人機(jī)交互課程中費(fèi)茨定律的講授方案探析

涂華偉

摘 要 費(fèi)茨定律（Fitts Law）是人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)中的重要指導(dǎo)理論。因此，費(fèi)茨定律的講授是人機(jī)交互課堂的重要環(huán)節(jié)。在本文中，作者以自身教學(xué)實(shí)踐為基礎(chǔ)，提出費(fèi)茨定律的三層次講解模型（理論層次、應(yīng)用層次和科研層次），以系統(tǒng)地講授費(fèi)茨定律的理論及應(yīng)用。具體而言，這個(gè)模型首先對(duì)比香農(nóng)定理和費(fèi)茨定律，分析費(fèi)茨定律起源及其參數(shù)含義。其次參考商業(yè)操作系統(tǒng)（iOS和Windows）的設(shè)計(jì)，說明費(fèi)茨定律的應(yīng)用場(chǎng)景。最后以發(fā)表在人機(jī)交互頂級(jí)會(huì)議CHI上新穎的研究成果為例，闡述費(fèi)茨定律的理論指導(dǎo)作用。課堂反饋初步說明了該教學(xué)模型的有效性。該教學(xué)方式不僅為更好地講解費(fèi)茨定律提供了借鑒，也為講授人機(jī)交互課程的其他知識(shí)給出了思路。

關(guān)鍵詞 費(fèi)茨定律 人機(jī)交互課程 三層次講解模型 界面設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.08.017

Abstract Fitts' law plays an important role in human-computer interface design. Hence， the lecture on Fitts' law is vital in Human-computer Interaction （HCI） courses. In this article， the author proposes a three-level lecture model （theory， application and research levels） based on the author' teaching experience. Specifically， this model first compares Shannon's theorem to Fitts' law so as to analyze the origin of Fitts' Law and the meanings of its parameters. Then this model refers to commercial OS design such as iOS and Windows to illustrate application scenarios of Fitts' law. Last， this model demonstrates the function of Fitts' law as a theoretical guidance by taking research outcomes published in the top level HCI conference CHI as examples. The initial feedback demonstrates the effectiveness of the lecture model. The proposed method not only provides references of how to better lecture on Fitts' law， but also offers thoughts to lecture on other HCI knowledge.

Key words Fitts' law； Human-computer Interaction courses； Three-level lecture model； interface design

1 介紹

費(fèi)茨定律①是人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)最成功的指導(dǎo)模型之一。作為理論框架，費(fèi)茨定律可用于計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備的評(píng)估、界面的優(yōu)化以及其他復(fù)雜人機(jī)交互任務(wù)建模。費(fèi)茨定律可以對(duì)點(diǎn)擊任務(wù)所耗費(fèi)的時(shí)間進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)公式是 = + （ + 1）。式中，表示從起始點(diǎn)到目標(biāo)的預(yù)測(cè)時(shí)間，表示從起始點(diǎn)到目標(biāo)的距離，表示目標(biāo)的寬度，和反映系統(tǒng)的效率。

鑒于費(fèi)茨定律在人機(jī)界面設(shè)計(jì)的重要性，人機(jī)交互的教學(xué)中需要從其進(jìn)行深入細(xì)致的講解。②講授費(fèi)茨定律既要對(duì)其理論性進(jìn)行分析，又要結(jié)合聯(lián)系實(shí)際產(chǎn)品以及科研工作對(duì)該定律的理論性進(jìn)行佐證。③基于作者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，本文從理論、應(yīng)用和科研層次出發(fā)，提出了三層次的講解模型，闡述其具體講授內(nèi)容，并在教學(xué)實(shí)踐中證明了方法的有效性。

2 教學(xué)方法

在三層次講解模型中，費(fèi)茨定律的內(nèi)容將分為如下三個(gè)部分：

2.1 費(fèi)茨定律的理論層次

在教學(xué)過程中，我們首先從費(fèi)茨定律的起源講起。費(fèi)茨定律是1954年由保羅·費(fèi)茨基于香農(nóng)定律提出，將人體控制運(yùn)動(dòng)能力類比成信息的傳輸。香農(nóng)定律的表示形式為 = （ + 1），其中是信道支持的最大速度或者叫信道容量，是信道的帶寬，是平均信號(hào)功率，是平均噪聲功率，即信噪比。

與香農(nóng)定律相對(duì)的，費(fèi)茨定律的公式參數(shù)可類比為平均信號(hào)功率，可類比為平均噪聲功率。任務(wù)的困難度 = （ + 1），單位為bits。IP則定義為ID/T，單位為bits/s。

總結(jié)起來，費(fèi)茨定律有兩個(gè)新穎的特點(diǎn)。第一，提出任務(wù)的復(fù)雜程度可以用信息論的度量單位bits來表示。第二，提出在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)的時(shí)候，信息可以理解為通過人的通道進(jìn)行傳輸?shù)摹?/p>

