Interazione Uomo-Macchina L`umano

Interazione Uomo-Macchina
L’umano
1
L’umano
• La psicologia cognitiva studia i processi cognitivi
umani
• processi di acquisizione, organizzazione, elaborazione
ed uso delle conoscenze
• Processi mentali che mediano tra stimoli e risposta
• es. soluzione di problemi, memoria, linguaggio
• Modello della mente umana come elaboratore di
informazioni che giungono dagli organi sensoriali
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1
• Modello GOMS (Card, Moran e Newell)
– semplificato, tiene conto solo degli aspetti rilevanti per l’IUM
• L’informazione è ricevuta e trasmessa attraverso
canali di ingresso/uscita
– Visivo, uditivo, tattile (aptico), motorio …
• L’informazione è immagazzinata in memoria
– Sensoriale, breve termine, lungo termine
• L’informazione è elaborata e applicata in diversi modi
– Ragionamento, soluzione di problemi, abilità, errori
3
• Bisogna ricordare però:
• che le capacità e le risposte umane sono
influenzate delle emozioni
– Emotional design (Norman)
• che vi sono forti differenze individuali.
4
2
Digressione: onde
Un sasso gettato in uno stagno suscita onde
concentriche che si allargano sulla sua superficie,
coinvolgendo nel loro moto, a distanze diverse,
con diversi effetti, la ninfea e la canna, la
barchetta di carta e il gallegiante del pescatore......
[Gianni Rodari, La grammatica della fantasia,
Einaudi, Torino, 1973]
• La “Ola”: la gente non si
sposta, ma qualcosa si
propaga: è l’onda.
• Non c’è trasporto di materia
(ognuno rimane al suo
posto), ma di energia.
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• Registro il livello dell’acqua in un punto dello
stagno (p.es. su un palo): oscilla
•
•
•
•
Periodo: T = tempo per ritornare allo stesso livello
Ampiezza: massima escursione
Frequenza: f =1/T (quante oscillazioni al secondo)
Lunghezza d’onda: ! = T· velocità di propagazione
Grandezza
fisica
Ampiezza
Tempo
Periodo
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3
Luci e suoni, lampi e tuoni
• Il suono è un’onda: ciò che oscilla è la pressione.
• La luce è un’onda: ciò che oscilla è il campo
elettromagnetico.
• Il campo elettrico è quello responsabile delle
attrazione tra corpi carichi con segni opposti
(fenomeni elettrostatici)
• Il campo magnetico è quello responsabile del
fenomeno del magnetismo
• Luce e suono hanno velocità di propagazione diverse
(lampo e tuono).
• In generale, un suono o una colore sono composti da
molte onde, a diverse frequenze, mescolate tra loro.
7
La visione
• Due fasi del processo:
– ricezione fisica dello stimolo
– elaborazione ed interpretazione dello stimolo
(percezione visiva)
8
4
Il ricettore fisico: l’occhio
• Riceve luce e la trasforma in segnale elettrico
• La luce viene riflessa dagli oggetti, che
vengono rappresentati rovesciati sulla retina
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– la retina contiene bastoncelli per la visione a bassi
livelli di luminosità e periferica, e i coni per per la
visione a colori (concentrati nella fovea)
– le celle gangliali (cellule) ricevono input dai coni e
bastoncelli e (i loro assoni) formano il nervo ottico
10
5
Percezione visiva
• Percezione delle dimensioni e della profondità
– l’angolo visuale indica lo spazio occupato da un
oggetto rispetto al campo di vista (è relativo alla
dimensione e distanza dall’occhio)
– l’acutezza visiva è l’abilità di percepire i dettagli
fini
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– Legge della size constancy: gli oggetti familiari
sono percepiti a dimensioni costanti malgrado la
variazione dell’angolo visuale
– indizi come la sovrapposizione aiutano la
percezione di dimensione e profondità
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6
• Stereopsi
– Nella visione stereoscopica,
sui due occhi si formano
due immagini diverse, a
causa del diverso punto di
vista.
– Le differenze sono
interpretate (percepite)
come indizi di profondità.
