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用户界面设计及对我国数值软件设计的启示·毛明志，李建国( 中山大学信息科学与技术学院广州)蕾要：数值方法是解决数值问题的近似方法，它对于科学的发展是相当重要的，数值软件是对数值方法的一种计算机实现过程我国在若干领域数值方法研究上处于国际领先地位，但我国的数值软件与国外相比还处于刚刚起步阶段本文从软件界面设计的角度，分析了具有W i n d o w s 产品界面风格的M a t l a b 、M a t h e m a t i c a 等国际流行的数值软件的优点，从认知心理学、人机工程学和软件工程学视角，对我国数值软件的开发和实现提出若干启示关譬嗣：数值软件用户界面认知心理学人机工程学软件工程学1 引言科学计算的兴起是2 0 世纪最重要的科学进步之～，它已经渗透到科学与工程的各个领域并形成了多个分支著名计算物理学家W i l s o n 教授指出：“当今，科学活动可分为三种：理论、实验和计算科学计算已经和传统的科学方法一一理论和实验——相并列，成为“第三种科学方法”【3 J 计算数学是 科学计算的核心，科学计算离不开计算机，但更离不开计算方法美国著名的计算数学家B a b u s k a 曾说过：“没有好的计算方法，超级计算机就是超级废铁。

随着计算机和数值计算方法的发展，数值软件迅速成长，出现了M a t l a b 、M a t h e m a t i c a 、M a p l e 、M a t h c a d 等一批优秀的数值软件，它们不仅提供了强大的科学计算功能，而且界面友好，方便易用我国在若干领域数值方法研究上处于国际领先地位，但我国的数值软件与国外相比还有很大的差距，一个重要原因是“重功能，轻界面”开发的数值软件距离产品化和商业化还有一段较长的路要走2 用户界面设计用户界面，又称人机交互界面、人机接口等，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介，通常分为功能性界面、环境性界面和情感性界面三类用户界面不仅是软件的包装和外部表现，已经成为影响软件质量的重要因素2 ．1 用户界面的设计过程开发优秀的数值软件不仅要致力功能设计，还要注重软件的界面设计，其关键是需要用户的参与，分析用户活动，理解用户的需求图1 是一个基于原型法的用户界面设计过程，设计过程中充分考虑用户的重要作用，吸收了用户的意见，可以进行动态的改进2 ．2 用户界面的设计原月人类具有的短期记忆能力有限，而且容易出错，尤其当需要处理太多信息或压力太大的时候表l 给出了用户界面的设计原则。

2 ．3 用户界面的评价用户界面评价就是评定一个界面的可使用性并检查它是否符合用户需求的过程，它属于软件系统’广东省软件领域关键技术重点突破资助项目( 3 5 0 0 0 - 4 2 0 2 0 0 6 )检验过程和有效性验证过程表2 列出了主要的可评价属性，更为精确的评价基于以下定量的数据：在标准时间内正确完成任务的数量、使用命令的频度、命令序列、用于看屏幕的时间、出错的数目、错误的类型和错误恢复时间、使用帮助的时间、标准时间段内查看帮助的次数图1 用户界面设计过程‘1 1表l 用户界面的设计原则设计原则描述以用户为用户界面所使用的术语和概念应该是来自于用户的经验，用户界面应该为不同类型的用户提供合适的交互功能，在错误发生时应该提供有意义的反馈，并有用户帮助功能这就要求在设计的过程中有用 中心 户的参与用户界面设计中，要分清主次，抓住重点，将最重要的元素定位在对用户来说一目了然的位置，重要 布局合理 的和需要经常访问的元素处于显著的位置，次要的元素则应当处于次要的位置用户界面应该是一致的，即尽可能地让相似的操作有同样的触发方式，各窗口的风格一致，使用的元表现一致素、术语、方法、控制一致，可帮助用户更好地使用软件，因此在界面设计时，一定要坚持用同一风格贯穿整个应用程序的设计。

