Informatik – verständlich & benutzbar

Für viele Menschen ist der Computer in seinen vielfältigen Ausprägungen zu einem Werkzeug und Alltagsgegenstand geworden. Sie möchten diese Geräte möglichst effektiv und effizient nutzen, ohne sich vorher mit den Details der Funktionsweise auseinandersetzen zu müssen. In den vergangenen 30 Jahren ist die Benutzung von Computersystemen für den Nutzer wesentlich einfacher geworden, ging jedoch mit einem Trend zu komplexeren und leistungsfähigeren Systemen einher. Der Vergleich von Preisen und Angeboten, die in global verteilten Datenbanken gespeichert sind, ist heute so einfach, dass sie nahezu jeder Computerbenutzer mit einem Webbrowser durchführen kann, ohne auch nur von den zugrundeliegenden technischen Konzepten gehört zu haben. Grundsätzlich nutzen die meisten Anwender nur einen sehr kleinen Teil der Möglichkeiten und Potenziale, die in gegenwärtiger Informations- und Kommunikationstechnologie liegen. Die Weiterentwicklung der Mensch-Computer-Schnittstelle ist ein zentrales Thema der Informatik, da diese Schnittstellen inhärent mit der zugrunde liegenden Technologie verbunden sind. Algorithmen, Systemarchitekturen, Datenmodelle und Netzwerktechnologien beeinflussen in direkter Weise die Erfahrungen, die der Benutzer macht. Bei komplexen und verteilten Computeranwendungen, wie sie heute die Regel sind, ist es nicht mehr möglich, den Mensch-Computer-Interaktion erst am Ende des Entwicklungsprozesses zu gestalten. Sie muss vielmehr von Anfang an und über den gesamten Entwicklungsprozess hinweg als ein zentrales Kriterium in die Entwicklung mit einbezogen werden.

In Zukunft wird die Leistungsfähigkeit vieler Anwendungen nicht mehr durch technische Faktoren begrenzt sein. Die Entwicklung zeigt, dass wir schon jetzt und in naher Zukunft Rechenleistung, Speicher und Kommunikation massiv verfügbar sind. Die Fähigkeit, eine komplexe Kalkulation auf einem aktuellen PC zu erstellen, ist jedoch nicht mehr vom verwendeten Prozessor abhängig. Stattdessen tritt die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems immer stärker in den Vordergrund. Dieses Gesamtsystem besteht aus der genutzten technischen Infrastruktur, der Software, den Benutzungsschnittstelle, den Benutzern, und der Aufgabenstellung im Prozess.

Die Möglichkeiten für die Gestaltung der Mensch-Computer-Schnittstelle verändern sich massiv mit neuen Entwicklungen im Bereich der Sensorik und Aktuatorik. Mechanische und elektro-mechanische Mensch-Maschine-Schnittstellen werden durch eingebettete Computersysteme abgelöst, die zusätzlich zu konventionellen Benutzungsschnittstellen Sensoren und Aktuatoren als Ein- und Ausgabekanäle nutzen. Die Begriffe Multimodalität und elektronische Medien werden dabei neu definiert. Alltagsgegenstände, Kleidung, Umgebungen, der Körper des Menschen und Maschinen werden Teile der Mensch-Computer-Schnittstelle.

Zusammenfassend läst sich sagen, dass in vielen Anwendungsbereichen schon jetzt die Mensch-Computer-Schnittstelle einer der kritischsten Faktoren in der Entwicklung effektiver und effizienter Systeme ist. Dieser Trend wir sich durch neue technologische Entwicklungen noch verstärken.

Forschungsbedarf: Modelle für die Mensch-Maschine-Interaktion

Unsere Interaktion mit Computersystemen wird auf der einen Seite durch Modelle bestimmt, die unsere Vorstellung von der Funktion eines Systems oder vom Ablauf eines Prozesses beschreiben. Solche Modelle können beispielsweise durch Metaphern mit Bezug zu bekannten Objekten und Vorgängen gebildet werden. Ein Beispiel hierfür ist die Desktop-Metapher, die unseren heutigen Umgang mit dem PC bestimmt. Schlüssige mentale Modelle erlauben das einfache Erlernen und Merken und erleichtern die effiziente Bedienung interaktiver Systeme. Fehlende oder schlechte Modelle erschweren die Bedienung bis zur Unbenutzbarkeit.

Auf der anderen Seite wird effiziente Interaktion oft nur durch vom Computer erstellte, effiziente Modelle über den Benutzer möglich. Solche Mensch-Modelle meist dann nötig, wenn die Interaktion "non-intrusive" ist, das heißt, der Mensch berührt kein Eingabegerät direkt. Ein Beispiel hierfür ist die kamera-basierte Interaktion.

