王苗輝，李 艷，宋 武，黃梅英，陳 莉

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基于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)研究——以格力空調(diào)為例

王苗輝1，李 艷1，宋 武2，黃梅英1，陳 莉1

(1. 華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021；2. 華僑大學(xué)美術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362021)

針對(duì)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行分析。以基于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)研究理論為基礎(chǔ)，以格力柜式空調(diào)KF_72LW操作界面的改良設(shè)計(jì)為對(duì)象，通過問卷、心理模型實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立樣本的任務(wù)模型對(duì)比實(shí)驗(yàn)等科學(xué)方法對(duì)柜式空調(diào)人機(jī)交互界面的可用性進(jìn)行了研究。得出了空調(diào)人機(jī)交互界面框架設(shè)計(jì)不合理，各功能鍵的位置布局不合理。通過分析各實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，科學(xué)確定了用戶的需求及現(xiàn)有空調(diào)界面設(shè)計(jì)的問題，歸納空調(diào)界面改良設(shè)計(jì)的思路，并產(chǎn)生了改良交互設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而通過獨(dú)立樣本的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，探討了基于科學(xué)研究的改良設(shè)計(jì)的有效性。

工業(yè)設(shè)計(jì)；科學(xué)實(shí)驗(yàn)；人機(jī)交互界面；人因工程

隨著技術(shù)的進(jìn)步，人機(jī)交互研究成為工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。交互設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)是經(jīng)過設(shè)計(jì)的、合理的用戶體驗(yàn)[1]。但在交互界面物理設(shè)計(jì)的層面，已有研究大多仍聚焦于外觀形態(tài)，偏重于造型、裝飾、概念等表征化設(shè)計(jì)，利用科學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行交互設(shè)計(jì)研究則相對(duì)匱乏。

發(fā)達(dá)國家則通過利用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備得出科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方式，保障人機(jī)界面設(shè)計(jì)結(jié)果的科學(xué)性及可信賴性，進(jìn)而支撐了整個(gè)設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展。這給我國人機(jī)界面設(shè)計(jì)研究的思路提供了參考。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 用戶模型

人機(jī)交互的基本原則是以用戶為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。為了確保用戶在實(shí)際使用工業(yè)產(chǎn)品時(shí)，人機(jī)交互界面的安全性、有效性和舒適性，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)全面考慮人、產(chǎn)品、環(huán)境三者之間的相互作用，充分考慮用戶的學(xué)習(xí)過程、使用出錯(cuò)情況。因此，應(yīng)建立合適的用戶模型。在人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)過程中引入用戶模型研究，能很大程度改變傳統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)過程中以設(shè)計(jì)人員為主導(dǎo)，依賴新技術(shù)或新概念研發(fā)新的界面時(shí)所帶來的用戶被動(dòng)適應(yīng)新產(chǎn)品、重建心智模型的問題[3]，即能使界面更好懂、更容易使用。

用戶模型的研究包括了心理模型和任務(wù)模型2個(gè)方面的內(nèi)容[4]。本文主要是通過了解用戶在具體操作使用空調(diào)過程中的行為習(xí)慣及動(dòng)作，研究其在操作前、中、后的知覺特性和認(rèn)知特性來建立用戶模型。具體內(nèi)容是研究界面設(shè)計(jì)的信息是否存在冗余，信息顯示的位置是否合適，完成指定任務(wù)的操作步驟是否合理，信息表達(dá)(圖或文字)能否被使用者正確理解。

1.2 眼動(dòng)追蹤技術(shù)

眼動(dòng)追蹤技術(shù)是借助眼動(dòng)儀對(duì)用戶眼動(dòng)軌跡進(jìn)行記錄和分析的一種技術(shù)，通過記錄用戶操作過程中興趣點(diǎn)的注視次數(shù)、注視時(shí)間、第一次注視時(shí)間等數(shù)據(jù)，研究用戶對(duì)交互界面的認(rèn)知過程?？梢詮难蹌?dòng)路徑、熱度、信息量、任務(wù)用時(shí)和注視頻率等方面對(duì)新舊界面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以定量實(shí)驗(yàn)方法評(píng)估新舊界面的優(yōu)劣[5]。眼動(dòng)儀的主要參數(shù)有熱點(diǎn)圖(反映了用戶的關(guān)注點(diǎn)及關(guān)注時(shí)長，顏色越紅表示關(guān)注的時(shí)間越長)、軌跡圖、注視次數(shù)、總的注視時(shí)間等?？傊谕瓿芍付ㄈ蝿?wù)的過程中，注視次數(shù)少、注視時(shí)間短、掃描路徑和時(shí)間短則表明界面設(shè)計(jì)合理，用戶容易使用且出錯(cuò)率較低。本研究采用TobiiX2-60C眼動(dòng)儀對(duì)格力柜式空調(diào)操作界面進(jìn)行可用性評(píng)估。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先，為避免傳統(tǒng)的界面研發(fā)設(shè)計(jì)過程中以設(shè)計(jì)人員為主導(dǎo)而出現(xiàn)的主觀隨意的傾向，也為了更加充分地了解使用者對(duì)于柜式空調(diào)的操作界面的實(shí)際認(rèn)知情況，采用了問卷法進(jìn)行了調(diào)查[6]。本研究共發(fā)放問卷85份，有效回收問卷82份。