– La fusione binoculare è
responsabile della
percezione di una sola
immagine della scena.
• circa il 10% della
popolazione è stereo-blind,
• ma sfruttano altri indizi di
profondità…
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Percezione visiva (cont.)
• Percezione della brillantezza
– la brillantezza è la reazione soggettiva alla luminanza
(quantità di luce emessa da un oggetto)
– il contrasto è il rapporto tra la luminanza dell’oggetto e
quella dello sfondo
– l’acutezza visiva cresce con la luminanza
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7
Percezione visiva (cont.)
• Percezione del colore
– Gradazione (o Tinta)
– Saturazione
– Intensità
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– i coni sono sensibili a specifiche lunghezza d’onda
della luce
– l’acutezza del blu è la più bassa (3-4% della fovea
è occupata da coni sensibili al blu)
16
8
– 8% dei maschi e l’1% delle femmine sono daltonici
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Messa a fuoco
– difficoltà di messa a fuoco contemporanea di colori
lontani nello spettro (es.: rosso-blu; gialloporpora) per diverso angolo di rifrazione sul
cristallino
Blu Verde Rosso
LUCE
BIANCA
LENTE
Blu Verde Rosso
A B C
FUOCO SULLA RETINA
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9
colori freddi
colori caldi
I colori caldi tendono ad avanzare, i colori freddi a recedere
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– L’occhio “desidera” i colori complementari
rosso
blu
verde
arancione
giallo
viola
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10
Percezione visiva (cont.)
• Il sistema visivo compensa
– la dimensione (legge della dimensione costante)
– i movimenti (img percepite stabili)
– i cambi di luminanza (colore e brillantezza
invariati).
– L’aspettativa (data dal contesto) è utilizzata per
risolvere le ambiguità
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• Il contesto crea l’aspettativa
22
11
• … ma l’aspettativa può trarre in inganno
The quick brown
fox jumps over the
the lazy dog
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Percezione visiva (cont.)
• Compensazioni errate creano illusioni ottiche
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12
Ponzo Illusion
25
The Ames Room
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13
Lettura
• Diverse fasi
– Viene percepito il pattern visivo
– Viene decodificato usando la rappresentazione interne del
linguaggio
– Le parole sono interpretate usando la conoscenza sintattica,
semantica e pragmatica.
• La lettura comporta i cosiddetti fenomeni saccadici e
di fissazione: la percezione avviene durante la
fissazione (94% del tempo)
• La lettura non è sequenziale (l’occhio si muove avanti
e indietro)
27
28
14
• Velocità di lettura di 250 parole al minuto: le parole
non vengono scandite carattere per carattere.
• Le parole familiari vengono riconosciute dalla forma
• Il maiuscolo non ha forma, e costringe a scandire i
singoli caratteri (rallenta)
• Massima velocità (sperimantale) con
– font da 9 a 12
– lunghezza riga tra 58 e 132 mm.
• La visualizzazione in negativo (nero su bianco)
migliora la lettura (maggior acuità)
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Udito
• Fornisce informazione sull’ambiente:
– distanze, direzioni, oggetti, etc.
• Il soggetto della percezione uditiva sono le
sorgenti primarie (che emettono il suono)
• Il soggetto della percezione visiva sono le
sorgenti secondarie (gli oggetti che riflettono
la luce)
• Canale di input che non richiede attenzione,
da sfruttare nelle interfaccie
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15
Udito
• L’orecchio umano
– esterno: protegge
l’orecchio interno e
amplifica il suono
– medio: trasmette le onde
sonore come vibrazioni
all’interno
– interno: trasmettitori
chimici che vengono
rilasciati e che causano
impulsi al nervo uditivo
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• Il suono
– altezza o pitch: legato alla frequenza del suono,
da grave ad acuto.
– intensità o loudness: livello, “volume”
– timbro: legato al tipo di strumento
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16
• L’essere umano può sentire frequenze dai
20 Hz ai 15 KHz
• Distingue meno accuratamente le alte
frequenze rispetto alle basse
• Il sistema uditivo filtra i suoni:
– Il rumore di fondo viene eliminato consentendoci
di udire suoni familiari senza prestare attenzione
– Esempio: cocktail party effect
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Percezione aptica
• Fornisce importanti feedback circa l’ambiente.