Immer komplexer werdende Computersysteme verlangen daher nach skalierbaren Modellen, die sich auf neue Interaktionskontexte und Modalitäten anwenden lassen. Die alltägliche und gleichzeitige Nutzung durch viele Benutzer verlangt nach neuen Konzepten, die neben den technischen Protokollen der Maschine auch die sozialen Protokolle zwischen Menschen berücksichtigen. In aktuellen interaktiven Systemen ist eine kooperative Nutzung verschiedener Personen in verschiedenen Rollen der Regelfall. Die Abbildung dieser Nutzungsszenarien in Modelle setzt ein grundlegendes Verständnis des gesamten Arbeitsprozesses und der Kommunikation voraus. Bilden Modelle in der Bedienung der Software die Interaktion der Nutzer untereinander sinnvoll ab, erleichtert sich die Bedienung wesentlich.

Der steigenden Komplexität in computergestützten Werkzeugen kann einerseits durch den Bau von Anwendungen oder Geräten, die speziell auf eine Aufgabe zugeschnitten sind (Appliances) entgegen gewirkt werden. Dies erleichtert die Konzeption, Umsetzung und Benutzung von Systemen. Die geringere Komplexität und höhere Spezifizität der Benutzungsschnittstelle erleichtert das Erlernen, die Nutzung und Wartung dieser Werkzeuge. Insbesondere unter dem Aspekt, dass Hardware immer günstiger wird, ist es sehr sinnvoll, dedizierte und spezialisierte Geräte zu entwickeln, welche sich schon durch ihr Design (Form, Hardware, Software, Benutzungsschnittstelle) für bestimmte Aufgaben optimieren lassen. Andererseits können – langfristig –Schnittstellen einfach wegfallen. (und damit auch die Computer), das heißt, dass sie gar nicht mehr explizit als solche erkennbar sind. Ein Beispiel dafür wären zukünftige Projektor-Kamera-Prozessor-Einheiten, die wie heutige Leuchtsysteme an den Decken der Räume montiert werden.

In Bezug auf Modelle sind zentralen Herausforderungen für die Entwicklung verständlicher und benutzbarer Systeme:

Entwurf von Modellen: Ein Modell zu finden, das den Benutzer in die Lage versetzt, Wissen aus seiner Erfahrungswelt zu nutzen um mit dem System zu interagieren. Die Erfahrungswelt beinhaltet grundlegende Kenntnisse über physikalische Vorgänge (beispielsweise: Gegenstände fallen nach unten) aber auch erlerntes und spezifisches Wissen aus bestimmten Domänen.
Kommunikation der Modelle: Die gefundenen Modelle in den Implementierungen so umzusetzen, dass für den Benutzer die Bedienung offensichtlich erscheint. In physischen und eingebetteten Benutzungsschnittstellen kann über eine graphische Repräsentation hinaus auch auf Stilmittel des Industriedesigns zurückgegriffen werden, um die Benutzung intuitiv zu gestallten.
Entwurf von effizienten Mensch-Modellen: Modelle zu entwickeln, so dass eine effiziente Interaktion mit dem Computer mittels „Beobachtung des Benutzer“ durch den Computer ermöglicht wird. Diese Beobachtung findet durch geeignete Sensoren möglichst „non-intrusive“ statt.

Forschungsbedarf: Neue Basistechnologien für Benutzungsschnittstellen

In verschiedenen Forschungsbereichen, wie der Elektronik, der Biotechnik, der Medizin oder den Werkstoffwissenschaften, entstehen heute Basistechnologien, die an der Mensch-Maschine-Schnittstelle eingesetzt werden können. Beispiele hierfür reichen von mechanischer Ausgabe (Beispiel: force feedback), über veränderbare Oberflächen und neue Sensoren, bis zur experimentellen Nutzung von Biosignalen, wie Elektroenzephalographie (EEG) im Rahmen von brain-computer interfaces.

Es ist eine zentrale Forschungsaufgabe in der Informatik, neue Basistechnologien für Benutzungs¬schnittstellen zu finden und für diese Bedienkonzepte zu entwickeln. Die Basistechnologien werden erst sinnvoll nutzbar, wenn sie in ein entsprechendes Bedienkonzept eingebettet sind. Solche Technologien können die nutzbare Bandbreite zur Kommunikation zwischen Mensch und Maschine wesentlich erhöhen. Das Konzept der Multimodalität wird hier wesentlich erweitert und die Interaktion wird vom Audio-Visuellen auf alle Sinne erweitert.

