李宇佳， 張克永， 楊 雪

(吉林大學 高等教育研究所， 吉林 長春 130012)

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基于回旋性設(shè)計思想的虛擬實驗設(shè)計研究

李宇佳， 張克永， 楊 雪

(吉林大學 高等教育研究所， 吉林 長春 130012)

針對虛擬實驗存在界面對功能的表達模糊、操作自由度差、出錯率高、缺乏實驗狀態(tài)保障機制等問題，將工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的回旋性設(shè)計思想引入虛擬實驗設(shè)計。在詳細分析回旋性內(nèi)涵與虛擬實驗構(gòu)成要素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了虛擬實驗的回旋性設(shè)計模型，清晰地揭示了功能可見性、可逆性、容錯性、安全網(wǎng)等4個模塊涉及的實驗元素，并依據(jù)此模型進一步提出虛擬實驗回旋性設(shè)計的具體實現(xiàn)方式。

回旋性設(shè)計； 虛擬實驗； 模型構(gòu)建

在進行虛擬實驗的設(shè)計與開發(fā)時，設(shè)計者往往忽視技術(shù)的外在表現(xiàn)形式，即功能的設(shè)計，導(dǎo)致一些虛擬實驗易用性較差、忽視對實驗者實驗狀態(tài)的實時調(diào)控。如何使虛擬實驗更加符合實驗者的認知特點和行為習慣，滿足不同層次實驗者的需求，是虛擬實驗設(shè)計中應(yīng)充分重視的問題[1-2]。筆者嘗試將產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域中的“回旋性”設(shè)計思想引入虛擬實驗研究，以期尋求優(yōu)化虛擬實驗設(shè)計品質(zhì)的可行方案。

1 當前虛擬實驗所存在的問題

通過對虛擬實驗應(yīng)用情況的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)虛擬實驗的設(shè)計仍存在一些問題，主要表現(xiàn)在界面設(shè)計、交互設(shè)計、容錯設(shè)計及實驗狀態(tài)調(diào)控等方面。

(1) 虛擬實驗的交互界面不能清晰地呈現(xiàn)傳遞界面元素所代表的功能和系統(tǒng)狀態(tài)，導(dǎo)致實驗者理解困難甚至錯誤；操作界面布局零亂，圖標按鈕的使用方式不符合實驗者操作習慣，影響實驗的正常進行。

(2) 虛擬實驗的操作不能撤銷或回看，實驗者無法對交互過程進行靈活控制。若實驗者需要修改實驗過程中的某一環(huán)節(jié)，只能回到初始狀態(tài)重新進行實驗。如果這種情況反復(fù)出現(xiàn)，將使實驗者產(chǎn)生厭煩情緒。

(3) 當虛擬實驗的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計不符合實驗者的操作特點時，容易增加出錯概率。一旦操作出錯，且虛擬實驗系統(tǒng)不能作出反應(yīng)或提示，可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或死機。此外，由于實驗者在操作出錯后無法及時獲得幫助和明確的糾錯信息，將影響實驗的進行。

(4) 虛擬實驗系統(tǒng)未顧及實驗者的心理、行為與情感等方面的狀態(tài)，缺乏對實驗者認知水平和學習能力的考量，實驗的難度等級單一或難度層級不可控，使一些實驗者難以適應(yīng)。

以上問題是影響虛擬實驗設(shè)計品質(zhì)的重要因素。在虛擬實驗設(shè)計中引入回旋性設(shè)計思想，設(shè)計開發(fā)以實驗者為中心并滿足實驗者認知、行為和情感等方面需求，使實驗者有較大的操作靈活度和自由度，實驗效果更好的虛擬實驗系統(tǒng)十分必要。

2 將回旋性設(shè)計思想引入虛擬實驗設(shè)計

2.1 回旋性設(shè)計思想的內(nèi)涵

“回旋”具有可進退、可商量、可變通之意，回旋性設(shè)計思想就是要求設(shè)計的產(chǎn)品靈活、可進可退，即具有回旋的特性。美國學者威廉·立德威爾(William Lidwell)等在《通用設(shè)計法則》[3]中指出：所謂“回旋性”是使系統(tǒng)造成的負面影響降到最小化，把正確操作設(shè)置得明白易懂，錯誤操作發(fā)生前，避免錯誤發(fā)生，若錯誤一旦發(fā)生，也能把負面影響降到最低。該書還指出：具有回旋性的設(shè)計提供了靈活性、穩(wěn)定性、安全性，讓使用者更愿意嘗試與冒險，并提出使設(shè)計體現(xiàn)“回旋性”的方式主要包含良好的功能可見性、可逆性、安全網(wǎng)等。

