楊冬梅，蔣瑞，張健楠，王鵬菲，王澤遠(yuǎn)

（河北工業(yè)大學(xué) a.建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院 b.人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，天津 300401）

隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，我國兒童康復(fù)需求逐漸加大，社會各界對兒童康復(fù)的重視程度逐步提升[1]。據(jù)報告顯示，目前國內(nèi)0～15歲的兒童有康復(fù)需求者約3 000萬，未來隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)增長，其需求空間還將持續(xù)擴大。康復(fù)產(chǎn)品作為促進(jìn)患者恢復(fù)身體健康的關(guān)鍵載體，成為設(shè)計領(lǐng)域研究的熱點。王年文等[2]通過構(gòu)建基于功能—行為—結(jié)構(gòu)的用戶需求模型，結(jié)合可拓學(xué)將系統(tǒng)組件分層映射出相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變換，為手部康復(fù)訓(xùn)練器的再設(shè)計提供依據(jù)。王媚雪等[3]等通過文獻(xiàn)研究和專家訪談構(gòu)建了康復(fù)訓(xùn)練產(chǎn)品的評價體系，應(yīng)用層次分析法和逼近理想解排序法對自閉癥兒童康復(fù)訓(xùn)練產(chǎn)品進(jìn)行綜合評價。Lobo等[4]基于FEA2（Function, Expressiveness, Aesthetics,Accessibility）用戶需求模型，探索了三大類可穿戴康復(fù)設(shè)備的功能要求、表現(xiàn)力、審美需求及可用性。Dewi等[5]應(yīng)用感性工學(xué)方法挖掘用戶對康復(fù)產(chǎn)品的隱形需求并以康復(fù)機為例進(jìn)行了設(shè)計實踐。PERERA等[6]基于康復(fù)與設(shè)計多學(xué)科融合，應(yīng)用參與式設(shè)計的方法，開發(fā)出一套治療輔助產(chǎn)品，以提高偏癱腦癱兒童的手部技能。從研究對象來看，該類文獻(xiàn)多以成人為主，而成人與兒童的感知能力存在明顯差異，因此無法準(zhǔn)確匹配兒童用戶的交互體驗需求；從研究方法來看，由于對兒童被試進(jìn)行實驗相對困難，所以該類文獻(xiàn)多以問卷、訪談等主觀方法獲取用戶偏好，少有對兒童采用生理測量等客觀方法獲取其用戶需求的研究。本文以用戶感知為導(dǎo)向研究兒童用戶對康復(fù)產(chǎn)品的交互體驗，應(yīng)用主觀問卷與客觀實驗相結(jié)合的方法，提高獲取兒童用戶需求數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以家用康復(fù)腳踏器為例進(jìn)行實證研究，為兒童居家康復(fù)產(chǎn)品的設(shè)計評價提供參考。

1 構(gòu)建以用戶感知為導(dǎo)向的兒童康復(fù)產(chǎn)品交互體驗評價流程

1.1 用戶感知體驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

十二感官理論是斯坦納人智學(xué)的核心理論之一，他認(rèn)為人有十二種感覺共同作用于人的發(fā)展[7]，并將其分為物質(zhì)身體無意識下的初階感官、探索與周圍世界聯(lián)系的中階感官、體會內(nèi)在精神意識的高階感官，即意志感覺、知覺感覺和認(rèn)知感覺，以七年為一周期呈階段性發(fā)展規(guī)律，如圖1所示。

圖1 十二感官發(fā)展示意圖Fig.1 Schematic diagram of the development of the twelve senses

信息加工理論包括了人類對信息的整個認(rèn)知過程，在產(chǎn)品交互體驗中表現(xiàn)為：用戶受到產(chǎn)品與環(huán)境因素的感知覺刺激，根據(jù)經(jīng)驗在控制系統(tǒng)中對產(chǎn)品信息進(jìn)行篩選加工，隨后進(jìn)入記憶系統(tǒng)編碼存儲，最終在評價活動中得到反饋。人類認(rèn)知世界是從感知覺開始的，感知覺提供了認(rèn)知加工過程的輸入，是其他高級認(rèn)知過程的基礎(chǔ)[8]。本文將十二感官理論融入信息加工模型中，構(gòu)建了用戶感知體驗?zāi)Ｐ?，見圖2。與傳統(tǒng)的五大感官相比，該模型提高了對于不同年齡階段用戶信息獲取的準(zhǔn)確性。

