面向艺术生Arduino硬件接口的可用性设计决策

李锴

（福建江夏学院，福州 350108）

近年来，全国各地创客空间迅速增加，各高校成立设计与创意学院，以设计创新驱动经济发展，Arduino在互动装置、工业设计、机器人等设计工作中作为原型工具得到广泛应用。Arduino的可用性直接影响创新的效率和效果。目前国内占主流的创客教育平台是基于Arduino的创意电子平台，包括Arduino主板、Arduino核心库和Arduino IDE编程环境三方面内容。Arduino硬件指Arduino主板及周边电路。

Arduino在硬件上的发展主要呈现形态多样化和组件模块化。MIT Media Lab的副教授Leah Buechley开发了能缝在织物上的Arduino并命名为Lilypad，并开发了一套组件以及应用在电子织物的方法。清华大学的米海鹏副教授开发了一套适用于设计类专业学生使用的InnoKit物理交互教学实验套件，将各类传感器模块化，利用三针接插方式，降低了Arduino主板与传感器连接的难度。LittleBits是一种磁吸的Arduino组件，利用同极相斥异极相吸的原理，避免了电路连接的出错。

当前Arduino硬件的优点有：1.易学习，通过封装bootloader，降低烧写程序的门槛；2.多样性，开发板从大到小有几十种，适用于不同的原型设计；3.开放性，硬件是开源的，设计师可以根据目标用户的需求进行修改和定制。存在的主要不足有：1.效率性，Arduino主板和各类传感器电路连接方式不一致，多数接口空置，部分接口设计不合理；2.Arduino配套器件接口灵活性差、价格高；3.部分Arduino主板价格偏高，影响用户体验。

面对不足，设计师面临的挑战有：1.用户的目标人群是谁，如何综合思考不同层次用户的意见；2.从设计方法学的系统论角度，基于目标用户的可用性构成因素是什么，因素如何构成；3.用户如何与Arduino硬件交互，如何得到总体最优交互方式；4.如何根据总体最优交互方式优化设计，即如何设计更加合理的Arduino硬件接口。

一、Arduino硬件接口的可用性设计因素

（一）设定目标用户

Arduino初创时的目标用户是艺术类学习者。现在，用户扩大到创客、教师、电子爱好者、大学生甚至中小学生，说明目标用户随着产品的影响力变化而发生扩散和迁移。以下将目标用户的范围限定在国内艺术院校。

在艺术院校中，按照熟练程度可把Arduino用户分为三个级别：新手、中间用户、专家。首先，Arduino设计的初衷是针对新手，通过对AVR芯片的二次封装降低了编程难度，能在短时间内帮助用户从新手迅速升级为中间用户。设计师需要保证新手用户的“心流”状态，新手能快速做出一个想要的小作品，哪怕是点亮一个LED灯，也能让新手沉浸在成功的快乐中，否则新手将放弃使用该产品，由新手变为非用户。当新手主动地做出几个Arduino相关作品，将很快升级为中间用户。其次，中间用户和专家是从新手用户开始。从认知方面说明，解决新手的可用性问题，也能提高中间用户和专家的使用效率。由于对Arduino认知水平、熟练程度等原因，专家用户通常能一针见血地指出可用性问题。对于中间用户在其他设计中应最受重视，但在本例中新手用户和中间用户界限模糊。新手用户相比专家用户数量占优。因此，Arduino硬件的设计以新手用户为基础，还要顾及专家用户的意见。

（二）Arduino硬件可用性因素

可用性（Usability）在ISO9241/11中的定义是：特定用户在特定的使用环境中使用产品达到特定目标的有效性、效率和满意度的程度。Jakob Nielsen对于可用性提出的五个要素：1.可学习性（Learnability），初次接触产品时，用户完成基本任务的难易程度；2.效率（Efficiency），用户能多快完成任务；3.可记忆性（Memorability），当用户一段时间没有使用产品后，是否能立即回到以前的熟练程度；4.出错（Errors），用户能否从错误中恢复；5.满意度（Satisfaction），用户对产品的主观满意度。这两种定义都涉及效率、满意度。

