Модель декомпозиции ментальных операторов в проблемно-ориентированном интерфейсе пользователя и ее экспериментальное исследование

УДК 681.3

И.Н. ОКСАНИЧ

МОДЕЛЬ ДЕКОМПОЗИЦИИ МЕНТАЛЬНЫХ ОПЕРАТОРОВ В ПРОБЛЕМНООРИЕНТИРОВАННОМ ИНТЕРФЕЙСЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ И ЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ________________________________________________________________

Abstract. The problem of placing mental operators GOMS in evaluating the performance of the user interface is discussed. A model of a decomposition of a mental operators in relation to the problems of input and visual verification data are proposed. The results of experimental research of model are given.

Key words: user interface, decomposition, search pattern, GOMS.

Анотація. Обговорюється проблема розстановки ментальних операторів GOMS при оцінці продуктивності інтерфейсу користувача. Пропонується модель декомпозиції ментальних операторів стосовно задач введення та візуального контролю даних. Наводиться результат експериментального дослідження моделі.

Ключові слова: інтерфейс користувача, декомпозиція, пошук зразка,GOMS.

Аннотация. Обсуждается проблема расстановки ментальных операторов GOMS при оценке производительности интерфейса пользователя. Предлагается модель декомпозиции ментальных операторов применительно к задачам ввода и визуального контроля данных. Приводятся результаты экспериментального исследования модели.

Ключевые слова: интерфейс пользователя, декомпозиция, поиск образца, GOMS.

1. Введение

История создания и развития интерфейса пользователя (ИП) тесно связана с оценкой его качества. В настоящее время качество программного обеспечения (ПО) определяется термином юзабилити (usability). Согласно стандарту ISO 9241-11 понятие юзабилити ИП определяется как степень эффективности, успешности и удовлетворенности, с которыми конечный пользователь использует ИП в определенном контексте для достижения своих целей. Основными показателями эффективности ИП являются количественные оценки, определяющие эргономичность интерфейса, а именно:

• скорость работы пользователей;

• количество человеческих ошибок;

• скорость обучения;

• субъективное удовлетворение.

Для оценки скорости работы пользователя существует неэвристический метод, основанный на использовании общей модели GOMS (Goals, Operators, Methods, Selection Rules), разработанной учеными Stuart Card, Thomas P. Moran and Allen Newell и изложенной ими в книге „The Psychology of Human Computer Interaction” [1].

Эта модель сводит взаимодействие пользователя и компьютера к элементарным акциям: (физическим и когнитивным), стандартный набор которых включает операторы: K - нажатие клавиши клавиатуры, T(n) - набор последовательности символов, P - указание мышкой, M -ментальная подготовка и др. На основе лабораторных исследований был получен стандартный набор временных интервалов, требуемых для выполнения пользователем различных действий. С помощью методов модели GOMS можно рассчитать время, которое понадобится пользователю для выполнения некоторого набора действий при использовании данного интерфейса. Имея количественные ориентиры и оценив производительность различных версий интерфейса, можно

© Оксанич И.Н., 2010

ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 1

создать более качественный интерфейс, соединяющий в себе выполнение всех требуемых функций в сочетании как с высокой производительностью, так и с удовлетворенностью пользователя.

Одной из существенных проблем, связанных с применением моделей СОМБ, является расстановка операторов М, определяющих основную часть интеллектуальной нагрузки на пользователя. Оператор М представляет собой процедуру размышления, направленную на решение проблемы, связанной с каким-либо действием в интерфейсе. По сравнению с другими простыми операторами оператор М требует много времени, так что интерфейс с меньшим количеством операторов М может быть намного быстрее, даже если он требует большего суммарного количества простых операций. В работе [2] обсуждается эта проблема и предлагаются рекомендации относительно ее решения, касающиеся, в основном, количества операторов М и их расстановки.

Возможен и другой путь решения указанной проблемы, связанный с декомпозицией и специализацией ментальных операторов применительно к интерфейсу для конкретных классов задач.

Обоснованность такого пути определяется тремя основными факторами:

• ментальная подготовка к следующему шагу в интерфейсе зависит от предстоящих действий;

• операторы К,Т(п) и Р тоже содержат в себе некую ментальную составляющую, интеллектуально нагружающую пользователя, т.е. они тоже являются частично ментальными;

• специализация моделей СОМБ для конкретных классов задач сужает области возможных значений операторов и позволяет разложить совокупность действий на более простые и более определенные шаги.

