用指点装置的定位运动分析.docx
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用指点装置的定位运动分析
报告题目:
用指点装置的定位运动分析
课程名称:
心理学导论实验
学院:
求是学院
专业班级:
心理1002
*****
学号:
3*********
【摘要】
探讨在指点定位和拖动定位中目标方向、大小和距离与鼠标、数字笔、追踪球运动时间的关系。
分析方向、距离、目标大小主效应和交互作用。
分析不同装置、不同任务的主效应和交互作用。
并建立了指点定位中两种不同方向的菲茨模型,用绩效指数比较了鼠标指点定位中不同方向的操作绩效,优化图形用户界面的图标。
【关键词】
指点定位和拖动方向距离目标大小运动时间主效应交互作用菲茨定律
【正文】
1、引言
1.1实验目的与要求
自美国斯坦福研究所Engelbart于1963年发明以来,随着窗口型和基于图符的软件系统的急剧发展,鼠标已成为应用最多的直接操作界面装置。
然而,鼠标的使用使手长时间地暴露在极端的腕部伸展和尺侧偏移以及上臂抬高的应激姿势下,易引起肌肉骨骼不适或损伤。
为此,对鼠标的工效学研究受到了人们的重视。
早期的研究主要针对鼠标与其他输入装置如操纵杆、光笔、追踪球和触摸屏等的操作绩效比较,最近也有研究者比较了鼠标与新型的直接和间接图形输入板的指点定位绩效。
在当前,研究者更注重于从图形用户界面(简称GUI)设计和人--计算机交互建模的角度,探讨显示布局特征对鼠标操作的影响,研究费茨定律对描述鼠标操作运动的适宜性。
[1]
本研究将在前人研究的基础上,着重探讨目标的大小、距离和方向对鼠标、数字笔、追踪球的指点定位和拖动操作,研究结果可用于优化图形用户界面的图标大小、形状和位置的设计及装置的选择。
从人的认知加工模型设计的角度,研究菲茨定律,用作人的信息和加工模型的组成部分,同时利用它的斜率或其它参数作定位运动的绩效指标。
1.2实验原理
本实验采用混合实验设计,将被试间设计和被试内设计结合起来。
其中实验装置(鼠标、数字笔、追踪球)的设计为被试间设计,被试间设计又称为组间设计,是指要求每个被试(组)只接受一个自变量水平的处理,对另一被试(组)进行另一种自变量水平处理的实验设计。
这种设计的特点是,比较在不同被试之间进行,被试间设计能避免练习和疲劳等遗留效应所引起的混淆,但应用时应注意被试个体间的差异对实验结果带来的误差,同时还需要足够的被试;
实验中,两种任务(指点和拖动)为被试内设计,被试内设计又称作重复测量设计,指每个或每组被试接受所有自变量水平的实验处理的真实验设计,被试内设计需要的被试较少,实验设计方便有效,可以消除被试的个体差异对实验的影响,但容易使一个实验条件下的操作影响另一种实验条件下的操作,产生顺序效应,当不同自变量或自变量的不同水平产生的效果不可逆时,不宜使用被试内设计。
另外,用完全的被试内设计和不完全的被试内设计可以克服被试内设计的缺点。
2、指点定位实验
2.1被试
被试为60名浙江大学心理系大二本科生。
随机平均分成3组,每组20人。
每组被试分别用鼠标或数字笔或追踪球做点击实验。
2.2实验设计
实验采用被试内设计,测试目标的方向、距离和大小对鼠标、数字笔和追踪球指点定位的影响。
在指点定位实验中,要求被试用实验中的装置将光标从起点移至目标位置。
起点位于计算机屏幕中心,是一直径为2mm的圆。
目标是直径为1、5、10和15mm四种大小的原,位于起点周围0°(正上方)、45°、90°(水平右侧)、135°、180°(正下方)、225°、270°(水平左侧)和315°八个方向,距起点20、60、100mm三种距离,由此构成96种测试条件。
2.3实验仪器
实验使用P4计算机,17寸纯平显示器(分辨率为1204X768像素)和Logitech光电鼠标、数字笔和追踪球。
