Grundlagen Mensch – Wahrnehmung, Kognition, Motorik & Fehler

Motivation & Grundproblem

• Experiment zum Blinden Fleck
  • Blatt mit Kreuz & Kreis → linkes Auge schließen, Kreuz fixieren, Abstand variieren
  • Kreis verschwindet in bestimmtem Abstand ⇒ Beweis für Wahrnehmungs-Lücke
• Kernaussage
  • Diskrepanz zwischen physikalischer Welt und subjektiver Empfindung
  • Gestaltung in HCI muss Grenzen der menschlichen Wahrnehmung berücksichtigen

Lernziele (alle drei Blöcke)

• Umwandlung physikalischer Reize in Empfindungen verstehen
• Wahrnehmungsprozess, sensorische Schwellen, Psychophysik
• Grundzüge menschlicher Kognition, Gedächtnis, Aufmerksamkeit, Motorik
• Mentale Modelle, sieben Handlungsschritte, Fehlerarten & ‑behandlung
• Technologische Grenzen: Sensoren, Digitalisierung, Sampling

Physikalische vs. Wahrnehmungs­perspektive

• Definition Wahrnehmung
  • Aufnahme, Verarbeitung, Interpretation durch Sinnesorgane, relativ modular
• Physikalische Größen (objektiv)
  • Lichtintensität (Lux), Schalldruck (dB), Frequenz (Hz) …
• Wahrnehmungsgrößen (subjektiv)
  • Helligkeit, Lautheit, Tonhöhe, Timbre, Wärmeempfinden …
• Wichtiges Beispiel
  • Lautere Werbespots durch Dynamik­kompression → gleiche Max-dB, höhere subjektive Lautheit

Wahrnehmungsprozess

• Stimulation → Transduktion → neuronale Weiterleitung → zentrale Verarbeitung → Perzept & Bewertung
• Tabelle adäquate Reize / Sensorische Strukturen / Rezeptorarten
• Nicht-adäquate Reize ⇒ Phosphene-Effekt (Druck aufs Auge erzeugt Lichtempfinden)

Psychophysik & Schwellen

• Absolutschwelle: geringste Intensität, die bewusst wahrgenommen wird
• Unterschiedsschwelle (Just Noticeable Difference, JND)
• Webersches Gesetz: $k = \frac{\Delta R}{R}$
  • Bsp.: $R = 1\,\text{kg},\; \Delta R = 20\,\text{g} \Rightarrow k = 0{,}02$
  • Für $R = 5\,\text{kg} \Rightarrow \Delta R = k \cdot R = 0{,}1\,\text{kg}$
• Fechnersches Gesetz: $E = k \; \log \left( \frac{I}{I_0} \right)$
  • Wahrnehmung wächst logarithmisch → Regler skalieren besser logarithmisch

Technologische Grenzen & Signale

• Sensor = Umwandler physikalische Größe → elektrisches Signal
• Signalarten
  • Wert- & zeitkontinuierlich (analog)
  • Wertdiskret (quantisiert) / zeitdiskret (abgetastet) ⇒ digital
• Digitalisierungsschritte: Abtastung → Quantisierung → Kodierung
• Nyquist-Shannon: $f<em>A > 2\,f</em>{\text{max}}$
  • Beispiel: f{\text{max}} = 12{.}000\,\text{Hz} \Rightarrow fA > 24{.}000\,\text{Hz}
  • Bei $f<em>A = 30{.}000\,\text{Hz} \Rightarrow f</em>{\text{Nyq}} = 15{.}000\,\text{Hz}$
• Unterabtastung ⇒ Aliasing → Tiefpassfilter als Abhilfe
• Tabellen
  • Biosignal-Frequenzen (EKG 0–150 Hz, EEG 0–70 Hz …)
  • Übliche Abtastraten (Telefon 8 kHz/8 Bit, CD 44,1 kHz/16 Bit …)

Human Processor Model (Card, Moran, Newell)

• Prozessoren
  • Wahrnehmungs­prozessor: sensorische Aufnahme
  • Kognitiver Prozessor: recognise–act-cycle, begrenzte Kapazität
  • Motorischer Prozessor: Ausführung
• Zeitkonstanten (Experiment Zickzack)
  • Strich ≈ $70\,\text{ms}$
  • Korrektur ≈ $100\,\text{ms}+70\,\text{ms}+70\,\text{ms}=240\,\text{ms}$

Gedächtnis­strukturen

• Sensorische Register: sehr kurz, roh, multimodal
• Kurzzeitgedächtnis (KZG)
  • Kapazität $7 \pm 2$ Chunks (Miller)
  • Chunking erhöht effektive Kapazität ("MIT VOR FEE…")
  • Enge Kopplung zum kognitiven Prozessor; keine echte Multitasking-Fähigkeit
• Langzeitgedächtnis (LZG)
  • Deklarativ, prozedural, episodisch
  • Recall vs. Recognition → GUI bevorzugt Wiedererkennen
  • Vergessenskurve (Ebbinghaus); spaced repetition flacht Kurve

