Особенности реализации курса "Проектирование человеко-машинного интерфейса" при подготовке программных инженеров

Внедрение современных стандартов обучения в Высшей школе требует от педагогов применения новых методик (приемов, технологий и т.д.) в учебном процессе [1-5]. Подготовка программных инженеров, как одного из актуальных и востребованных направлений, имеет отличительные особенности [6-10]. Кроме математических и информационных компетенций у студентов необходимо формировать управленческие и инженерные компетенции, которые дают им возможность хорошо понимать многие производственные вопросы, такие как управление проектами, проектирование человеко-машинного взаимодействия, руководство коллективами разработчиков, оценка качества и т.д. Курс «Проектирование человеко-машинного интерфейса» позволяет обучающимся продвинуться в области этих профессиональных компетенций, так как содержание дисциплины охватывает круг вопросов в области человеко-машинного взаимодействия, фундаментальных основ эргономики в проектировании человекокомпьютерного взаимодействия, интерфейсов программных систем, ориентированных на пользователя. Для этого необходимо изучение механизмов человеческого восприятия и переработки информации, базовых характеристик и ограничений человека-пользователя, моделей современных ЧМИ, промышленных и корпоративных стандартов, методов решения задач проектирования и оценки качества ЧМИ. Инновационные формы проведения занятий позволяют повысить эффективность процесса обучения (в частности дистанционные образовательные технологии) [11-13]. Цель данной работы – показать возможность применения электронного управляемого курса «Проектирование человеко-машинного интерфейса» в процессе управления обучением в классической очной форме обучения.

Методология

Согласно учебного плана направления 09.03.04 «Программная инженерия (ФГОС ВО 3+) реализуемого Институтом информационных технологий, математики и механики дисциплина «Проектирование человеко-машинного интерфейса» ведется на 3 курсе (7 семестр) и призвана формировать одну профессиональную компетенцию ПК-22 - Способность создавать программные интерфейсы (таблица 1).

Таблица 1.

Характеристика компетенции дисциплины ФГОС ВО 3+

Формируемые компетенции	Планируемые   результаты   обучения   по   дисциплине, характеризующие этапы формирования компетенций
ПК-22 способность	ЗНАТЬ З1(ПК22)  базовые  понятия  теории  построения человеко-
создавать программные интерфейсы	машинного    интерфейса,    модели    человеко-машинного взаимодействия, З2(ПК22)  особенности восприятия информации человеком, вопросы  компьютерного   представления   и  визуализации информации; З3(ПК22) Стандарты в области разработки человеко-машинного интерфейса З4(ПК22)   Принципы  проектирования  человеко-машинного интерфейса З5(ПК22)  Подходы  к проектированию человеко-машинного интерфейса З6(ПК22) Основы методологий разработки человеко-машинного интерфейса УМЕТЬ У1(ПК22) выбрать тип человеко-машинного интерфейса для реализации в зависимости от профессиональной задачи; У2(ПК22) проектировать интерфейс информационных систем, применяя базовые эргономические принципы для реализации человеко-машинного интерфейса. У3(ПК22)  проводить процедуры тестирования интерфейса в информационных системах ВЛАДЕТЬ В1(ПК22)   современными  инструментальными  средствами разработки человеко-машинного интерфейса. В2(ПК22) методами тестирования пользовательского интерфейса.

Учебный план, созданный на основе ФГОС ВО 3++ по направления 09.03.04 «Программная инженерия», предусматривает реализацию дисциплины на 1 курсе и формирование профессиональной компетенции ПК-1 - Способность осуществлять анализ, разработку требований к системе и проектировать программное обеспечение, применяя современные методы и технологии разработки (таблица 2).

Таблица 2.

Характеристика компетенции дисциплины ФГОС ВО 3++

Формируемые компетенции (код, содержание компетенции)	Планируемые результаты обучения по дисциплине (модулю), в соответствии с индикатором достижения компетенции
	Индикатор достижения компетенции (код, содержание индикатора)	Результаты обучения по дисциплине
ПК-1. Способен осуществлять анализ, разработку требований к системе и проектировать программное обеспечение, применяя современные методы и технологии разработки	ПК-1.1. Знает методы планирования проектных работ, основные принципы проектирования ПО, типы и атрибуты требований к системе	знать базовые понятия теории построения человеко-машинного интерфейса, модели человекомашинного взаимодействия, особенности восприятия информации человеком, вопросы компьютерного представления и визуализации информации; Стандарты в области разработки человеко-машинного интерфейса; Принципы проектирования человеко-машинного интерфейса; Подходы к проектированию человеко-машинного интерфейса; Основы методологий разработки человеко-машинного интерфейса
	ПК-1.2. Знает методы работы с потребителями по выявлению требований к системе и фиксирования их интересов	Знать методы работы с потребителями при разработке пользовательских интерфейсов, Уметь выбрать тип человекомашинного интерфейса для реализации в зависимости от профессиональной задачи, Уметь фиксировать требования к системе потребителей.
	ПК-1.3. Умеет формулировать цели, исходя из анализа проблем, потребностей, возможностей, ограничений.	Уметь проектировать интерфейс информационных систем, применяя базовые эргономические принципы для реализации человеко-машинного интерфейса с учетом потребностей, возможностей, ограничений.