2.2 虛擬實驗回旋性概念的理念

虛擬實驗的回旋性是基于以實驗者為中心的設(shè)計思想，實現(xiàn)實驗者與虛擬實驗交互過程的順暢、靈活自由，減少操作錯誤的發(fā)生，或在錯誤發(fā)生后將負面影響最小化。該設(shè)計理念充分考慮實驗者使用虛擬實驗過程中認知、行為及情感等多樣化的需求，使設(shè)計的虛擬實驗靈活而有彈性，為實驗者的自主研究提供回旋的空間，有助于提高人機交互過程中虛擬實驗的使用效率及易用性，減輕實驗者使用的心理負擔，最大限度地滿足實驗者體驗過程的愉悅感、自由感與歸屬感。

2.3 引入回旋性設(shè)計思想的必要性

回旋性設(shè)計思想旨在以系統(tǒng)設(shè)計思想指導(dǎo)虛擬實驗設(shè)計，提升實驗的設(shè)計品質(zhì)與教學效果。虛擬實驗回旋性設(shè)計的實現(xiàn)主要有功能可見性設(shè)計、可逆性設(shè)計、容錯性設(shè)計和安全網(wǎng)設(shè)計。功能可見性側(cè)重于降低實驗者使用實驗系統(tǒng)過程中的認知負荷，即看得懂且找得到所需信息；可逆性設(shè)計能滿足實驗者靈活地在不同操作環(huán)節(jié)跳轉(zhuǎn)，而非簡單地執(zhí)行既定操作；容錯性設(shè)計是從設(shè)計方面減少錯誤的發(fā)生，即使錯誤發(fā)生，也能指導(dǎo)實驗者及時發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤；安全網(wǎng)設(shè)計考慮的是防范實驗者在使用過程中過度偏離正確操作，消除過度挫折或厭煩心態(tài)等負面影響。

虛擬實驗回旋性設(shè)計的4個方面相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成統(tǒng)一的整體。功能可見性保證實驗者正確、流暢地操作實驗，有助于減少后退與錯誤的發(fā)生；可逆性和容錯性保證虛擬實驗的高度可用性，利于實驗者主動發(fā)現(xiàn)、加工界面信息；安全網(wǎng)貫穿整個學習過程的始終，是保障實驗系統(tǒng)整體性功能有效運作的保護機制。

3 虛擬實驗回旋性設(shè)計的實現(xiàn)

筆者在分析虛擬實驗回旋性設(shè)計的內(nèi)涵與實現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了虛擬實驗回旋性設(shè)計模型(見圖1)。此模型將功能可見性設(shè)計、可逆性設(shè)計、容錯性設(shè)計、安全網(wǎng)設(shè)計與虛擬實驗中的相關(guān)要素進行了匹配，這些要素是虛擬實驗回旋性設(shè)計的核心部分。

圖1 基于回旋性思想的虛擬實驗設(shè)計模型

3.1 功能可見性模塊設(shè)計

3.1.1 導(dǎo)入隱喻設(shè)計方法，增強信息交互的流暢感

在虛擬實驗界面設(shè)計中借助隱喻手法，將不熟悉或難以理解的信息用簡單、可視化的形式表達，主要體現(xiàn)在圖標符號設(shè)計中。圖標隱喻的常用方法包括形象隱喻、工具隱喻、符號隱喻、效果隱喻。形象隱喻是采用模擬現(xiàn)實圖像直接傳達圖標含義，如虛擬實驗界面中以真實示波器設(shè)備為原型設(shè)計的圖標；工具隱喻是通過使用的工具表示功能，如調(diào)色板圖標表示可使用該工具更改背景顏色；符號隱喻是利用抽象的符號或標志與一些語義關(guān)聯(lián)，如問號很容易與“幫助”、“答疑”關(guān)聯(lián)[4]；效果隱喻是用操作的結(jié)果表征其操作，如水平左對齊圖標，將執(zhí)行左對齊操作后物體呈現(xiàn)的結(jié)果呈現(xiàn)。隱喻設(shè)計應(yīng)尋求創(chuàng)意與功能實現(xiàn)的平衡，不能過分追求外觀上的新穎而忽視使用隱喻設(shè)計的初衷[5]。