Aufmerksamkeit

• Broadbent Filtermodell: frühe Selektion im sensorischen Register
• HCI-Implikationen
  • Relevante Infos hervorheben, Ablenkungen reduzieren
  • Blinkende/bewegte Objekte ziehen zwangsläufig Aufmerksamkeit

Motorik & Gesetze

• Fitts’ Law (1D Zeigebewegung)
  • $MT = a + b \cdot ID = a + b \cdot \log_2\left(\frac{D}{W}+1\right)$
  • Größere Ziele & kürzere Distanz ⇒ schnellere Auswahl
  • Bildschirmränder/Ecken effektiv "unendlich groß"
• Steering Law (Pfadgeführte Bewegung)
  • $MT = a + b \int_S \frac{1}{W(s)} ds$
  • Länger/enger Pfad ⇒ längere Zeit; Designregeln für Menüs
• Bimanuale Interaktion (Guiard)
  • Nicht-dominante Hand legt Referenz, dominante führt Feinarbeit aus
  • Beispiele: Schreiben (Papier halten vs. Stift), Touchscreen-Bedienung
• Eingabeordnungen
  • 0. Ordnung: Position; präzise, aber Weg begrenzt
  • 1. Ordnung: Geschwindigkeit; platzsparend (TrackPoint)
  • 2. Ordnung: Beschleunigung; träge, für Simulationen
  • Mischformen: Mausbeschleunigung (Kombi 0 & 1)

Mentale Modelle

• Nutzer konstruiert vereinfachtes Modell zum Planen
  • Beispiel Heizungsregler: "Wasserhahn" vs. "Schalter"
• Aufbau
  • Rotes Auswendiglernen vs. Hypothesen-Generalisierung
• Drei Ebenen
  1. Implementierungsmodell (System-Realität)
  2. Konzeptuelles Modell (vom Designer intendiert)
  3. Mentales Modell (beim Nutzer)
  • UI muss Konzept → Mental möglichst deckungsgleich machen
• Flexibles UI = mehrere Wege (Maus, Shortcuts …) ⇒ mehrere Modelle unterstützbar

Computer als Soziale Agenten

• Mediengleichheits-Effekt (Nass & Moon): Leute bedanken sich bei Chatbots, reagieren auf Geschlecht des Agenten
• Uncanny Valley: starker Negativ­effekt bei „fast“ menschlichen Agenten
• Theory of Mind für Sprachassistenten: Rückfragen, Wissen um Wissenslücken des Nutzers

Sieben Handlungsschritte (Norman)

1. Ziel formulieren
2. Plan erstellen
3. Handlung spezifizieren
4. Ausführen
5. Wahrnehmen des System­zustands
6. Interpretieren
7. Vergleichen mit Ziel

• Gulf of Execution: Ziel ↔ Bedienhandlung (fehlendes Wissen, schlechte Zugänglichkeit)
• Gulf of Evaluation: Anzeige ↔ Interpretation (Unsichtbarkeit, Unklarheit)

Fehlerklassen

• Mistakes: falscher Plan (konzeptuell)
• Slips: richtige Absicht, falsche Ausführung
  • Capture (Autopilot), Description-Slip, Activation-Loss, Mode Error
• Swiss-Cheese-Modell: Unfall = Reihe unverdeckter Fehlerlöcher

Fehlervermeidung & ‑behandlung

• Undo / Confirm / Feedforward / Feedback
• Interlocks, Lock-ins, Lock-outs (Reihenfolge, Zwang, Sperre)
• Reduktion von Modi, klare Kennzeichnung
• Shneidermans 8 Goldene Regeln
  1. Konsistenz
  2. Universelle Nutzbarkeit
  3. Informatives Feedback
  4. Dialoge mit Abschluss
  5. Einfache Fehlerbehandlung
  6. Leichtes Rückgängigmachen
  7. Nutzerkontrolle
  8. KZG-Entlastung

Zusammenfassende Key Messages

• Wahrnehmung ist subjektiv; Psychophysik liefert Gesetze für Interface-Parameter
• Menschliche Informationsverarbeitung: begrenztes KZG, Aufmerksamkeit & Motorik modellierbar (Fitts, Steering)
• Gutes UI gleicht Konzept- und mentales Modell an, reduziert Gulf of Execution/Evaluation
• Fehler sind unvermeidbar → Systeme müssen tolerant sein (Undo, klare Rückmeldung, Locks)
• Digitale Systeme müssen physikalische Grenzen (Nyquist, Aliasing) berücksichtigen, um wahrnehmungsgerechte Signale zu liefern