Using predictive and descriptive cognitive models for evaluation of interactive computing systems

Abstract

The advent of Interactive Computing Systems (ICSs) has released the great potential that computers have for influencing everyday human activity. The establishment of Human Computer Interaction (HCI) as an academic discipline has helped develop a sense that serious consideration and understanding of how humans interact with computers is a pressing necessity for both the computer scientist and the developer. One of the traditional ways of using HCI research to foster the development of better technology is by resorting to the use of Interaction Models – or simplifications of the reality capable of being operationalized in such a way that provide valuable information in order to adapt a given system to its user. Two types of models, often respectively referred as Predictive Cognitive Models (PCMs) and Descriptive Cognitive Models (DCMs), have emerged from the HCI research in the last decades, and they have been used with the primary goal of formalizing empirical insights and foreseeing design and interaction problems. Throughout this thesis, we will review the prolific history of user-research in HCI while showing contributions of both interaction-modeling approaches for the development of innovative and safer user interface technology. As a way of proving the benefit these approaches can bring to the development of today’s ICSs, we will demonstrate their application to the evaluation and development of two types of ICSs that are at the forefront of current HCI challenges: Immersive Virtual Environments (IVEs), and Safety-critical Interactive Medical Devices. Although distinct in principle, these ICSs have some communalities that render them interesting use-cases in the scope of this thesis. Both systems are becoming increasingly widespread, and due to their particularities, both present new interaction challenges that are absent from more traditional HCI use-cases, such as the personal computer. The main outputs of this thesis are thus twofold: the outline of new PCMs and design guidelines that can help the development of increasingly immersive virtual environments; and the outline of a new DCM of use-error with safety-critical devices in addition to a set of design guidelines that can help mitigate these errors and foster the development of increasingly safer medical devices.

O surgimento de Sistemas Interativos de Computação (SIC) potenciou o impacto e a influência que os computadores exercem sobre a atividade quotidiana dos seres humanos. A consolidação da Interação Humano-Computador (IHC) como uma disciplina académica, ajudou a estabelecer a ideia de que a séria consideração e o estudo aprofundado da forma como os utilizadores interagem com os computadores, é uma necessidade premente tanto para o cientista da computação, como para o técnico que desenha e desenvolve novos SIC. Uma das formas tradicionais de utilizar os métodos de IHC para fomentar o desenvolvimento de melhor tecnologia, é recorrendo ao uso de Modelos de Interação – simplificações da realidade capaz de serem operacionalizadas de modo a fornecer informações valiosas para adaptar um sistema ao seu utilizador. Da investigação em IHC emergiram dois tipos de modelos, frequentemente referidos como Modelos Cognitivos Preditivos (MCP) e Modelos Cognitivos Descritivos (MCD), usados com o objetivo principal de formalizar resultados empíricos e prever problemas de design da interação. Ao longo desta tese, iremos rever a prolifica história da investigação com utilizadores em IHC e demonstrar como ambas as abordagens de modelação da interação apoiaram o desenvolvimento de tecnologia, segura e inovadora, de interface com o utilizador. De forma a demonstrar que estas abordagens podem trazer o mesmo benefício ao desenvolvimento dos SIC atuais, descreveremos a sua aplicação à avaliação e desenvolvimento de dois tipos de SIC, na vanguarda dos atuais desafios da IHC: Ambientes Imersivos e Virtuais (AIVs), e Dispositivos Médicos Interativos e de Segurança-Crítica. Embora distintos na sua gênese, estes SIC têm algumas semelhanças que os tornam casos de uso interessantes no âmbito desta tese. Ambos os sistemas estão cada vez mais difundidos e, devido às suas particularidades, apresentam novos desafios de interação que estão ausentes nos casos de uso tradicionais da IHC, como o computador pessoal. Desta forma, os resultados desta tese dividem-se em duas principais áreas: o desenvolvimento de novos MCPs e diretrizes de design para apoiar o desenvolvimento de ambientes virtuais cada vez mais imersivos; e o desenvolvimento de um novo MCD de erro de uso em dispositivos de segurança-crítica, além de um conjunto de diretrizes de design que podem ajudar a mitigar esses erros e promover o desenvolvimento de dispositivos médicos cada vez mais seguros.