2.4实验步骤
实验测试96种条件下光标从起点移至目标的时间。
测试开始,屏幕呈现起点、目标和箭头光标,被试首先用实验装置将箭头光标移至起点内,调整好装置位置后点击(箭头光标变成手指光标),再立即移动装置,将光标移向目标,当手指进入目标内,被试立即点击装置(手指变成箭头)。
两次按键之间的时间即为MT。
每次测试前,被试需将光标移入起点内再按键,否则光标不会变成手指形,计时不开始。
如果光标在目标外被试就按键,光标不会变成箭头形,计时也不停止。
一次测试完毕,屏幕随即呈现下一个目标。
实验中96种条件各随机呈现10次,总共960次。
实验中间给予被试适当的休息。
2.5实验结果
2.5.1三种装置在指点定位中的不同方向、不同运动距离和不同目标大小条件下的定位运动分析。
本实验测试了8种目标方向、3种目标距离、4种目标大小条件下三种装置在两种任务下的运动时间MT.图1表明在不同装置的指点任务下MT与上述变量的函数关系。
图2则分别表明在鼠标的指点任务下不同目标距离(a)、目标大小(b)和目标方向(c)对MT的效应。
图1指点定位下不同方向、距离和目标大小条件下的MT
图2鼠标指点定位中目标的方向、距离和大小与MT的关系
从图1可见,在三种装置下,MT和目标距离都基本呈线性关系且为正相关。
而MT随着目标的增大而减小,但下降率呈递减趋势。
总体看来,追踪球的MT最长,数字笔次之,鼠标最短。
从图2可见,对不同的目标方向MT略有差异,鼠标操作中在90°和270°方向MT较短,在0°、45°和135°方向MT较长,另外3个方向的MT大致处于这两者之间;数字笔操作中从图2(a)和图(b)可见,MT随着距离的增大而增大,随着目标的增大而减小,但下降率呈递减趋势。
方差分析结果表明:
目标距离(F(2,38)=94.886,p<0.01)、目标大小(F(3,57)=375.207,p<0.01)的主效应显著,目标方向与目标距离(F(14,266)=2.284,p<0.01)以及目标方向、目标距离、目标大小三者(F(42,798)=1.467,p=0.03)的交互作用显著,而目标方向(F(7,133)=1.627,p=0.133),目标距离与目标大小(F(6,114)=0.764,p=0.600)和目标方向与目标大小(F(21,399)=0.958,p=0.515)的交互作用均不显著。
2.4.2鼠标指点定位中的菲茨定律方程
菲茨定律表明定位运动的MT与运动难度指数成线性关系,难度指数表示为log2(2D/W),其中,D为目标距离,W为目标宽度。
利用本实验结果计算了2个方向(90°、315°)和总的鼠标指点定位的菲茨定律方程式,结果见表1。
检验表明,结果数据的线性很好。
对指点装置的任务总绩效常以菲茨方程的斜率倒数1/b度量,1/b称之为绩效指数(indexofperformance),单位为比特/毫秒(bits/ms),它指示了难度指数增量与相对应的运动时间增量的比值,此值越大表示任务总绩效越好。
比较结果表明,1/141.823>1/165.201,所以90°时的鼠标指点绩效比315°好。
表1鼠标指点定位的菲次定律方程式
方向菲茨定律方程式tp
90°MT=145.771+141.823ID12.6310.000
315°MT=83.799+165.201ID14.6460.000
3、拖动操作实验
3.1被试
被试为60名浙江大学心理系大二本科生。
随机平均分成3组,每组20人。
每组被试分别用鼠标或数字笔或追踪球做拖动实验。
3.2实验设计
实验采用被试内设计,测试目标的方向、距离和大小对鼠标、数字笔和追踪球拖动操作的影响。
在拖动操作实验中,要求被试用鼠标将选中的项目从起点拖至目标位置。
起点与目标参数(方向、距离和大小等)均同前实验。
