1、人机交互,信息管理学院,人机关系无处不在！,第1讲：人机交互概述,人机交互（HCI）的起源 人机交互（HCI）发展历史 人机交互发展中的重大事件 人机交互（HCI）定义 人机交互（HCI）的研究内容 人机交互相关学科 本课程要学到的内容,主要内容,人机交互的起源,任何事物的发展都取决于事物内部的矛盾。人机交互的起源首先来自于人和机器之间的矛盾，或者说人和“人造物”的矛盾。人类用科学的方法研究人要晚于用科学的方法研究物。由于人的复杂性，对人的研究少于对物的研究。人类文明出现了失衡状态，其特征是：人和机器之间失去了和谐。,人机交互的起源,著名物理学家牛顿(1642-1727)。,（牛顿和第一个建立
2、心理学实验室的冯特大约相差一百年）,人机交互的起源,人机关系和人机矛盾的演变和发展大体可以分为三个历史时期：第一时期是漫长的石器时代、青铜时代和农耕时代。这一时期，人们使用的工具均属手工工具，人的劳动属手工劳动。因此，人机关系是一种所谓的“柔性”关系，即工具对于使用者而言是一种“器物”，工具对于人没有很大的“约束力”，工具是个体意义的工具或者说“我的工具”。因此，在人机关系中人占主导地位。,人机交互的起源,人机交互的起源,第二时期，工业化时代。工业化使“器物”的工具演变为具有动力和计算能力的机器，形成了社会化的大工业生产方式和组织方式。机器对于人具有强大的“约束力”，人的工作效率和生活素质取决
3、于甚至是依附于机器。人机关系是一种“刚性”人机关系。产生了研究人的需要，导致人机交互学的产生。,纺织车间的工人穿梭在纺织机器之间,用户：我又错了？ 用户必须不断地适应机器,人机交互的起源,人机交互的起源,第三时期：信息时代这将是人机关系的一次重大演变。机器开始具有智能，如果机器的智能水平达到了一定程度的“自主性”，可以设想人机关系将是一种相互适应的关系，或者说一种“弹性”的人机关系。这一时期研究人机之间的交互成为主流。,人机交互的历史,早期历史：文明史 人机交互还没有成为一门学科，但在人类文明进程中，体现出重视人的思想。,古代盛水工具,古埃及化妆盒,古埃及方凳,古代镜子,人机交互的历史,早期历
4、史：二战前19世纪80年代和90年代的工业运动泰勒-科学管理之父 （1856-1915）,最早进行人和机器匹配问题研究的学者 铁锹实验 科学管理原理,铁锹实验,实验前:干不同的活拿同样的锹铲不同的东西每锹重量不一样，应当有一个效率最高的重量。实验发现22磅时效率最高，铲不同的东西拿不同的锹生产效率得到提高。铲铁试验，使每人每天的搬运量从16吨，提高到50吨。劳动生产率成倍增长。,吉尔伯瑞斯,莫斯特伯格,这段时期研究特点：主要研究人，通过改变人的活动来提高人机系统的效率。,用实验方法进行人员挑选和培训,时间和动作研究（砌砖作业试验） 手术研究,人机工程学的诞生：1945-1960年间第二次世界大
5、战，统计发现飞机被击落的数量不如因人的操作而发生事故那么多。这表明无论人的能力提高得多高，行为改善得如何，都不可能完全跟上机器。研究转向如何使机器适应人。,1949年英国人机工程学会（Ergonomics Research Society)成立 1955年美国人因工程学会（Human Factors Society)成立 1959年国际工效学协会（International Ergonomics Association)成立,这些学科都关注在任何系统，包括计算机、机械、还是手动环境中用户的表现。,人机工程学迅速发展时期（1960-1980）,军事领域的继续发展和太空竞赛的促进 从军事领域转向民
6、用领域 特殊人群 受到控制论、信息论和系统论的影响,1980年以后向人机交互发展计算机的飞跃发展又引起了人机交互、人机界面、可用性研究、认知科学等新的研究领域。采用“man-machine interaction”(个人同机器交互），后来又改为“human-computer interaction”(人类同计算机交互）更加关注人的价值。,另外一项影响人机交互发展的研究项目是信息科学与信息技术。信息技术的引入对信息的存储、访问以及利用的方式有意义深远的影响，在组织和工作环境中都有显著效果。传统上，系统分析一直集中关注技术在工作场所中的影响，使技术符合工作的需求和限制。这些方面同样是HCI所关心的