上述两种可用性因素只是参考意见，设计具体的产品可以根据不同的用户人群、不同的使用环境进行适当调整。首先，目标用户主要针对国内艺术生，Arduino硬件涉及物理学知识，由于国内艺术生生源以文科为主，容易使用是个重要因素，包括可学习性、可记忆性。容易使用是Arduino区别于其他单片机的最显著特征；其次，Arduino硬件是一种单片机，电路连接是否稳定可靠，连接传感器的种类数量以及组合的灵活度，也都是重要因素；再次，价格也是一种构成因素，Arduino硬件作为教具，价格决定能否人手一份地进行学习，高昂的价格能让用户产生过于谨慎的心理而影响效率；最后，满意度是一种构成因素，用户使用产品时的主观满意度，与用户情感有关。因此，在研究目标用户的基础上，总结Arduino硬件可用性因素有：易用性、可靠性、拓展性、廉价性、满意度。

（三）目标用户与Arduino硬件接口的交互方式

在艺术院校存在各种形式的Arduino，目标用户与Arduino硬件之间的交互以Arduino硬件接口为媒介。Arduino硬件接口包含主板与电路、主板与PC、电路与器件三个部分（文中主板特指Arduino主板，下同）。如图1所示，主板与电路的交互方式有：1.用杜邦线对主板接口拔插，另一端连接面包板；2.用鳄鱼夹夹到裸露的金属接口；3.将电线焊接到接口；4.用导电笔在纸上画出电路，利用导电液的黏性连接主板接口；5.将导电线缝纫到接口上；6.利用磁性铁块吸合方式连接电路；7.用电子贴纸方式黏贴到主板接口。主板与PC机的交互方式有：1.USB-B接口；2.USB-Mini接口；3.蓝牙接口Bluno Beetle；4.ICSP接口；5.FTDI接口。电路与器件交互方式有：1.直接相连；2.电路与器件组成模块；3.通过盾板相连。主板与电路的交互方式决定电路到器件的连接方式。由于主板与PC交互只发生在下载程序和串口监视，因此其交互频度较低。总之，三种交互部分中第一部分占主导因素。归纳总结Arduino硬件接口的交互方式有拔插、夹、焊接、画、缝纫、磁吸、贴纸。

由于Arduino主板属于开源硬件，因此可重新设计其接口，以改进其可用性。Arduino主板上的交互只能以上七种交互方式中的一种，因此需要找出最优的交互方式来引导Arduino硬件接口可用性的设计。

二、Arduino硬件接口可用性设计决策

（一）层次分析法建模

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP)，是处理多目标、多准则、结构复杂问题，以及定性与定量相结合、定性信息定量化、复杂问题简单化的一种实用而有效的方法。通常分为目标层、准则层、方案层。设计师经常使用结合定量和定性分析的方法决定产品设计方案。可用性的构成因素属于定性分析，构成因素占总体的权重属于定量分析。多种交互方式属于定性分析，每种交互方式的可用性得分属于定量分析。结合可用性的构成因素和目标用户的层次问题，故采用层次分析法。

Arduino硬件接口可用性的层次模型构建如图2所示。以Arduino硬件接口可用性为目标层；以Arduino硬件接口可用性的构成因素为准则层，包含易用性、可靠性、拓展性、廉价性、满意度5个项；以Arduino硬件接口的各种交互方式为方案层，包含拔插、夹、焊接、画、缝纫、磁吸、贴纸7种交互方式。准则层对于目标层的判断矩阵由专家用户决定权重。由于方案层涉及与用户交互，方案层对于准则层的判断矩阵由新手用户决定权重。权重采用访谈方式获取，取值采用1～9标度法。每种交互都有可用性构成因素的得分，再与这些因素的权重得分相乘，可得到每个方案的综合得分，从得分就可以选出最优方案。