3.1.2 運用預(yù)設(shè)用途，幫助理解實驗系統(tǒng)操作方式

心理學家Donald.A.Norman認為：預(yù)設(shè)用途是產(chǎn)品本身所具有的并被使用者理解的基本性能[6]。將預(yù)設(shè)用途應(yīng)用于虛擬實驗設(shè)計中，是指虛擬實驗中的信息通過外在表現(xiàn)形式被實驗者理解，主要包括：(1)設(shè)計可點擊的提示線索，通過界面元素或區(qū)域外觀上的設(shè)計，表達界面中按鈕、圖標或場景區(qū)域的操作功能，如點擊鼠標時對象形狀變?yōu)槭譅?，提示學習者該區(qū)域是可通過點擊發(fā)生下一步動作；(2)設(shè)計可拖拽的視覺表示，以增添特效來凸顯功能，如將頁面邊緣設(shè)計成書角卷曲以表示本頁面可通過拖拽翻頁。

3.1.3 實現(xiàn)自然匹配，減少實驗者記憶負擔

在虛擬實驗設(shè)計中，自然匹配原則表現(xiàn)為界面元素的空間位置、大小、色彩和功能間的關(guān)系，使虛擬實驗界面元素的操作更加自然和容易理解。

(1) 在空間位置的設(shè)計中要對功能項進行恰當?shù)臍w類和組織，將同類、同級的信息放置在同一區(qū)域或選單(菜單)下，使虛擬實驗界面布局符合人的視覺心理和記憶特點，界面元素重點明確、層次分明。

(2) 字體大小與色彩設(shè)計應(yīng)合理表達功能的重要程度。通常小于9磅的字號易出現(xiàn)閱讀障礙，大于12磅的字號浪費空間[7]，但放大字號和圖標容易成為視覺焦點，具有強調(diào)的暗示。色彩選擇應(yīng)考慮文化背景、審美需求、學科特點等因素[8]，色彩合理搭配、風格一致可帶來舒適感，色彩適度對比利于區(qū)分內(nèi)容的主次關(guān)系。

3.2 可逆性模塊設(shè)計

3.2.1 可逆形式劃分

可逆性設(shè)計包括一步撤銷、多步撤銷、歷史記錄和恢復(fù)初始值等形式。(1)一步撤銷是根據(jù)知識間的聯(lián)系程度將實驗內(nèi)容設(shè)置為一系列按順序排列的操作節(jié)點，通過標有“上一步”的按鈕實現(xiàn)向上一個節(jié)點的跳轉(zhuǎn)；(2)多步撤銷是跨節(jié)點的跳轉(zhuǎn)。圖2的上部(a區(qū)域)有一條按實驗進程生成的導(dǎo)航軸，軸上有各操作節(jié)點，允許實驗者自由跳轉(zhuǎn)到已完成的節(jié)點上；(3)歷史記錄的設(shè)計可借鑒Photoshop軟件的設(shè)計方法，令系統(tǒng)自動生成一個虛擬實驗的操作列表，記錄所執(zhí)行的每一個動作，允許實驗者撤銷或更改操作動作(見圖2的b區(qū)域)；(4)恢復(fù)初始狀態(tài)的作用是當實驗者要清除已有的操作或回顧實驗內(nèi)容時，系統(tǒng)能恢復(fù)虛擬實驗的最初狀態(tài)，節(jié)省重啟實驗所花費的時間[9]。

圖2 機械基礎(chǔ)虛擬實驗系統(tǒng)界面

3.2.2 路徑結(jié)構(gòu)決定可逆形式設(shè)計

根據(jù)虛擬實驗的內(nèi)容聯(lián)系及復(fù)雜程度，可將組織形式分為線性、樹狀和網(wǎng)狀三種結(jié)構(gòu)類型。

(1) 線性結(jié)構(gòu)用于流程單一、順序性較強的虛擬實驗，是將實驗過程按序劃分為一系列操作節(jié)點，通過后臺程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)點與對應(yīng)實驗流程的超鏈接。

