直接操作的分层交互分析

1.介绍

直接操作(Shneiderman 1982a)已经成为用户界面领域的一个流行概念，用于描述某一类交互样式。最初，这个术语用于在一个严格的分类方案中描述整个应用程序，在这个方案中，系统要么被视为具有直接操作接口，要么属于某些其他类型的接口，如自然语言、菜单驱动或表单填写。这种用法导致Wixon和Good(1987)指出了一些早期“规范”直接操作应用程序大量使用菜单和表单填写(对话框)的明显矛盾。(参见Tognazzini(1989)关于规范应用程序在新用户界面中建立一致性方面的作用的讨论。)Hutchins等人(1986)从对话的执行(输入)和评价(输出)的直接的语义和清晰度形式对这一概念进行了分析。这一分析是实现界面的直接程度应被视为连续体的重要一步。

本文根据一个分层交互模型，分析了直接操作和对话直接的其他概念。这种模型确定了交互发生的许多级别，使用较低的级别来支持较高层的通信。这再次意味着可以根据交互模型的层次更精确地讨论直接性。

Nielsen虚拟协议模型（Nielsen 1986）用于本文的分析，因为它专门用于对对话技术进行详细分析。该模型的简短摘要如表1所示。存在几个其他分层交互模型，并且可以与类似的结果一起使用。Nielsen（1986）显示了虚拟协议模型的水平与三个其他流行的分层模型中的水平之间的比较，泰勒（1988A; 1988B）呈现了分层模型的一般讨论。

本文中的大多数示例都涉及到Apple Macintosh Finder(操作系统用户界面)。这既不是因为Finder的用户界面设计得不好，也不是因为它是唯一可能的示例，而是因为它被广泛使用，如果读者愿意，他们应该可以在动态交互中尝试这些示例。在某种意义上，Macintosh Finder充当了直接操作界面的典型例子，就像标准Unix用户界面通常充当基于命令行系统的典型例子一样。

2.“没有错误”

它经常声称，直接操纵接口可以减少对错误消息的需求，此属性是Shneiderman原始文章中列出的主要优势之一（Shneiderman 1982a）。

事实上，在使用直接操作系统时，错误确实经常发生，但在许多情况下，错误消息非常糟糕，可能是因为设计师相信“没有错误”的声明。例如，Macintosh Finder文件系统界面的用户经常会得到错误消息“无法为本文档找到应用程序”。这个错误消息成功地打破了消息设计的几乎所有标准原则(Shneiderman 1982b):它使用面向计算机的术语而不是面向用户的术语，它是通用的而不是具体的，而且它不是建设性的。因此，我经常观察到用户(包括使用Macintosh整整一年的用户)在这个错误消息上出现严重问题，这也就不足为奇了。更具体的消息将告诉用户所讨论的文档的类型以及它将用于什么应用程序。如果文档的类型可以被多个应用程序打开(通常是纯ASCII文本或位图图像)，则消息也可以是建设性的，并告知用户是否有其他可用的应用程序允许用户使用指定的文档。

对于直接操作对话框中的其他几个错误示例，请考虑通过将其图标拖到Trash图标来删除Macintosh Finder中的文件的情况。正确的操作如图1所示。在这个对话框中不可能出现语法错误，因为图标的任何移动都是合法的，并且具有一定的意义。

图2 a。 词汇级别错误：“foo”被拖到备份图标而不是垃圾图标。	图2 b。 字母级错误：“Foo”在一对屏幕坐标处释放，该屏幕坐标不在垃圾箱图标内。

图2a显示了我自己经常犯的错误。文件图标将拖动到表示备份的图标，而不是预期的垃圾箱图标。此错误构成词汇级错误，因为已正确指定将图标拖动到另一个图标上的语法。恰好命令的第二个操作数被赋予了错误的值。进一步的分析表明，问题是由“捕获错误”（Norman 1983）引起的，因为“删除文件”和“备份文件”这两个命令的启动方式几乎相同，只是一个手势将文件图标扫向屏幕右下角。碰巧我在垃圾箱图标旁边放置了备份图标，而且我使用备份的频率比使用删除的频率要高得多。在观察了错误的频率并完成了对对话的分析后，我的解决方案是将备份图标移到屏幕的左下角，而不是右下角。在这一更改之后，备份和删除的手势开始时非常不同，因此我从未犯过混淆这两个命令的错误。

