人机工程学

人机工程学赵江宏教授主编内容概括，主要内容有：人机工程学概论、人机工程学研究方法、人体尺寸与作业空间、人的感觉系统-输入系统、人的运动学基础——输出系统、人的信息加工过程、人的行为与心理。

人机工程学

• 人机工程学概论
  • 人机工程学的起源和历史
    • 起源：人和工具发展不平衡造成的矛盾
    • 历史
      • 漫长的石器时代、青铜时代和农耕时代
        • 打制石器体现了人类最早的工具意识和设计意识
        • 在此阶段，人机关系中，人占主导地位。人类的设计和器物也在粗制中蕴含着一种原始的生命力和个性的张扬。
        • 百工之事，皆圣人之作
      • 迅猛发展的工业化时代
        • 人必须适应于机器，人失去了在人际关系中的主导地位。在此阶段，提出了“使机器适应于人”的原则，是人机工程学产生的思想基础
      • 日新月异的信息时代
    • 人机工程学简史
      • 早期的人机工程学
        • 时间：以19世纪80年代和90年代初的工业化运动为起点，以古典管理理论及其代表人物泰勒和吉尔博瑞斯的科学研究为标志，并受米约的所谓人际关系运动的影响
        • 科学管理
          • 定义：通过系统的研究，分析因果关系和理论假设，可以用于推导和管理的东西就是科学管理原理。
          • 宗旨：使机器生产所要求的机器运动同人与作业之间、人与工作组织形式之间建立起最佳的匹配关系，把人的无效活动降到最低。
      • 人机工程学的诞生
        • 时间：1945年-1960年之间
        • 起因：二战期间，人为事故急剧增加，引起了人们的重视。
      • 人机工程学的迅速发展时期
        • 时间：1960年至1980年间
      • 1980年以后的人机工程学
  • 人机工程学定义
    • 定义：人机工程学是研究系统中人与其他组成部分的交互关系的一门科学，并运用其理论、原理、数据和方法进行设计，以优化系统的功效和人的健康幸福之间的关系。
    • 系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能和目标的有机整体。
    • 人机工程学层次
      • 物理层：人进行操作活动的界面
      • 认知层：人在接触物理界面时所隐含的认知和信息处理过程，偏重于基于认知过程的人的心理特性的研究。
      • 感性层：人对物产生的感觉和感性的形式，偏重于基于人的情感活动的心理特性研究，某种意象活动的心理感受。
  • 人机工程与工业设计
    • 德雷夫斯——人机工程专家第一人
    • 可用性
      • 效率
      • 学习
      • 记忆
      • 错误
      • 满意程度
    • 以用户为中心的设计
      • 定义：将用户知道的和需要的变成设计基础，在设计的整个过程中都将用户作为设计的核心和基础。
    • 感性工学
      • 定义：将人们所具有的感性加以量化呈现，通过量化手段来科学的比较设计方案与人的感性之间的关系。
      • 分类
        • 前向式感性工学A类：不使用计算机进行分析，而是以划分层次的方法逐次将人对物的期望转化为设计要素，如kj法
        • 前向式感性工学B类：首先通过形容词来调查人的感觉，再通过分析这些数据来探索构成意象的设计要素，如意象尺度法
        • 逆向式感性工学：将设计师的设计方案转化为感性评估，以确定设计是否符合设计师表达的意象。
• 人机工程学研究方法
  • 科学的研究方法
  • 人机工程学研究方法
    • 观察法
    • 实验法
    • 相关研究法
  • 以人为中心的设计研究方法
    • 访谈法
      • 定义：通过访问从访问对象那里获得信息的一种方法，即研究者通过与研究对象的交谈来收集有关对方心理特征与行为的数据资料的研究方法。
      • 分类