7、。,HCI吸引了很多学科，但只是在计算机科学和系统设计中才使其成为一个主要的关注点。这也决定了HCI是一门以计算机科学和系统设计科学为主的跨学科领域，包括计算机科学、系统设计科学、心理学和认知科学等多学科的交叉学科。,人机交互技术是当前信息产业竞争的一个焦点，世界各国都将人机交互技术作为重点研究的一项关键技术。 美国总统信息技术顾问委员会的“21世纪的信息技术报告”中将“人机交互和信息管理”列为新世纪4项重点发展的信息技术(还包括软件、可伸缩信息基础设施、高端计算)之一，它的目标是研制“能听、能说、能理解人类语言的计算机”，并指出“现在美国40以上的家庭拥有计算机，然而，对于大多数美国人来说，
8、计算机仍然难以使用调查表明，由于不理解计算机正在做什么，用户浪费了12以上的上机时间更好的人机交互将使计算机易于使用，并使使用者更愉快，因而可提高生产率。,I-Schools Project(ISP)的讲程指出：I-Schools是 由对信息、技术和人之间的关系有兴趣的学院组成的，以承诺探讨与理解在人类所有活动中信息的作用为特点。iSchool的研究领域涉及信息组织、检索与利用、信息系统和人机交互的设计等 日本提出FPIEND21计划（Future Personalized Information Environment Development），其目标就是要开发21世纪个性化的信息环境。 我
9、国973，S-863，十五计划均将人机交互列为主要内容。,人机交互发展中的重大事件,人机交互技术与计算机始终相伴发展,计算机的发展历史，不仅是处理器速度、存储器容量飞速提高的历史，也是不断改善人机交互技术的历史。 人机交互技术, 如鼠标器、窗口系统、超文本、浏览器等等，已对计算机的发展产生了巨大的影响，而且还将继续影响整个人类的生活。,回溯 数字计算机的概念在18世纪提出 在20世纪40年代技术上成为现实 早期模拟计算机 1943年1月: Mark I，自动顺序控制计算机在美国研制成功，被用来为美国海军计算弹道火力表 1943年12月: Alan Turing参与设计制造的最早的可编程计算机C
10、olossus在英国推出，目的是为了破译德国的密码，每秒能翻译大约5000个字符。,计算机的诞生,ENIAC，1946,开始研制于1943年，完成于1946年2月15日。 Electronic Numerical Integrator And Computer电子数字积分计算机第一台真正意义上的数字电子计算机 。 占地面积170平方米，30个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美 元。它使用18000个电子管，70000个电阻，10000个电容，1500个继电器，6000多个开关 每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计
11、算的20万倍 。 负责人是John W. Mauchly和J. Presper Eckert。,ENIAC,两位发明人莫奇来和爱克特,ENIAC使用的电子管,工作中的ENIAC,P1: V.Bush & Memex 1945,促成了美国NSF, ARPA等的创立 “As We May Think” 1945年 Memex device理论模型/概念 能够存储所有记录、文件和通信 内存巨大 按索引, 关键词, 相互参照获取信息 相互连接管理(提出的概念非常类似于Hypertext),将传统的图书馆馆藏文献的储存、查找机制与计算机结合起来台式个人文献工作系统，能存贮书、记录和通讯的装置。,Meme
12、x 1945,P2: J.R. Licklider,心理学家-计算机科学家 1960年, 发表了 “人机共生” (“man-computer symbiosis”)论文 计算机如何更好帮助人做事情 1962年，J.C.R.Licklider和W.Clark 发表论文OnLine Man Computer Communication，讨论分布式社交行为的全球网络概念 Batch processing批处理 -time-sharing分时系统 Internet 先驱人物之一,SketchPad “编程”系统 信息论先驱Shannon的学生 1963 PhD thesis at MIT 1988 T