构成96种测试条件。
3.3实验仪器
实验使用P4计算机,17寸纯平显示器(分辨率为1204X768像素)和Logitech光电鼠标、数字笔和追踪球。
3.4实验步骤
被试用实验装置将箭头光标移至起点内后要按下装置按键(不能松手,这时,箭头光标变成手指光标,并带有选中项符),再立即移动装置,将光标(带着选中项)移向目标,当手指光标进入目标内,被试立即松开装置按键(手指变成箭头)。
按下与松开键之间的时间即是所测试的MT。
与指点定位不同的另一点是当光标进入目标内时,目标将改变颜色,如果光标又离开目标时,目标又变回原色。
每次测试前,被试必须将光标移入起点内再按键,否则光标不会变成手指形,计时不开始。
如果光标在目标时外被试就松开键,在松手时的光标位置会出现一个圆形符,被试必须将光标移回圆形符位置,按下键继续操作,此间计时不停止。
一次测试完毕,屏幕随即出现下一个目标。
本实验方法和程序等均与前一实验相同。
3.5实验结果
3.5.1不同目标方向、距离和大小条件下的鼠标、数字笔和追踪球拖动操作MT分析
本实验测试了8种目标方向、3种目标距离、4种目标大小条件下鼠标、数字笔和追踪球拖动操作MT。
图3表明MT与上述变量的函数关系。
图3拖动操作下不同方向、距离和目标大小条件下的MT
从图3可见,在拖动操作中,三种装置下的MT随着目标距离的增大而增大,随着目标的增大而减小,但下降率呈递减趋势。
对不同的目标方向MT略有差异鼠标在90°、180°和270°方向上三种装置的MT相对较小,同时在135°和225°方向上鼠标的MT相对较大。
数字笔在90°方向上MT最短,0°方向上MT最长,其他方向介于两者之间。
追踪球则在225°、270°和315°方向上MT较短,在135°,180°方向上MT较长,与在指点定位中的结果不同。
总体看来,追踪球的MT最长,数字笔次之,鼠标最短。
图4指点定位和拖动操作两种任务下三种装置的平均MT
从图4可见,鼠标和数字笔在指点任务下的MT比拖动任务下的MT短,并且鼠标的两个MT之间的差异更明显。
而对于追踪球来说,拖动任务的MT比指点任务要短,但是差别不大。
方差分析结果表明:
任务(F(1,19)=11.696,p<0.01),装置(F(2,38)=2.969E3,p<0.01)的主效应显著,任务与装置(F(2,38)=7.554,p<0.01)交互作用显著。
4、讨论
本研究考察了在定位运动中目标的方向、大小和距离对鼠标、数字笔和追踪球的指点定位和拖动操作MT的综合影响。
结果表明,无论是指点定位任务还是拖动任务,总体上,三种装置的MT均随着目标的面积减小和距离增大而增加。
这与前人的研究结果一致。
其原因为目标越小,光标进入目标所要求的操作越精细,而精细的活动和长的运动距离都会导致MT增加。
对于鼠标指点定位操作,不同目标方向的研究结果不尽相同。
如Card等研究了右上90°扇区内的目标方向对鼠标指点定位MT的影响,结果发现不存在目标方向主效应。
然而,Boritz的研究表明在水平向右方向用鼠标驱动光标运动比在垂直向上方向更快。
Mackenzie等的研究发现,在向右上方向的鼠标运动明显比水平向右和垂直向上方向慢。
Whisenand等研究表明,鼠标指点定位的MT在4个对角线方向一般慢于两个水平方向和两个垂直方向,而他们的进一步研究则表明,水平方向的鼠标操作运动明显快于其他方向,垂直方向的鼠标操作运动则明显慢于其他方向,而对角线方向的鼠标操作运动基本介于这两者之间。
本实验表明,在指点定位任务中,在水平方向的MT较短,而垂直向上,及向右对角线方向的MT较长,其他3个方向的MT大致处于两者之间。
进一步分析后,从方差分析的结果看,方向、距离、大小的交互作用显著,所以我认为目标方向、大小和距离是联合起来作用于操作肢体姿势、操作精细度和运动幅度,进而影响鼠标操作的MT。