其次，結(jié)合眼動(dòng)儀對(duì)格力柜式空調(diào)操作界面改良前、后進(jìn)行了基于任務(wù)模型的可用性評(píng)估實(shí)驗(yàn)及兩獨(dú)立樣本的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。首先請(qǐng)6名未使用過此款空調(diào)且視力正常的被試者按要求尋找并確定仿真界面中的最為重要的開關(guān)鍵位置，并將調(diào)試好的眼動(dòng)儀放置在被試者與仿真界面之間以獲取被試的眼動(dòng)軌跡圖。然后，在細(xì)致分析用戶真實(shí)使用操作界面時(shí)常見的操作行為的基礎(chǔ)上，提煉了5個(gè)典型任務(wù)，分別為“打開空調(diào)開關(guān)”、“溫度調(diào)至25度”、“模式調(diào)至制冷”、“定時(shí)1個(gè)小時(shí)”、“關(guān)閉空調(diào)開關(guān)”。以原始操作界面及改進(jìn)后的仿真操作界面為對(duì)象，征召男女各半、視力正常且未使用過該型號(hào)空調(diào)的24名實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行上述5個(gè)指定任務(wù)的模擬操作，錄屏記錄被試完成各任務(wù)的動(dòng)作、操作時(shí)間、是否出錯(cuò)等信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行深度訪談。

另選男女各15名試驗(yàn)者(為了避免實(shí)驗(yàn)誤差及干擾，這30名被試者未參與用戶模擬實(shí)物操作及眼動(dòng)實(shí)驗(yàn))進(jìn)行心理模型研究實(shí)驗(yàn)，即讓其參與界面設(shè)計(jì)[7]，將結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加后提取公共因素，用戶的心理模型可據(jù)此確定。具體方式是將原界面中的相關(guān)元素等比例打印(為了避免色彩對(duì)布局結(jié)果產(chǎn)生影響，元素為黑白打印，打印出來后把每個(gè)元素單獨(dú)裁剪出來，并把界面中的元素打亂)，讓30名被試者對(duì)界面中的元素按照各自的理解確定其在界面中的位置，即進(jìn)行界面的布局設(shè)計(jì)，對(duì)30份布局設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理，重疊最多的位置體現(xiàn)了用戶心理模型下的優(yōu)化布局設(shè)計(jì)方案。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 問卷分析

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在中國南部城市，更多的用戶使用空調(diào)的時(shí)間是夏季，秋冬季節(jié)對(duì)于空調(diào)的使用頻率較低，制冷模式使用頻率最高，占比90.2%。約75.6%的被調(diào)查者表示沒有使用過空調(diào)的除制熱、制冷以外的其他特殊功能；在使用過空調(diào)的其他特殊功能的用戶中，60%的用戶使用了“換氣”功能，35%的用戶使用了“干燥”功能，20%的用戶使用了“輔熱”功能，5%的用戶使用了“其他”功能；占比65.8%的用戶沒有使用過空調(diào)的“環(huán)境”模式，甚至有近三分之一的用戶對(duì)環(huán)境功能毫不知情；在使用過空調(diào)的環(huán)境模式的用戶中，60.7%的用戶使用的環(huán)境模式是節(jié)能，其次是客廳模式，占17.9%。