2.2 費(fèi)茨定律的應(yīng)用層次

（1）右鍵菜單的設(shè)計(jì)可根據(jù)費(fèi)茨定律探尋其設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在點(diǎn)擊處出現(xiàn)右鍵菜單，用戶可以移動(dòng)光標(biāo)進(jìn)行菜單功能項(xiàng)選擇。根據(jù)費(fèi)茨定律，出現(xiàn)在用戶正在操作的對(duì)象旁邊的右鍵菜單比下拉菜單或工具欄可以被更快得選中，因?yàn)檫x擇右鍵菜單項(xiàng)需要移動(dòng)光標(biāo)的距離短。

（2）屏幕的邊和角適合放置像菜單欄和按鈕這樣的元素，因?yàn)檫吔鞘蔷薮蟮哪繕?biāo)，他們無限高或無線寬，用戶不可能用鼠標(biāo)超過他們。即不管你移動(dòng)了多遠(yuǎn)，鼠標(biāo)最終會(huì)停在屏幕的邊緣，并定位到按鈕或菜單的上面。從費(fèi)茨定律的角度，這相當(dāng)于目標(biāo)的大小是無限大，因此用戶會(huì)更快點(diǎn)中目標(biāo)。因此，可以在理論上得出，圖3中左圖的菜單欄設(shè)計(jì)比右圖更符合人機(jī)交互的規(guī)律。

2.3 費(fèi)茨定律的科研層次

模型的目的是在開展大規(guī)模實(shí)驗(yàn)之前，可以對(duì)設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行初步預(yù)測(cè)。如下列舉兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)擊的例子，用以說明費(fèi)茨定律的理論指導(dǎo)功能。這兩個(gè)設(shè)計(jì)都是發(fā)表在人機(jī)交互的頂級(jí)會(huì)議CHI上。點(diǎn)擊任務(wù)是圖形用戶界面的基本任務(wù)，因此改進(jìn)點(diǎn)擊的效率能夠給用戶帶來交互的便利。

2.3.1Bubble光標(biāo)④

Bubble光標(biāo)是根據(jù)光標(biāo)中心與目標(biāo)之間的距離，來動(dòng)態(tài)改變光標(biāo)的選擇區(qū)域。如果目標(biāo)包含在光標(biāo)區(qū)域里面，則可以選中這個(gè)目標(biāo)。如果多個(gè)目標(biāo)包含在區(qū)域里面，則選擇距離光標(biāo)中心最近的目標(biāo)。根據(jù)費(fèi)茨定律，這實(shí)際上是增大了目標(biāo)的大?。ㄙM(fèi)茨定律公式中的W參數(shù)），因此理論上可以判斷bubble光標(biāo)會(huì)導(dǎo)致更短的目標(biāo)選擇時(shí)間。

2.3.2Ninja光標(biāo)⑤

Ninja光標(biāo)的設(shè)計(jì)目的是為了幫助用戶更快地選擇屏幕的目標(biāo)。它的設(shè)計(jì)方式是在屏幕上給出多個(gè)光標(biāo)，用戶可以移動(dòng)離目標(biāo)最近的光標(biāo)操作目標(biāo)。根據(jù)費(fèi)茨定律，這是減少了光標(biāo)到目標(biāo)的距離（費(fèi)茨定律公式中的D參數(shù)）。

3 結(jié)束語

費(fèi)茨定律是人機(jī)交互領(lǐng)域最流行的理論指導(dǎo)之一。因此，對(duì)其的講授是人機(jī)交互課程的重要部分。這篇文章提出了費(fèi)茨定律的三層次講解模型，從理論、應(yīng)用以及研究層次對(duì)費(fèi)茨定律進(jìn)行了深入分析，力圖將費(fèi)茨定律的理論規(guī)律和應(yīng)用價(jià)值更好地傳授給學(xué)生。課堂反饋說明該講解方式具有良好的效果。學(xué)生普遍表示理解了費(fèi)茨定律的理論原理，并且掌握了該定律的界面設(shè)計(jì)指導(dǎo)作用，課堂講授生動(dòng)有趣。該三層次講解模型也對(duì)其他人機(jī)交互知識(shí)的講授提供了參考方式。

注釋

① Fitts P. M.， The information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement [J]， Journal of Experimental Psychology，1954.47：381-391.

② 林連南，龍釧，秦聞達(dá).斯坦福大學(xué)人機(jī)交互課程體系分析與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育，2015.21：101-106.

③ 陳小武.從人機(jī)界面到人機(jī)交互的課程改革進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)教育，2009.3：49-50.

④ Grossman T. and Balakrishnan R.， The bubble cursor： enhancing target acquisition by dynamic resizing of the cursor's activation area[C].CHI 2005：281-290.

⑤ Kobayashi M. and Igarashi T.， Ninja cursors： using multiple cursors to assist target acquisition on large screens[C].CHI 2008：949-958.