Содержание программы дисциплины следующее:

Введение в проектирование интерфейса. Основные понятия и определения.

Терминология. История развития человеко-машинного интерфейса (ЧМИ).

Взаимодействие человека и компьютера: тенденции, исследования, будущее.

• 1.    Подходы к проектированию человеко-машинного интерфейса. Инженерно-технический (Machine-Centered) и когнитивный (Human-Centered) подходы. Нормативный базис проектирования ЧМИ. Проблема переосмысления классических эргономических моделей и выработки новых подходов.

• 2.    Основы взаимодействия человека с технической системой. Проблема человеко-компьютерного взаимодействия (Human-Computer Interaction, HCI). Классификация человеко-машинных интерфейсов. Юзабилити (Usability) как формирующееся качество продукта, отражающее потребности и возможности HCI. Виды совместимости человека и технической системы:  биофизическая,

• 3.    Проектирование пользовательского интерфейса. Характеристика этапов проектирования пользовательского интерфейса. Сбор информации при проектировании пользовательского интерфейса. Процесс проектирования и конструирования интерфейса с пользователем. Прототипирование пользовательского интерфейса. Инструменты прототипирования интерфейсов.

• 4.    Оценка пользовательского интерфейса. Принципы, критерии, методики оценки пользовательского интерфейса.

энергетическая, пространственно-антропометрическая, эстетическая, информационная. Критерии эргономичности интерфейса. Учет психологических и физических аспектов приема и переработки информации. Учет законов Хика-Хаймана, Фиттса, Стивенса при разработке ЧМИ. Визуальные компоненты интерфейса. Цветовое решение и цветовые схемы. Классификация элементов пользовательского интерфейса. Командные кнопки: размеры, поля, объем, состояния, шрифт, пиктограммы и др. Использование аффорданса (affordance), метафоры, стантарта. Обучение системы. Эргономические противоречия. Ошибки в элементах пользовательского интерфейса. Особенности Web-интерфейсов и мобильных приложений. Пользователь с ограниченными возможностями. Особенности и тенденции в развитии средств человеко-машинного интерфейса промышленных ИС.

В рамках этой программы разработан электронный управляемый курс на платформе MOODLE для системы электронного обучения ННГУ . Курс состоит из 6 модулей, содержащих теоретический, практический и контрольный материал. Методика применения данного курса в учебном процессе состоит в следующем: лекционное занятие сопровождается презентацией, размещенной на сайте дисциплины, одновременно демонстрируются все дополнительные ресурсы по теме (ссылки, видео, анимация и др.), на спаренном практическом занятии даются задания по теме лекционного материала, результаты практических работ размещаются студентами на сайте дисциплины, проходит обсуждение и закрепляется «лучший опыт», проводится обучающее или контрольное тестирование знаний. Таким образом, в рамках отведенного времени проходит интенсивное взаимодействие как между студентами и преподавателем.

Практические задания дисциплины строятся на основе принципов теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) [14-21]. Выделяют основные функции ТРИЗ: решение творческих и изобретательских задач любой сложности и направленности; прогнозирование развития систем и получение перспективных решений (в том числе и принципиально новых); развитие качеств творческой личности. К вспомогательным функциям ТРИЗ относят следующие функции: решение научных и исследовательских задач; выявление проблем, трудностей и задач при работе с техническими системами и при их развитии; выявление причин брака и аварийных ситуаций; максимально эффективное использование ресурсов для решения многих проблем; объективная оценка решений; систематизирование знаний любых областей деятельности и использование этих знаний на принципиально новой основе; развитие творческого воображения и мышления; развитие творческих коллективов. Из всего разнообразия особенностей ТРИЗ нами на вооружение взято следующее:

• 1.    Уметь видеть задачу с разных сторон, выявлять особенности и не упускать моменты, на которые обычно не обращаешь внимание.

• 2.    Изучать любое творчество, которое может направить мысль в развитии технических систем.

• 3.    Постоянно расширять кругозор, видеть интересное на стыке наук.

• 4.    Применять то, что до тебя никто не делал и не применял.

• 5.    Мыслить логически, алогически и системно.

• 6.    Изучать, применять научные знания в профессиональной деятельности.

• 7.    Работа в коллективе, уметь слышать мнение коллег.

Реализация

При реализации учебного процесса по дисциплине «Проектирование человеко-машинного интерфейса» необходимо показать, что в здесь причудливо переплетаются знания множества дисциплин - от психологии и дизайна до архитектуры ЭВМ.