        • 结构化访谈：一种具有指导性的、正式的、事先决定了问题项目和回答可能性的访谈形式
        • 非结构化访谈：非指导性、非正式、自由提问和自由回答的访谈方式
    • 问卷法
      • 定义：通过书面形式，以严格设计的心理测试项目或问题，从被问对象那里获得信息的一种方法。
    • 过程性研究方法
      • 口语分析法：简称PA法，是一种通过分析被试的口语报告获取被试认知活动信息的一种方法，被试者需要在在体验产品的同时思考其优缺点并说出其认知结果。
      • 任务分析法：对测试人员按照系统要求，完成指定任务周期中的人的作业行为分析。
    • 创新性设计方法
      • 工作坊：在集中的时间内，一组专家或与问题有关的人员交换创意，并发表和演示某种技术、技能等
      • 用户参与性研究
      • 意象尺度图法：意象指经由人的感官在内心创造、产生一个对外界事物的经验，并将抽象的感知经验通过文字而图像化、具像化的心理过程。意象尺度图法则是通过数理统计的方法，把原来的多维空间的问题降维至两维或者三维问题。降维后获得的意象尺度只能表达原来多维空间所表达意义的一大部分，通常为70%-80%。
• 人体尺寸与作业空间
  • 人体尺寸与尺度
    • 尺寸：沿某一方向、某一轴向或围径测量的值
    • 尺度：基于人体尺寸的一种关于物体大小或空间大小的心里感受
    • 百分位数计算方式
    • 适应域：一个设计往往无法满足人体尺寸的所有要求，一般只能按照一部分人的人体尺寸来进行设计。工具特定尺寸范围来选取人体尺寸只占人体尺寸分布的一个域。
  • 我国人体尺寸基本情况
    • 数字人体模型：采用人体断层面的CT或者MRI成像技术测量人体。可以将人体特征和组织特征全部纳入一个三维数据库，然后利用计算机构建人体的三维解剖图形模型，又称为虚拟人。
  • 人体尺寸特征
  • 人体尺寸与设计
    • 应用人体尺寸原则
      • 极限设计原则：以某种人体尺寸极限作为设计参数的设计原则设计的最大尺寸参考选择人体尺寸的低百分位，设计的最小尺寸参考选择人体尺寸的高百分位
      • 可调性设计原则：优先采用可调式结构
      • 动态设计原则：在考虑人员必须执行的操作时，选择动作范围的最小值，在考虑人员的自由活动空间时，选择动作范围的最大值。
      • 非平均人设计原则：设计中一般不应该对所有设计尺寸均采用人体尺寸的平均值。
    • 最小功能尺寸=人体尺寸+功能修正量
  • 作业空间设计
    • 要求：90%以上的使用者在所设计的空间内能顺利完成规定的作业；并均衡四肢的作业负荷；避免不必要的空间障碍和违反使用者正常习惯的空间布局；保证在紧急条件下人员的安全撤离。
    • 坐姿作业
      • 优点：操作稳定，四肢身体平衡，可减轻疲劳。
      • 缺点：长时间的坐姿，尤其是不正确的坐姿会对腰部有不利的影响。
    • 立姿作业
      • 优点：作业区域大，便于肌肉施力，作业者的体位容易改变
      • 缺点：相对于坐姿容易疲劳
• 人的感觉系统-输入系统
  • 神经和神经传导
  • 听觉
    • 听觉阀限：人能听到的最小响度的界限
    • 声音的掩蔽：声环境中的一个声音成分使人耳对另一个声音成分的感受性降低的现象。
    • 感觉差别阀限：刚能引起差别感觉的刺激之间的最小差别，又称为最小可觉差
  • 视觉
    • 三原色：红、绿、蓝
    • 光的照度：落在单位面积上的光通量
    • 色彩知觉的恒常性：人对某种色彩的认知是固定的，比如无论白天黑夜蓝色看起来永远是蓝色。
    • 诱导对比现象：对于视野中的一块颜色的感觉，由于受到它邻近颜色的影响而发生变化的现象。
    • 眼睛结构
      • 圆锥细胞起明视作用，容易察觉颜色、明度和很细微的东西。
      • 圆柱细胞起暗视作用，它不能觉察颜色，但对光的感受很敏感，也能够觉察一些细节的东西。
      • 视野