（二）用户访谈

用户访谈是获得用户数据的重要手段。访谈的目的是获取模型中用户数据。典型的新手角色（Persona）比如大学生，而教师是接近专家用户的角色。在国内某美术学院对5位教师和15位学生进行访谈，访谈结果如表1、表2所示。b1～b5分别表示易用性、可靠性、拓展性、廉价性、满意度。c1～c7分别表示拔插、夹、焊接、画、缝纫、磁吸、贴纸。矩阵B表示Arduino硬件可用性要素权重，bij是五位专家以bi的角度与其他要素相对重要性评分，取值采用1～9标度法，分值越高相对重要性越低。矩阵C表示Arduino硬件不同交互方式在可用性要素上的评分，15用户评分为取整中位数。例如有一组数据X1……XN，按从小到大的顺序排序为：X（1）……X（N），则当N为奇数时，中位数m0.5=X（N+1）/2，当N为偶数时，m0.5=（X（N/2）+X（N/2+1））/2。由于中位数是通过排序得到的，不受最大、最小两个极端数值的影响，常用于描述这组数据的集中趋势，因此，中位数能排除极端用户意见并较为客观地表达大部分用户的体验。

表1 Arduino硬件接口可用性因素权重

表1 Arduino硬件接口可用性因素权重

表2 Arduino硬件接口不同交互方式可用性因素评分

表2 Arduino硬件接口不同交互方式可用性因素评分

（三）层次分析及计算

模型中层次分析采用求和法，计算步骤是：1.构造针对上一层的权重矩阵aij；2.列向量归一得Mi，按行求和得权重向量Wi，归一化得最大特征值的近似值λmax；3.一致性指标检查C.I≤0.1，一致比率检查C.R≤0.1，R.I由平均随机一致性指标表（表3）决定。其中，λmax、C.I、C.R的计算公式分别是公式（1）（2）（3）。

通过计算，准则层对于目标层的权重。

C.I与C.R均小于0.1，满足一致性要求，Wi可用。令 A=CWi，得 A=（7.4488，6.7352，3.6863，6.9566，6.4418，7.3485，6.4307）T。综合得分矩阵A每个分量对应每个交互方案的综合得分。

表3 平均随机一致性指标表

表3 平均随机一致性指标表

图1 Arduino主板与电路七种交互方式

图2 Arduino硬件接口可用性的层次模型

（四)数据分析

新手用户意见总结，从表2的数据分析得到：1.易用性较好的交互方式有拔插、画、磁吸、贴纸，与实际情况接近。电路焊接对艺术生难度极大，夹对于操作精度要求高，缝纫与画趣味性好但需要预先设计好电路草图避免交叉难度大，画对于艺术生容易故得分高；2.可靠性较好的有焊接、缝纫，从电路连接可靠度分析，这两种方式最牢固，拔插和夹都容易因晃动而脱落，磁吸可能出现物理连接但电路没接通，画和贴纸容易因折叠而短路；3.拓展性较好的有拔插、焊接，拔插通过面包板或者盾板几乎可以连接所有传感器，焊接类似，夹、缝纫、画和贴纸对主板与外围电路接口都有特殊要求，例如缝纫需要主板接口开孔，磁吸要求所有外围电路都有磁性接口且需要连接回路端口；4.廉价性较好的有拔插、夹和焊接，画、缝纫和贴纸需要专用的主板和电路材料因而造价高，磁吸需要每个器件都配有磁吸接口因而价格最高；5.满意度较好的交互方式有画、缝纫、磁吸、贴纸，电路焊接对于艺术生操作困难且有一定危险性，拔插和夹可以接受。