图2b显示了一个经常观察到的错误，用户将文档图标移动到了Trash图标的外面。由于大多数大纲图标与Trash图标重叠，新手用户可能会认为Trash已被指示为文档的目的地，但实际上，光标的“热点”位于Trash图标之外，因此指示了文档的另一个目的地。当用户松开鼠标按钮时，文档不会被丢弃，而是会被移动到Backup和Trash图标之间的新位置。这是一个字母级别的错误，因为用户错误地在屏幕上指定了一个点，它在期望的区域之外。有经验的用户可能会注意到缺少词汇反馈，因为Trash图标没有突出显示，这表明它还没有被指定，但遗憾的是，这种缺乏反馈很容易被忽略。

Payne(1990)也经常发现用户忽略了Trash图标。他对重新设计界面的建议是，当用户指定Trash图标作为移动图标的目的地时，增加反馈。他建议当大纲图标位于Trash上方时，它将从屏幕上消失，从而预览释放鼠标按钮的结果。这个反馈动作将向用户提供语法级(“如果您现在松开鼠标按钮，您将完成整个命令规范”)和语义级(“此命令指定的动作将是删除文档”)的信息。Payne提出的这种增加的反馈可能因此减轻了Macintosh新用户已经观察到的问题(Nielsen 1987)，因为图标移动的共性，因为可以根据选择的目的地给出不同的反馈。例如，可以区分移动操作通过将文档图标从与文档和文件夹相同的磁盘拖动到文件夹图标开始复制如果文件夹位于其他磁盘上，则操作已启动。增强反馈的其他可能性包括使用声音效果来说明用户的动作（Gaver 1989）。

但是，对于这里讨论的特定字母级错误，最好重新设计对话的较低级别。我的建议是，如果某个图标与正在拖动的图标之间的重叠超过50%，则允许将其指定为命令的目标符号，或者在目标图标与光标之间实现“捕捉到”吸引。本文提供的分析水平不足以确定图标垃圾问题的这些解决方案之一是否比Payne的解决方案更好。协议模型只能识别问题并提出可能的改进建议。在存在多个相互竞争的解决方案的情况下，仍有必要进行经验测试。

除了上面讨论的词法和字母错误外，在直接操作界面中甚至可能产生物理级错误。一个常见的例子是对滚动列表的操作，其中滚动速度过快。当该程序在以Macintosh Plus的速度运行的电脑上运行时，这种滚动效果非常好，用户可以很容易地在列表的可见部分显示任何想要的页码。不幸的是，滚动速度的实现并没有考虑到计算机执行速度的变化。当程序在速度快四倍的麦金塔SE/30上运行时，列表滚动的速度是在麦金塔Plus上的四倍。这种滚动速度几乎总是会让用户过度使用鼠标，因为他们按住鼠标按钮的时间太长，从而导致对话的物理层面出现错误。

最后，错误也可能发生在对话的较高层。通常不可能避免目标或任务级别的错误，但在许多情况下，计算机可以在语义错误的情况下帮助用户。例如，考虑指定应用程序要打开的文件的对话框。在传统的基于字符的界面中，这个任务可以通过类似的命令来实现
打开foo.txt

如果文件foo.txt是一个文本文件，而应用程序需要一个图形文件，那么这个命令将在对话的语义层上构成一个错误，即使它在语法上是正确的。因此，用户会得到一些错误信息，从“ILLEGAL FILE”到“the FILE 'foo.txt'是一个文本文件，不能打开，因为[Name-of-Application]只支持图形文件”——这取决于应用程序设计过程中对可用性工程的关注。在任何情况下，假设用户实际上想要在当前应用程序中打开foo.txt，基于文本的界面确实允许用户表达语义意图。这个操作立即导致一条错误消息，从而指出用户的错误，并希望澄清情况。