        • 清晰视野区
        • 中视野区
        • 外视野区
      • 视网膜的适应
        • 暗适应：从亮的环境进入或转变为暗的环境的时候，视网膜感光性的变化
        • 目眩：在视网膜内有一个部分是强光照射，整个视网膜的感受性下降
        • 深度知觉：指人用二维空间的视网膜来知觉三维空间的能力。
        • 视敏度：眼睛能辨别物体很小间距的能力
    • 躯体感觉
    • 化学感觉
    • 显示设计-人的信息输入设计
      • 视觉显示设计
        • 指针移动式显示：可以显示不断变化的量，同时显示变量的方向及速率的信息，又称为模拟显示。
        • 刻度标尺移动式：刻度移动，指针固定
        • 直读式：直接在窗口中显示数据
        • 电子显示设计
        • 信息编码
          • 颜色编码
          • 形状编码
          • 数字与字母编码
          • 刻度盘设计
          • 数字字母设计
          • 图符设计
            • 图符和背景
            • 图符边界
            • 封闭图符
            • 简单化
            • 整体化
          • 听觉显示设计
            • 声音特性
              • 声音可以向四周等能传播，人不必转移头部位置就能接受全方位的声音信息
              • 声音具有强迫性，容易使人注意力集中
              • 声音具有绕道和穿透厌恶的性能，可在很多条件下传播信息
              • 声音信号可以传递得较远
  • 图符混淆
    • 非对称性混淆（没有强烈规律）
    • 对称性混淆（两个不同图符相互混淆）
      • 视觉混淆：构成图符的视觉要素发生混淆
      • 概念混淆：文字本身意义的混淆或图符设计表达意义的混淆
      • 视觉和意义的混淆：类似的意义或功能，使用了共同的视觉要素
• 人的运动学基础——输出系统
  • 肌肉
    • 反射：在中枢神经系统的参与下，机体对外界刺激所做的有规律的反应
  • 骨和关节运动
  • 人体运动特征
    • 类型
      • 角度运动：弯曲和延伸
      • 旋转运动：骨绕垂直轴的运动
      • 环转运动：整根骨头绕骨的一个端点，并与骨呈一定角度的轴作旋转运动，运动的轨迹有点像一个圆锥体的图形
  • 人的操作动作分析
    • 动作分析：对作业或操作的动作组成结构特点及其相互关系的分析。
    • 动素：动作分解而成的基本动作元素，是构成操作活动的最小动作单元
    • 动作经济性原则
      • 同时使用双手，避免一手操作一手空闲
      • 力求减少动作数量，避免一切不必要的动作
      • 尽可能减少动作的距离，避免出现全身性动作
      • 寻求舒适的工作环境，减少动作的难度，避免不合理的工作姿势或作业方法
  • 控制设计——人的信息输出设计
    • 选择控制器的要素
      • 控制器的功能
      • 任务需要
      • 用户对信息的需求
      • 工作场所的情况
    • 编码形式
      • 视觉编码
        • 标识编码
        • 色彩编码
      • 触觉编码
      • 位置编码
    • 编码时的考虑因素
      • 在控制器进行识别时，用户的所有要求
      • 用户已经在使用的编码方式
      • 用户工作区域的照明情况
      • 用户识别时的速度和精度要求
      • 控制器可以放置的空间
      • 需要编码的控制器数量
    • 手工具设计
      • 抓握姿势
        • 接触式抓握
        • 精确抓握
