交織與借鑒：范式演變視角下人機交互與設計學的關系研究

王 淦 黃秋野

（南京航空航天大學藝術學院,江蘇南京 211106）

近30年來，人機交互學科發(fā)展引起了國內(nèi)外眾多學者的關注。隨著信息技術普及和發(fā)展，人機之間的交集關系、現(xiàn)象和互動成了眾多研究的關注點。羅格斯借用藝術史的概念，將人機交互研究劃分為古典人機交互、現(xiàn)代人機交互和當代人機交互時代。羅格斯指出，自人機交互誕生的古典研究時期，研究者以嚴格而受限制的方式引入了認知理論；現(xiàn)代人機交互則從社會學、現(xiàn)象學、認知學和設計學汲取了更多的理論方法；而當代人機交互則變得更加以價值為主導。哈里森將人機交互研究發(fā)展劃分為三大范式，總計了每個研究時代的交互隱喻和研究共識。無論是稱之時代還是范式，二者都概括了人機交互不同時期當時都學科思想和理念基礎。

從早期純粹的計算機學科研究，到20世紀90年代提出人機交互屬于設計學學科的口號這段時間，涉及人機交互的設計學研究從研究邊緣轉(zhuǎn)為研究重點，從零散、各抒己見的研究發(fā)展到了系統(tǒng)、達成共識的研究。這種現(xiàn)象的轉(zhuǎn)變值得以人機交互研究范式發(fā)展的視角加以梳理，一窺設計學在范式演進中承前啟后地銜接傳統(tǒng)人機交互和當代人機交互的過程同時，還能為未來設計學如何與人機交互結(jié)合研究的問題帶來一些啟迪。

一、人機交互研究范式演變：向多學科融合發(fā)展

1980年，卡德等學者在論文中首次正式提出了人機交互（Human-Computer Interaction）這個術語，并隨著作《人機交互心理學》得到了普及，人機交互逐漸作為一個新興的研究學科被廣大研究者接受。盡管人機交互學科正式創(chuàng)立較晚，但其思想萌芽在20世紀50年代便已出現(xiàn)：1954年,費茨提出了著名的費茨定律，費茨定律在人機交互學科誕生后被廣泛納入學科研究；1959年，布萊恩?沙克爾從人在使用計算機時如何才能減輕疲勞出發(fā)設計控制臺，貢獻了人機界面研究的第一篇文獻。1960年利克利德和韋斯?克拉克概述了“在線人機交互”系統(tǒng)的要求，首次提出了人機緊密共棲（Human-Computer Close Symbiosis）的概念。

人機交互根植于工程科學的背景，使其在學科創(chuàng)立時的主要研究內(nèi)容為識別人與計算機配合工作中出現(xiàn)的問題并提供實際解決方案，而主要的研究對象是商用基于集成電路的計算機。該研究共識被稱為人機交互研究的“第一范式”，“交互”被認為是人與機器相互配合的一種形式。第一范式指導下的人機交互研究目標是使人與機器在工作流程中更好地相互配合，人機交互研究關注的中心是在實際交互中出現(xiàn)并引發(fā)故障的具體問題，此類問題大都會直接導致工程的失敗或是經(jīng)濟的損失，而僅會造成干擾的問題則處于當時研究的邊緣地帶。

人機交互“第二范式”的出現(xiàn)則與個人計算機的發(fā)展與普及密不可分。從1971年計算機終端公司（Computer Terminal Corporation）推出第一部大量生產(chǎn)的個人計算機到1984年期間，可供大眾選擇的個人計算機品種很少，機器也比較粗糙，用戶需要專業(yè)的計算機技能才能較好使用。在1983年，卡德等撰寫了《人機交互心理學》一書，提出了GOMS模型，標志著人機交互開始從認知科學的角度研究問題。

