Проблема человеко-компьютерного интерфейса в автоматизированных обучающих системах

В качестве иллюстрации вышесказанного рассмотрим данные работы, рассматривающей причины дискомфорта человека, в которой приведены результаты опроса 14 квалифицированных пользователей относительно причин их неудовлетворительного отношения к диалогу в рамках некоторого человеко-компьютерного, пользовательского интерфейса (цит. по 26а). Под интерфейсом понимается совокупность средств и правил, направленных на оптимальное обеспечение взаимодействия человека с средствами вычислительной техники. Наиболее явно, по мнению авторов, проявились четыре причины.

1. Обеднена объяснительная функция диалога. Например, часто пользователь хочет знать, как система решает задачу, но эта информация не сообщается и тем самым у пользователя создается в значительной степени искусственный дефицит информации. Таким образом, идет речь о недостаточной возможности получения индивидуальной справочной информации.

2. В системе недостаточно хорошо представлена процедура анализа семантики текстов. Пользователь в процессе работы допускает ошибки в текстах своих запросов, а система распознает не все из них. Данная причина в определенной степени связана с принципиальными трудностями анализа смысла текста при помощи формальных программных средств. Ее решение напрямую связано с продвижениями в таких фундаментальных с точки зрения общения областях, как автоматический перевод с языка на язык, а также возможность частичного понимания программными средствами естественного языка пользователя, т.е. учащегося.

3. В системе отсутствуют адаптивные формы диалога. Каждый пользователь для системы анонимен, индивидуальные формы диалога не предусмотрены.

4. В системе недостаточно проработаны методы обучения пользователей работе с компьютером, недостаточно хорошо структурирован материал обучения, не хватает доступности в изложении материала.

В работе по изучению эргономического обеспечения задача была поставлена несколько иначе — проводился опрос не пользователей, а специалистов в области компьютерной техники. 49 экспертов опрашивались на предмет выявления эргономических характеристик пользовательского интерфейса (цит. по 2ба). Результаты показали, что в качестве значимых эксперты выделили три группы свойств.

В I группу вошли наиболее значимые свойства:

— наличие своевременной и понятной пользователю реакции системы на ошибки пользователя и сбои программы и оборудования;

— наличие понятных выходных сообщений;

— предоставление подсказки о дальнейших действиях в случаях, когда пользователь попадает в затруднительную ситуацию;

— наличие удобной инструкции для пользователя о правилах работы с системой;

— наличие удобной информации о состоянии системы. Ко II группе эксперты отнесли:

— наличие удобных форматов входных сообщений;

— размещение информации на экране дисплея;

— удобство клавиатуры.

К III группе:

— возможность регулирования и адаптации под свои запросы шагов диалога;

— использование удобных видов выбора информации. На наш взгляд, среди всех выделенных факторов крайне важным для обучающих программ нового поколения является указание на необходимость понятной для учащегося системы использования возможностей программы. Статистические данные, полученные в наших опросах, показывают, что основная масса пользователей активно использует только порядка 70% возможностей, предоставляемых такими средствами редактирования, как Лексикон, и менее 60% возможностей, предоставляемых такими средствами редактирования как Word или Excel.

Весьма существенным также является наличие понятной для пользователя системы объяснений смысла сообщений обучающей программы, с одной стороны, и понятного для пользователя порядка описания его действий при возникновении соответствующей необходимости, например, при обращении за помощью. Возможно, одним из наиболее сложных и принципиально важных факторов является возможность сообщения учащемуся адекватно построенных и понятных подсказок. При этом сложность проблемы заключается в трудностях классификации и типизации затруднительных ситуаций.

По мнению большинства авторов, центр тяжести разработок современных автоматизированных обучающих систем переносится на разработку структур отдельных курсов. Так, в сборнике «Новые методы и средства обучения» (цит. по 26а) информационное обеспечение предмета представляется в виде следующих множеств:

J — М v Т v Р v П v В v Д,

где J — информационное обеспечение предметной области знаний, М — множество поименованных порций материала обучения, Т — множество теоретических интерпретаций, Р — примеры и упражнения, П — алгоритмы и программы, В — вопросы положительной и отрицательной обратных связей, Д — диалоговые средства, v — знак объединения, имеющий смысл «и — или».