(2) 樹狀結(jié)構(gòu)用于較復(fù)雜的虛擬實驗。將實驗劃分為若干子實驗，每個子實驗都是完成整個實驗的必經(jīng)步驟，有的子實驗可以通過多種路徑完成。例如制取氧氣是完成某一復(fù)雜實驗的一個環(huán)節(jié)，且有加熱高錳酸鉀、氯酸鉀、雙氧水等不同制氧方法。當采用某種制氧方法遇到因難時，可重新選擇另一種方法。

(3) 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)適用于知識點多且聯(lián)系緊密的虛擬實驗，節(jié)點間交叉搭建促成多條學習路徑。當實驗遇阻時，可從遇阻節(jié)點跳至另一條分支繼續(xù)實驗，無需返回上一節(jié)點，完成實驗后再通過提示解決難題。

3.3 容錯性模塊設(shè)計

3.3.1 分析出錯原因，做好防御準備

設(shè)計虛擬實驗時應(yīng)分析實驗者易出錯的原因及類型。操作出錯的原因主要有兩方面：一是與人的生理、心理特點和外界環(huán)境有關(guān)[10]；二是虛擬實驗的功能設(shè)計不符合實驗者的操作特點。設(shè)計者應(yīng)在界面信息的視覺表達上避免易引起誤操作的交互設(shè)計，并對出錯率高的操作步驟給予輔助性提示。

3.3.2 明確出錯信息，及時反饋錯誤

虛擬實驗應(yīng)根據(jù)實驗者的操作及時提供反饋，維持學習的連續(xù)性，防止學習過程脫節(jié)或錯誤累積。當實驗者在系統(tǒng)的提示下仍無法正確操作時，系統(tǒng)應(yīng)及時作出反應(yīng)[11]，避免因某一操作環(huán)節(jié)的錯誤而使實驗失敗。所反饋的出錯信息不僅要告知實驗者發(fā)生了錯誤，還要提示出錯的原因。描述出錯原因的語言應(yīng)通俗易懂、內(nèi)容要具體明確；反饋形式應(yīng)友好、多樣，通過富有感情色彩的文字、聲音、圖像或動畫給實驗者以良好的情感體驗。

3.3.3 提供糾錯幫助，減小錯誤代價

當實驗者操作錯誤后，系統(tǒng)應(yīng)提供糾錯幫助，包括建設(shè)性意見和糾正錯誤的辦法。建設(shè)性意見是系統(tǒng)向?qū)嶒炚咛峁╆P(guān)聯(lián)推薦，列出與出錯問題相關(guān)的多種解決方法與線索，使實驗者能夠快速找到糾錯方法。此方法也適用于出錯形式在系統(tǒng)考慮范圍之外的情況。糾正錯誤的辦法是在明確問題的前提下，以詳盡的文字說明或直觀的視頻演示告知實驗者正確的操作方式，減少實驗者出錯后的挫敗感，幫助實驗者迅速恢復(fù)到離出錯點最近的狀態(tài)，降低出錯產(chǎn)生的負面影響。

3.4 安全網(wǎng)模塊設(shè)計

安全網(wǎng)可以實時監(jiān)控實驗者的虛擬實驗過程，判斷實驗者的動作，并根據(jù)反饋結(jié)果自動調(diào)節(jié)實驗的難度。在圖3中，安全網(wǎng)調(diào)控機制以挫折和懈怠兩種學習狀態(tài)為坐標軸，中間粗線代表實驗者完全沉浸于虛擬實驗，達到了理想狀態(tài)，圓點表示安全網(wǎng)機制的監(jiān)控節(jié)點；灰色區(qū)域是系統(tǒng)允許實驗者狀態(tài)波動的區(qū)間。在灰色區(qū)域，實驗者能夠通過自身努力或系統(tǒng)幫助保持良好的實驗狀態(tài)。a曲線表示無安全網(wǎng)調(diào)節(jié)時實驗過難、實驗者心理受挫的狀態(tài)，b曲線表示缺少安全網(wǎng)調(diào)控時實驗過易、實驗者不斷懈怠的過程。在融入安全網(wǎng)機制的虛擬實驗中，當挑戰(zhàn)難度過大，超出灰色區(qū)域，安全網(wǎng)將進行調(diào)控，通過降低難度使實驗者逐漸回歸到沉浸狀態(tài)，如A曲線所示，反之，實驗難度過低時，安全網(wǎng)將提升難度，其調(diào)節(jié)結(jié)果如B曲線所示。

