面向藝術(shù)生Arduino硬件接口的可用性設(shè)計(jì)決策

李鍇

（福建江夏學(xué)院，福州 350108）

近年來，全國(guó)各地創(chuàng)客空間迅速增加，各高校成立設(shè)計(jì)與創(chuàng)意學(xué)院，以設(shè)計(jì)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，Arduino在互動(dòng)裝置、工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)器人等設(shè)計(jì)工作中作為原型工具得到廣泛應(yīng)用。Arduino的可用性直接影響創(chuàng)新的效率和效果。目前國(guó)內(nèi)占主流的創(chuàng)客教育平臺(tái)是基于Arduino的創(chuàng)意電子平臺(tái)，包括Arduino主板、Arduino核心庫(kù)和Arduino IDE編程環(huán)境三方面內(nèi)容。Arduino硬件指Arduino主板及周邊電路。

Arduino在硬件上的發(fā)展主要呈現(xiàn)形態(tài)多樣化和組件模塊化。MIT Media Lab的副教授Leah Buechley開發(fā)了能縫在織物上的Arduino并命名為L(zhǎng)ilypad，并開發(fā)了一套組件以及應(yīng)用在電子織物的方法。清華大學(xué)的米海鵬副教授開發(fā)了一套適用于設(shè)計(jì)類專業(yè)學(xué)生使用的InnoKit物理交互教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件，將各類傳感器模塊化，利用三針接插方式，降低了Arduino主板與傳感器連接的難度。LittleBits是一種磁吸的Arduino組件，利用同極相斥異極相吸的原理，避免了電路連接的出錯(cuò)。

當(dāng)前Arduino硬件的優(yōu)點(diǎn)有：1.易學(xué)習(xí)，通過封裝bootloader，降低燒寫程序的門檻；2.多樣性，開發(fā)板從大到小有幾十種，適用于不同的原型設(shè)計(jì)；3.開放性，硬件是開源的，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)目標(biāo)用戶的需求進(jìn)行修改和定制。存在的主要不足有：1.效率性，Arduino主板和各類傳感器電路連接方式不一致，多數(shù)接口空置，部分接口設(shè)計(jì)不合理；2.Arduino配套器件接口靈活性差、價(jià)格高；3.部分Arduino主板價(jià)格偏高，影響用戶體驗(yàn)。

面對(duì)不足，設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)有：1.用戶的目標(biāo)人群是誰，如何綜合思考不同層次用戶的意見；2.從設(shè)計(jì)方法學(xué)的系統(tǒng)論角度，基于目標(biāo)用戶的可用性構(gòu)成因素是什么，因素如何構(gòu)成；3.用戶如何與Arduino硬件交互，如何得到總體最優(yōu)交互方式；4.如何根據(jù)總體最優(yōu)交互方式優(yōu)化設(shè)計(jì)，即如何設(shè)計(jì)更加合理的Arduino硬件接口。

一、Arduino硬件接口的可用性設(shè)計(jì)因素

（一）設(shè)定目標(biāo)用戶

Arduino初創(chuàng)時(shí)的目標(biāo)用戶是藝術(shù)類學(xué)習(xí)者?，F(xiàn)在，用戶擴(kuò)大到創(chuàng)客、教師、電子愛好者、大學(xué)生甚至中小學(xué)生，說明目標(biāo)用戶隨著產(chǎn)品的影響力變化而發(fā)生擴(kuò)散和遷移。以下將目標(biāo)用戶的范圍限定在國(guó)內(nèi)藝術(shù)院校。