Авторы пишут, что разработанное информационное обеспечение дает возможности для конструирования учебных элементов, сборников задач и упражнений по индивидуальным запросам.

В течение ряда последних лет разработчики различных автоматизированных обучающих систем, так же,как, впрочем, и разработчики любого программного обеспечения, предназначенного для диалогового режима работы, используют термины «доброжелательный», «дружелюбный», «естественный». Эти определения, или, скорее, эпитеты, в равной степени относятся к интерфейсам любого типа, как сенсорным, так и интеллектуальным, используемым в автоматизированных рабочих местах (APM'ax) и предоставляющих возможность интерактивного (диалогового) взаимодействия человека и компьютера.

Включение в систему общения третьего элемента — компьютера, естественно, только добавляет трудностей в акте коммуникативного общения. Возникают проблемы «сенсорного интерфейса», т.е. проблемы согласования, сопряжения сенсорных параметров человека, играющих роль активных фильтров входной информации, с параметрами компьютерной системы.

Разработка принципов «сенсорной» части человеко-компьютерного интерфейса имеет важное значение при формировании визуального пользовательского интерфейса нового поколения. При его разработке следует использовать возможно более глубокие знания психофизических, психофизиологических и нейрофизиологических закономерностей процессов восприятия, обучения и переработки информации. Правильное использование этих знаний дает возможность, с одной стороны, оставлять в компетенции человека естественные для него процедуры, такие, как узнавание, классификация, принятие решений. С другой стороны — организовать данные, представленные на дисплее, в соответствии с внутренними характеристиками зрительного восприятия человека.

Исходя из сказанного, можно считать, что одно из основных требований к интерфейсу систем автоматизированного обучения продвинутого типа может быть сформулировано следующим образом: любой способ предоставления информации должен быть адекватным либо «входным» характеристикам зрительного анализатора человека, либо внутренним нейропсихологическим закономерностям обработки информации мозгом человека. Говоря о «входных» характеристиках, мы имеем в виду такие параметры зрения, как разрешающая способность по пространству, временное разрешение, совместимость или взаимная маскируемость различных символов, количество градаций цвета, яркости, контраста, воспринимаемых человеком, и т.д.

Сенсорный пользовательский интерфейс такого типа должен быть обеспечен широким спектром различных способов предоставления и обработки входной информации: цветояркостные матрицы, развертки, рельефы, поля данных, стереопредставления и др. Использование расширяющегося множества способов представления данных является необходимым условием ввиду принципиального отсутствия некоторого универсального для всех задач способа представления данных.

Рассмотрим некоторые экспериментальные данные, подтверждающие сказанное и дающие количественные оценки значимости тех или иных закономерностей восприятия. Целью экспериментов являлась количественная оценка степени уменьшения времени классификации видеограмм при использовании образных представлений. Сравнивались видеограммы в виде цифровых строк, «логических» строк (знаки, связанные символами: =,<, >) и гистограмм, т. е. один и тот же набор данных учебного материала представлялся в разных сериях в виде строк трех типов. Результаты показывают, что в случаях образного представления простейшего типа (гистограммы) восприятие и классификация происходят в несколько раз быстрее при том же уровне надежности.

На рис. 82, а приведены данные экспериментов, показывающие преимущество образных (линейные гистограммы) представлений перед цифровыми: на оси абсцисс отложены типы тестовых фигур, по оси ординат — время опознания; заштрихованные столбцы гистограмм показывают время опознания тестовых фигур, представленных в виде «образов», незаштрихованные столбцы показывают времена опознания тех же тестовых фигур, представленных в виде цифровых строк. На рис. 82, б и 82, в представлены более детальные данные, показывающие наличие изменяющихся от задачи к задаче предпочтений среди образных представлений разного типа. В этих экспериментах испытуемым предъявлялись одни и те же тестовые сигналы, закодированные или в виде полярных (круговых), или в виде линейных гистограмм. Примеры гистограмм обоих типов также приведены на рис. 82, г в качестве тестовых сигналов. В этих экспериментах использовались строки чисел.