13、uring Award 可以通过使用手持物体（如光笔）直接在显示屏幕上创建图形图像。可视的图样随即被存入计算机内存，它们可以被重新调用，并同其他数据一样可以进行后期的处理。 CAD先驱，后期致力于设计头盔式3D显示器（1967年开始）,P3: I.Sutherland & SketchPad 1963,P3: Ivan Sutherland,Sketchpad是第一个可以在显示屏幕上直接构造图形图像的系统，不用再通过键盘向计算机输入代码和公式 更具革命性的是，它考虑到了在显示屏幕上作某些改动后，存储在计算机中的信息可以被改变和更新。 Sketchpad开创了计算机辅助设计的一个新领域，即我们所
14、熟知的CAD,新的范式：Video Display Units,视频显示部件VDU Sutherlands Sketchpad是里程碑式的系统 计算机从此可以用于信息可视化和数据操作 之前：主要用于数据计算,P4: Douglas Engelbart,道格拉斯恩格尔巴特“人机交互” 大师 因发明鼠标而闻名，鼠标最初的名字：显示系统的X-Y位置指示器（19631965）被科学界公认为20世纪最重要的发明之一IEEE列为计算机诞生50年以来世界计算机界最重大的事件之一。,P4: Douglas Engelbart,鼠标器只不过是他所有成果中的一个小发明。但他提出的那些气魄辉宏的计算机理论却远远不及
15、他发明的鼠标器广为世人所知晓。 发明涉及视窗、文字处理系统、在线呼叫集成系统、共享屏幕的远程会议、超媒体、电脑交互输入设备、群件，层次超文本, 多媒体, 鼠标。 20世纪60年代初，他就发表了一篇题为放大人类智力(Augmenting the Human Intellect)的文讲，提出了把计算机作为人类智慧放大器的观点。 1997年，ACM图灵奖。,P5: Alan Kay,最早的图形用户界面(GUI)电脑Alto 在施乐PARC，与同事构建了Alto,成为Macintosh 和Windows的先驱。 2003年度图灵奖得主(for OOP) 发明了“Object Oriented”这个术语
16、，第一个完全 面向对象的动态计算机程序设计语言Smalltalk的发明者。 Smalltalk源自Alan Kay “使用一组独立的互相通信的对象来解决问题”的思想，它可以说是目前主流语言C+，Java和C#的前身。 1972年，他来到施乐PARC，开始将Smalltalk作为一种儿童教育工具。,P5: Alan Kay,个人计算之父 1968年，提出Dynabook设想 “Notebook sized computer loaded with multimedia and can store everything” 将是一款如同书籍般，既为可携式且具互动功能的多媒体个人式电脑，它的主要规格如
17、下： 1. 大小如A4纸张之易携带； 2. 显示器的解析度必须优于报纸文字； 3. 必须具有声音输入的功能且易操作； 4. 必须能够网路化和作无线通讯,新的范式：个人计算,因易于使用而更强大 小而强大的计算机器为个人用户而做 互联和分时的重要性 先驱者 Kays Dynabook，1968年 IBM PC，1970年代 文本和命令方式,Xerox PARC - mid 1970s Alto1973年4月，第一个可操作的alto电脑在xerox parc完成。alto是第一个把计算机所有元素结合到一起的图形界面操作系统。它使用3键鼠标、位运算显示器、图形窗口、以太网络连接 Bravo WYSIW
18、YG 文本编辑. BravoX Microsoft Word的祖先. Laurel 电子邮件. Neptune 磁盘文件管理. Press 文件打印. Sil 画图程序.,具有GUI的PC,Xerox Star - 1981,第一台为商务应用设计的商用PC（1981年7月 alto的商用版本） 具有了桌面电脑的主要特征 Pointing, WYSIWYG, high degree of consistency and simplicity 采用了可用性工程方法 有原型设计和分析 可用性测试，迭代式的改进,Xerox Star,特点：双击图标技术、多窗口、对话框概念、1024768的分辨率。 天