在藝術(shù)院校中，按照熟練程度可把Arduino用戶分為三個(gè)級(jí)別：新手、中間用戶、專家。首先，Arduino設(shè)計(jì)的初衷是針對(duì)新手，通過對(duì)AVR芯片的二次封裝降低了編程難度，能在短時(shí)間內(nèi)幫助用戶從新手迅速升級(jí)為中間用戶。設(shè)計(jì)師需要保證新手用戶的“心流”狀態(tài)，新手能快速做出一個(gè)想要的小作品，哪怕是點(diǎn)亮一個(gè)LED燈，也能讓新手沉浸在成功的快樂中，否則新手將放棄使用該產(chǎn)品，由新手變?yōu)榉怯脩?。?dāng)新手主動(dòng)地做出幾個(gè)Arduino相關(guān)作品，將很快升級(jí)為中間用戶。其次，中間用戶和專家是從新手用戶開始。從認(rèn)知方面說明，解決新手的可用性問題，也能提高中間用戶和專家的使用效率。由于對(duì)Arduino認(rèn)知水平、熟練程度等原因，專家用戶通常能一針見血地指出可用性問題。對(duì)于中間用戶在其他設(shè)計(jì)中應(yīng)最受重視，但在本例中新手用戶和中間用戶界限模糊。新手用戶相比專家用戶數(shù)量占優(yōu)。因此，Arduino硬件的設(shè)計(jì)以新手用戶為基礎(chǔ)，還要顧及專家用戶的意見。

（二）Arduino硬件可用性因素

可用性（Usability）在ISO9241/11中的定義是：特定用戶在特定的使用環(huán)境中使用產(chǎn)品達(dá)到特定目標(biāo)的有效性、效率和滿意度的程度。Jakob Nielsen對(duì)于可用性提出的五個(gè)要素：1.可學(xué)習(xí)性（Learnability），初次接觸產(chǎn)品時(shí)，用戶完成基本任務(wù)的難易程度；2.效率（Efficiency），用戶能多快完成任務(wù)；3.可記憶性（Memorability），當(dāng)用戶一段時(shí)間沒有使用產(chǎn)品后，是否能立即回到以前的熟練程度；4.出錯(cuò)（Errors），用戶能否從錯(cuò)誤中恢復(fù)；5.滿意度（Satisfaction），用戶對(duì)產(chǎn)品的主觀滿意度。這兩種定義都涉及效率、滿意度。

上述兩種可用性因素只是參考意見，設(shè)計(jì)具體的產(chǎn)品可以根據(jù)不同的用戶人群、不同的使用環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。首先，目標(biāo)用戶主要針對(duì)國(guó)內(nèi)藝術(shù)生，Arduino硬件涉及物理學(xué)知識(shí)，由于國(guó)內(nèi)藝術(shù)生生源以文科為主，容易使用是個(gè)重要因素，包括可學(xué)習(xí)性、可記憶性。容易使用是Arduino區(qū)別于其他單片機(jī)的最顯著特征；其次，Arduino硬件是一種單片機(jī)，電路連接是否穩(wěn)定可靠，連接傳感器的種類數(shù)量以及組合的靈活度，也都是重要因素；再次，價(jià)格也是一種構(gòu)成因素，Arduino硬件作為教具，價(jià)格決定能否人手一份地進(jìn)行學(xué)習(xí)，高昂的價(jià)格能讓用戶產(chǎn)生過于謹(jǐn)慎的心理而影響效率；最后，滿意度是一種構(gòu)成因素，用戶使用產(chǎn)品時(shí)的主觀滿意度，與用戶情感有關(guān)。因此，在研究目標(biāo)用戶的基礎(chǔ)上，總結(jié)Arduino硬件可用性因素有：易用性、可靠性、拓展性、廉價(jià)性、滿意度。

（三）目標(biāo)用戶與Arduino硬件接口的交互方式

在藝術(shù)院校存在各種形式的Arduino，目標(biāo)用戶與Arduino硬件之間的交互以Arduino硬件接口為媒介。Arduino硬件接口包含主板與電路、主板與PC、電路與器件三個(gè)部分（文中主板特指Arduino主板，下同）。如圖1所示，主板與電路的交互方式有：1.用杜邦線對(duì)主板接口拔插，另一端連接面包板；2.用鱷魚夾夾到裸露的金屬接口；3.將電線焊接到接口；4.用導(dǎo)電筆在紙上畫出電路，利用導(dǎo)電液的黏性連接主板接口；5.將導(dǎo)電線縫紉到接口上；6.利用磁性鐵塊吸合方式連接電路；7.用電子貼紙方式黏貼到主板接口。主板與PC機(jī)的交互方式有：1.USB-B接口；2.USB-Mini接口；3.藍(lán)牙接口Bluno Beetle；4.ICSP接口；5.FTDI接口。電路與器件交互方式有：1.直接相連；2.電路與器件組成模塊；3.通過盾板相連。主板與電路的交互方式?jīng)Q定電路到器件的連接方式。由于主板與PC交互只發(fā)生在下載程序和串口監(jiān)視，因此其交互頻度較低?？傊?，三種交互部分中第一部分占主導(dǎo)因素。歸納總結(jié)Arduino硬件接口的交互方式有拔插、夾、焊接、畫、縫紉、磁吸、貼紙。

