人机交互课程中费茨定律的讲授方案探析

涂华伟

摘 要 费茨定律（Fitts Law）是人机交互界面设计中的重要指导理论。因此，费茨定律的讲授是人机交互课堂的重要环节。在本文中，作者以自身教学实践为基础，提出费茨定律的三层次讲解模型（理论层次、应用层次和科研层次），以系统地讲授费茨定律的理论及应用。具体而言，这个模型首先对比香农定理和费茨定律，分析费茨定律起源及其参数含义。其次参考商业操作系统（iOS和Windows）的设计，说明费茨定律的应用场景。最后以发表在人机交互顶级会议CHI上新颖的研究成果为例，阐述费茨定律的理论指导作用。课堂反馈初步说明了该教学模型的有效性。该教学方式不仅为更好地讲解费茨定律提供了借鉴，也为讲授人机交互课程的其他知识给出了思路。

关键词 费茨定律 人机交互课程 三层次讲解模型 界面设计

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.08.017

Abstract Fitts' law plays an important role in human-computer interface design. Hence， the lecture on Fitts' law is vital in Human-computer Interaction （HCI） courses. In this article， the author proposes a three-level lecture model （theory， application and research levels） based on the author' teaching experience. Specifically， this model first compares Shannon's theorem to Fitts' law so as to analyze the origin of Fitts' Law and the meanings of its parameters. Then this model refers to commercial OS design such as iOS and Windows to illustrate application scenarios of Fitts' law. Last， this model demonstrates the function of Fitts' law as a theoretical guidance by taking research outcomes published in the top level HCI conference CHI as examples. The initial feedback demonstrates the effectiveness of the lecture model. The proposed method not only provides references of how to better lecture on Fitts' law， but also offers thoughts to lecture on other HCI knowledge.

Key words Fitts' law； Human-computer Interaction courses； Three-level lecture model； interface design

1 介紹

费茨定律①是人机交互界面设计最成功的指导模型之一。作为理论框架，费茨定律可用于计算机输入设备的评估、界面的优化以及其他复杂人机交互任务建模。费茨定律可以对点击任务所耗费的时间进行理论预测，其预测公式是 = + （ + 1）。式中，表示从起始点到目标的预测时间，表示从起始点到目标的距离，表示目标的宽度，和反映系统的效率。

鉴于费茨定律在人机界面设计的重要性，人机交互的教学中需要从其进行深入细致的讲解。②讲授费茨定律既要对其理论性进行分析，又要结合联系实际产品以及科研工作对该定律的理论性进行佐证。③基于作者的教学经验，本文从理论、应用和科研层次出发，提出了三层次的讲解模型，阐述其具体讲授内容，并在教学实践中证明了方法的有效性。

2 教学方法

在三层次讲解模型中，费茨定律的内容将分为如下三个部分：

2.1 费茨定律的理论层次

在教学过程中，我们首先从费茨定律的起源讲起。费茨定律是1954年由保罗·费茨基于香农定律提出，将人体控制运动能力类比成信息的传输。香农定律的表示形式为 = （ + 1），其中是信道支持的最大速度或者叫信道容量，是信道的带宽，是平均信号功率，是平均噪声功率，即信噪比。

与香农定律相对的，费茨定律的公式参数可类比为平均信号功率，可类比为平均噪声功率。任务的困难度 = （ + 1），单位为bits。IP则定义为ID/T，单位为bits/s。

总结起来，费茨定律有两个新颖的特点。第一，提出任务的复杂程度可以用信息论的度量单位bits来表示。第二，提出在执行运动任务的时候，信息可以理解为通过人的通道进行传输的。

2.2 费茨定律的应用层次

（1）右键菜单的设计可根据费茨定律探寻其设计的理论基础。点击鼠标右键，在点击处出现右键菜单，用户可以移动光标进行菜单功能项选择。根据费茨定律，出现在用户正在操作的对象旁边的右键菜单比下拉菜单或工具栏可以被更快得选中，因为选择右键菜单项需要移动光标的距离短。

（2）屏幕的边和角适合放置像菜单栏和按钮这样的元素，因为边角是巨大的目标，他们无限高或无线宽，用户不可能用鼠标超过他们。即不管你移动了多远，鼠标最终会停在屏幕的边缘，并定位到按钮或菜单的上面。从费茨定律的角度，这相当于目标的大小是无限大，因此用户会更快点中目标。因此，可以在理论上得出，图3中左图的菜单栏设计比右图更符合人机交互的规律。

2.3 费茨定律的科研层次

模型的目的是在开展大规模实验之前，可以对设计的效果进行初步预测。如下列举两个目标点击的例子，用以说明费茨定律的理论指导功能。这两个设计都是发表在人机交互的顶级会议CHI上。点击任务是图形用户界面的基本任务，因此改进点击的效率能够给用户带来交互的便利。

2.3.1Bubble光标④

Bubble光标是根据光标中心与目标之间的距离，来动态改变光标的选择区域。如果目标包含在光标区域里面，则可以选中这个目标。如果多个目标包含在区域里面，则选择距离光标中心最近的目标。根据费茨定律，这实际上是增大了目标的大小（费茨定律公式中的W参数），因此理论上可以判断bubble光标会导致更短的目标选择时间。

2.3.2Ninja光标⑤

Ninja光标的设计目的是为了帮助用户更快地选择屏幕的目标。它的设计方式是在屏幕上给出多个光标，用户可以移动离目标最近的光标操作目标。根据费茨定律，这是减少了光标到目标的距离（费茨定律公式中的D参数）。

3 結束语

费茨定律是人机交互领域最流行的理论指导之一。因此，对其的讲授是人机交互课程的重要部分。这篇文章提出了费茨定律的三层次讲解模型，从理论、应用以及研究层次对费茨定律进行了深入分析，力图将费茨定律的理论规律和应用价值更好地传授给学生。课堂反馈说明该讲解方式具有良好的效果。学生普遍表示理解了费茨定律的理论原理，并且掌握了该定律的界面设计指导作用，课堂讲授生动有趣。该三层次讲解模型也对其他人机交互知识的讲授提供了参考方式。

注释

① Fitts P. M.， The information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement [J]， Journal of Experimental Psychology，1954.47：381-391.

② 林连南，龙钏，秦闻达.斯坦福大学人机交互课程体系分析与应用[J].计算机教育，2015.21：101-106.

③ 陈小武.从人机界面到人机交互的课程改革进展[J].计算机教育，2009.3：49-50.

④ Grossman T. and Balakrishnan R.， The bubble cursor： enhancing target acquisition by dynamic resizing of the cursor's activation area[C].CHI 2005：281-290.

⑤ Kobayashi M. and Igarashi T.， Ninja cursors： using multiple cursors to assist target acquisition on large screens[C].CHI 2008：949-958.