1984到1987年期間，個人計算機從專業(yè)用戶逐步普及向廣大受眾，研究者們發(fā)現(xiàn)“第一范式”很難跟進到個人計算機的使用和發(fā)展速度中，諸如“信息如何寫入”“信息經(jīng)歷了什么轉(zhuǎn)變”“信息如何再次傳播”等問題難以解答。“第二范式”將交互視為人與計算機構(gòu)成的信息處理過程，其基于認知學科的思想逐步開始指導研究。研究者從信息系統(tǒng)角度結(jié)合心理學等其他學科理論，根據(jù)用戶與計算機之間的一系列認知現(xiàn)象和問題提出構(gòu)想、設計建模和評估總結(jié)，借以解釋實際交互中信息的因果關系。至20世紀80年代中期，人機交互逐漸形成了自己的理論體系和實踐范疇的架構(gòu)。在理論層面從人機工效學中獨立出來，更加強調(diào)認知學科和信息系統(tǒng)學的理論指導；在實踐層面從人機界面拓展開來，強調(diào)人與計算機信息的相互作用與反饋。但“第二范式”難以解釋用戶對交互的態(tài)度、對界面的感覺、無意識交互等信息，此類問題便處于當時研究的邊緣地帶。

隨著個人計算機的普及、圖形用戶界面（GUI）的發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明，人機交互學科迎來了全新的挑戰(zhàn)。哈里森總結(jié)了新形勢下前兩大范式難以適應的問題：一是普適計算（Ubiquitous computing）概念的提出，這種基于上下文（Context）的交互理念和已有范式以過程為中心的傳統(tǒng)思想并不相合；二是社交計算過程中產(chǎn)生交互的意義與第二范式的研究中心并不一致；三是在以用戶為中心的人機交互理論下，如何提升用戶滿意度的研究處在當前研究邊緣；四是部分無意識交互用現(xiàn)有范式難以表達和衡量；五是情感化設計理論的提出使得人機交互學科開始從新的領域汲取方法。

面對前兩范式難以適應的問題，人機交互逐步結(jié)合了設計學、現(xiàn)象學、社會學等諸多研究成果，并在21世紀初期催生了“第三范式”?！暗谌妒健钡慕换ル[喻，是指人——機互動中在現(xiàn)象學上呈現(xiàn)的相互作用。該范式的目標是使交互在特定的語境中感知和捕捉用戶的動作（action）和表達（expression），并圍繞語境提取要素構(gòu)建形式化的互動。在此目標下，第三范式對于人機交互問題偏向多學科的解釋，將設計學理論和方法遷移到了人機交互研究中，創(chuàng)造了價值敏感型設計、可持續(xù)性設設計、包容性設計等新術語。“第三范式”把設計責任、設計哲學、設計批評納入人機交互研究范疇，以理解交互的意義與交互意義的建構(gòu)和設計視為人機交互研究的中心。

圖1 人機交互重要理論成果發(fā)展

如圖1所示，自誕生以來，人機交互研究從工程科學領域扎根，逐步發(fā)展于認知科學領域，到現(xiàn)今位于計算機科學、行為科學、認知科學、設計學、傳播學、社會學等多個研究領域的交匯處。最初從工業(yè)工程和人因工程背景下創(chuàng)立后，人機交互的研究范式被闡明為認知科學與認知工程之間的相互關系，后來它納入了多元的科學基礎。在多學科融合發(fā)展的趨勢下，設計學開始與人機交互緊密結(jié)合。

二、范式演變中設計學的介入與影響

在人機交互萌芽階段到學科正式建立期間，“第一范式”框架下的人機交互研究往往是以系統(tǒng)（system）或工程（project）為范疇進行展開，屬于基于工程科學和行為科學的研究方法：通過定義和分析問題，展開完全基于問題定義和項目約束的決策來開發(fā)解決方案。設計在整個流程中被視為用于構(gòu)建界面原型和早期造型實踐的環(huán)節(jié)，帶有濃厚的工學特色，如命令行界面（CLI）的發(fā)明便是基于打字機的設計。盡管此時已經(jīng)出現(xiàn)了早期的用戶圖形界面，但亟須適合的理論和方法進行指導和評估。