2. Модель декомпозиции ментальных операторов для ИП в задачах ввода данных

В соответствии с предлагаемым подходом ментальные операторы рассматриваются не как неделимые атомы, а как высокоуровневые составные операторы, состоящие из более мелких специализированных “микрооператоров”, набор которых зависит от проблемной области, определяющей назначение и функциональное содержание интерфейса.

В качестве потенциального приложения результатов использования предлагаемого подхода принята проблемная область задач ввода и визуального контроля информации пользователем.

На рис. 1 приведена идеализированная схема процесса элементарных действий пользователя при вводе в ЭВМ некоторого слова (например, слова-образца в поисковой системе).

Технология СОМБ для количественной оценки трудоемкости выполнения действий (рис. 1) предлагает только 2 оператора: М длительностью 1,2 с и К длительностью от 0,12 до 1,2 с, в зависимости от "машинописной" квалификации (тайп-квалификации) пользователя и ввода текста (рекомендуемое “среднее” значение составляет 0,28 с). Иными словами, для оценки трудоемкости Н ввода слова длиной п символов СОМБ предлагает лишь грубое упрощение вида

Н = п (К + хМ ) + уМ, где для выбора значений х,у четкие рекомендации отсутствуют.

Чтение слова с первичного носителя и запоминание

Поиск символов на клавиатуре

Перемещение руки в позицию «над символом»

Нажатие

очередной

клавиши

Нет

Принятие решения о завершении ввода слова

Поиск, перемещение руки и нажатие клавиши, завершение ввода

Анализ очередного символа и принятие решения об ошибке

Рис. 1. Схема элементарных действий пользователя при вводе слова

Предлагаемая модель декомпозиции операторов К,М для рассматриваемого класса задач приведена на рис. 2.

Клавиатура

Рис. 2. Схема декомпозиции ментальных операторов На рис. 2 приняты следующие обозначения для микрооператоров т *М5,к

ц - трудоемкость (производительность) чтения текста с первичного носителя и его осмысление (запоминание) - с/симв;

ц2 - трудоемкость поиска символов на клавиатуре и перемещение руки в позицию “над символом” - с/симв;

т - трудоемкость визуального анализа введенных символов на экране и принятие решения о дальнейших действиях (в частности, о наличии или отсутствии ошибки) - с/симв; ц4 - трудоемкость исправления ошибочного символа оп-Ппэ - с/симв;

Ц5 - трудоемкость визуального анализа и сравнение вводимого слова - образца с предлагаемым на экране словом - с/симв;

к - “чистая” трудоемкость нажатия клавиши рукой, расположенной над символом - с/симв. По своей сути, операторы ЦЦ3, И5 - это чисто ментальные операторы, к - оператор

движения,ц2 иЦ4- композиция ментальных действий и движений.

3. Экспериментальные исследования значений скорости выполнения микрооператоров схемы

Для получения экспериментальных оценок значений ц , к существенны следующие факторы:

• характер вводимой информации;

• тайп - квалификация пользователя.

С точки зрения первого фактора, учитывающего влияние исходного знания пользователя о словаре допустимых символов и слов, выделим 3 типа вводимой информации:

1) Цифровые и алфавитно-цифровые коды. Здесь знание пользователя о словаре допустимых слов отсутствует практически полностью и возможности запоминания полного слова при вводе - минимальные.

2) Мнемотекст (текст на естественном языке, родном языке пользователя). Здесь возможности запоминания слова и знания словаря допустимых слов - максимальны.

3) Кодотекст (текст на естественном языке, не знакомом пользователю) В этом случае мнемонические возможности пользователя занимают некоторое промежуточное положение.

С точки зрения второго фактора следует учесть, что типовой пользователь информационносправочных систем не имеет специальной подготовки в смысле машинописи, так что его тайп -квалификация невысока. Поэтому операторы-участники экспериментов выбирались, исходя из этого предположения об их квалификации. В частности, в процессе экспериментов в качестве операторов - пользователей участвовали системные аналитики СППР, программисты.

3.1. Оценка значений ц * Ип - к

Для экспериментальной оценки значений ц + цп проведена серия экспериментов по вводу

цифровых кодов (цифровые десятичные коды), кодотекста (текст на немецком языке) и мнемотекста (текст на русском языке, родном для операторов-участников эксперимента).