由于Arduino主板屬于開源硬件，因此可重新設(shè)計(jì)其接口，以改進(jìn)其可用性。Arduino主板上的交互只能以上七種交互方式中的一種，因此需要找出最優(yōu)的交互方式來引導(dǎo)Arduino硬件接口可用性的設(shè)計(jì)。

二、Arduino硬件接口可用性設(shè)計(jì)決策

（一）層次分析法建模

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)，是處理多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題，以及定性與定量相結(jié)合、定性信息定量化、復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化的一種實(shí)用而有效的方法。通常分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層。設(shè)計(jì)師經(jīng)常使用結(jié)合定量和定性分析的方法決定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。可用性的構(gòu)成因素屬于定性分析，構(gòu)成因素占總體的權(quán)重屬于定量分析。多種交互方式屬于定性分析，每種交互方式的可用性得分屬于定量分析。結(jié)合可用性的構(gòu)成因素和目標(biāo)用戶的層次問題，故采用層次分析法。

Arduino硬件接口可用性的層次模型構(gòu)建如圖2所示。以Arduino硬件接口可用性為目標(biāo)層；以Arduino硬件接口可用性的構(gòu)成因素為準(zhǔn)則層，包含易用性、可靠性、拓展性、廉價(jià)性、滿意度5個(gè)項(xiàng)；以Arduino硬件接口的各種交互方式為方案層，包含拔插、夾、焊接、畫、縫紉、磁吸、貼紙7種交互方式。準(zhǔn)則層對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣由專家用戶決定權(quán)重。由于方案層涉及與用戶交互，方案層對(duì)于準(zhǔn)則層的判斷矩陣由新手用戶決定權(quán)重。權(quán)重采用訪談方式獲取，取值采用1～9標(biāo)度法。每種交互都有可用性構(gòu)成因素的得分，再與這些因素的權(quán)重得分相乘，可得到每個(gè)方案的綜合得分，從得分就可以選出最優(yōu)方案。

（二）用戶訪談

用戶訪談是獲得用戶數(shù)據(jù)的重要手段。訪談的目的是獲取模型中用戶數(shù)據(jù)。典型的新手角色（Persona）比如大學(xué)生，而教師是接近專家用戶的角色。在國(guó)內(nèi)某美術(shù)學(xué)院對(duì)5位教師和15位學(xué)生進(jìn)行訪談，訪談結(jié)果如表1、表2所示。b1～b5分別表示易用性、可靠性、拓展性、廉價(jià)性、滿意度。c1～c7分別表示拔插、夾、焊接、畫、縫紉、磁吸、貼紙。矩陣B表示Arduino硬件可用性要素權(quán)重，bij是五位專家以bi的角度與其他要素相對(duì)重要性評(píng)分，取值采用1～9標(biāo)度法，分值越高相對(duì)重要性越低。矩陣C表示Arduino硬件不同交互方式在可用性要素上的評(píng)分，15用戶評(píng)分為取整中位數(shù)。例如有一組數(shù)據(jù)X1……XN，按從小到大的順序排序?yàn)椋篨（1）……X（N），則當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)，中位數(shù)m0.5=X（N+1）/2，當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，m0.5=（X（N/2）+X（N/2+1））/2。由于中位數(shù)是通過排序得到的，不受最大、最小兩個(gè)極端數(shù)值的影響，常用于描述這組數(shù)據(jù)的集中趨勢(shì)，因此，中位數(shù)能排除極端用戶意見并較為客觀地表達(dá)大部分用戶的體驗(yàn)。