19、才的概念，商业失败 $15k cost Closed architecture Lacking key functionality,1981 IBM PC,1981年8月12日，IBM正式发布了历史上第一台PC，从此人类就进入了个人电脑时代！IBM PC改变了我们的生活和工作方式 IBM PC之父：埃斯特利奇，13人小组。,Apple Lisa - 1982,Based on ideas of Star1983年1月，apple推出lisa系统。特点：下拉菜单和菜单条技术。 更加个人化，而不全是办公工具 LisaWrite: 字处理 LisaCalc: 表格 LisaGraph: 图形 Lis
20、aList: 规划管理工具 LisaProject: 项目计划 LisaDraw: 绘图程序 LisaTerminal: 现代通信软件 失败,Apple Macintosh - 1984,并非先驱，但非常聪明的拷贝 Not trailblazer, smart copier 优点 Aggressive pricing - $2500 界面友好 支持第三方应用 高质量图像和激光打印 高质量的应用系统，MacWrite、MacDraw 新的应用：Pagemaker，Word， Excel,新的HCI范式：WIMP,Windows, Icons, Menus, Pointers 并行操作 Can d
21、o several things simultaneously 图形用户界面 实例 Xerox Alto, Star; early Apples,History of MS Windows,MS DOS 1980 Microsoft Windows v1.0 1985年发布 Microsoft Windows v2.0 1987年8月11日发布 Microsoft Windows v3.0 1990年5月发布 Microsoft Windows v3.1 1992年发布 Windows NT 3.1, 1994年03月1日 Windows 95, 1995年8月 Windows 98, 199
22、8年6月 Windows 2000 ，2000年12月 Windows XP，2001年10月 Windows CE 1.0 1996.11 Windows CE 2.0 1998.01 Windows CE 3.0 2000.06 ,P6: Ben Shneiderman,Dr. Shneiderman 的著作有软件心理学：计算机和信息系统中的人类要素，1980 发明了直接操作DM (Direct Manipulation)概念 在1983年首次设计了选中条目点击转到另一页的方法 创立并任马里兰大学HCI实验室主任,新的范式：直接操作 Direct Manipulation,直接操作的特点
23、对象可视化 渐进动作和快速反馈 可逆性鼓励探索 使用动作代替语言 对动作进行句法修正 WYSIWYGWhat You See Is What You Get.,P7: Donald A. Norman,20世纪60年代他就是一流的认知心理学家，是认知科学的开拓者之一，发展了HCI应用科学，涉及到认知学、工程和设计，在HCI方面做出了大量创造性的成就，提出的“以人为中心的设计”概念。 “Design of Everyday Things” 已成了设计人员的必备，以人为本，可用性、易用性，还有情感影响，新的理念指导着很多的设计 Emotional Design: Why we love (or h
24、ate) everyday things情感化设计 强调情感在产品设计中的重要作用,新的范式：多模态用户界面,模态是人类交流的通道 不仅仅是视觉 例如：语音（听觉通道）和触摸（ 触觉通道） 多模态融合 多模态用户界面即为在多媒体界面的基础上,采用语音识别、视线跟踪、手势输入等新技术,使用户可用多种形态或多个通道以自然、并行和协作的方式进行交互,系统通过整合多通道精确和非精确信息,快速捕捉用户的意向,有效地提高人机交互的自然性和效率。,P8: Ted Nelson,Hypertext（超文本）, hypermedia（超媒体）等概念的(合作)提出者 ,被称为HTTP之父。,新的范式：Hypert
25、ext,WWW，1993 超文本 将信息看作互联的节点，而不是线性流 Think of information not as linear flow but as interconnected nodes 源头 Nelsons hypertext Bushs MEMEX 非线性的浏览结构 Non-linear browsing structure,P9: Mark Weiser,提出普适计算是21世纪的计算模式 Mark Weiser于1988年在Xerox PARC的 计算机科学实验室首次提出了这个概念 无处不在的计算描述了具有丰富计算资源和通信能力的人和环境之间关系的场景，能够在需要的何时