Как следует из экспериментов, один и тот же способ представления (например, использование полярных разверток) может быть предпочтителен для одних и менее полезен для решения других задач. В экспериментах, показывающих это, проводилось сравнение времен классификации выборок из 32 круговых и 32 линейных диаграмм. Диаграммы -каждого типа были подразделены на 7 классов. Собственно объект классификации (член класса) представлял собой диаграмму, имеющую 18 компонент: в линейных диаграммах компонентом являлся столбец разной высоты, в круговых — сектор разного радиуса. Таким образом, объекты каждого класса представляли собой некоторую «картинку», которую испытуемый должен был оценить не покомпонентно, а интегрально, как целостный зрительный образ.

Цифры

д)

Рис. 82. Для оптимального восприятия каждого типа тестового материала может быть подобран свой, адекватный способ представления:

а) качественное уменьшение времени восприятия при сравнении образного и числового представлений одного и того же тестового материала, б) в определенных задачах представление данных в виде линейных гистограмм (штриховка) предпочтительнее представления тех же данных в виде круговых гистограмм, в) пример обратной задачи:

данные, представленные в виде круговых диаграмм (штриховка), узнаются быстрее, чем те же данные, представленные в виде линейных гистограмм, г) примеры разных типов линейных и круговых гистограмм, д) примеры яркостных матриц, полученных из цифровых таблиц при кодировании величины числа яркостью соответствующей клетки матрицы (по 266)

Результаты показали, что в разных задачах правильно выбранный способ представления, соответствующий характерному для данной учебной задачи разбиению на классы, уменьшает время классификации в 1,5—2,0 раза, резко снижает время тренировок, снимает напряженность учащегося в случаях работы в режиме дефицита времени.

Результаты показывают, что полярные (круговые) диаграммы предпочтительны в случаях, когда разбиение на классы, диктуемое задачей, основано на сравнении параметров, обладающих центральной или радиальной симметрией, либо когда образ класса выявляется при замыкании концов диаграммы и не зависит от ее поворота в поле зрения. Кроме того, при использовании круговых диаграмм существенно повышается точность сравнения значений параметров, расположенных, во-первых, в симметричных секторах и, во-вторых, в секторах, близких к началу или концу. Последнее объясняется сближением этих секторов, в пространстве круговых диаграмм.

Дополнительной особенностью полярных диаграмм является то, что они, как показывают, эксперименты, благодаря своей пространственной компактности, часто позволяют одновременно увидеть в 3-4 раза больше информации, чем линейные.

В свою очередь, линейные гистограммы более предпочтительны при необходимости выделения особых точек набора данных, связанных, например, с началом, серединой либо концом массива. Линейные гистограммы более предпочтительны также и в общем случае, когда в процессе классификации оператор опирается на незамкнутый, линейный образ ситуации.

Приведем еще один пример по сравнению затрат времени на классификацию человеком одного и того же набора данных, представленных либо в виде числовых таблиц, либо в виде образных матриц. В экспериментах по сравнению использовались таблицы и матрицы размером 15х 15 ячеек, разбитые на 5 классов. Каждый набор данных (представитель класса) предъявлялся: а) в виде числовой матрицы (таблицы); б) в виде яркостной матрицы, в которой число, содержащееся в каждой ячейке числовой матрицы, кодировалось яркостью; в) в виде цветовой матрицы, где кодировка осуществлялась цветом. Результаты показали предпочтение цветояркостных матриц, данные которых организованы так, что создают некоторую четко узнаваемую человеком пространственную конфигурацию. При этом различие по времени правильной классификации ситуаций достигает 10 —15 раз. Испытуемые объясняют причины такого различия наличием целостного восприятия цветояркостных матриц, проходящего без покомпонентного анализа отдельных параметров, что характерно для восприятия традиционных цифровых таблиц (рис 82, д).

Таким образом, приведенные экспериментальные данные свидетельствуют, что зрительный пользовательский интерфейс нового поколения должен предоставлять учащемуся и педагогу возможность выбора способов предоставления информации. Причем эти способы должны содержать различные образные представления, так как такие варианты, во-первых, дают возможность включать в работу человеческие способности по интегральной, целостной оценке многопараметрической ситуации и, во-вторых, дают возможность подбора пользователем адекватных решаемой задаче способов представления данных.

Глава 4