表1 Arduino硬件接口可用性因素權(quán)重

表1 Arduino硬件接口可用性因素權(quán)重

表2 Arduino硬件接口不同交互方式可用性因素評(píng)分

表2 Arduino硬件接口不同交互方式可用性因素評(píng)分

（三）層次分析及計(jì)算

模型中層次分析采用求和法，計(jì)算步驟是：1.構(gòu)造針對(duì)上一層的權(quán)重矩陣aij；2.列向量歸一得Mi，按行求和得權(quán)重向量Wi，歸一化得最大特征值的近似值λmax；3.一致性指標(biāo)檢查C.I≤0.1，一致比率檢查C.R≤0.1，R.I由平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表（表3）決定。其中，λmax、C.I、C.R的計(jì)算公式分別是公式（1）（2）（3）。

通過計(jì)算，準(zhǔn)則層對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重。

C.I與C.R均小于0.1，滿足一致性要求，Wi可用。令 A=CWi，得 A=（7.4488，6.7352，3.6863，6.9566，6.4418，7.3485，6.4307）T。綜合得分矩陣A每個(gè)分量對(duì)應(yīng)每個(gè)交互方案的綜合得分。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表

圖1 Arduino主板與電路七種交互方式

圖2 Arduino硬件接口可用性的層次模型

（四)數(shù)據(jù)分析

新手用戶意見總結(jié)，從表2的數(shù)據(jù)分析得到：1.易用性較好的交互方式有拔插、畫、磁吸、貼紙，與實(shí)際情況接近。電路焊接對(duì)藝術(shù)生難度極大，夾對(duì)于操作精度要求高，縫紉與畫趣味性好但需要預(yù)先設(shè)計(jì)好電路草圖避免交叉難度大，畫對(duì)于藝術(shù)生容易故得分高；2.可靠性較好的有焊接、縫紉，從電路連接可靠度分析，這兩種方式最牢固，拔插和夾都容易因晃動(dòng)而脫落，磁吸可能出現(xiàn)物理連接但電路沒接通，畫和貼紙容易因折疊而短路；3.拓展性較好的有拔插、焊接，拔插通過面包板或者盾板幾乎可以連接所有傳感器，焊接類似，夾、縫紉、畫和貼紙對(duì)主板與外圍電路接口都有特殊要求，例如縫紉需要主板接口開孔，磁吸要求所有外圍電路都有磁性接口且需要連接回路端口；4.廉價(jià)性較好的有拔插、夾和焊接，畫、縫紉和貼紙需要專用的主板和電路材料因而造價(jià)高，磁吸需要每個(gè)器件都配有磁吸接口因而價(jià)格最高；5.滿意度較好的交互方式有畫、縫紉、磁吸、貼紙，電路焊接對(duì)于藝術(shù)生操作困難且有一定危險(xiǎn)性，拔插和夾可以接受。

每位專家用戶意見均等無等級(jí)之分，因此總結(jié)應(yīng)看綜合專家意見，無需考慮專家個(gè)人意見。從上一節(jié)得到，一致性指標(biāo)與一致比率均小于0.1，滿足一致性要求，說明五位專家的評(píng)價(jià)細(xì)節(jié)有差異但總體意見一致。從可用性因素構(gòu)成權(quán)重指標(biāo)Wi得到：1.專家認(rèn)為在該可用性因素按重要性排序是，易用性＞可靠性＞滿意度＞拓展性＞廉價(jià)性；2.專家對(duì)于Arduino硬件接口的可用性看重的是其易用性及可靠性，滿意度居中，拓展性在一定范圍內(nèi)可以接受，廉價(jià)性排在最后。實(shí)際情況中一個(gè)產(chǎn)品易用且可靠，必定用戶滿意，拓展性差一點(diǎn)和價(jià)格貴一點(diǎn)用戶能夠接受。且專家和新手收入水平存在差異，導(dǎo)致兩種用戶觀點(diǎn)不一致；3.易用性權(quán)重最大，占46.56%，專家認(rèn)為易用性是Arduino硬件可用性因素的核心。