自20世紀80年代中期到90年代，“第二范式”推動了人機交互從工程科學和行為科學轉(zhuǎn)向信息科學和認知科學研究的發(fā)展過程，設計學相關理論、實踐作為經(jīng)驗和實證被廣泛借鑒。通過引入設計學相關的案例研究，研究者們開始使用啟發(fā)式評估，以用戶為中心或情感化思想來研究人機交互。而在整個90年代，人機交互學科直接吸收并最終催生了一系列設計社區(qū)。

設計學方法與人機交互技術的重大進步和發(fā)展的吻合，將人機交互的許多潛在專有價值轉(zhuǎn)移到了界面設計、體驗設計和服務設計中，這個時期不少學者以設計學的理論和方法研究人機交互，推動了人機交互研究從“第二范式”到“第三范式”的轉(zhuǎn)變。

在信息設計與交互設計領域，比爾?巴克斯頓結(jié)合信息科學進行了大量人機交互設計實踐和設計分析研究。巴克斯頓在20世紀90年代開始提出自然語言交互的觀點，以普適計算的概念拓寬了人機交互的范圍。在“第二范式”研究時期，巴克斯頓從信息科學的角度，研究了人——機的輸入輸出方式和關系，在原型開發(fā)的基礎上總結(jié)了交互信息的流動和信息內(nèi)容的界定。在實踐中他發(fā)現(xiàn)許多可用性問題并不是簡單通過技術就能實現(xiàn)，需要引入設計來提高交互原型的可用性，并于2003年撰寫了《通過設計實現(xiàn)性能：設計在軟件開發(fā)中的作用》，回顧和強調(diào)了設計在提高軟件和系統(tǒng)可用性的賦能作用。

在體驗設計領域，唐納德?亞瑟?諾曼于1986年結(jié)合認知科學提出了在人機交互設計中設計師應該注重將設計目標放在直接使用系統(tǒng)的用戶身上的觀點。兩年后，在《日常用品中的設計》中，諾曼首次提出了“以用戶為中心”的人機交互設計觀，于人機交互領域廣泛普及。辛向陽指出，諾曼對于“第二范式”沒有企及的內(nèi)容，使用了例如“啟示（Affordance）”等的一些新術語進行補充，對無法用傳統(tǒng)人機交互術語描述的交互現(xiàn)象進行了闡述。

此外，其他學者也從設計的角度為人機交互發(fā)展作出了諸多貢獻。雅各布?尼爾森于1990年發(fā)明了啟發(fā)式評估方法，并在1994年出版了《可用性工程》，系統(tǒng)地闡述了可用性的內(nèi)涵和評估人機交互界面的系統(tǒng)方法。艾倫?庫珀憑豐富的軟件開發(fā)經(jīng)驗，從軟件開發(fā)的角度闡明自己的設計理念和設計原則，總結(jié)了基于用戶畫像（Persona）的設計工具，推動了人機交互中用戶體驗設計的發(fā)展，并將交互設計流程與軟件工程敏捷開發(fā)方法有效集成。

自20世紀90年代起的學科發(fā)展中，設計學逐步為人機交互提供了基于工程學科外的視角來系統(tǒng)地評估和迭代方案，并從人文的角度拓展了人機交互的研究邊界，如包容性設計的思想能很好地與特殊人群人機交互研究契合。設計學原理和方法也能從現(xiàn)象學角度更好地描述一些人機交互現(xiàn)象，覆蓋難以從認知科學直接解釋的內(nèi)容。人機交互學科也讓設計師開始思考人是如何與他者、信息、不同技術進行相互作用和互動的；通過借鑒相關的心理學和社會學研究，設計師能夠從眾多設計中選擇更為合適的解決方案，并進一步輔助開發(fā)和測試。

2004年，羅格斯在一項調(diào)查中總結(jié)到幾乎所有HCI受訪者都使用了一系列設計方法，包括場景，故事板，低保真原型，焦點小組等等，而對傳統(tǒng)人機交互模型，如GOMS卻使用甚少?？梢姰敶藱C交互研究不僅納入了最初處在學科邊緣的“基于研究的設計”，更是發(fā)展出了“基于設計的研究”。從第一范式起初步嘗試用設計學表達研究成果，到第三范式下廣泛以設計學指導研究課題，人機交互和設計學研究在逐步緊密結(jié)合中，相互拓展了各自研究領域的廣度和深度。