• Aptica = tatto + cinestetica
• Tatto: gli stimoli sono ricevuti mediante
recettori nervosi della pelle:
– Termorecettori: sensibili alla temperatura
– Nocirecettori: sensibili al dolore
– Meccanorecettori: sensibili alla pressione
• Può essere un senso basilare per chi è
disabile visivamente
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17
meccanorecettori
nocirecettori
termorecettori
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Tatto (cont.)
• Alcune aree sono più sensibili di altre (p.es., dita)
• Cinestetica: consapevolezza della posizione (e del
moto) del corpo e degli arti
– recettori nei muscoli e tendini
– fornisce feedback al sistema motorio
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18
Movimento
• Tempo richiesto per rispondere ad uno
stimolo = tempo di reazione + tempo di
movimento
• Il tempo di movimento dipende dall’età, dalla
forma fisica, etc.
• Il tempo di reazione dipende dal tipo di
stimolo:
– visivo: 200 ms
– uditivo: 150 ms
– dolore: 700 ms
• Come sono legate velocità e precisione?
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Legge di Fitts
• La legge di Fitts descrive il tempo impiegato per
colpire un obiettivo nello schermo
•
Mt = a + b log2 (D/S +1)
•
dove
–
–
–
–
a e b sono costanti determinate empiricamente
Mt è il tempo motorio
D è la distanza
S è la dimensione
D
S
38
19
• L’obiettivo in generale deve essere
– più grande possibile
– più vicino possibile
Il tempo necessario per raggiungere il
bottone è lo stesso nei due casi
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La memoria
• Distinguiamo 3 tipi di memoria
– Sensoriale
– Breve termine
– Lungo termine
• Sono collegati con un modello a cascata
Memorie sensoriali
- iconica
- ecoica
- aptica
Memoria
a breve termine
STM
attenzione
Memoria
a lungo termine
LTM
ripetizione
(rehearsal)
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20
Memorie sensoriali
• Memorie tampone che registrano temporaneamente
gli stimoli sensoriali:
– iconica: stimolo visivo
– ecoica: stimolo uditivo
– aptica: stimolo aptico
• L’informazione passa dal livello sensoriale alla STM
mediante l’attenzione
• Se l’informazione non passa nella STM viene
rapidamente sovrascritta e persa (2s audio, 0.3
video)
Buffer sensoriali
- memoria iconica
-memoria ecoica
-memoria aptica
Memoria
a breve termine
STM
attenzione
Memoria
a lungo termine
LTM
ripetizione (rehearsal)
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Digressione: memorie tampone
• Sono memorie, tipicamente FIFO (first-in-first-out),
ache sono interposte tra due blocchi di elaborazione
che producono/consumano dati in modo non
sincronizzato
• Es. Video streaming
Player
Sorgente
Internet
25 quadri/s
Buffer
?? quadri/s
Velocità di
trasmissione
variabile
25 quadri/s
42
21
Attenzione
• Attenzione: selezione degli stimoli in base
all’interesse (arousal).
• Per non essere sovraccaricati dobbiamo
selezionare gli stimoli
• La selezione degli stimoli cui prestare
attenzione è determinata dal livello di
interesse o necessità.
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Memoria a breve termine (STM)
• Registrazione temporanea dell’informazione
che è oggetto della elaborazione in corso
(memoria di lavoro).
• Es: per comprendere una frase bisogna
tenerla a mente tutta dall’inizio.
– accesso rapido: 70 ms
– decadimento rapido: 200 ms
– capacità limitata: 7±2 “pezzi” (chunks) di
informazione
44
22
Chunking
• La STM si organizza in chunks, ie., gruppi di
informazione consistenti.
• In questo modo è possibile aumentarne la
capacità.
• Es. numero di telefono a blocchi
- 0458027088 oppure 045 802 7088
• La formazione di un chunk è detta chiusura.