许多像Macintosh这样的现代用户界面阻止用户获取这些错误消息，因为它们只允许指定语义上有效的操作。在这些系统中，用户通过从菜单中选择文件来打开文件，该菜单仅列出当前为open命令合法操作数的文件。由于其他文件不在列表中，用户无法单击它们，因此该界面完全避免了“非法文件”消息。再次假设用户在图形应用程序中，想要打开文本文件foo.txt。通常，不在菜单中列出文件名的间接反馈不足以让用户意识到他们的语义错误。相反，用户可能会认为所需的文件一定存储在文件系统中的其他位置，从而导致他们在不同的子目录中进行大规模搜索。

正是这样的问题发生在一个西欧国家国防研究中心人机交互小组的经理身上，因此他并不是一个新手用户。因为我的来访，他被打断了一个多小时后回到电脑前，他想保存他的工作。然而，“保存”命令的颜色变灰了，这让他惊呼“保存!”．．．为什么它不拯救?我怎样才能让它得救呢?”在没有得到电脑允许的情况下，他尝试了各种方法来保存，直到他最后想起来，他实际上已经在一个小时前被打断时保存了他的作品。这个用户非常沮丧，因为他不可能执行他想要的操作，因为计算机不能提供任何反馈，在任务级别的协议故障。另一种设计是允许用户激活非法的Save命令，然后提供一个简单的反馈信息，类似于“自上次保存以来，您对[文件名]没有做任何更改。”

在如上所述的情况下，如果错误消息的措辞符合既定的人为因素原则，那么错误消息实际上可能会帮助用户。采用人机交互的分层协议视图意味着负面确认（错误消息）比“无错误”设计理念容易导致的通信缺失要好。

3.直接性与间接性

“直接操纵”一词本身就意味着用户界面的某种直接性。同样，分层协议分析表明对这一假定优势进行了一些修改。事实上，直接操作界面在某些对话级别上可能会让用户感觉非常间接。

例如，在一个桌面发布程序中设置制表器需要以下一系列步骤:

1. 通过使用下拉菜单或按功能键调用制表器对话框(如图3所示)。
2. 由于对话框独立于它所控制的文本出现，用户必须将对话框定位到文本旁边。否则，将很难比较标签设置和文本布局。如果文本行比对话框宽，也可能需要滚动制表尺。
3. 实际上，通过拖动选项卡指示器来更改选项卡设置。
4. 单击“确定”。
5. 由于文本在步骤3期间没有重新格式化，用户现在必须观察更改选项卡设置的结果，以查看是否已实现预期的布局。如果不是，有必要用步骤1开始。

这些步骤中的每一步实际上都非常直接，并且依赖于直接操作交互技术。例如，第2步是通过将对话框拖动到所需位置来实现的，第3步是用鼠标抓住制表符标记并直接将其移动到所需的新设置。尽管对话在词汇层面上如此直接，但操作的完整语法却显得非常间接。

另一个独立的示例是基于用户（Westland 1988）的投诉，审查了用户组杂志中的绘图程序的升级：执行绘制填充有文本中的矩形的任务，只能绘制矩形然后立即开始键入键盘。该程序将把字符输入解释为文本，该文本旨在进入矩形。在修订版的版本中必须首先绘制矩形，然后选择“文本”模式并使用它来定义矩形内部的文本区域，然后只键入字符。此后对话框更加模块化，并符合界面中使用的一般交互技术。但用户抱怨这种频繁的特殊情况的直接性丢失，现在涉及两个额外的步骤：1）选择“文本”和2）定义输入区域。通过对键盘输入的特殊情况解释具有时间模式来实现先前版本的直接性：如果在矩形之后立即发生打字作为下一个操作，则文本进入矩形。