简明性原则就是力求用户界面的简单化，从美学的角度来讲，整洁、简单、明了的设计更可取，同时 简明美观 对于色彩的使用，要注意协调搭配，美观大方的界面让用户感到舒适，可以提高工作效率表2 用户界面的评价可评价属性描述反映用户对系统的适应程度和用户的工作模式与系统结合的紧密程度一个新用户需要多长时用户适应性间才能成为一个系统熟练用户，用户在成功得完成所规定的任务的过程中，对可采用的交互方法的使用程度和使用频率合理性指用户界面的布局是否有主次之分；对完成某一任务是否采用了合理的操作模型，有没合理性 有冗余，有没有给用户造成不便美感具有规律性和一定的可预测性，需要在设计阶段调查研究，归纳出用户内在的一致性和变 美观程度 化的规律，从用户的主观感受获得界面的美观程度鲁棒性又指界面的健壮性，一方面指在操作过程中错误的出现频率，另一方面指对用户错误的 鲁棒性 操作有没有提供相应的容错机制及系统从用户错误中恢复的能力3W i n d o w s 界面风格的优点1 2W i n d o w s 作为操作系统，其市场占有率高达9 6 ．6 3 ％以上W i n d o w s 界面简洁优美，易于操作，适合广大的普通用户，大大促进了个人计算机的推广普及。

其突出的优点是具有规范性、合理性、美观性和易用性 1 ) 规范性：W i n d o w s 界面规范性包括常用菜单要有命令快捷方式、菜单深度一般要求最多控制在三层以内；工具栏可以由用户定制，工具栏中的每一个按钮要有及时提示信息，系统常用的工具栏设置默认放置位置；工具栏太多时可以考虑使用工具箱，工具箱要具有可增减性，由用户自己根据需求定制；状态条要能显示用户切实需要的信息，常用的有：目前的操作、系统状态、用户位置、用户信息、提示信息、错误信息，如果某一操作需要的时间较长，应该显示进度条和进程提示；滚动条的长度要根据显示信息的长度或宽度能及时变换，以利于用户了解显示信息的位置和百分比 2 ) 合理性：屏幕对角线相交的位置是用户直视的地方，正上方四分之一处为易吸引用户注意力的位置，在放置窗体时要注意利用这两个位置，父窗体或主窗体的中心位置应该在对角线焦点附近，子窗体位置应该在主窗体的左上角或正中；重要的命令按钮与使用较频繁的按钮要放在界面上注目的位置，错误使用容易引起界面退出或关闭的按钮不应该放在易点位置，横排开头或最后与竖排最后为易点位置；对可能造成数据无法恢复的操作必须提供确认信息，给用户放弃选择的机会，非法的输入或操作应有足够的提示说明；对运行过程中出现问题而引起错误的地方要有提示，让用户明白错误出处，避免形成无限期的等待，提示、警告、或错误说明应该清楚、明了、恰当。

( 3 ) 美观性：W i n d o w s 用户界面美观，让人感觉协调舒适，能在有效的范围内吸引用户的注意力；色调统一，针对软件类型以及用户工作环境选择恰当色调；长宽比或宽长比接近黄金点比例；布局不宜过于密集，也不能过于空旷，合理利用空间；相邻或同组的按钮大小相同，同界面上所有的按钮高度相同，按钮的大小与界面的大小和空间要协调；前景与背景色搭配合理协调，字的大小、颜色、字体要在风格上要保持一致 4 ) 易用性：界面元素的名称、标签应该易懂，用词准确用户不用查阅帮助就能知道该界面的功能并进行相关的正确操作，专业性强的软件要使用相关的专业术语在菜单及按钮中使用快捷键可以让喜欢使用键盘的用户操作得更快系统应该提供详尽而可靠的帮助文档，在用户使用产生迷惑时可以自己寻求解决方法帮助要有即时针对性，在界面上调用帮助时应该能够及时定位到与该操作相对的帮助位置，用户可以用关键词在帮助索引中搜索所要的帮助当今主流的数值软件M a t l a b 、M a t h e m a t i c a 、M a p l e 、M a t h c a d 等，其应用点虽有所不同，但各有 特色，但是都符合W i n d o w s 用户界面风格。