Для решения практических заданий студентам дается общая схема решения:

• 1.    Определить задачу и найти проблему

• 2.    Найти противоречие и то, что мешает решить задачу.

• 3.    Определить какие ресурсы имеем

• 4.    Определить уже имеющиеся приемы решений (например, решение из других областей знаний).

• 5.    Проанализировать решение и понять, можно ли его улучшить.

Ниже даны примеры практических заданий, представленные ниже, вызывают особый интерес студентов.

Задание 1.

• 1.    Найти видео-ролики по теме «Современные (или инновационные) разработки в области ИТ»

• 2.    В поле комментарий поместить ссылку на ролики. Написать: Что Вас больше всего удивило? В каком проекте будущего Вам бы хотелось поучаствовать?

Цель: стимулировать интерес к дисциплине в целом и показать роль ИТ в современном и будущем мире.

Результатом выполнения этого задания студенты делятся между собой. Делают выводы о реальности выполнения такого типа проекта.

Комментарий:

На самом деле скрытым результатом этого задания будет выбор темы зачетного проекта по дисциплине, о необходимости выполнения которого студенты узнают в конце первого практического занятия.

Задание 2.

Предлагается нарисовать страницу сервиса, продающего время, где показано потраченное, рекомендуемое и оставшееся время жизни человека в 2050 году.

Цель:  закрепить знания по теме  «Метафора  в пользовательском интерфейсе».

В результате выполнения задания рассматриваются альтернативы реализации метафоры времени, идентификации пользователя, перегруженности элементами интерфейса и т.п.

Комментарий:

Это реальное конкурсное задание (вакансии на должность дизайнера интерфейсов) студии Артемия Лебедева . После выполнения задания студенты знакомятся с работами профессионалов и делают сравнительный анализ своих решений.

Задание 3.

Нарисовать (желательно экологический) интерфейс стыковки модулей на космической станции (задача может варьироваться в зависимости от условий: число модулей, автоматическое выполнение стыковки, оператор может вмешаться в работу стыковочного шлюза и т.д.).

Цель: закрепить по теме «Управление вниманием» и показать некоторые приемы в разработке интерфейсов.

В результате выполнения задания студенты сталкиваются с ограничениями восприятия оператора, сложностью задачи стыковки и т.д.

Комментарий:

После выполнения задания студенты знакомятся с интерфейсом стыковки модуля Роскосмоса и сравнивают, полученные решения.

Студенты направления «Программная инженерия», как правило, имеют опыт разработки и участия в разного типа конкурсах по программированию, и поэтому считающих себя достаточно компетентными в области разработки программного обеспечения. Для стимулирования их интереса в данном курсе применяются тесты. Условия выполнения теста следующие: 1) ограничение по времени, 2) если результат выполнения теста будет высоким (более 90% успешных ответов), то будет тема (или темы) будут отмечены как пройденные без выполнения обязательных заданий.

Примеры тестовых вопросов (правильные ответы выделены жирным шрифтом):

• 1)    Укажите наименее значимый фактор, влияющий на длительность выполнения работы пользователем.

Выберите один ответ:

• a.    Длительности физических действий пользователя.

• b.    Длительности восприятия исходной информации.

• c.    Длительности реакции системы .

• d.    Длительности интеллектуальной работы

• 2)    В каких случаях следует использовать слуховую форму информации?

• a.    При необходимости выделения сигнала из шума.

• b.    Для симультанного восприятия информации.

• c.    Для информации не требующей быстрого отклик.

• d.    Для сигналов опасности.

• e.    Когда в сообщениях системы речь идет о событиях, разворачивающихся во времени.

• 3)    В каком случае точность движение рук больше?

• a.    При положении сидя.

• b.    При положении стоя.

• 4.    В каком случае скорость движения рук больше?

• a.    При направлении движения «к себе».

• b.    При направлении движения «от себя».

• c.    Направление не влияет на скорость движения.

Результаты

Для улучшения качество преподавания дисциплины «Проектирование человеко-машинного интерфейса» проводился опрос среди студентов и выпускников. Изучение результатов анкетирования студентов показала, что дисциплина была интересна 100% респондентов и они бы рекомендовали ее для изучения другим студентам. При этом 75% указали, что применяют знания и навыки, полученные при изучении дисциплины, 87 % отметили электронную поддержку на сайте e- learning.unn.ru (т.е. наличие электронно-управляемого курса) как наиболее положительный момент обучения. Более того, 40 % респондентов пользовались доступом на сайт дисциплины после окончания изучения. Студенты отметили, методика проведения занятий позволяла закрепить полученные теоретические знания через интересные практические задания, 50 % респондентов планируют свои проекты интерфейсов (прототипы) реализовать в реальных проектах.

Заключение

Описанный подход для реализации курса «Проектирование человекомашинного интерфейса» с применением дистанционных образовательных технологий и теории ТРИЗ может применена для активизации творческой активности студентов и развития профессиональных компетенций.