直截了当有时会让对话变得更加复杂。例如，考虑这样一个操作:当光标位于Macintosh Finder中某个图标的名称上方时按下鼠标按钮，然后在按住鼠标按钮时移动鼠标。如果图标之前没有被选中(突出显示)，这个操作将导致图标移动。但是如果图标是当前选择的对象，同样的操作将导致选择图标名称的一部分。因此，根据界面的状态，对话的物理层面上的一个手势有两种不同的解释。为了实现两种类型的直接性，交互的这种模态是必要的:通过选择部分名称并输入替换文本，可以直接实现图标名称的编辑，从而实现操作的输入和输出语言之间的直接映射。与此同时，在使用麦金塔Finder时，按住未选中的图标移动它似乎是一个非常频繁的操作。因此，通过允许用户通过指向图标或其名称中的任何位置来实现将图标作为移动操作的操作数的词法级效果，从而降低了对对话的物理级和字母级精度的要求。

最后一个直接的例子是不能通过传统的直接操作来实现的。假设一个窗口系统的用户有一个大窗口和一个小窗口，大窗口在上面，完全隐藏了小窗口。用户现在希望将小窗口带到前面并使其可见，但由于它是隐藏的，用户无法用鼠标直接操作小窗口。执行此任务的标准方法是首先将大窗口移到一边，使小窗口可见。然后用户抓住小窗口并将其移动到第三个位置，以便为将大窗口移动回原来的位置腾出空间。用户最终可以将小窗口移回原来的位置它现在会在顶部因为它是最后一个被选中的对象。这个解决方案显然是非常间接的。

解决此问题的一个更快的方法是使用一个特殊命令将大窗口移到后面，从而隐式地将小窗口移到前面。此解决方案涉及任务级别和对话语义级别之间的间接映射，因为用户必须通过使用另一个对象表示的语义操作来实现使用一个对象表示的任务。

相比之下，解决这个问题最直接的方法是使用一个菜单列出所有窗口，并允许用户通过从菜单中选择窗口名称将窗口带到前面。

4.直接映射

如前一节所示，通常被认为是直接操作的交互样式实际上从用户的角度来看是相当间接的，也有一些情况，通过菜单列表等交互样式可以更好地实现直接性。

对话层次之间的直接映射原则似乎提供了一种更好的方式来概念化交互系统中的直接性。如图4所示，分层协议模型涉及不同信息单元之间的几个转换，我们希望这些转换尽可能是直接映射，以便用户在层之间移动。直接映射的概念类似于数学上的同构概念;两层之间存在一一对应的函数，两层上的信息单位之间的关系是相同的，并由函数保留。然而，对于对话的分析，似乎不可能使用严格的数学定义，因此术语“直接映射”的使用稍微宽松一些，以表示两个互动层次之间的密切和直接关系。

作为一个直接映射的示例，考虑在文本编辑器中删除六行代码的操作。在现代的显示编辑器中，用户的输入语法将包括选择6行并激活delete命令，利用用户所知道的要删除的行以及用户将这些行指定为delete命令的操作数的直接映射。系统输出将涉及从显示中删除选定的行，从而使用户输入和系统输出之间的映射遵循刺激-响应兼容性原则非常直接(John et al. 1985)。在传统的面向行编辑器中，实现此任务的用户输入将是类似于DELETE 27-32的内容，并且在语法级上显示的结果将是不变的，即使在语义级上删除了这些行。这对于刚才考虑的两个映射都是间接的。

映射的直接性并不总是对话元素的明确属性。例如，我最近设计了一个超文本系统(Nielsen 1990)，它的首页屏幕描绘了一本书的封面。这个插图在用户界面中提供了两个功能。首先，它是一种输出语言元素，目的是表明屏幕是超文本的前面，从而便于用户在阅读一段时间后返回屏幕时识别屏幕及其状态。其次，这个插图是作为进入超文本的控制元素。通过点击书的封面作为输入操作，用户将“打开书”并开始阅读。结果证明，插图很好地满足了第一个目的，但在第二个目的上却失败了。换句话说，书皮的词汇元素和“信息开始”的语义概念之间的映射非常接近，可以立即理解。但是书皮图片和“打开”的语义概念之间的映射太间接了，因为书皮的意思是向上拉，而鼠标的按钮是按下的。因此，实现激活书本插图的词汇层面元素所需要的物理层面的行动干扰了作为输入语言一部分的书本插图的解释。 This example shows that we still do not know enough about user interface design to rely on a purely mathematical definition of isomorphisms between the levels of the dialogue.