圖2 用戶感知體驗?zāi)Ｐ虵ig.2 User perceived experience model

1.2 兒童康復(fù)產(chǎn)品交互體驗評價流程

本文基于用戶感知體驗?zāi)Ｐ?，?gòu)建兒童居家康復(fù)產(chǎn)品交互體驗評價流程，見圖3。

圖3 兒童居家康復(fù)產(chǎn)品交互體驗評價流程Fig.3 Interactive experience evaluation process of children's home rehabilitation products

1）采用文本挖掘、網(wǎng)絡(luò)爬蟲的方法獲取感知意象集與產(chǎn)品樣本庫，借助因子降維、聚類分析等數(shù)理統(tǒng)計方法對意象詞及樣本進(jìn)行降維處理。

2）以語義差異量表、眼動追蹤實驗等方法量化用戶感知評價與注意行為。

3）應(yīng)用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）構(gòu)建產(chǎn)品交互體驗評價體系，結(jié)合熵權(quán)法（Entropy Weight Method，EWM）對各項評價指標(biāo)賦權(quán)，篩選出重要指標(biāo)對特征樣本進(jìn)行編碼。

4）應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立感知意象評價值與產(chǎn)品特征要素之間的映射關(guān)系，訓(xùn)練并驗證模型的可靠性。

2 基于兒童康復(fù)產(chǎn)品交互體驗評價流程的實證研究

2.1 獲取典型樣本庫與感知意象集

本文以兒童康復(fù)腳踏器為例，將7～14歲兒童作為研究對象，對以用戶感知為導(dǎo)向的兒童居家康復(fù)產(chǎn)品交互體驗評價流程進(jìn)行實踐。依據(jù)用戶感知體驗?zāi)Ｐ?，視覺作為該年齡階段兒童發(fā)展相對敏感的感受器官，也是用戶與產(chǎn)品產(chǎn)生交互體驗的第一感知通道[9]；觸覺作為兒童基本的經(jīng)驗之一對他們的影響效果最為持久[7]，因此，在研究兒童對康復(fù)產(chǎn)品感知體驗偏好時，選擇視覺、觸覺作為信息獲取的核心感知途徑。

利用python構(gòu)建爬蟲框架，以“康復(fù)腳踏機”為關(guān)鍵詞在京東平臺爬取樣本圖片258張，排除相似度較高及無關(guān)圖片后篩選出展示角度相對一致的圖片46張。邀請50名設(shè)計專業(yè)被試者對初始樣本根據(jù)造型、色彩、工作方式進(jìn)行打分，計算均值并聚類分析得出3簇樣本圖片，在每簇中選取7個切片樣本共21個，構(gòu)成典型樣本庫，見圖4。

圖4 典型樣本庫Fig.4 Typical sample library

以“兒童產(chǎn)品”“康復(fù)產(chǎn)品”為關(guān)鍵詞，在2010年至2021年的文獻(xiàn)資料中進(jìn)行文本搜集，應(yīng)用Rost語義分析軟件進(jìn)行詞性和詞頻分析，從集成的文本文件中篩選出有關(guān)視覺和觸覺的兩組感官形容詞并分別取頻率較高的30個。結(jié)合典型樣本制作五級量表評分問卷，收集整理數(shù)據(jù)并計算均值結(jié)果。將兩組評分矩陣導(dǎo)入SPSS進(jìn)行因子分析，分別得到8個有效變量即16個意象詞，根據(jù)語義找出其反義詞組成詞對構(gòu)成感知意象集，見表1。

表1 兒童康復(fù)腳踏器感知意象集Tab.1 Children's rehabilitation foot pedal perceptual image set

2.2 基于語義差異量表的主觀數(shù)據(jù)獲取

為進(jìn)一步對感知意象詞降維，設(shè)計感官羅盤游戲，邀請40名兒童被試瀏覽21張樣本并有序選出符合自己視覺、觸覺感受的感知意象詞匯，篩選有效數(shù)據(jù)結(jié)果，如圖5所示。最終確定對兒童康復(fù)腳踏器影響最大的感知意象詞為“科技”“亮麗”與“結(jié)實”“舒適”。

