虚拟实验操作系统中的认知摩擦问题研究

魏书莉 杨雪 傅健

【摘要】调查研究表明,现有的很多虚拟实验开发多偏向技术的应用和功能的堆砌,学习者在操作时存在较高的“认知摩擦”。通过对虚拟实验操作系统中存在的认知摩擦问题研究,找出了其存在的原因,并在此基础上提出了问题的解决策略,为虚拟实验开发和虚拟实验教学的应用中避免不必要的此类问题产生提供有益的借鉴。

【关键词】认知摩擦;虚拟实验;解决策略

引言

以计算机技术支持的网络学习应是以人为中心,以学习任务本身为焦点的学习。技术可以支持学习,但不应该干扰学习。目前,当使用Internet与虚拟现实作为一种学习工具时,学习者往往需要先掌握相关的知识与技能,虽然这些知识技能可能跟当前学习任务没有必然联系,但其实无形中增加了学习者的认知负担,并且很容易使学习者产生挫折感,分散学习者的注意力。在网络实验教学中,学习者在学习过程中能否充分利用网络资源,能否真正获得身临其境的感觉,能否实现从感知到理性的过渡等问题尤为突出,美国学者Cooper将这种现象称为“认知摩擦”,本文研究目的是怎样将信息资源与物理虚拟空间融合,在这个融合的空间中学习者可以随时随地、在最短时间内透明地获得数字化的服务,降低学习中的认知摩擦。

一 认知摩擦

认知摩擦是由美国的“VB之父”著名的设计师Alan Cooper提出的,他指出认知摩擦是“当人类智力遭遇随问题变化而变化的复杂系统规则时遇到的阻力”,是产品设计不良的一种普遍现象。认知摩擦是技术的应用和功能的堆砌使产品变得复杂、难于理解和使用、用户很难通过感官来预期操作的结果[1]。

认知摩擦在我们日常用品使用过程中到处存在,人们与产品交互的过程,是成功还是失败?是顺利还是周折?是愉悦还是烦恼?是有趣还是乏味?成功意味着产品可用,顺利表示产品易用,愉悦和有趣说明产品能满足用户的体验。然而目前多数产品主要定位于可用性目标,而易用性和用户体验目标却不尽人意[1]。使用一部新型手机输入信息或对刚购买的显示器进行设置,如果不仔细阅读说明,那么交互过程不会太顺利。

在产品设计中设计师将自己想象成为使用者,在设计过程中缺乏对目标用户、交互行为以及使用场景的了解,使用户无法通过产品系统的表象认知设计师的意图,于是产生了认知鸿沟,用户对产品存在着不理解,使用过程不顺畅,存在困难等。认知摩擦的特点有:

1 普遍存在性

认知摩擦在现实生活学习中随处可见,只不过程度不同,在机械工业时代,虽然机械设备功能很多,使用很复杂,但一般都稳定在很窄的状态范围内,例如弹钢琴很难,钢琴的行为很难控制,但是其认知摩擦并不高,从简单的发音到流畅高超的演奏,其结果可预见,虽然复杂,却遵循物理原理。在信息时代,软件产品的设计是基于设计师的思想,带有个人的主观特色,在使用过程中设计师的思想与用户的思维不断发生碰撞引发冲击,有的用户能克服这种冲击,达到和设计师的共识,但有些用户却不能克服,只能止步,不能很好的利用手中产品。

2 不可消除性

学习者的认知方式不同,使用学习工具时会面临各种各样的困难。同样的产品,在优秀用户人群中认知摩擦度就会很低,他们完全可以克服认知摩擦的存在,不过他们在享受克服困难带来的欢愉的同时,却浪费了很多时间在解决非学习任务的外在工具和外在环境中;普通用户人群却要饱受着认知摩擦,更谈不上利用工具解决存在的问题。由于用户人群的学习风格、认知特点存在巨大差异,设计开发人员只能使开发的产品更加人性化,降低认知摩擦,但是不能满足所有用户的认知需求彻底消除认知摩擦。

3 两面性

认知摩擦与现实世界的物理摩擦是一样的。少量存在时不见得是坏事,可以增加学习者的学习体验,激发学习者的学习兴趣。但是随着摩擦的增加,副作用也随之增长,学习者在学习过程中遇到困难,学习的积极性受到抑制。

利用计算机技术、虚拟现实技术开发的各类学习型软件也不可避免地存在认知摩擦,怎样使学习者关注学习任务本身而不是外围的学习工具或环境因素,减弱技术的可视性,减少学习者的认知负担,使学习者更加顺利,更加自然地将注意力集中到学习任务本身,是研究者的主要任务。

二 虚拟实验中认知摩擦的解析

虚拟实验是虚拟现实技术在实验教学中的应用[3],是指借助多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境,实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目。

通过对大连理工开发的大学化学虚拟实验系统与吉林大学开发的大学物理虚拟实验系统进行问卷调查发现:71.43%的学习者需要在教师或同学帮助下使用软件,72%的学习者不喜欢现在的导航形式,50%的学习者认为系统的有用性信息提供少,35%的学习者因产品不容易操作而情绪低落等。这些数据显示虚拟实验教学软件存在着高认知摩擦,学习者使用的过程并不顺利,主要体现在:

1 虚拟实验系统的“健忘”

学习者每使用一次虚拟实验系统,都会对它了解更多一点,而虚拟实验系统却记不住学习者的选择。常用的功能与不常用的功能都得重得重新设置,且不能跳过。如图1(大连理工大学虚拟实验)每次进入系统都会提示学习者设置颜色,要么设置,要么取消,不能跳过。这无疑浪费学习者的时间,增加其认知负担。

图1大连理工虚拟化学实验系统

2 虚拟实验系统“吝于”提供信息

就像银行的自动柜员机在取钱的时候不直接告诉你账户里还有多少钱,需要你返回主界面继续操作查询一样,虚拟实验软件对于信息也非常吝啬,有的系统还伪装交互过程--让学习者在虚拟实验室摸索,增加学习者的外在认知负荷。调查发现,当前开发的虚拟实验系统有用性提示信息较少,学习者在学习过程中需要进行不断的尝试才能完成学习目标。

3 虚拟实验系统“不灵活”

在实际的实验操作过程中,当看到全局状况时,学习者会自觉地调整行动,而虚拟实验软件却不会如此灵活。如图2在大学物理光电效应虚拟实验中,如果不把电压表拖动到指定的方框内,就会弹出“仪器没有放到指定位置”的对话框,系统不能自动将其调节到适当位置,只有学习者将电压表拖放到准确位置,才能进行下一步操作。在真实的实验环境中学习者往往根据个人习惯摆放实验仪器,但在虚拟实验操作系统中却不能如此灵活。

图2吉林大学大学物理虚拟演示实验——光电效应

4 虚拟实验系统“责备”学习者

在真实世界里学习者遇到意外,学习者或教师会主动给予弥补。虚拟软件经常将遇到的问题抛给学习者,并“责备”学习者,资源库里资源经常打不开,出现无法连接到网站,无端地弹出一条错误信息“您的电脑没有与因特网连接”,或“您的电脑需要安装相应插件”等等,令学习者无能为力。

5 虚拟实验系统“不负责任”

调查中发现,学习者在虚拟实验操作过程中,当他们要保存、撤销某个操作或删除某些信息时,总是有对话框跳出询问“是否确信要采取的行动”,而不是立即执行操作,这些令他们厌烦。对于开发者而言这样非常合乎逻辑,他们可以摆脱不经意地删除东西的责任。在真实的实验操作过程中,学习者改变想法或取消已经做出的决定是很正常的,所以软件应该毫不犹豫地执行学习者的指令,不应回避。

综上所述,可发现学习者所需要的不仅仅是能让他们到达学习目标的产品,而是能最大程度地减少操作工作,减轻认知摩擦带来的外在认知负担,易用而又使身心愉悦的产品。

三 虚拟实验中存在认知摩擦的原因及解决策略

不管基于软件的产品有多简练,都存在着不同程度的认知摩擦,使得它们比工业时代的同类产品难用的多。在对虚拟实验产品的认知摩擦提出应对策略前先分析下其产生的原因。

1 虚拟实验系统中认知摩擦产生的原因分析

(1)从学习者角度分析,虚拟环境中的主体形象是隐喻符号化的,并不是现实的本体,开发者在虚拟环境中选择和塑造隐喻形象时,便开始了自我的呈现,即生成自我的意念之物,隐喻符号化的对象存在临时性、模糊性、多样性等特点,喻体和本体间的相似点往往并非一目了然。另外学习者的学习能力、视觉空间能力不同,认知摩擦的程度也不同。

(2)虚拟实验系统的人性化交互低。Cooper在《交互设计之路》中指出用户在使用产品时有个人目标与实际目标之分,实际目标便是完成任务,个人目标指的是用户希望自己在使用过程中不觉得愚蠢,出现差错,而是有成就感,能从中得到乐趣[2]。通过对虚拟实验设计开发工作者的访谈,总结出虚拟实验开发人员考虑的目标,如表1:

表1虚拟实验开发人员考虑的主要目标

在开发虚拟实验产品时,设计者均谈到遵循“以学习者为中心”、“目标导向”的设计原则。但从图上不难看出设计者考虑的多是从技术层面怎样完成学习任务,虽然分析了学习者特征,学习目标,却忽略了学习者的个人目标。对上述学习者反映出的认知摩擦欠缺考虑,缺少人性化的交互设计,学习者学习体验比较低,即使其他目标得到满足,他们的自尊也会受到挫伤,效果也急剧下降。

2 应对认知摩擦的策略

从认知心理学角度分析,虚拟实验系统的健忘、有用性提示信息匮乏、系统的不灵活等认知摩擦的存在使得学习者在信息环境中获取信息时会产生额外的心理负担导致学习者认知超载进而学习体验下降,对软件产生厌烦情绪。通过对学习者的访谈以及虚拟实验开发经验的总结,笔者提出如下策略:

(1) 双向交互原则 斯坦福大学Clifford Nass 和Byron Reeves教授通过巧妙地重新组织社会心理学经典试验研究了人对电脑的反应。人类具有特殊的直觉告诉他们如何对待其他知觉的东西,认知摩擦的存在引起了人们对电脑的直觉,人们将电脑与其他人等同。电脑与人需要双向的交互[4]。学习者每使用一次虚拟实验产品,都会对它多了解一些,所以虚拟实验系统应该记录学习者的个性选择,保存学习者的学习进度,当前开发的虚拟实验产品的“健忘”,使得学习者每次进入都要从头开始。

(2) 易用性原则 当前虚拟实验的提示大都是针对操作步骤而设置的,对实验仪器名称、使用方式的提示却很少,在真实世界里经常会看见路标,指示箭头等提示信息,这些在虚拟实验中应用的也比较少。增加一些可以有效地引导学习者注意的提示,例如利用鼠标经过显示信息效果、箭头指示方向等,帮助学习者从虚拟空间中选择相关信息加工,可以减少学习者的外在认知负荷,增加学习体验[5]。

在虚拟实验开发时,应该选择学习者普遍认可的技术,尽量减少运行环境安装配置的复杂度,保证资源的可用性。另外软件减少不必要的对话框的提示,尊重学习者的选择,执行学习者的命令,同样可以增加学习者的学习体验。

此外,目前主流的仿真虚拟软件在知识导航结构的设计上基本延续了传统多媒体课件的导航模式,这种导航模式以线性结构展示整个实验过程,虽然包含大量的图片、动画、语音等多媒体元素,但对自主学习的学生来说,他们需要花费很长的时间去掌握虚拟实验系统的整体框架和关键的操作要领。认知心理学认为人在自己的特定环境中,总会形成对环境中各事物的相对位置、距离,从一个物体到达另一物体所经过的路径的心理表征,个体对于这种关于环境的空间布局的内部表征,称为认知地图cognitive map(Anderson 1990)。虚拟现实是对真实世界的模拟,在虚拟实验系统中,采取地图式导航结构不仅能够减少学习者迷航,还可以减少学习者的认知负担。

(3) 界面简洁美观原则 在有限的屏幕空间中界面元素过于杂乱。繁多不仅不能起到美化界面,增加功能的作用,反而会争夺学习者学习记忆中的认知资源,分散学生对必要信息内容的注意力。因此对于学习者不常用的功能或根本用不上的模块,可放在二级界面或剔除。区分功能性与非功能性元素,在视觉与空间上予以对比,以让学习者可以清楚地知道各元素之间的功能映射关系。

(4) 引导思维,动机维持原则 好的游戏之所以引人入胜,在于它情景的设计引导着用户思维,维持他们的动机。学习者的目标是固定的,但是完成目标的过程是可动的,虚拟实验的设计也可以采取游戏式方案,要使虚拟实验情景引导学习者思维,首先应确定思维的起点,可通过分析学习者原有知识水平,寻找新旧知识点之间的联系或选择日常生活场景作为切入点。在安排实验内容时应考虑学习内容之间内在的逻辑性,以便遵循学习者的认知发展规律。

思维的核心在问题,虚拟实验设计可以以问题为媒介,吸引学习者的认知焦点,激发学习者的探索兴趣,使得思维朝着预期的方向发展。在实验阶段要对学习动机予以维持,当学习者完成一问题后要及时地给予反馈。此外,虚拟实验系统应对学习者的进度予以保存,以便随时继续完成学习任务。

四 结语

技术在给学习者带来便捷的同时,也带来了干扰。软件产品认知摩擦的存在使学习者认知负担增加。现有的虚拟实验系统多数是“以技术为本”的设计价值观,这种以设计者思维、机器逻辑为主,以功能和结构为中心的设计模式,很少考虑使技术适应学习者的生理与行为特征、心理与情感需要等,认知摩擦度很高,妨碍自主学习者的主动性,制约学习者的创新性思维能力。

参考文献

[1] 李世国,华梅立,贾锐.产品设计的新模式——交互设计[J].包装工程.2007,(4):90-95.

[2] ALAN COOPER著,Chris Ding等译.交互设计之路——让高科技产品回归人性[M].电子工业出版社,2006:17-35,145.

[3] 张慧.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J].江苏广播电视大学学报,2007,(5):72-73.

[4] 丁国栋.网络课程中操作交互的研究与设计[D].长春:吉林大学,2006.

[5] 林清丽.基于认知负荷理论的三维教学动画设计[D].上海:上海师范大学,2007.

The Research of Cognitive Friction in Virtual Experimental Operating System

WEI Shu-li1YANG Xue2

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

Abstract: Investigations and studies show that many existing development of virtual experiment focus on applications of technology and a pile of functions, learners manipulate them with a very high "cognitive friction" .Through the analysis of cognitive friction exists in the developed virtual experimental operating system, identified the reasons for its existence, and proposed solving strategies on this basis, which provide reference for the development of virtual experiment and application of virtual experimental teaching to avoid such unnecessary problems.

Keywords: Cognitive Friction; Virtual Experiment; Solving Strategies