        • 力抓握
      • 基本原则
        • 保持手腕处于自然直线状态
        • 减少手部组织的压力
        • 工具大小、形状、表面状况应与手尺寸和解剖条件相适应
        • 避免手指重复运动
        • 考虑使用工具时的人体姿势
        • 考虑性别和使用习惯
• 人的信息加工过程
  • 适宜刺激：不同感受器对不同的特定形式的刺激最为敏感，感受阈值最低，将这种特定形式的刺激称为该感受器的适宜刺激
  • 恰好能引起感觉的最小刺激称为绝对阀限
  • 恰好能引起差别感觉的刺激间的差别量称为差别阀限
  • 信道容量：人的传信通道在单位时间内所能传递的最大信息量
  • 感觉：人的感觉器官和环境接触所产生的对个别属性的认识。
  • 知觉指人对客观事物整体以及它们之间的关系的主体体验
    • 整体加工和局部加工
    • 自下而上的加工与自上而下的加工
      • 自下而上的加工强调对客观事物的信息的加工，信息加工是加工输入的信息
      • 自上而下的加工强调已有知识开始的信息加工，信息加工是由人的知识和记忆来引导的
  • 记忆
    • 类型
      • 感觉记忆
      • 短时记忆
        • 声音编码
        • 视觉编码
        • 语意编码
      • 长时记忆
        • 遗忘原因
          • 痕迹消退理论：长时记忆的遗忘是由于随着时间的推移导致记忆痕迹丧失
          • 干扰理论：遗忘是受到其他记忆的干扰
            • 前摄干扰
            • 后摄干扰
          • 线索依赖理论：长时记忆的遗忘不是由于记忆本身的丢失，而是丧失了提取记忆的“线索”
  • 思维
    • 格式塔方法
  • 反应时：从刺激出现到反应完成之间的时间
    • 潜伏反应时：刺激开始到反应开始的时间
    • 运动反应时：反应开始到反应完成的时间
• 人的行为与心理
  • 行为结构
    • 宽而深：围棋、象棋
    • 窄而深有操作规程的事件，比如炒菜
    • 宽而浅：买衣服
  • 人的差错
    • 失误：没有形成正确的 目标或意图，它是由于人在信息加工层面上造成的错误
      • 基于知识的失误：对情景的错误理解而形成了不正确的行动计划，比如物体下落的速度
      • 基于规则的失误：将过去的经验错误的运用到了目前的情况中，比如按电梯按钮
    • 过失：由于行动规则选择错误而导致的行为目标意图错误，是由于在人的行为实施层面上出现错误而产生的
      • 捕获性过失：一系列目标行为被类似且熟悉的行为模式捕获时产生的错误。比如：唱歌跳到另一首歌
      • 描述性过失：执行对象或行动过程描述不够精确，将正确的动作施加在错误的对象身上，比如：加糖加盐
    • 遗漏：对目标没有采取行动，通常与人的记忆失败有关。比如取钱后忘记取走卡
    • 模式错误：操作者忘记目前特定的操作方式，而将其他操作模式运用到当前的情形下所产生的错误。比如忘记切换中英文打字
  • 习得无助感：人在做某件事的时候，如果经历多次失败，错误的解释自己不能做好该件事情，结果陷入一种无助的状态
  • 层次化任务分析（HTA）：将任务分解为若干子任务，再把子任务进一步分解为更加细致的子任务。然后，把它们组织成一个执行序列，说明在实际情况下人的行为的情况
• 人的心理生理状态
  • 持续警觉理论
    • 觉醒激活理论：外部信号的减少会降低网状系统的活动，从而降低了整个大脑皮层的激活程度，造成精神疲倦，脑力无法集中
    • 内抑制理论：造成持续警觉的作业效能下降的原因是缺乏“酬赏”和“鼓励”。
    • 过滤理论：人脑对信息的认知过程存在一个过滤机制，信息流中只有满足一定要求的信息，才能通过过滤机制进入脑的高级部位。
  • 闪光融合现象：当闪光的频率达到一定程度的时候，人就再也无法观察到闪光，而是一种连续的光，称为融合。正好出现闪光融合的闪光频率，被称为临界闪光融合频率，简称为闪光融合频率或闪烁融合频率