即使不能准确地度量映射的直接性，直接映射的概念仍然可以用来更好地理解用户界面中几种形式的直接性。在本节的其余部分中，直接映射被用作讨论直接操作、透明性、所见即所得、即时命令规范、表达直接性和计算设备的统一原则。

直接操纵

直接操作可以定义为对话的语义层和语法层之间的直接映射。操作的语法应该与数据中语义变化的隐喻相对应，对象的屏幕表示应该反映其内部状态。典型的示例是图1所示的文件删除。在屏幕上移动图标相当于在文件系统中移动文件。当图标被放入Trash图标时，文件图标会消失，并且(在某些实现中)Trash图标会变成填充的。

根据直接映射视图，直接操作不仅仅与对话的输入语言有关。输出语言对于确定对话的语义和语法层次之间映射的直接程度也很重要。例如,考虑一个字体的文本编辑器,用户将要输入一些文本插入点之间现有的两个人物,说,a和B在许多系统,这个系统状态会看起来像一个竖线| | B是一个闪烁插入光标。当用户开始输入时,新的文本的字体可以的,B,,之前的A和B之间的文本(如果用户刚刚删除一些这样的文本),甚至可能是完全不同(如果用户刚刚发布了一些字体改变命令)。大多数文本编辑器没有提供这种语义状态的可见指示，让用户自行猜测。在大多数情况下，信息的缺乏并不重要，因为A、B和新文本都有相同的字体。否则，用户将不得不开始输入来了解将使用什么字体，这导致了小程度的间接:没有办法“直接操作”(或学习)插入标记处的字体状态，因为它代表一个空对象。

透明度

透明性(Maass 1983)是目标层和语义层之间的直接映射。你想做什么和你能做什么是相对应的，没有必要考虑把现实世界的对象和操作转换成面向计算机的对象和操作。这个术语本身暗示了对话中以计算机为导向的概念的“消失”。

缺乏透明度的一个典型例子是复杂的安装过程，涉及将某些大型应用程序从出售的软盘转移到用户的硬盘。用户的目标是将应用程序移动到硬盘并运行它，但有时用户需要遵循关于如何建立各种子目录和按照特定顺序从软盘复制文件的冗长而复杂的说明。从用户的目标角度来看，这些面向计算机的概念和操作是完全不必要的。

所见即所得

要实现所见即所得(WYSIWYG)，目标状态(您想要的)和语法级别(您所看到的)之间应该有一个直接的映射。记住，语法层包含屏幕上对话元素的二维布局。在所见即所得界面中，对象的屏幕表示反映了现实世界，操作的语法与期望的现实世界动作相对应。

作为示例，大多数基于鼠标的接口都有一个双光标问题（布鲁克斯1988），其中一个光标用于点，另一个光标指示将出现文本输入的位置。由于界面中缺乏WYSIWYG，用户通常会混淆这两个游标。跟踪用户鼠标移动的指向光标是用户对语法中的注意力的焦点（“您所看到的”），但输入（“您获得的内容”）根据插入标记的位置更改输出产品。双光标问题的一个可能解决方案是遵循严格的WYSIWYG对单个光标的解释，其中输入出现在何时遇到指针的位置，当用户击中键盘时（AKSCYN等人1988）。

在早期的图形界面文字处理器中更改标题需要用户为标题打开一个特殊的窗口。实际的编辑遵循这里定义的直接操作原则，因为在更改标题的语法和存储的标题信息中的语义更改之间存在直接映射。但是交互技术并不是WYSIWYG，因为用户不能很容易地在更改页眉的语法和使页眉相对于页面的其他部分呈现特定方式的目标之间进行转换。对于真正的头文件所见即所见编辑，有必要使它们与文件中的主文本序列一起在主窗口中可编辑。

立即指挥规范

立即命令规范涉及语法级和字母级之间的直接映射，允许用户将整个命令打包到单个原子输入操作中。典型的例子是传统界面中的功能键和许多图形用户界面中的双击快捷键。也可以允许个人用户构建“按钮”(MacLean et al. 1990)，当按钮被激活时，这些按钮会运行复杂的操作序列。