Эксперимент 1. Измерение *1 (с/симв) - время ввода текста с первичного носителя + визуальный контроль + исправление замеченных ошибок.

*1 = к+т +т 2 +т + р#4.

Через рс обозначена статистическая вероятность появления ошибочного символа (относительное количество ошибочных символов при вводе).

Эксперимент 2. Измерение і2 (с/симв) - время ввода уже запомненного фрагмента текста (слова) + визуальный контроль + исправление замеченных ошибок.

*2 = к+т 2 +т +р с т 4.

Эксперимент 3. Измерение і3 (с/симв) - время ввода с первичного носителя "вслепую" без визуального контроля.

*з = к+т + т 2.

Эксперимент 4. Измерение і4 (с/симв) - время ввода уже запомненного фрагмента без визуального контроля.

і 4 = к+т 2.

Значения времен і1 і4 определялись в формате «нетто», т.е. без учета затрат времени на само измерение и другие "накладные" затраты.

Искомые значения т определяются следующим образом:

т = *1 — *2 , т _ *4 — к,

^3 = *1 — *3 -рс ' ^4,

^4 = 2(т2 + к )'

Усредненные данные по результатам экспериментов приведены в табл. 1. Для всех видов информации значения к и рс оказались практически равными: к » 0,15, рс » 6 • 10-3.

Таблица 1. Измеренные и рассчитанные значения *,т

Язык *1 * 2 *3 * 4 т1 т 2 т 3 т 4

Код 1,20 0,73 0,98 0,53 0,47 0,38 0,214 1,06

Кодотекст 1,13 0,69 0,91 0,50 0,44 0,35 0,214 1,00

Мнемотекст 0,60 0,44 0,54 0,40 0,16 0,25 0,055 0,80

Сопоставляя расчетные значения с экспериментальными, отметим следующее.

Мерой адекватности вычисленных значений ц по отношению к измеренным значениям ti

может служить степень приближения расчетной суммы tp = к + т + + №з +рт4 к измеренному

значению tl. Практически соотношения таковы, что для цифровых кодов V »1,01, для

/ tl

t / t / кодотекста р/ » 1,02, для мнемотекста р/ » 1,025 . Если допустить, что погрешности внесены

/ t1 / м

пропорционально значениям составляющих, то имеющиеся незначительные расхождения можно

t

было бы учесть, введя для m поправочный коэффициент p

t1

Однако существенного практического значения такая поправка не имеет, поскольку расчетные значения доверительных интервалов на основе полученной экспериментальной базы, включающей данные для различных операторов, допускают заметно большую погрешность измерения. Так, например, для кодов при доверительной вероятности р = 0,95 t1 = 1,2 ± 0,081,

tз = 0,98 ± 0,074 и т.п.

3.2. Оценка значений m5

Для определения значений m5 проведена серия экспериментов по визуальной идентификации

значений слов, сгруппированных в кадры из 10 слов, составляющих фреймы из 10 кадров. Средняя длина слов для мнемотекста и кодотекста (слова орфографических словарей русского и немецкого

языков) установлена равной примерно 8 символам [5]. Определялось время t5(i^ (с/симв) и количество просмотренных символов С^ до нахождения во фрейме и идентификации искомого слова. Время t5(!^ определялось как "чистое" без учета "накладных" затрат времени на переключение кадров и т.п. Расчетное значение m5 принималось равным

= i ^ t5) /

m N tr /С(i).

В табл. 2 приведены полученные значения m5 для разных видов текста.

4. Экспериментальная проверка предложенного подхода

С целью экспериментальной проверки правомерности и результативности предлагаемого подхода проделан дополнительный натурный эксперимент по сравнительной оценке точности прогноза трудоемкости интерфейса поисковой системы GOOGLE. В процессе эксперимента определялись

средние значения времени ввода и визуальной идентификации русскоязычного слова - образца с помощью сервисной таблицы - справочника GOOGLE, содержащей предлагаемые варианты возможных значений искомого слова (подобный интерфейс «ВИ» рассмотрен в [6,7]). Для упрощения расчетов случаи отсутствия образца в справочнике и случаи ошибок при наборе образца исключены из рассмотрения.