圖5 感知意象詞得分Fig.5 Perceptual image word score

結(jié)合4對感知意象詞和21張代表樣本圖片，采用五級標(biāo)度量表制作問卷進(jìn)行調(diào)查，共招募7～14歲兒童志愿者133名，在提交的問卷數(shù)據(jù)中得到有效數(shù)據(jù)121份，計算各樣本感知意象評價與交互體驗滿意度得分均值，結(jié)果如圖6所示。將數(shù)據(jù)結(jié)果輸入SPSS軟件中進(jìn)行線性回歸分析，R2為0.973，即感知意象評價與交互體驗滿意度具有顯著相關(guān)性，設(shè)y1為“亮麗”的評價值，y2為“科技”的評價值，y3為“舒適”的評價值，y4為“結(jié)實”的評價值，得到兒童用戶交互體驗滿意度Y與感知意象評價之間的線性關(guān)系：

圖6 樣本感知評價結(jié)果Fig.6 Sample perceptual evaluation results

2.3 構(gòu)建兒童康復(fù)腳踏器交互體驗評價體系

視覺、觸覺作為兒童與產(chǎn)品交互時獲取信息的核心感官，以其為準(zhǔn)則層向下劃分，結(jié)合產(chǎn)品外觀屬性構(gòu)建了以造型要素、色彩要素、材質(zhì)要素及交互要素為指標(biāo)層的兒童居家康復(fù)產(chǎn)品交互體驗評價體系。對康復(fù)腳踏器進(jìn)行形態(tài)要素解構(gòu)，得到以腳踏、底座、顯示器、手柄、主機為主的五個關(guān)鍵特征，并將其作為因子層細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)，最終得到12個以用戶感知為導(dǎo)向的交互體驗評價指標(biāo)，見圖7。產(chǎn)品的造型差異會激發(fā)用戶不同的視覺刺激，材質(zhì)的表面處理也會帶給用戶不同的視覺效果和心理感受[10]。本文通過問卷訪談結(jié)合眼動實驗獲取兒童用戶對康復(fù)腳踏器的主客觀感知評價數(shù)據(jù)。

圖7 兒童康復(fù)腳踏器交互體驗評價層次分析模型Fig.7 Analytical hierarchy model for evaluation of interactive experience of children's rehabilitation foot pedal

2.4 基于眼動追蹤實驗的客觀數(shù)據(jù)獲取

2.4.1 實驗設(shè)計與材料

實驗采用Tobii Pro Glasses2眼動設(shè)備，邀請20名7～14歲兒童被試者，男女比例約為1∶1。實驗追蹤捕捉被試者觀察刺激圖片時的眼動數(shù)據(jù)，利用劃分興趣區(qū)的方式在各區(qū)域內(nèi)采集被試者信息篩選時的表征數(shù)據(jù)[11]。以21張樣本圖片作為本次實驗的刺激材料，分析被試者注意行為信息在不同區(qū)域內(nèi)的呈現(xiàn)情況，獲知哪些產(chǎn)品區(qū)域更受兒童被試的關(guān)注。

2.4.2 數(shù)據(jù)處理與分析

依據(jù)形態(tài)解構(gòu)結(jié)果，將每個典型樣本都設(shè)置對應(yīng)的興趣區(qū)（Area Of Interest，AOI），如圖8a所示，每個AOI區(qū)域代表的特征要素如表2所示。20名被試者隨機觀看21張代表性樣本圖像，選取樣本5得到的熱圖疊加分布見圖8b，以第9位被試者觀看該樣本形成的軌跡圖為例，如圖8c所示。通過對圖8b的顏色深淺和面積大小與圖8c的注視次序和注視點面積的綜合分析，可判斷出被試者對AOI（1）、AOI（3）與AOI（5）三種特征要素更具有認(rèn)知意象偏好。

表2 AOI代表的特征要素Tab.2 Characteristic elements represented by AOI

圖8 以樣本5為例的可視化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)Fig.8 Visual data presentation with sample 5 as an example

為進(jìn)一步量化產(chǎn)品特征要素的顯著性權(quán)重，統(tǒng)計不同興趣區(qū)（AOI）內(nèi)的重要眼動指標(biāo)，對注視次數(shù)、首次注視時間與首次注視持續(xù)時間三組指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析（見表3），結(jié)果證明其對被試者注視行為具有顯著影響，因此，可以作為客觀評價指標(biāo)進(jìn)行計算。將統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱歸一處理，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同興趣區(qū)內(nèi)的眼動指標(biāo)數(shù)據(jù)Fig.9 Eye movement index data in different regions of interest