同时,对于追踪球而言,水平向右及左侧方向的MT较短,其他方向的MT明显较长;对数字笔而言,则是右上角和左侧方向的MT相对较短。
换言之,在不同的目标大小和距离条件下,被试向不同方向移动三种装置时使用的肢体部位和采取的微姿势是不同的,这就是在不同的条件下目标方向对三种装置操作的MT影响会有变化的原因。
此外,实验结果表明,鼠标指点操作时,目标方向的主效应不明显,我认为,是因为相对目标大小和目标距离来说,目标方向对MT的影响较小,因为目标大小和距离是影响手操作的精度和手的运动幅度,而不同方向是影响手操作的肢体姿势等,影响相对不大。
同时,实验结果表明,在不同的目标大小、方向和距离下,以及在不同任务中,追踪球的MT总是最长,数字笔次之,鼠标最短。
追踪球在结构上像一个倒置的鼠标,它的滚球在装置上面,对追踪球的操作需要手指的屈伸和收展运动,还要加之手腕或手臂位置的调节。
数字笔形状像一支普通的笔,对数字笔的操作靠移动笔尖来移动光标,而数字笔的底部较细,移动起来不太稳定。
鼠标的外形像一只老鼠,底部较稳,移动鼠标时主要考手腕和手臂的位置调节同时用食指和中指控制两个按键。
所以,总的看来,对追踪球的操作最为麻烦,在手腕和手臂位置调节的基础上还要加上手指关节的运动,同时手指能做的运动幅度较小,对于长时间的运动容易产生疲劳。
数字笔次之,需要手腕及手指间的力量来控制数字笔操作的稳定程度。
相比之下,鼠标操作所涉及到的肢体姿势最为简单方便,控制鼠标所需的力度也适中,这样就导致了追踪球的MT总是最长,数字笔次之,鼠标最短这一结果。
对于指点任务和拖动任务,实验结果得出,鼠标和数字笔的指点任务的MT小于拖动任务的MT,而且鼠标操作时两MT的差异更加明显。
在执行鼠标拖动操作时,被试须始终按住鼠标左键,这样对鼠标移动有一定的限制;在执行数字笔拖动操作时,被试须始终按住数字笔进行拖动,而不是指点任务中的只要按两下数字笔即可。
这些因素使得鼠标和数字笔的拖动操作MT比指点任务的MT长。
对于追踪球而言,结果显示,其指点操作和拖动操作的MT相差不大,对此,我认为在追踪球指点和拖动操作中,手指、手腕包括手臂的运动都是相似的是,所以两个MT相差不大。
最后要说明的是,许多研究者认为菲茨定律同样适用于鼠标驱动光标的定位运动,并将它作为一个重要的参数用于建立人-机交互模型,如MHP模型、EPIC模型等。
本研究根据实验数据建立了鼠标的指点定位在90°和315°两个方向的菲茨定律方程式,且检验有效,90°的绩效指标高于315°,90°方向上的操作难度比315°小,可以用于界面方向设计优化,我认为,两个绩效的不同是由于向两个方向运动时采取的肢体部位和微姿势不同所导致的。
5、结论
本实验结果表明,鼠标、数字笔、追踪球指点定位和拖动操作的MT随着目标距离的增加而增加,随着目标面积的增大而减小,但下降率呈递减趋势。
目标方向对鼠标指点任务的影响不明显。
总体上,以上3个因素是交互地影响鼠标操作的MT。
同时,实验结果表明,鼠标和数字笔指点操作的MT明显小于拖动操作的MT且鼠标较数字笔明显。
而追踪球在两种任务下的MT则差别不大。
根据本实验数据,我们为鼠标指点操作任务建立了2个方向的菲茨模型。
这些结果有助于GUI的工效学设计。
【参考文献】
1、张彤,夏方昱,郑锡宁.计算机指点装置的操作可控性和稳定性分析.浙江大学学报(工学版).第40卷第10期;
2、张彤,杨文虎,郑锡宁.图形用户界面环境中的鼠标操作活动分析.应用心理学.2003年第9卷第3期.14-19
3、张彤,王碧英,郑锡宁.一种特殊的计算机指点装置追踪球的操作活动研究.应用心理学2004年第10卷第4期.54—58
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