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Interferenze
• Interferenze disturbano il mantenimento in
STM:
– Il ricordo delle cose viste più di recente è migliore
del ricordo di cose precedenti (recency effect).
– L’effetto scompare se tra presentazione e ricordo il
soggetto viene impegnato con un’altro compito.
• Per questo l’umano ha il bisogno di
completare i compiti che impegnano la STM.
46
23
Modello di Baddeley della STM
• Tre componenti:
– Visuo-spatial sketch pad: informazione visiva e
spaziale
– Phonological loop: informazione verbale
– Central executive: coordina la STM
• L’interferenza accade solo se si impegna lo
stesso componente
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STM: Design Implications
• support user by reducing demands on
working memory
• do not require user to remember temporary
operating states and labels
• help the user remember how far the task
they have have progressed
• help the user remember what the system
expects them to do next
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24
Data entered to define a query…
I dati inseriti in una
schermata….
49
…reproduced on next page
… riprodotti in quella
successiva
50
25
Quando questa pagina
scompare, devo mantenere
tutte queste informazioni
nella STM
51
Questa è una
soluzione migliore.
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Memoria a lungo termine (LTM)
• Area di archivio di tutta la conoscenza (ciò che
sappiamo)
– accesso lento: 0,1 s
– decadimento lento o nullo
– enorme e illimitata capacità
• Esistono 2 tip di LTMi:
– episodica: memoria di eventi ed esperienze in forma seriale
– semantica: memoria strutturate di fatti, concetti, e capacità.
• L’informazione nella memoria semantiva deriva da
quella episodica
– si imparano fatti o concetti dalle esperienze
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La memoria semantica è strutturata in modo
da:
– fornire accesso alle informazioni
– rappresentare le relazioni tra le informazioni
– supportare il ragionamento (inferenza)
• Esistono vari modelli (complementari) per la
struttura della LTM
– Rete semantica
– Frames
– Scripts
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27
Modelli di LTM - Rete semantica
• Modello a rete
– ereditarietà: nodi figli ereditano le proprietà dei
nodi padri
– relazione esplicita tra elementi informativi
– supporta deduzione attraverso l’ereditarietà
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Modelli di LTM - Rete semantica
56
28
Modelli di LTM - Frames
• informazione organizzata in una struttura dati
• i campi della struttura sono riempiti con valori
specifici per una certo esemplare.
• estendono la rete semantica
DOG
Fixed
Default
Variable
legs: 4
diet: carnivorous
sound: bark
size:
color:
COLLIE
Fixed
Default
Variable
breed of: DOG
type: sheepdog
size: 65 cm
color:
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Modelli di LTM: Script
• Rappresentazione di informazione stereotipata, richiesta per
interpretare situazioni
• Possiede elementi che possono rappresentare il contesto
Script per una visita dal veterinario
Entry condition: dog ill
vet open
owner has money
Result: dog better
owner poorer
vet richer
Props: examination table
medicines
instruments
Roles: vet examines
diagnoses
owner brings dog in
pays
takes dog out
Scenes: arriving at reception
waiting in room
examination
paying
58
29
Modelli di LTM: regole di produzione
• Rappresentazione di conoscenza procedurale
– regole condizione-azione
– se la condizione è verificata, la conseguente
azione è svolta
SE il cane muove la coda
ALLORA accarezza il cane
SE il cane ringhia
ALLORA scappa
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I processi della LTM
• Tre tipi di processi
– Memorizzare (archiviare) informazioni
– Dimenticare (cancellare) informazioni
– Recuperare (accedere alle) informazioni
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30
LTM: Memorizzare
• L’informazione si muove dalla memoria STM alla LTM
per rehearsal (ripetizione, studio).