表3 眼動指標(biāo)單因素方差分析結(jié)果Tab.3 Results of one-way ANOVA for eye movement index

3 基于AHP-EWM的評價指標(biāo)權(quán)重計算

3.1 基于AHP的主觀評價指標(biāo)權(quán)重計算

邀請40名設(shè)計專業(yè)研究人員，采用1-5的評價標(biāo)度對準(zhǔn)則層及指標(biāo)層各項評價指標(biāo)進(jìn)行重要度評分，取均值兩兩比較構(gòu)建判斷矩陣并作歸一化處理，通過特征向量法計算得到各指標(biāo)相對權(quán)重。根據(jù)式（2）、式（3）對各層級的判斷矩陣單排序進(jìn)行一致性檢驗[12]，得到各層級的CR值均小于0.1，即滿足一致性檢驗要求，進(jìn)而可以計算各指標(biāo)層的復(fù)合權(quán)重，結(jié)果見表4。

表4 各層級指標(biāo)權(quán)重結(jié)果Tab.4 Weight results of indicators at each level

其中，n為所構(gòu)建判斷矩陣的階數(shù)，λmax為該矩陣的最大特征根。隨機一致性檢驗指標(biāo)RI的標(biāo)準(zhǔn)值可以根據(jù)n值查找得到，進(jìn)而計算一致性比例CR：

3.2 基于EWM的客觀評價指標(biāo)權(quán)重計算

在評價系統(tǒng)中，可利用各方案的固有信息，通過熵權(quán)法得到各評價指標(biāo)的熵[13]，指標(biāo)的變異程度越小，所反映的信息量也越少，其對應(yīng)的權(quán)值也越低[14]。通過計算AOI區(qū)域的眼動指標(biāo)判斷矩陣的信息熵，可以最大程度體現(xiàn)出各眼動指標(biāo)的客觀信息。根據(jù)式（4）—（6）計算每個指標(biāo)的熵值以及對應(yīng)的客觀權(quán)重，其中一級指標(biāo)權(quán)重由對應(yīng)二級指標(biāo)加總所得[15]，結(jié)果如表5所示。

表5 指標(biāo)熵值、差異系數(shù)、權(quán)重結(jié)果Tab.5 Index entropy value, difference coefficient, weight result

計算第j個評價指標(biāo)下第i個樣本的貢獻(xiàn)度fij：

從而得到第j個指標(biāo)的熵值Ej：

進(jìn)而計算出該指標(biāo)的客觀權(quán)重Wj：

3.3 評價指標(biāo)綜合權(quán)重計算

本文由層次分析法得到兒童康復(fù)腳踏器交互體驗評價體系指標(biāo)層權(quán)重，由熵權(quán)法得到康復(fù)腳踏器形態(tài)解構(gòu)后各特征要素相對權(quán)重，結(jié)合計算結(jié)果最終得到因子層各指標(biāo)綜合權(quán)重并進(jìn)行重要度排序，見表6。

表6 評價指標(biāo)綜合權(quán)重Tab.6 Comprehensive weight of evaluation indicators

4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型建立

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖構(gòu)建

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度非線性映射能力和較好的容錯性[16]，它能自動學(xué)習(xí)和響應(yīng)m維輸入信號到n維輸出信號的非線性映射機制。本文以AHP結(jié)合EWM求得的組合權(quán)重為依據(jù)剔除不重要的評價指標(biāo)，進(jìn)而將代表性樣本編碼作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，以用戶感知意象評價作為輸出層建立兩者的非線性擬合，見圖10。

圖10 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 BP neural network structure diagram

4.2 設(shè)計分析與模型構(gòu)建

根據(jù)評價指標(biāo)綜合權(quán)重計算結(jié)果剔除排在后四位的特征要素，以保留的8項重要評價指標(biāo)對21個代表性樣本進(jìn)行特征編碼，見表7。HSB色彩模式是指在三維空間色彩屬性中基于人對顏色的心理感受的一種顏色模式[17]，因此色彩配置多通過Photoshop軟件采集產(chǎn)品主色的HSB色值進(jìn)行表達(dá)；結(jié)合前文確定的視覺感知評價詞“亮麗-暗淡”，選擇主色明度范圍B作為色彩配置的分類依據(jù)。最終以編碼后的樣本參數(shù)作為輸入層、感知意象評價數(shù)據(jù)作為輸出層建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由此輸入層的神經(jīng)元節(jié)點個數(shù)為8，輸出層的神經(jīng)元節(jié)點個數(shù)為4。