三、以設計學為出發(fā)點研究人機交互

自2007年人機交互“第三范式”的正式提出已經(jīng)過去了十余年的時間，本文通過回顧2010至2019年10年期間的美國計算機協(xié)會出版的學術期刊《ACM Transactions on Computer-Human Interaction》與旗下人機交互特別興趣小組旗下的學術期刊《Proceedings of the ACM on Human-Computer Interaction》2017年至2019年發(fā)行以來的文獻，梳理了其中基于“第三范式”，同時主體研究領域為設計學的文獻，通過描述性分析來明晰當代人機交互大學科下設計學的研究方法和研究內(nèi)容。

《ACM Transactions on Computer-Human Interaction》是研究人機交互的?？?，涵蓋了人機交互的軟件，硬件和人因領域，主題包括人機交互技術、交互隱喻和評估、用戶界面設計流程、用戶分析等?！禤roceedings of the ACM on Human-Computer Interaction》則是ACM下人機交互興趣小組在2017創(chuàng)立的學術期刊，涵蓋了與人機之間交集的多方面研究，包括對系統(tǒng)交互輸入輸出的創(chuàng)新研究，對計算系統(tǒng)的用戶體驗研究，以及新型人機交互的社會影響。

目前國內(nèi)人機交互的研究成果分散在《裝飾》《包裝工程》《信息技術》等期刊中，此外還有不少論文發(fā)表于外文期刊，梳理發(fā)展脈絡難度較大。盡管近年來國內(nèi)對人機交互的研究取得了較大進展，但現(xiàn)階段和國外成熟的人機交互研究環(huán)境仍有差距，還需要時間來積淀。

通過根據(jù)標題、摘要、關鍵字和文章大綱為要素進行的篩選，筆者初步整理了十年間研究主體領域為設計學的發(fā)表文獻數(shù)量和每年發(fā)表情況?；谠O計學的人機交互研究論文數(shù)目每年相對穩(wěn)定，年份之間有小幅波動。10年期間，每年選入的基于設計學的人機交互研究論文平均數(shù)為6.6篇，平均每年占總論文數(shù)的22%。TOCHI每期收錄的文獻數(shù)量較少導致了每年的統(tǒng)計差異量較小，但和早期相比呈數(shù)目增加的趨勢。相比之下，PACMHCI中的論文則保持著穩(wěn)定的增長趨勢，平均每年9.3篇，但每年占總論文數(shù)占比為20%，與TOCHI基本持平。

在研究內(nèi)容上，這些文獻從設計理論、設計實踐、設計分析三個角度對人機交互學科展開了研究。但不少文獻選取了兩個角度共同進行研究，TOCHI期刊中有60%的文獻是從以上選取兩個角度相結(jié)合的方式進行研究的，而這一比例在PACMHCI則為44%，如設計理論與設計實踐相結(jié)合，設計實踐與設計分析相結(jié)合。純粹的設計理論研究論文和設計實踐研究論文數(shù)量較少。

圖2 TOCHI 2010～2019年以設計學為主體論文的研究內(nèi)容

圖3 PACMHCI 2010～2019年以設計學為主體論文的研究內(nèi)容

篩選的文獻中，設計理論研究專注于回顧和總結(jié)人機交互學科下進行設計的模型，框架和方法，或是提出人機交互設計思想，設計理念和設計哲學，具體可分為三類：一是針對設計活動的理論研究（research on design），目的是對人機交互設計活動或與設計相關的活動（如創(chuàng)造力）進行詳細而統(tǒng)一的理解。二是針對設計應用的理論研究（research for design），旨在總結(jié)出人機交互設計理論，如框架、概念、模型等以指導設計實踐。三是設計重構(gòu)的理論研究（research through design），通過設計批評、反思與重構(gòu)拓展設計學在人機交互中的研究邊界。