3.2 可用性評(píng)估實(shí)驗(yàn)分析

可用性評(píng)估實(shí)驗(yàn)中6名被試者的注視點(diǎn)軌跡圖(圖1)和注視點(diǎn)熱點(diǎn)圖(圖2)顯示，被試者注意力集中的區(qū)域?yàn)椴僮髅姘迳蠝囟蕊@示的區(qū)域及開關(guān)件所在位置的區(qū)域，即圖1各顏色小圓點(diǎn)重疊最為密集及圖2熱點(diǎn)圖上紅色標(biāo)識(shí)的區(qū)域；圖1所示的眼動(dòng)軌跡圓圈里的數(shù)據(jù)從小到大的順序體現(xiàn)了被試者觀察時(shí)眼動(dòng)的先后順序，將這些點(diǎn)按從小到大的順序連起來后形成的折線即為被試者的觀察路徑。對(duì)6名被試者的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)綜合分析后發(fā)現(xiàn)：被試者在尋找開關(guān)鍵的過程中，注視點(diǎn)移動(dòng)的規(guī)律表現(xiàn)為先注意數(shù)字溫度顯示，再從左向右搜尋，最后是右邊的開關(guān)鍵，視線搜尋路徑變動(dòng)較大，且不規(guī)則，表明了被試者在尋找開關(guān)鍵的過程中耗費(fèi)了較多的時(shí)間及注意力，體現(xiàn)了開關(guān)鍵布局設(shè)計(jì)上的不合理，需要進(jìn)行改善。

圖1 注視點(diǎn)軌跡圖

圖2 注視點(diǎn)熱點(diǎn)圖

3.3 獨(dú)立樣本對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

心理模型實(shí)驗(yàn)中30名被試者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖形化疊加處理的結(jié)果如圖3和圖4所示，其中不同顏色及透明度的圓點(diǎn)代表著不同的功能按鍵，圓點(diǎn)的數(shù)量代表著被試者的數(shù)量，不同色相和透明度的框線標(biāo)識(shí)的區(qū)域是被試者布局設(shè)計(jì)方案重疊較多、共性較顯著的區(qū)域。圖形分析結(jié)果表明：在所有被試者關(guān)于按鍵布局設(shè)計(jì)的方案中，用來控制溫度升降的加減鍵位置如圖3所示的藍(lán)色框線區(qū)域所示，且傾向于布置在整個(gè)界面的右方，并且上下排布；定時(shí)鍵與模式設(shè)置鍵則更傾向于放在兩側(cè)；開關(guān)鍵放在左上方，其他鍵沒有明顯規(guī)律。

在基于任務(wù)模型的簡單對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，被試者完成任務(wù)正確率80.00%，操作錯(cuò)誤原因均由定時(shí)失敗造成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察得到，其中5名被試者在模式設(shè)置過程選擇模式時(shí)，按鍵多按一輪才能選到需要的模式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)后訪談得知：定時(shí)失敗是由于定時(shí)1小時(shí)之后忘記確認(rèn)定時(shí)或不知道確認(rèn)定時(shí)，而按功能鍵直接關(guān)機(jī)。模式選擇出現(xiàn)錯(cuò)誤，且都是因?yàn)閺淖詣?dòng)模式選到制冷模式時(shí)需要連續(xù)按多次操作，出現(xiàn)了誤操作或出錯(cuò)現(xiàn)象。

圖3 按鍵排布的心理模型構(gòu)建圖

圖4 顯示排布的心理模型構(gòu)建圖

3.4 結(jié) 果

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有格力柜式空調(diào)調(diào)節(jié)界面設(shè)計(jì)中存在的主要問題有：空調(diào)柜機(jī)中的人機(jī)交互界面的框架設(shè)計(jì)不合理，用戶在操作過程中不理解，從而導(dǎo)致操作出錯(cuò)；布局設(shè)計(jì)不合理，即重要的功能鍵比如開關(guān)鍵位置不明顯，不容易被較快地發(fā)現(xiàn)，不常用的按鍵與常用按鍵的分布沒有主次，邏輯關(guān)系不強(qiáng)烈；定時(shí)操作容易出錯(cuò)，制冷模式的操作需要多個(gè)環(huán)節(jié)且缺乏有效的信息提示。

4 基于科學(xué)研究的界面改良設(shè)計(jì)

考慮到格力空調(diào)柜機(jī)界面框架設(shè)計(jì)的合理性是影響用戶使用體驗(yàn)及使用效率的主要因素，擬對(duì)柜式空調(diào)的操作結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分類和重塑[8]。