圖3 安全網(wǎng)調(diào)控機制示意圖

3.4.1 實時監(jiān)控實驗過程，判斷實驗狀態(tài)

安全網(wǎng)通過一定的技術(shù)手段實現(xiàn)對實驗者實驗過程的實時監(jiān)控，監(jiān)控內(nèi)容涉及實驗者完成階段性任務(wù)所用時間、出錯次數(shù)、使用提示幫助頻率、自我測試結(jié)果等，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控得到的信息分析判斷實驗者的實驗狀態(tài)與學習水平。實驗的初始狀態(tài)應(yīng)設(shè)定為適宜于大多數(shù)實驗者水平的中級難度，允許實驗狀態(tài)在一定范圍內(nèi)波動[12]，實驗者可通過實驗的拓展練習或系統(tǒng)提供的容錯功能解決問題。波動范圍不宜過大，若發(fā)現(xiàn)學習狀態(tài)超出某一臨界值，即實驗難度設(shè)置與實驗者現(xiàn)有水平嚴重不符，安全網(wǎng)應(yīng)實施調(diào)節(jié)機制。

3.4.2 自動調(diào)控學習難度，不斷提升學習效果

將虛擬實驗各個節(jié)點設(shè)置為不同的難度等級，當發(fā)現(xiàn)實驗者過度偏離“沉浸狀態(tài)”時，安全網(wǎng)需自動調(diào)高或降低難度等級，使實驗符合實驗者變化的認知水平。例如實驗者在某一階段的學習狀態(tài)逐漸下滑，系統(tǒng)開始利用提示幫助或糾錯的方式引導(dǎo)實驗者，若監(jiān)測發(fā)現(xiàn)容錯功能未能遏制其下滑趨勢，安全網(wǎng)應(yīng)將實驗路徑切換至較低難度，使實驗者經(jīng)過平緩的難度遞進過程實現(xiàn)學習目標。反之，若實驗過于簡單，實驗者會逐漸失去學習興趣，安全網(wǎng)應(yīng)將實驗調(diào)至難度系數(shù)較大的路徑，增加實驗者的成就感[13]。

4 結(jié)束語

回旋性設(shè)計思想為改善虛擬實驗設(shè)計提供了新思路。將回旋性設(shè)計思想的內(nèi)涵所指與虛擬實驗要素特性相耦合，構(gòu)建出虛擬實驗回旋性設(shè)計模型，為設(shè)計出符合實驗者認知特點、行為習慣和情感體驗的虛擬實驗提供了參考依據(jù)。隨著技術(shù)水平的發(fā)展和理論分析的深入，虛擬實驗回旋性設(shè)計理論也需進一步豐富和拓展，從而更好地指導(dǎo)虛擬實驗設(shè)計。

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Research on virtual experiment design based on rotary design thought

Li Yujia， Zhang Keyong， Yang Xue

(Institute of Higher Education, Jilin University, Changchun 130012, China)

Current virtual experiments have some serious problems, such as fuzzy interface function, low level freedom of operation, high error rate, lacking a mechanism to guarantee students’ learning state. So this article introduces the rotary design thought from the field of industrial design to virtual experiment design. Based on detailed analyzing the connotation of rotary design and the constituent elements of virtual experiment, a rotary design model of virtual experiment is built, which clearly reveals the visibility of function, reversibility, fault tolerance, safety net and some involving experimental elements, and this article further puts forward the concrete implementation ways of virtual experiments’ rotary design.

rotary design; virtual experiment; model building

2014- 06- 26

吉林省發(fā)展和改革委員會資助項目(2010018-1)

李宇佳(1989—)，女，河北石家莊，碩士研究生，研究方向為網(wǎng)絡(luò)教育研究與應(yīng)用

E-mail：jdgjslyj@163.com

楊雪(1955—)，女，吉林長春，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為網(wǎng)絡(luò)教育研究與應(yīng)用.

TP391.9

A

1002-4956(2015)2- 0127- 04