設計實踐研究從尚未解決的問題和需求出發(fā)，對人機交互方法或相關工具進行創(chuàng)新，其中典型的設計實踐的流程包括使用雙菱形設計方法和設計思維方法。雙菱形設計方法由英國設計委員會于2005年提出，總結(jié)各類設計子學科的共性，將設計過程劃分為發(fā)現(xiàn)、定義、開發(fā)和交付四個階段遷移到了人機交互研究。2015年，針對雙菱形設計方法的線形缺陷和現(xiàn)有設計方法的革新，英國設計委員會優(yōu)化了該方法，將新方法稱為創(chuàng)新框架（framework for innovation），強調(diào)了基于雙菱形設計方法中的設計迭代流程。在研究文獻中，另一廣泛運用的方法是設計思維（Design Thinking）。設計思維提供了基于解決方案的技術路線來應對人機交互學科研究問題，要求研究者從以人為本的角度思考，通過頭腦風暴生成大量想法，最終設計和測試可行的交互原型方案。設計思維優(yōu)勢在于能夠很好地應對人機交互研究中的兩類問題：一是用技術論或認知論難以定義的問題，這類問題雖然有一定的學科傾向，但用現(xiàn)有理論難以解釋或難以準確定義；二是背景構(gòu)成復雜問題，這類問題通常涉及多個學科深度交叉或問題涉及的相關者構(gòu)成復雜。

設計分析研究則通過收集數(shù)據(jù)或用戶研究進行分析得出人機交互相關結(jié)論，具體可分為描述性分析、診斷性分析、預測性分析和規(guī)范性分析四類。描述性分析收集已有人機交互設計的歷史數(shù)據(jù)，包括用戶的數(shù)字痕跡、訪談文本等進行數(shù)據(jù)治理后，采用數(shù)據(jù)可視化描述正在發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的人機交互現(xiàn)象。診斷性分析在基于描述性分析得出的一般結(jié)論的基礎上，通過對數(shù)據(jù)源的深入挖掘和外部補充，收集證據(jù)來解釋為什么設計中的某些人機交互現(xiàn)象正在發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生并確定其中的因果關系以支持設計研究。預測性分析依靠統(tǒng)計分析，神經(jīng)網(wǎng)絡，機器學習和數(shù)據(jù)挖掘等技術建立模型來推導未來的情況，預測未來的人機交互設計可能發(fā)生什么。規(guī)范性分析比“預測性分析”更進一步，從預測中獲取輸入，結(jié)合基于規(guī)則和約束的優(yōu)化方法，采取可能的預測結(jié)果并預測了這些結(jié)果的后果來回答未來應該如何設計的問題。

在結(jié)合領域上，基于設計學的論文與其他領域廣泛展開了合作，TOCHI統(tǒng)計中包含了12個子學科，PACMHCI包含了10個，其中7門學科兩本期刊均有涵蓋。對于不同學科所采取的研究方法也有一定的偏向性，如結(jié)合社會學、心理學這類人文社科類學科研究時，文章的研究方向會偏向設計理論研究和設計分析研究；與軟件工程學等工科學科結(jié)合時，文章會偏向設計實踐分析；與統(tǒng)計學等理科學科結(jié)合時，則偏向設計分析研究。

圖4 TOCHI（左）和PACMHCI（右）設計研究與其他學科結(jié)合情況

四、結(jié)語

作為當下熱門的一門學科，人機交互從淵源上便與設計學息息相關，更在發(fā)展中與設計學逐步緊密結(jié)合，甚至構(gòu)成了其研究范式的一部分。設計學帶入了真實的生活體驗，以人文與道德內(nèi)涵反思純粹技術研究的盲點，將人機交互從技術導向針對多元化、個性化人機關系的研究視角。在研究方向?qū)用妫O計學在人機交互學科中可概括為理論、實踐、分析三大研究方向；在研究方法層面，設計學以感性與理性相結(jié)合的特征，將設計學諸多方法遷移到了人機交互研究中，提升了技術的可用性；在研究趨勢上，設計學不斷與廣大學科保持合作，并在人機交互中不斷受到關注和重視，研究保持著穩(wěn)定性。