26、何地都可以提供信息和服务，这个环境与人们逐渐地融合在一起。它把计算机嵌入到各种类型的设备中，建立一个将计算和通信融入人类生活空间的交互环境，从而极大地提高个人的工作以及与他人合作的效率。,计算机应用的三个时代,什么是范式 一种占主导地位的理论框架或科学世界观如：物理学中亚理斯多德理论，牛顿定律，相对论等 理解HCI的历史很大程度上在于理解一系列范式的变迁过程 并不是所有列出的范式变迁过程都是必要的，但他 们至少应该是备选项,回顾： HCI范式的变迁,回顾： HCI范式的变迁,Cards,tape Video Display Units Mainframe PC Glass tty WIMP (
27、Windows, Icons, Menus and Pointer) Commands Direct manipulation Linear Web-like (Hypertext) Direct manipulation Agents Visual Multimedia Desktop Ubiquitous, Mobile Single user CSCW (Computer Supported Cooperative Work),回顾：人机交互重要思想和系统,Bush构想的Memex 设备(1945) 图形化直接操作(GUI DM) SketchPad （1963） Mouse （1964
28、) Windows Dynabook（1977） Hypertext 数字桌面Digital Desk 普适/泛在计算,总结：人机界面的变迁,HCI简史人适应计算机的历史！ 1960年代一70年代：键盘，字符界面 1980年代一90年代：鼠标，图形界面 目前 仍然以鼠标，图形界面为主，书写、听觉等为辅 未来计算机适应人的未来！ 我们会如何使用计算机？ 下一代自然人机界面会是什么？ 需要大家的想象力！,某个侧面、一种可能,拟人的类比 人和人之间如何交互？ 看、听、读、说、写、触、嗅 我们的目标:改变目前机器的准聋哑盲状态,使其 具有视、听、触、嗅等感觉、知觉能力 具有学习、记忆乃至情感等认知能力
29、 具备说话、会画等表达能力 本体感觉、自我意识？,让人机之间的交互能够像人与人交流一样自然！,人机交互（HCI）定义,定义（ACM, 1992） Human-computer interaction is a discipline concerned with the design, evaluation and implementation of interactive computing systems for human use and with the study of major phenomena surrounding them. 一门研究人类所使用的交互式计算系统的设计、实施、
30、评估及相关主要现象的学科。,人机交互（HCI）定义,ACM SIGCHI 人机交互课程报告,ACM Special Interest Group on computer-human interaction curriculum development group. Acm sighi curricula for human-computer interaction. Technical report,ACM, NEW YORK ,1992,人机交互（HCI）的研究内容,HCI研究内容 (参看报告第2讲),N 人机交互的本质 N1 人机交互(元-)模型 U 计算机的应用及情景 U1 人类社会组织
31、和工作 U2 应用领域 U3 人机适应(Fit and Adaptation) H 人类特征 H1 人类信息处理 H2 语言，通信与交互 H3 工效学(Ergonomics ),HCI研究内容 (续),C 计算机系统和界面构建 C1 输入和输出设备 C2 对话技术 C3 对话风格Genre C4 计算机图形学 C5 对话架构(Architecture) D 开发过程 D1 设计方法 D2 实施技术 D3 评估技巧 D4 实例系统和案例研究 P 项目展示和测试,HCI主要研究内容(ACM 1992),HCI 目标,使得用户在完成任务时，能够达到 高效 健康 舒适 安全,高效,设计中，应把人和机作