表7 兒童居家康復(fù)腳踏器特征編碼Tab.7 Children's home rehabilitation foot pedal feature coding

續(xù)表7

在典型樣本庫中隨機選擇80%樣本，運用MATLAB軟件工具箱選取其中的70%為訓(xùn)練樣本，15%為驗證樣本，15%為測試樣本對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練與測試。設(shè)最大迭代次數(shù)M=100 0，訓(xùn)練函數(shù)選用L-M（Levenberg-Marquardt），第38代時，MSE達(dá)到0.021，得到精度較高的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果，見圖11。由圖11可知，總擬合度值R=0.936 66，訓(xùn)練驗證測試值都大于80%，說明本文所構(gòu)造的模型預(yù)測精度較高。

圖11 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.11 BP neural network data fitting results

為驗證模型的有效性，將剩余的樣本數(shù)據(jù)輸入模型中進(jìn)行驗證，對比訓(xùn)練得到感知評價預(yù)測值與實際值，結(jié)果如表8所示，兩者最大誤差絕對值為0.05，說明應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)預(yù)測兒童康復(fù)腳踏器的感知意象評價具有良好的效果。

5 實例驗證

對表8中的評價要素類型進(jìn)行排列組合，將所得設(shè)計方案編碼隨機輸入已經(jīng)訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，得到各方案的感知意象評價值，代入式（1）計算得到設(shè)計方案對應(yīng)的交互體驗滿意度。將Y≥0.8定義為體驗感較高的方案組合，0.6≤Y＜0.8定義為體驗感適中的方案組合，Y＜0.6為體驗感較低的方案組合。從三種不同層次的方案集合中共選取4組，根據(jù)編碼組合進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，得到四個腳踏器方案，如表9所示。

表8 預(yù)測結(jié)果對比Tab.8 Comparison of forecast results

表9 設(shè)計方案組合Tab.9 Design portfolio

6 結(jié)語

邀請20位兒童用戶對上述設(shè)計方案進(jìn)行評價，通過相對誤差計算對比用戶交互體驗滿意度的預(yù)測值與實際值，結(jié)果如圖12所示，相對誤差均小于0.1，說明評價模型具有較高的可靠性。其中，方案一用戶交互體驗滿意度最高：上下肢被動的交互方式與雙手柄操作使腳踏器穩(wěn)定性更高；色彩配置應(yīng)用明黃色，達(dá)到活潑亮麗的效果；包裹式海綿腳踏具有較高的舒適性與較強的安全性；主機造型圓潤流暢，采用高反光塑料材質(zhì)、較大的顯示器面板，體現(xiàn)出產(chǎn)品的科技感。

圖12 預(yù)測值與實際值對比Fig.12 Predicted and actual value comparison chart

針對兒童康復(fù)產(chǎn)品的交互體驗評價問題，以用戶感知為導(dǎo)向建立了用戶感知體驗?zāi)Ｐ?。以語義差異量表、眼動追蹤實驗等方法獲取主客觀數(shù)據(jù)，應(yīng)用層次分析構(gòu)建兒童康復(fù)產(chǎn)品的交互體驗評價體系，結(jié)合熵權(quán)法對各評價指標(biāo)進(jìn)行組合賦權(quán)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了兒童康復(fù)產(chǎn)品交互體驗評價預(yù)測模型。以康復(fù)腳踏器為例，驗證了該模型具有較高的可靠性，為兒童康復(fù)產(chǎn)品的設(shè)計與評價提供了思路。文中用于訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本量偏小，后期研究需搜索更多的樣本數(shù)據(jù)對兒童康復(fù)產(chǎn)品的交互體驗評模型進(jìn)行訓(xùn)練及測試，避免造成模型不穩(wěn)定的問題。另外，兒童居家康復(fù)產(chǎn)品可能存在多名使用者（兒童和家長），未來的研究可以嘗試從多用戶角度對兒童康復(fù)產(chǎn)品開展評價研究，使評價體系更加完善。