Um neue Basistechnologien effektiv einsetzen zu können, sind folgende Punkte wichtig:

Verständnis für neue Basistechnologien: Um effiziente und angemessene Interaktionskonzepte für neue Technologien zu entwerfen, müssen diese aus Informatik-Sicht verstanden und erprobt werden. Eine experimentelle Evaluation von neuen Technologien im realen Kontext von Bedienkonzepten ist unerlässlich.
Abstrakte Schnittstellen und Laufzeitumgebungen: Die informationstechnische Abstraktion von konkreten Sensoren und Aktuatoren ist ein zentraler Schritt zur Bereitstellung von Schnittstellen. Die Entwicklung von Systemen wird wesentlich vereinfacht, wenn von der spezifischen Technologie abstrahiert werden kann. Die Verwaltung von neuen Ein- und Ausgaberessourcen für komplexe Systeme stellt eine weitere Herausforderung dar.

Forschungsbedarf: Interaktionskonzepte für ubiquitäre eingebettete Computer

Neue Bauformen von Computersystemen, wie eingebettete Systeme oder in der Umgebung verteilte (ubiquitäre) Computer, verlangen ebenfalls nach neuartigen Interaktionskonzepten. Diese Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass Benutzer sie nicht als Computer wahrnehmen. Beispiele hierfür sind Bedienelemente für ein Fahrzeug oder für ein Fernsehgerät. Der Computer als solcher tritt für den Benutzer in den Hintergrund, wenngleich die Implementierung des Systems einen oder mehrere Computer enthält. In vielen Fällen sind jetzt schon Computer zum Bestandteil unserer Alltagsumgebungen geworden, und dieser Trend setzt sich weiter fort.

Eine explizite und traditionelle Interaktion mit eingebetteten und ubiquitären Computern ist oft weder möglich noch ökonomisch. Ein zentraler Ansatz für die Gestaltung solcher Systeme besteht darin, alltägliche Handlungen automatisch zu erfassen und als Eingaben zu verwendet. Ein Beispiel ist die Steuerung von Heizung und Klima in Gebäuden, in denen die Benutzer durch Sensorik erkannt werden und Parameter entsprechend den persönlichen Präferenzen geregelt werden. Die Anwesenheit eines Benutzers in einem Raum wird somit zu einer Interaktion mit den „versteckten“ Computern. Allgemeiner können alltägliche Handlungen als implizite Interaktionen mit der computerisierten Umgebung interpretiert werden (im Gegensatz zur expliziten Interaktion mit heutigen Systemen).

Sensoren, Aktuatoren und Displays verleihen unseren Alltagsumgebungen neue Möglichkeiten zur Interaktion, die in ein sinnvolles Gesamtkonzept eingebettet sein müssen. Die Erkennung von Aktivitäten der Benutzer, Interaktionskontexten und Situationen spielt hierbei eine maßgebliche Rolle.

Aus den Entwicklungen im Bereich der Eingebetteten und ubiquitären Systeme ergeben sich die folgenden wesentliche Fragestellungen:

Eingebettete Interaktion: Computer finden Einsatz in immer mehr Gegenständen, Umgebungen und Geräten, treten jedoch für den Benutzer immer mehr in den Hintergrund. Neue Möglichkeiten für die Interaktion durch Einbettung (technisch wie in Handlungsabläufe) machen neue Interaktionskonzepte notwendig.
Die Welt als Benutzungsschnittstelle: Durch neue Technologien und deren Einbettung in Alltagsgegenstände und Alltagsumgebungen ergeben sich weit reichende Veränderungen in Bezug auf die Benutzungsschnittstellen. Alle Interaktionen in der realen Welt sind potenziell Interaktionen mit dem Computer. Dies schafft große Potenziale für effiziente Interaktion mit Daten, aber es birgt auch ein Risiko für die Privatsphäre der Nutzer.

Forschungsbedarf: Benutzerzentrierte Entwicklungsprozesse

Der Entwicklungsprozess interaktiver Systeme muss den Benutzer und den Anwendungskontext von Anfang an konsequent mit einbeziehen. Nur so kann gewährleistet werden, dass die entwickelten Systeme den wirklichen Bedürfnissen, Wünschen und Fähigkeiten der Benutzer gerecht werden.

Während die Methoden des Usability Engineering für heutige Computersysteme recht gut erforscht sind, sind solche Methoden für grundlegend neue Arten von Computersystemen erst zu entwickeln. Nicht alle Interaktionen lassen sich beispielsweise am Kriterium der Effizienz oder Effektivität messen. Interaktionen im Alltag müssen bezüglich ihrer gesamten Erfahrbarkeit (user experience) betrachtet werden, was beispielsweise Faktoren wie Spaß oder Entspannung einschließt. Dies verlangt insbesondere nach neuen Evaluationsprozessen, Metriken und Entscheidungskriterien.