32、为一个整体来考虑，合理或最优地分配人和机的功能，以促进二者的协调，提高人的工作效率。例如：砌砖试验。,健康,人在操作或使用产品的过程中，产品对人的健康不会造成不良的影响。,舒适,人在使用产品的过程中，人体能处于自然的状态，操作或使用的姿势能够在人们自然、正常的肢体活动范围内，从而使人不致过早产生疲劳。,安全,指人们在操作和使用产品的过程中，产品对人的身体不构成生理上的伤害。,人机交互相关学科,人机交互相关学科图,认知心理学,是20世纪50年代中期在西方兴起的一种心理学思潮，在20世纪70年代成为西方心理学的一个主要研究方向。它研究人的高级心理过程，主要是认识过程，如注意、知觉、表象、记忆、思维
33、和语言等，从心理学的观点研究人机交互的原理。 该领域研究包括如何通过视觉、听觉等接受和理解来自周围环境的信息的感知过程，以及通过人脑进行记忆、思维、推理、学习和解决问题等人的心理活动的认识过程。 其中人脑的认知模型神经元网络及其模拟，已经成为新一代计算机、人工智能等领域中最热门的研究课题之一。对人的认知行为的研究、测量、分析和建模也称为认知人机工程学。,人机工程学,人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识，研究人、机器、环境相互间的合理关系，以保证人们安全、健康、舒适地工作，提高整个系统工效的新兴边缘科学。 它又分为硬件人机工程学、软件人机工程学和认知人机工程学。,计算机语言学,人机
34、交互中使用了多种类型的语言，包括自然语言、命令语言、菜单语言、填表语言或图形语言等。计算机语言学就是专门研究这些语言，以及涉及它们的计算机语言学和形式语言理论等各个方面的内容。后者己成为整个计算机科学形式理论的重要部分。,艺术设计,艺术设计主要从美的需要出发，研究人机界面以何种形式呈现，包括硬件界面设计和软件界面设计。硬件界面设计主要由工业设计师与技术工程师完成，软件界面设计主要由艺术设计人员、界面设计师与软件工程师完成。,智能人机界面,社会学与人类学,主要包括：用户模型、智能人机界面模型、智能专家系统、智能对话、智能网络界面、帮助和学习、智能前端系统、自适应界面、自然语言、多媒体界面等。,社
35、会学主要涉及到人机系统对社会结构影响的研究，而人类学则涉及到人机系统中的群体交互活动的研究。如人类的文化特点、审美情趣以及个人、群体的爱好偏向等。,本课程要学到的内容,第一讲：人机交互概述 第二讲：人的信息处理过程和认知 第三讲：情感交互 第四讲：人机交互设备 第五讲：人机交互界面形式 第六讲：人机交互界面模型 第七讲：人机交互研究方法 第八讲：可用性分析与评估 第九讲：网站可用性,考 核,考勤、课堂发言 平时作业 期末要求大家提交研究报告（每人一份）,本课程参考书,孟祥旭，李学庆著，人机交互技术：原理与应用高等学校教材计算机科学与技术，清华大学出版社， 2005。 Rogers, Y., S
36、harp, H., & Preece, J. (2011). Interaction design: beyond human-computer interaction. John Wiley & Sons. http:/www.id- Alan Dix等著，Human-Computer Interaction, 电子工业出版社，英文 Norman, D. A. (2002). The design of everyday things. Basic books. Norman, D. A. (2004). Emotional design: Why we love (or hate) everyday things. Basic books. Norman, D. A. (2010). Living with complexity. Mit Press.,推 荐,未来的人机界面 视频： 第六感：彻底改变未来人机交互的系统微软神奇的人机交互技术微软Natal-人机交互方法的革命微软Surface神奇魔力,第一次作业：阅读ACM SIGCHI人机交互课程报告，谈谈你对人机交互的初步认识。（http:/old.sigchi.org/cdg/）,