在格力柜式空調(diào)KF_72LW操作界面的原始框架中，各個(gè)功能的優(yōu)先級(jí)沒有完全遵循使用頻率原則，例如使用頻率較高的定時(shí)在功能級(jí)的下一級(jí)，界面框架設(shè)計(jì)的不合理性嚴(yán)重影響用戶的使用體驗(yàn)及使用效率。本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)用戶心理模型的構(gòu)建進(jìn)行總結(jié)歸納，打破原始框架，對(duì)柜式空調(diào)的操作結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分類和重塑(圖5，6)：通過將容易出錯(cuò)的定時(shí)功能和常用的掃風(fēng)功能單獨(dú)作為按鍵，減少界面選項(xiàng)和精確化操作[9]；常用掃風(fēng)功能根據(jù)界面設(shè)計(jì)一致性原則單獨(dú)作為按鍵選擇[10]；將溫度、風(fēng)速等功能顯示安排在居中位置(圖7)。

圖5 原界面的框架

圖6 改良后的框架

圖7 改良設(shè)計(jì)界面效果圖

5 結(jié) 論

本研究通過2個(gè)獨(dú)立樣本的T檢驗(yàn)以及方差分析，探討界面設(shè)計(jì)改良前后被試者完成各項(xiàng)任務(wù)的總時(shí)間是否具有顯著差異以及單個(gè)任務(wù)完成時(shí)間是否具有顯著差異的指標(biāo)來探討設(shè)計(jì)改良的效果。為此，在SPSS24軟件系統(tǒng)中，首先進(jìn)行了改良前后完成任務(wù)的總時(shí)間這一變量進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，分析結(jié)果見表1。

表1 改良前、后任務(wù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從表1可以看出，改良前有效樣本數(shù)為24個(gè)，完成各任務(wù)的平均時(shí)間為47.57 s；改良后的有效樣本數(shù)為19個(gè)，完成任務(wù)所需總時(shí)間為28.05 s，比改良前減少了19.52 s，直觀判斷設(shè)計(jì)改良有較大的改善。獨(dú)立樣本檢驗(yàn)結(jié)果見表2，由于其顯著性水平為0，可以拒絕原假設(shè)，即可以認(rèn)定界面設(shè)計(jì)改良前后完成各任務(wù)的總時(shí)間存在顯著差異，改良具有顯著效果。

表2 獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)

事實(shí)上，可以通過方差分析來印證這一推論。表3是改良前后對(duì)完成任務(wù)總時(shí)間的單因素方差分析結(jié)果?？梢钥吹剑河^測(cè)變量完成任務(wù)總時(shí)間的離差平方總和是9 297.024。如果只考慮總時(shí)間單個(gè)因素的影響，則在總變差中，改良與否引起的可解釋的變差為4 039.514，抽樣誤差引起的變差為5 257.509，其均方差分別為4 039.514和128.232，相除所得的F統(tǒng)計(jì)量的觀測(cè)值為31.502，對(duì)應(yīng)的概率p-值近似為0。由于顯著性水平為0.05，則應(yīng)拒絕原假設(shè)，即應(yīng)認(rèn)為改良前后完成任務(wù)的總時(shí)間存在顯著差異，即改良后的完成任務(wù)時(shí)間與改良前有顯著減少，改良是有顯著效果的。

為進(jìn)一步探討各任務(wù)對(duì)于改良效果的貢獻(xiàn)情況，可進(jìn)一步進(jìn)行多因素方差的均值比較分析，結(jié)果見表4，其中a1表示的變量為設(shè)計(jì)改良前后。由此可見，除任務(wù)2，改良后的其他4個(gè)任務(wù)的完成時(shí)間與檢驗(yàn)值(總體均值)間存在顯著差異，且明顯優(yōu)于平均水平；任務(wù)2的t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的概率p-值為0.104，大于默認(rèn)的顯著性水平0.05，因此不能拒絕改良后完成此任務(wù)的時(shí)間與總體平均時(shí)間不存在顯著差異這一假設(shè)，即改良前后完成任務(wù)2的時(shí)間與均值差異不明顯，但只是差異不明顯，而不是說沒有差異，完成任務(wù)2的均值與總體均值的時(shí)間差為1.58體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

總之，通過均值比較可以得出：從5個(gè)任務(wù)的完成時(shí)間考慮，改良后與改良前有差異，且任務(wù)1、任務(wù)3、任務(wù)4、任務(wù)5與改良前有顯著差異。從任務(wù)模型的角度考慮，改良后的方案總體上講是有明顯效果的，設(shè)計(jì)改良是有效的。

表3 改良前后完成任務(wù)總時(shí)間方差分析結(jié)果

表4 多因素方差分析均值對(duì)比結(jié)果(K矩陣)

(注：a為參考類別= 2)