每位专家用户意见均等无等级之分，因此总结应看综合专家意见，无需考虑专家个人意见。从上一节得到，一致性指标与一致比率均小于0.1，满足一致性要求，说明五位专家的评价细节有差异但总体意见一致。从可用性因素构成权重指标Wi得到：1.专家认为在该可用性因素按重要性排序是，易用性＞可靠性＞满意度＞拓展性＞廉价性；2.专家对于Arduino硬件接口的可用性看重的是其易用性及可靠性，满意度居中，拓展性在一定范围内可以接受，廉价性排在最后。实际情况中一个产品易用且可靠，必定用户满意，拓展性差一点和价格贵一点用户能够接受。且专家和新手收入水平存在差异，导致两种用户观点不一致；3.易用性权重最大，占46.56%，专家认为易用性是Arduino硬件可用性因素的核心。

新手用户意见与专家用户意见融合总结，从综合得分A得到：交互方式以拔插最优，磁吸次之。磁吸交互在易用和满意度上得分高，只因在拓展性、廉价性方面得分过低，否则应是最优方案。拔插交互方式用户在其构成因素评分分别是[8、7、8、9、6]，相对其他方式得分均衡，又因为专家对于构成因素前两项比重高，导致其总体得分最优。综合用户需求和专家意见，以易用性优先，采用拔插交互方式。因此，围绕以上两点计算结果，Arduino硬件接口的可用性设计原则有：1.减少交互对象；2.一致性设计；3.降低交互难度。

三、Arduino硬件接口的可用性重构

根据设计原则重构Arduino硬件接口如下：

1.减少的电路引脚。主板上一组接插件数量应不超过4个，从认知心理学角度太多接口容易导致情绪紧张而出错。从新手用户的行为观察得到，有用户为了防止出错从一列17个接口中数到某一个插入杜邦线。新手用户不会同时使用6个模拟接口和13个数字接口，最常见是使用一个或者两个数字或者模拟接口。由于USB-mini接口与手机可以通用，可以去掉两组接口ICSP、DC插头。去掉其他新手用户不常用的接口，例如AREF、IOREF、RESET等。减少用户记忆的数量，减少误操作的机会。因此，主板引脚每组取4个，数量太少则影响拓展性。

2.重新设计主板与电路、主板与PC、电路与器件交互三个交互部分。使三个部分在交互方式上保持一致性。行为上，只有拔和插两个动作，即可完成电路的连接和断开；视觉上，颜色、提示符上主板接口、杜邦线、面包板、常用模块接口保持一致。交互以颜色引导，容易学习，能灵活扩展，且不会增加成本；触觉上，接口尺寸及拔插的阻尼保持一致。

3.将相同功能的接口放在一组。将接口分为四组，分别是数字接口、模拟接口、电源接口、通讯接口。接口对应的电路板位置印刷与杜邦线一致的颜色，接口外侧面印刷相同文字。

重新召集测试用户进行测试验证，用户对新设计的易用性、可靠性、拓展性、廉价性和满意度进行评分，分数为c8=[9、7、7、9、8]，a8=c8Wi=8.3525。从用户意见看新设计：易用性提高了，引脚减少牺牲部分拓展性，但是用户的主观满意度提高了。综合了专家意见，新设计的得分超过原来所有得分，说明设计得到改进。从宏观看，整个设计改进是按用户的意见去改的，改进结果由用户评价的，符合以用户为中心的设计理念。

四、结语

可用性要素结合用户研究的结果构建一个Arduino硬件接口可用性的层次模型，计算权重指标来决策接口的交互方式，重构Arduino硬件接口的设计，以达到提高可用性的目的。当前设计决策是基于艺术院校的用户研究，当目标用户发生变化或者迁移时，或者研究对象改为其他类似的智能硬件，权重分析应当改变，设计原则也需变化，但是结合定性与定量的层次分析方法可以不变。并且，提高Arduino硬件接口可用性的设计方向不变，高可用性的工具可以让创客群体迅速站在巨人的肩膀上，快速流畅地创造出新事物。