新手用戶意見與專家用戶意見融合總結(jié)，從綜合得分A得到：交互方式以拔插最優(yōu)，磁吸次之。磁吸交互在易用和滿意度上得分高，只因在拓展性、廉價(jià)性方面得分過低，否則應(yīng)是最優(yōu)方案。拔插交互方式用戶在其構(gòu)成因素評(píng)分分別是[8、7、8、9、6]，相對(duì)其他方式得分均衡，又因?yàn)閷＜覍?duì)于構(gòu)成因素前兩項(xiàng)比重高，導(dǎo)致其總體得分最優(yōu)。綜合用戶需求和專家意見，以易用性優(yōu)先，采用拔插交互方式。因此，圍繞以上兩點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，Arduino硬件接口的可用性設(shè)計(jì)原則有：1.減少交互對(duì)象；2.一致性設(shè)計(jì)；3.降低交互難度。

三、Arduino硬件接口的可用性重構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)原則重構(gòu)Arduino硬件接口如下：

1.減少的電路引腳。主板上一組接插件數(shù)量應(yīng)不超過4個(gè)，從認(rèn)知心理學(xué)角度太多接口容易導(dǎo)致情緒緊張而出錯(cuò)。從新手用戶的行為觀察得到，有用戶為了防止出錯(cuò)從一列17個(gè)接口中數(shù)到某一個(gè)插入杜邦線。新手用戶不會(huì)同時(shí)使用6個(gè)模擬接口和13個(gè)數(shù)字接口，最常見是使用一個(gè)或者兩個(gè)數(shù)字或者模擬接口。由于USB-mini接口與手機(jī)可以通用，可以去掉兩組接口ICSP、DC插頭。去掉其他新手用戶不常用的接口，例如AREF、IOREF、RESET等。減少用戶記憶的數(shù)量，減少誤操作的機(jī)會(huì)。因此，主板引腳每組取4個(gè)，數(shù)量太少則影響拓展性。

2.重新設(shè)計(jì)主板與電路、主板與PC、電路與器件交互三個(gè)交互部分。使三個(gè)部分在交互方式上保持一致性。行為上，只有拔和插兩個(gè)動(dòng)作，即可完成電路的連接和斷開；視覺上，顏色、提示符上主板接口、杜邦線、面包板、常用模塊接口保持一致。交互以顏色引導(dǎo)，容易學(xué)習(xí)，能靈活擴(kuò)展，且不會(huì)增加成本；觸覺上，接口尺寸及拔插的阻尼保持一致。

3.將相同功能的接口放在一組。將接口分為四組，分別是數(shù)字接口、模擬接口、電源接口、通訊接口。接口對(duì)應(yīng)的電路板位置印刷與杜邦線一致的顏色，接口外側(cè)面印刷相同文字。

重新召集測(cè)試用戶進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，用戶對(duì)新設(shè)計(jì)的易用性、可靠性、拓展性、廉價(jià)性和滿意度進(jìn)行評(píng)分，分?jǐn)?shù)為c8=[9、7、7、9、8]，a8=c8Wi=8.3525。從用戶意見看新設(shè)計(jì)：易用性提高了，引腳減少犧牲部分拓展性，但是用戶的主觀滿意度提高了。綜合了專家意見，新設(shè)計(jì)的得分超過原來所有得分，說明設(shè)計(jì)得到改進(jìn)。從宏觀看，整個(gè)設(shè)計(jì)改進(jìn)是按用戶的意見去改的，改進(jìn)結(jié)果由用戶評(píng)價(jià)的，符合以用戶為中心的設(shè)計(jì)理念。

四、結(jié)語

可用性要素結(jié)合用戶研究的結(jié)果構(gòu)建一個(gè)Arduino硬件接口可用性的層次模型，計(jì)算權(quán)重指標(biāo)來決策接口的交互方式，重構(gòu)Arduino硬件接口的設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高可用性的目的。當(dāng)前設(shè)計(jì)決策是基于藝術(shù)院校的用戶研究，當(dāng)目標(biāo)用戶發(fā)生變化或者遷移時(shí)，或者研究對(duì)象改為其他類似的智能硬件，權(quán)重分析應(yīng)當(dāng)改變，設(shè)計(jì)原則也需變化，但是結(jié)合定性與定量的層次分析方法可以不變。并且，提高Arduino硬件接口可用性的設(shè)計(jì)方向不變，高可用性的工具可以讓創(chuàng)客群體迅速站在巨人的肩膀上，快速流暢地創(chuàng)造出新事物。