6 結(jié)束語

本研究通過調(diào)查問卷、基于任務(wù)模型的獨(dú)立樣本可用性對(duì)比實(shí)驗(yàn)、心理模型研究實(shí)驗(yàn)及用戶深度訪談等多種科學(xué)的設(shè)計(jì)研究方法，獲取用戶數(shù)據(jù)，在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上建立了用戶在柜式空調(diào)操作界面使用過程中的心理模型及用戶模型，以此為依據(jù)，進(jìn)行了格力柜式空調(diào)操作界面的改良設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了改良設(shè)計(jì)的有效性。這種研究范式可為基于科學(xué)研究的人機(jī)界面設(shè)計(jì)提供參考。

另一方面，由于受應(yīng)用項(xiàng)目本身的條件限制，本研究具有一定的局限性，主要是受實(shí)驗(yàn)樣本總數(shù)及問卷投放范圍的限制，導(dǎo)致問卷調(diào)查的結(jié)果具有較強(qiáng)的地域偏向，這可能對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一定的影響，從而使得在此基礎(chǔ)上展開的設(shè)計(jì)結(jié)果可能只適用于某些特定的區(qū)域。在今后的設(shè)計(jì)研究中，應(yīng)想辦法避免，以確保應(yīng)用設(shè)計(jì)研究結(jié)論的普適性。

[1] 辛向陽. 交互設(shè)計(jì): 從物理邏輯到行為邏輯[J]. 裝飾, 2015(1): 58-62.

[2] 周將銘. 以用戶為中心的新產(chǎn)品開發(fā)方法研究與應(yīng)用[D]. 北京: 清華大學(xué), 2013.

[3] 李樂山. 工業(yè)設(shè)計(jì)心理學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004: 269-272.

[4] 劉青, 薛澄岐. 基于眼動(dòng)跟蹤技術(shù)的界面可用性評(píng)估[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版，2010, 40(2): 331-334.

[5] 李映彤. 創(chuàng)作與設(shè)計(jì)[J]. 包裝工程, 2004, 25(3): 139-140.

[6] 李笈熹. 遵循用戶心理模型的產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)[J]. 美術(shù)教育研究, 2016(3): 66-67.

[7] 周將銘. 以用戶為中心的新產(chǎn)品開發(fā)方法研究與應(yīng)用[D]. 北京: 清華大學(xué), 2013.

[8] 蔡濤. 人人手中的斯金納箱——操作性條件反射在手機(jī)界面設(shè)計(jì)中的作用[J]. 藝術(shù)與設(shè)計(jì)(理論), 2017(3): 87-89.

[9] 呂富強(qiáng). 基于眼動(dòng)追蹤的ATM機(jī)界面通用性設(shè)計(jì)研究[D]. 杭州: 浙江理工大學(xué), 2017.

[10] 孫林巖, 李志孝, 金天拾. 認(rèn)知綜合模型及其在人機(jī)界面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 12(S1): 76-83.

Research on Man-Machine Interface Design Based on Scientific Experiment ——A Case Study of the Improved Design of Gree Air Conditioner Interface

WANG Miao-hui1, LI Yan1, SONG Wu2, HUANG Mei-ying1, CHEN Li1

(1. College of Mechanical Engineering and Automation, Huaqiao University, Xiamen Fujian 361021, China; 2. College of Arts, Huaqiao University, Quanzhou Fujian 362021, China)

This study analyzes the efficiency of the man-machine interface design based on the scientific and credible industrial design theory, taking the re-design of KF_72LW operation interface as an example. A series of methods were employed in the study including questionnaire, usability test, psychological model experiment, task model experiment and other scientific methods. The framework layer of the interface is found to be unreasonable, and the distribution of the keys illogical. According to the data generated from the experment, the design problems were identified and the interface was re-designed, then the efficiency of the re-design was approved by the independent sample comparison experiment.

industrial design; scientific experiment; man-machine interface; ergonomics

TP 18

10.11996/JG.j.2095-302X.2019010181

A

2095-302X(2019)01-0181-05

2018-06-28；

2018-07-17

中國高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革研究基金項(xiàng)目(16CCJG01Z009)

王苗輝(1979-)，女，湖南婁底人，講師，碩士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)槿艘蚬こ?、設(shè)計(jì)文化等。E-mail：wangmiaohui6596@sina.com

李 艷(1973-)，女，遼寧沈陽人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)樵O(shè)計(jì)學(xué)等。E-mail：liyan73@hqu.edu.cn