  • 应激：人机状态偏离其最佳状态，而作业者又无法或轻易矫正这种状态时出现的现象
  • 耶基斯-多德森定律：在唤醒水平较低的情况下，随着唤醒和动机水平的上升，应激水平提高，作业绩效野相应改善，但在唤醒水平达到一定程度后，应激开始损伤注意和记忆，导致绩效下降。
• 人的感性因素
  • 故事板：利用人编故事、讲故事的基本能力，将设计者及产品开发的有关人员带入产品使用时的情境，透过这种情境故事，来体验产品使用的有关情景，发掘用户的需要和需求
• 物理环境因素
  • 最低/平均/照度：整个视场中最小照度值与最大照度值/平均照度值之比。
  • 亮度比：视场中任意两个区域的亮度比值
• 人文社会因素
  • 去个性化：个体通常趋向于把自己看做一些共存社会类别的成员，而很少把自己作为一个不同的个体
  • 从众：成员在认知行为上表现出与群体多数人相一致的现象
  • 领域性：个人或群体为满足某种需要，拥有或使用一个领域，并对其加以个人化和防御的行为模式
• 人机系统
  • 系统
    • 定义：由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。系统可以被看作是一个可以实现某个目标的存在物的全体。
    • 特点
      • 目标性
      • 层次性
      • 功能性
      • 组份交互性
  • 人机功能分配原则
    • 比较分配原则：通过对人与机的特性进行比较，然后以此为依据进行功能分配
    • 剩余分配原则：把尽量多的功能分配给机，剩余的功能分配给人
    • 经济分配原则：以经济效益为基础进行人机功能分配
    • 宜人分配原则：工作应该尽可能体现人的价值和能力，因此，要有意分配一些具有挑战性的工作给人，充分发挥人的技能
    • 弹性分配原则：人自己选择参与系统行为的程度，功能分配具有很大的弹性
• 交互设计
  • 意义：将人机工程学、人机交互学、及相关学科的 研究成果运用到实际的产品设计领域的设计方法
  • 可用性：在特定环境中，特定用户完成特定目标的效力、效率和满意度
    • 易学性：新用户易于进行有效的交互 操作，以使系统的性能最大化体现
    • 灵活性：用户和系统之间信息交流方式的多样化
    • 强健性：对于用户成功地完成和评估目标的支持程度
  • 以用户为中心的设计：在整个设计过程中时时刻刻将用户作为设计的核心和基础。产品的规划以用户需求作为出发点，概念的产生和选择以对用户的研究作为依据，对原型的评估也以用户的反馈作为评判标准。
  • 任务分析：设计人员理解用户思维模式的工具，是链接用户需求和概念设计之间的桥梁。任务分析就是分析用户为完成某一目标所进行的一系列任务，调查他们的认知过程和生理活动，提取出具有概括性的说明和描述。
  • 交互设计评估
    • 快速评估：在设计的各个阶段开发人员针对具体的设计问题利用原型方案与用户进行交流，非正式地观察和询问用户以获得反馈信息，迅速改进产品。
    • 用户测试：通过测试典型用户执行典型任务时的情况，获得产品的可用性指标。用户测试采用定量的试验方法，对用户的某项测试数据进行统计分析，如用户在完成某一任务的时间和出错次数。它是一种客观的量化技术，通常在实验室中完成
    • 专家评审：可用性专家根据自己了解的典型用户的知识预测系统存在的可用性问题。专家评估常采用启发式指导的方法。优点在于参与人数较少，便于操作。但专家拥有的典型用户知识对于具体问题有多大的代表性，是制约这种方式的主要因素
    • 自然环境调研：开发人员调查在真实工作环境中用户使用产品的情况。它是一种最贴近用户真实操作情况的方法。但由于调研范围通常比较大，而且周期比较长，因此多用于产品推出后的跟踪测试。
  • 人机界面
    • 用户界面：输入输出设备和相关软件硬件组成的物理实体。
    • 外部界面：有助于使用产品但在物理上不属于该产品的界面
    • 服务界面：通过用户界面提供的网络服务的界面。