强调了设计在提高软件和系统可用性的赋能作用。

在体验设计领域，唐纳德•亚瑟•诺曼于1986年结合认知科学提出了在人机交互设计中设计师应该注重将设计目标放在直接使用系统的用户身上的观点。两年后，在《日常用品中的设计》中，诺曼首次提出了“以用户为中心”的人机交互设计观，于人机交互领域广泛普及。辛向阳指出，诺曼对于“第二范式”没有企及的内容，使用了例如“启示（Affordance）”等的一些新术语进行补充，对无法用传统人机交互术语描述的交互现象进行了阐述。

此外，其他学者也从设计的角度为人机交互发展作出了诸多贡献。雅各布•尼尔森于1990年发明了启发式评估方法，并在1994年出版了《可用性工程》，系统地阐述了可用性的内涵和评估人机交互界面的系统方法。艾伦•库珀凭丰富的软件开发经验，从软件开发的角度阐明自己的设计理念和设计原则，总结了基于用户画像（Persona）的设计工具，推动了人机交互中用户体验设计的发展，并将交互设计流程与软件工程敏捷开发方法有效集成。

自20世纪90年代起的学科发展中，设计学逐步为人机交互提供了基于工程学科外的视角来系统地评估和迭代方案，并从人文的角度拓展了人机交互的研究边界，如包容性设计的思想能很好地与特殊人群人机交互研究契合。设计学原理和方法也能从现象学角度更好地描述一些人机交互现象，覆盖难以从认知科学直接解释的内容。人机交互学科也让设计师开始思考人是如何与他者、信息、不同技术进行相互作用和互动的；通过借鉴相关的心理学和社会学研究，设计师能够从众多设计中选择更为合适的解决方案，并进一步辅助开发和测试。

2004年，罗格斯在一项调查中总结到几乎所有HCI受访者都使用了一系列设计方法，包括场景，故事板，低保真原型，焦点小组等等，而对传统人机交互模型，如GOMS却使用甚少。可见当代人机交互研究不仅纳入了最初处在学科边缘的“基于研究的设计”，更是发展出了“基于设计的研究”。从第一范式起初步尝试用设计学表达研究成果，到第三范式下广泛以设计学指导研究课题，人机交互和设计学研究在逐步紧密结合中，相互拓展了各自研究领域的广度和深度。

三、以设计学为出发点研究人机交互

自2007年人机交互“第三范式”的正式提出已经过去了十余年的时间，本文通过回顾2010至2019年10年期间的美国计算机协会出版的学术期刊《ACM Transactions on Computer-Human Interaction》与旗下人机交互特别兴趣小组旗下的学术期刊《Proceedings of the ACM on Human-Computer Interaction》2017年至2019年发行以来的文献，梳理了其中基于“第三范式”，同时主体研究领域为设计学的文献，通过描述性分析来明晰当代人机交互大学科下设计学的研究方法和研究内容。

《ACM Transactions on Computer-Human Interaction》是研究人机交互的专刊，涵盖了人机交互的软件，硬件和人因领域，主题包括人机交互技术、交互隐喻和评估、用户界面设计流程、用户分析等。《Proceedings of the ACM on Human-Computer Interaction》则是ACM下人机交互兴趣小组在2017创立的学术期刊，涵盖了与人机之间交集的多方面研究，包括对系统交互输入输出的创新研究，对计算系统的用户体验研究，以及新型人机交互的社会影响。

目前国内人机交互的研究成果分散在《装饰》《包装工程》《信息技术》等期刊中，此外还有不少论文发表于外文期刊，梳理发展脉络难度较大。尽管近年来国内对人机交互的研究取得了较大进展，但现阶段和国外成熟的人机交互研究环境仍有差距，还需要时间来积淀。

通过根据标题、摘要、关键字和文章大纲为要素进行的筛选，笔者初步整理了十年间研究主体领域为设计学的发表文献数量和每年发表情况。基于设计学的人机交互研究论文数目每年相对稳定，年份之间有小幅波动。10年期间，每年选入的基于设计学的人机交互研究论文平均数为6.6篇，平均每年占总论文数的22%。TOCHI每期收录的文献数量较少导致了每年的统计差异量较小，但和早期相比呈数目增加的趋势。相比之下，PACMHCI中的论文则保持着稳定的增长趋势，平均每年9.3篇，但每年占总论文数占比为20%，与TOCHI基本持平。