• Ipotesi di tempo totale: la quantità di informazione
memorizzata è proporzionale al tempo di ripetizione:
(più si studia, più si ricorda)
• Distribution of practice effect: a parità di tempo
totale, si hanno migliori risultati distribuendo nel
tempo
Buffer sensoriali
- memoria iconica
-memoria ecoica
-memoria aptica
Memoria
a breve termine
STM
attenzione
Memoria
a lungo termine
LTM
ripetizione
(rehearsal)
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LTM: Dimenticare
• Decadimento
– l’informazione viene persa gradualmente ma lentamente
• Interferenza
– la nuova informazione rimpiazza la vecchia: interferenza
retroattiva
– Informazione vecchia può interferire con la nuova: inibizione
proattiva (Es., tornare vs casa vecchia invece della nuova)
• Parole legate ad emozioni si ricordano meglio
• È possibile dimenticare?
– il dato è stato rimosso…
– …oppure è solo molto difficile recuperarlo?
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31
LTM: Recuperare
• Ricordo
– l’informazione viene “ripescata dalla memoria”.
– il processo può essere agevolato da indizi.
• Riconoscimento
– la presentazione di un’informazione provoca la
consapevolezza che tale informazione è stata già vista.
– Meno complesso del: l’informazione presentata è un indizio.
• Indizi per aiutare il ricordo
– Uso di categorie
– Visualizzazione
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Il pensiero
Cogito ergo sum (Cartesio)
• L’umano:
– acquisisce informazioni
– le mantiene in memorie di vario tipo
– ie elabora: il pensiero
• Due categorie del pensiero:
– Ragionamento
– Soluzione di problemi (Problem solving)
Ragionamento
Problem
solving
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Ragionamento
• Processo con cui si usa la conoscenza di cui si
dispone per trarre conclusioni o dedurre
qualcosa di nuovo sul dominio di interesse
• Tre tipi:
– Deduttivo
– Induttivo
– Abduttivo
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Ragionamento deduttivo
• Le conclusioni sono logicamente derivate
dalle premesse date.
• Esempio:
• Se è venerdì, egli andrà a lavorare
• È venerdì
• Quindi: egli andrà a lavorare
• La deduzione umana è fallace, perchè usa
anche la conoscenza del mondo (scorciatoie)
• Esempio:
• Alcune persone sono bambini
• Alcuni bambini piangono
• Quindi: alcune persone piangono
67
33
Ragionamento induttivo
• Generalizza da casi visti a casi non visti.
– Esempio: tutti gli elefanti che ho visto hanno la
proboscide, quindi tutti gli elefanti hanno la
proboscide
• Si può solo falsificare, ma mai provare vera.
• Comunque utile nel mondo reale, per sapere
cosa aspettarsi.
• L’essere umano usa meglio l’evidenza positiva
che quella negativa l’evidenza negativa
– Esempio, carte di Wason
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• Affermo che: “Se una carta ha una vocale da
una parte, allora ha un numero pari dall’altra”
• Quali carte devo girare per testare la verità
della frase?
4
E
7
K
69
34
Ragionamento abduttivo
• Risalire dagli eventi alle cause
– Esempio: Marco guida veloce quando ha bevuto
– Se vedo Marco guidare veloce, assumo che abbia
bevuto
• Non affidabile: può portare a false spiegazioni
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Problem solving
• Processo di ricerca della soluzione a problemi
non familiari usando la conoscenza
• Diverse teorie
– Gestalt (produttivo e riproduttivo)
– Teoria del problem space
– Analogia
71
35
Gestalt
• Problem solving: produttivo o riproduttivo
– Riproduttivo: riproduzione di soluzioni prese dall’esperienza
precedente (spiegazione comportamentale)
– Produttivo: cerca di ristrutturare il problema con intuito
(insight);
• Attraente ma
– non esiste abbastanza evidenza per spiegare quando la
ristrutturazione avviene.
– Non è chiaro cosa sia l’intuito.
• Ha il merito di avere messo in discussione la teoria
comportamentale aprendo la strada alla teoria basata
sulla elaborazione
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Teoria del problem space
• Teoria di Newell & Simons
• Il problem space comprende tutti gli stati del
problema (la soluzione è un particolare stato)
• Il problem solving comporta la generazione di stati
usando operatori legali (mosse)
• Largamente applicata alla soluzione di problemi in
contesti ben definiti (eg., giochi, puzzle)
• Si usano euristiche per selezionare gli operatori
– p.es. analisi means-ends: lo stato corrente viene confrontato
con il goal e poi viene scelta l’operatore che più riduce la
differenza tra i due
• Opera entro i sistemi umani di elaborazione delle
informazioni
– capacità della STM, velocità di recupero dei dati ecc…
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36
Gioco del quindici
• Stato: posizione dei
tasselli
• Operatori: spostare
uno dei tesselli che
sono liberi di
muoversi
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Analogia
• I nuovi problemi sono risolti trovando una
corrispondenza (analogia) con la conoscenza relativa
a dominio noto.