这些软件的界面设计规范，布局合理，美观协调，还有自己独特的一面，满足了用户的审美要求，同时易于学习，便于操作，符合用户的认知需求4 对我国数值软件设计的启示现代科学计算应用问题的特点往往表现为复杂、大型、综合，很多研究工作都对一种整体功能齐全、高性能、高可用的数值软件提出了强烈需求我国数值计算方法发展迅速，然而我国的数值软件面存在许多使用上的问题粗糙的用户界面，糟糕的人机交互过程，造成我国数值软件不能产品化、大众化、商业化针对我国数值软件的用户界面问题，在分析用户界面原理及W i n d o w s 界面风格的基础上，我们从认知心理学、人机工程学、软件工程学的角度出发，得到几点对我国数值软件的界面设计有益的启示启示一规范化界面遵循规范化的程度越高，则易用性就越好数值软件的界面设计也不例外，要使自己的软件能被大众接受，首先就要遵从行业的标准数值软件不仅要符合一般图形用户界面的标准，同时针对数值软件的特殊性，还要符合行业内的特殊要求，比如很多特殊符号的使用，一定要符合数学学科的1 3使用惯例1 ．菜单的规范化菜单位置按照功能来组织，菜单通常采用“常用一主要一次要一工具～帮助”的位置排列，符合W i n d o w s 风格；常用的有“文件”、“编辑”，“查看”等，几乎每个系统都有这些选项，当然要根据不同的系统有所取舍；下拉菜单要根据菜单选项的含义进行分组，并且按照一定的规则进行排列，用横线隔开；一组菜单的使用有先后要求或有向导作用时，应该按先后次序排列，没有顺序要求的菜单项按使用频率和重要性排列，常用的重要的放在开头，不常用的次要的靠后放置；如果菜单选项较多，应该采用加长菜单的长度而减少深度的原则排列。

2 ．布局的规范化数值软件的界面布局要满足视觉组织原则和视觉搜索规律在视野中离散的刺激可以由于他们彼此之间的某种关系组织到一起而形成一个整体的视觉，这种现象称为视觉组织特性视觉的组织原则主要有邻近性原则，相似性原则和封闭性原则这些视觉组织原则在设计数值软件界面时具有很好的指导意义当屏幕上信息很多的时候，如果不采取一定的组织方式，那么整个屏幕将显得十分的凌乱，这时可以利用各种视觉组织原则，把相关的信息放得近一点或把相关的信息用相同的颜色表示，这样所有的信息看起来是一个整体，用户就会快速准确地察觉到它们对于界面上很重要或者使用概率很高的控件，需要设计成比较特别的样式或放在容易注意到位置启示二人性化和多样化1 ．人性化人性化就是以人为本的进行设计，在界面的设计过程中充分考虑入的因素随着数值软件的应用越来越广泛，对界面设计的人性化的要求也越来越高针对某些特殊人群，比如说色盲症患者，人性化要求我们提供黑白界面人性化概括的说就是要做到情感化、本土化数值软件界面中颜色、图标的使用，屏幕布局的条理性，操作间的连贯性和共通性，要考虑操作简单、友好，在设计过程中要处理好理性和感性的关系，只有把感性因素与现有的理性因素很好地结合起来，才能真正体现“以人为本”的设计理念。

本土化的东西更能使入感到一份亲切、一份自豪，更有一种国人的设计文化在我国数值软件界面的设计中，加入中国化的内容，如：以中国国画为用户界面的背景、以汉字的隶书体直接作为图标等，这样的界面设计体现出的人文精神，更容易和我们产生共鸣2 ．多样化产品必须能够满足一定的用户群的要求，但它们还要在承认国家、地区和文化多样性的前提下满足不同用户群的需要用户应在系统人机交互中扮演主动角色，可根据需要选择交互方式和步骤完成交互任务不同用户群对用户界面的要求有所差异，为此颜色、字体等界面要素，可根据用户群的特点提供人机交互选项功能合理的进行交互任务区分并划分进程，用户无需加载整个数值软件来执行某个简单的计算输入方式多样化，在数值软件的应用中通常需要处理大量的数据，因此在界面的设计过程中加入多种输入方式，包括一般的从键盘录入，同时还要可以从已有文件中读入( 如W o r d ，E x c e l 等) ，如果可能，还要考虑符号识别功能，直接从外部设备读入到计算机，减少输入给用户带来的麻烦及由此产生的错误启示三界面美观界面的美观是指界面能够以外在形式给。