在研究内容上，这些文献从设计理论、设计实践、设计分析三个角度对人机交互学科展开了研究。但不少文献选取了两个角度共同进行研究，TOCHI期刊中有60%的文献是从以上选取两个角度相结合的方式进行研究的，而这一比例在PACMHCI则为44%，如设计理论与设计实践相结合，设计实践与设计分析相结合。纯粹的设计理论研究论文和设计实践研究论文数量较少。

图2 TOCHI 2010～2019年以设计学为主体论文的研究内容

图3 PACMHCI 2010～2019年以设计学为主体论文的研究内容

筛选的文献中，设计理论研究专注于回顾和总结人机交互学科下进行设计的模型，框架和方法，或是提出人机交互设计思想，设计理念和设计哲学，具体可分为三类：一是针对设计活动的理论研究（research on design），目的是对人机交互设计活动或与设计相关的活动（如创造力）进行详细而统一的理解。二是针对设计应用的理论研究（research for design），旨在总结出人机交互设计理论，如框架、概念、模型等以指导设计实践。三是设计重构的理论研究（research through design），通过设计批评、反思与重构拓展设计学在人机交互中的研究边界。

设计实践研究从尚未解决的问题和需求出发，对人机交互方法或相关工具进行创新，其中典型的设计实践的流程包括使用双菱形设计方法和设计思维方法。双菱形设计方法由英国设计委员会于2005年提出，总结各类设计子学科的共性，将设计过程划分为发现、定义、开发和交付四个阶段迁移到了人机交互研究。2015年，针对双菱形设计方法的线形缺陷和现有设计方法的革新，英国设计委员会优化了该方法，将新方法称为创新框架（framework for innovation），强调了基于双菱形设计方法中的设计迭代流程。在研究文献中，另一广泛运用的方法是设计思维（Design Thinking）。设计思维提供了基于解决方案的技术路线来应对人机交互学科研究问题，要求研究者从以人为本的角度思考，通过头脑风暴生成大量想法，最终设计和测试可行的交互原型方案。设计思维优势在于能够很好地应对人机交互研究中的两类问题：一是用技术论或认知论难以定义的问题，这类问题虽然有一定的学科倾向，但用现有理论难以解释或难以准确定义；二是背景构成复杂问题，这类问题通常涉及多个学科深度交叉或问题涉及的相关者构成复杂。

设计分析研究则通过收集数据或用户研究进行分析得出人机交互相关结论，具体可分为描述性分析、诊断性分析、预测性分析和规范性分析四类。描述性分析收集已有人机交互设计的历史数据，包括用户的数字痕迹、访谈文本等进行数据治理后，采用数据可视化描述正在发生或已经发生的人机交互现象。诊断性分析在基于描述性分析得出的一般结论的基础上，通过对数据源的深入挖掘和外部补充，收集证据来解释为什么设计中的某些人机交互现象正在发生或已经发生并确定其中的因果关系以支持设计研究。预测性分析依靠统计分析，神经网络，机器学习和数据挖掘等技术建立模型来推导未来的情况，预测未来的人机交互设计可能发生什么。规范性分析比“预测性分析”更进一步，从预测中获取输入，结合基于规则和约束的优化方法，采取可能的预测结果并预测了这些结果的后果来回答未来应该如何设计的问题。

在结合领域上，基于设计学的论文与其他领域广泛展开了合作，TOCHI统计中包含了12个子学科，PACMHCI包含了10个，其中7门学科两本期刊均有涵盖。对于不同学科所采取的研究方法也有一定的偏向性，如结合社会学、心理学这类人文社科类学科研究时，文章的研究方向会偏向设计理论研究和设计分析研究；与软件工程学等工科学科结合时，文章会偏向设计实践分析；与统计学等理科学科结合时，则偏向设计分析研究。

图4 TOCHI（左）和PACMHCI（右）设计研究与其他学科结合情况

四、结语

作为当下热门的一门学科，人机交互从渊源上便与设计学息息相关，更在发展中与设计学逐步紧密结合，甚至构成了其研究范式的一部分。设计学带入了真实的生活体验，以人文与道德内涵反思纯粹技术研究的盲点，将人机交互从技术导向针对多元化、个性化人机关系的研究视角。在研究方向层面，设计学在人机交互学科中可概括为理论、实践、分析三大研究方向；在研究方法层面，设计学以感性与理性相结合的特征，将设计学诸多方法迁移到了人机交互研究中，提升了技术的可用性；在研究趋势上，设计学不断与广大学科保持合作，并在人机交互中不断受到关注和重视，研究保持着稳定性。