• Stabilita la corrispondenza, metodi e soluzioni del
dominio noto vengono trasferiti in quello nuovo.
• L’analogia può essere difficile da stabilire, specie se i
domini sono semanticamente diversi.
• Si inquadra nella Gestalt come ristrutturazione
produttiva.
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37
Acquisizione di esperienza
• Abbiamo parlato di come risolvere problemi nuovi.
• Spesso però i problemi che dobbiamo affrontare sono
ricorrenti
• Come avviene che un soggetto diventi “esperto”,
ovvero più abile a risolvere problemi?
• Alcuni punti
– Uso di chunking per usare al meglio la STM
– Capacità di raggruppare problemi in base ad analogie
concettuali (il novizio è più superficiale)
• Il comportamento esperto diventa automatico con il
tempo, e questo può causare errori.
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Errori
• Svista (errore non intenzionale)
– Intenzione corretta, ma fallisco nel metterla in atto
– Cause: scarsa abilità fisica, disattenzione …
– Cambiamenti di contesto nel comportamento esperto
possono causare errori
• Sbaglio (errore)
– Intenzione sbagliata
– Causa: comprensione incorretta del sistema o della
situazione
• l’uomo crea modelli mentali per spiegare il comportamento
delle cose, se il modello è sbagliato, accadono errori (es.
pensavo che l’interuttore accendesse la luce invece era il
campanello)
• Non è sempre colpa dell’uomo: il progettista deve tenere
presente le convenzioni ed i modelli mentali comuni.
77
38
Cognition and Affect
• Both affect and cognition are information-processing
systems, but they have different functions.
• The cognitive system interprets and makes sense of
the world.
• The affective system makes judgments and quickly
helps you determine which things in the environment
are dangerous or safe, good or bad.
• Affective signals are neurochemical; they literally
change the way we perceive, decide, react at the
physical level
• Note that cognition and affect influence one another:
– some affective states are driven by cognition,
– while cognition often impacts affect.
78
Emotion
• Emotion is the conscious experience of affect,
complete with attribution of its cause and
identification of its object.
• The queasy, uneasy feeling you might
experience, without knowing why, is affect.
• Anger at Harry, the used-car salesman, who
overcharged you for an unsatisfactory
vehicle, is emotion. You are angry at
something—Harry—for a reason.
79
39
Affect and behaviour
• Affect also has a major impact on how well
we are able to perform tasks.
– Negative affect focuses the mind, leading to better
concentration.
• In cases of an immediate threat this is good, for it
concentrates processing power upon the danger.
• When creative problem solving is required this is bad, for
it leads to narrow, tunnel vision.
– Positive affect broadens the thought processes,
making it more easily distractible.
• When the problem requires focus, this is bad,
• but when the problem is best addressed through
creative, out-of-the-box thinking, then this is precisely
what is needed.
80
Three-level model of behaviour
• Visceral level
– instinctive behavior
• Behavioral level
– skilled, habitual behaviors
• Reflection level
– The mind thinking about its own representations
• Processing at each level serves two different
functions:
– Affect: evaluation of the world and what is happening in it
– Cognition: the interpretation of what is happening in the
world.
81
40
REFLECTION
BEHAVIOUR
VISCERAL
82
Affect and usability
• L’usabilità di un sistema non ha a che fare
solo con la sua funzionalità (livello
comportamentale) ma anche con aspetti
emozionali:
• Positive affect makes interfaces easier to
learn and use, can make users more tolerant
of flaws
• Negative affect can make easy tasks hard,
magnify the effect of usability problems
83
41
FINE!
84
42