Таблица 2. Значения m5

Язык m5

Код 0,0435

Кодотекст 0,045

Мнемотекст 0,045

О - rpGOMS rpGOMS rpGOMS ,

Расчетные выражения для значении времен T1 , T2 , T3 (для методологии

GOMS) и Tm (для предлагаемого подхода) имеют следующий вид:

TGOMS = (K + M)v + P + BB, T3GOMS = (K + M)v + M + P + BB,

t2Goms = (k+m+M)v+p+bb , Tm = (m2 +m3 + k)v+8m • m(v - 0,5)+p+bb ,

где v - среднее количество введенных символов слова-образца;

P,BB - операторы GOMS указания мышью и клика; m = 10 - количество слов в кадре справочника GOOGLE.

GOMS GOMS GOMS

Три различных значения T , T2 , T3 взяты в связи с тем, что методология

GOMS - KLM не определяет четко количество ментальных операторов M, требуемых в этом случае. Поэтому тут возможны различные предположения и решения.

В табл. 3 приведены расчетные значения T в сопоставлении с реальным значением T0, полученным в результате натурного эксперимента. Значения K = 0,28с , P = 1,1c и BB = 0,2c взяты как рекомендуемые [2] для среднего пользователя.

Таблица 3. Сравнительные значения расчетных и экспериментальных данных трудоемкости интерфейса

tGOMS T1 TGOMS T 2 tGOMS T3 T m T 10

7,6 12,6 8,8 15,87 16,1

5. Заключение

В целом, предлагаемый подход потенциально создает для дизайнера прикладных программных систем более тонкий инструмент оценки ожидаемой интеллектуальной нагрузки на пользователя и общей производительности интерфейса по сравнению с «крупноблочным» решением GOMS. Для

рассмотренной области задач результаты проведенного натурного эксперимента (значения Tm,

T0 ) подтверждают правомерность предложенного подхода.

Проведенные эксперименты устанавливают ориентировочные значения m для пользователей невысокой тайп-квалификации, сопоставленной с квалификацией системного аналитика СППР, "обычного" пользователя поисковых систем и т.п. Для уточнения полученных значений m и возможного расширения круга пользователей в привязке к количественным оценкам уровня их квалификации необходимо дальнейшее развитие экспериментальной базы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Stuart K. Card Allen Newell / Stuart K. Card, Thomas P. Moran / The Psychology of Human-Computer Interaction.

- 1983. - 488 р.

2. Kieras D. Using the Keystroke-Level Model to Estimate Execution Times / D. Kieras. - University of Michigan. -Режим доступу: ftp://www.eecs.umich/edu/people/rchong/kieras/GOMS/KLM.pdf.

3. A Guide to GoMS Model Usability Evaluation using GOMSL and GLEAN4Revision. - 2006. - March 31. - Режим доступу: ftp://www.eecs.umich/edu/people/ kieras/GOMS/GOMSL Guide.pdf.

4. Раскин Д. Интерфейс. Новые направления в проектировании компьютерных систем / Раскин Д. - Санкт-Петербург - Москва: Символ, 2006. - 268 с.

5. Фомин В.В. Оценка сложности информационных систем с учетом человеческого фактора / В.В. Фомин // Программные продукты и системы. - 2007. - № 4. - С. 35 - 36.

6. Литвинов В.А. Применение модели ООМБ для оценки характеристик и трудоемкости интерфейса пользователя в задаче поиска по образцу / В.А. Литвинов, С.Я. Майстренко, И.Н. Оксанич // Збірник доповідей науково-технічної конференції з міжнародною участю „Системи підтримки прийняття рішень. Теорія і практика”.

- Київ, 2008. - С. 84 - 87.

7. Кузьменко Г.Е. Декомпозиция ментальных операторов в моделях 0ОМБ-КІ_М применительно к интерфейсу пользователя в задачах ввода и контроля данных / Г.Е. Кузьменко, В.А. Литвинов, И.Н. Оксанич // IX международная конференция имени Т.А. Таран „Интеллектуальный анализ информации” ИАИ-2009. - Киев, 2009. - С. 212 - 218.

8. Кузьменко Г.Е. Уточнение модели ООМБ в проблемно-ориентированном интерфейсе пользователя на основе декомпозиции ментальных операторов / Г.Е. Кузьменко, В.А. Литвинов, И.Н. Оксанич // Збірник доповідей науково-технічної конференції з міжнародною участю „Системи підтримки прийняття рішень. Теорія і практика”. - Київ, 2009. - С. 75 - 78.

Стаття надійшла до редакції 06.10.2009