图5显示了一个用于在带有图形用户界面的字处理程序中指定文本边界的控件。该接口具有直接操作、所见即所得和透明度方面。所见即所得属性来自于缩小页上边框的位置及其在屏幕上的位置与最终打印输出之间的直接对应关系。在缩微上放置边线的语法使用了与语义直接对应的直接操作技术:首先单击调色板中的粗线，然后单击缩微页的左侧空白处。最后，在左侧空白处有一个宽条的语义直接对应于在空白处得到一个粗线的目标，因为界面已经简化了

经常希望在左侧空白处出现宽条的用户可以构造一个按钮(可能标记为“Make Change bar”)，其效果与调用图5中的控件并按如下所示进行修改相同。这个假设的接口将是一个即时命令规范。正如这个示例所示，宏或其他用户构造的自定义通常对于立即的命令说明是必要的，除非界面设计者已经进行了非常详细的任务分析。

发音方向性

铰接性直接涉及字母级别和物理级别之间的直接映射，以确保原始输入动作对应于用户的物理操作。经典示例是将光标移动到特定屏幕坐标的输入单元（x，y）。通过在（X，Y）处触摸触摸屏来实现最高的明晰度直接，因为两级之间没有转换。使用鼠标涉及略微程度的间接，因为它在与屏幕坐标处于指定的屏幕坐标中未在同一平面中移动。即便如此，移动鼠标仍然具有比组合箭头键的一组激活的铰接性直接。

在许多视觉界面中，输入操作有时不仅需要指定一个点，还需要指定一条曲线。当使用曲线拖动图标时，鼠标比手写笔具有更高的清晰度，而手写笔由于对曲线精确性的不同要求，其清晰度比鼠标高。

计算设备

计算应用原理涉及从目标层到物理层的所有直接映射。计算机是一种工具，你不需要与计算机进行真正的“交互”，你只需要做你的工作。计算应用的想法是真正实现最终的直接性。

衡量计算机作为计算工具的作用程度的一个例子是Haas(1989)对用户使用计算机编辑器或使用笔和纸修改文本的研究。她让测试对象在编辑文本时大声思考，然后她计算了他们在编辑媒介而不是写作任务中说话的比例。在纸笔条件下，只有3%的话语提到了媒介，而在电脑条件下有14%的话语提到了媒介。在理想的情况下，用户将能够完全专注于他们的主要任务，直接处理它，而不必考虑计算机。哈斯的研究表明，要实现这一目标，我们还有很长的路要走。

在计算设备映射中，用户的输入和实现的目标之间存在直接联系，计算机的输出被解释为真实世界目标状态的信号，而不是计算机状态的符号或符号(Rasmussen 1983)。使用当前的计算机，计算设备映射当然是最容易实现的文本编辑，因为现代工作站的输入和输出设备几乎完全符合产生带有字母的纸张的目标。

5。结论

根据详细的分层交互模型分析直接操作的概念，表明对简单化视图的一些修改，特别是在错误情况下，明确的错误处理通常更好地服务于可用性。此外，与传统的直接操纵概念相比，更一般的直接性概念似乎与可用性更相关，因为一些直接操纵设计可能感觉非常间接。除了直接操作之外，这里介绍的直接映射原理还解释了其他一些常见的交互概念，如所见即所得。

第4节中讨论的直接映射的摘要。为简单起见，该图仅显示了这些映射中实际涉及的那些交互级别，但是可以在其余交互级别之间定义类似的映射。以前的工作表明，经验丰富的用户发现“用户友好性”的概念与应用程序是否易于使用密切相关，而与它是否易于学习密切相关（Nielsen 1989）。尽管人们并不知道是什么让界面令人愉悦，但各种形式的直接性很可能有助于愉悦。另一个可能的因素是好看的平面设计。需要进一步研究来解决这个问题。

确认

作者要感谢Saul Greenberg，Robert Jacob和John Schnizlein，请在早期版本的稿件上有用的评论。

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