基于回旋性设计思想的虚拟实验设计研究

李宇佳， 张克永， 杨 雪

(吉林大学 高等教育研究所， 吉林 长春 130012)



基于回旋性设计思想的虚拟实验设计研究

李宇佳， 张克永， 杨 雪

(吉林大学 高等教育研究所， 吉林 长春 130012)

针对虚拟实验存在界面对功能的表达模糊、操作自由度差、出错率高、缺乏实验状态保障机制等问题，将工业设计领域中的回旋性设计思想引入虚拟实验设计。在详细分析回旋性内涵与虚拟实验构成要素的基础上，构建了虚拟实验的回旋性设计模型，清晰地揭示了功能可见性、可逆性、容错性、安全网等4个模块涉及的实验元素，并依据此模型进一步提出虚拟实验回旋性设计的具体实现方式。

回旋性设计； 虚拟实验； 模型构建

在进行虚拟实验的设计与开发时，设计者往往忽视技术的外在表现形式，即功能的设计，导致一些虚拟实验易用性较差、忽视对实验者实验状态的实时调控。如何使虚拟实验更加符合实验者的认知特点和行为习惯，满足不同层次实验者的需求，是虚拟实验设计中应充分重视的问题[1-2]。笔者尝试将产品设计领域中的“回旋性”设计思想引入虚拟实验研究，以期寻求优化虚拟实验设计品质的可行方案。

1 当前虚拟实验所存在的问题

通过对虚拟实验应用情况的调查，发现虚拟实验的设计仍存在一些问题，主要表现在界面设计、交互设计、容错设计及实验状态调控等方面。

(1) 虚拟实验的交互界面不能清晰地呈现传递界面元素所代表的功能和系统状态，导致实验者理解困难甚至错误；操作界面布局零乱，图标按钮的使用方式不符合实验者操作习惯，影响实验的正常进行。

(2) 虚拟实验的操作不能撤销或回看，实验者无法对交互过程进行灵活控制。若实验者需要修改实验过程中的某一环节，只能回到初始状态重新进行实验。如果这种情况反复出现，将使实验者产生厌烦情绪。

(3) 当虚拟实验的结构和功能设计不符合实验者的操作特点时，容易增加出错概率。一旦操作出错，且虚拟实验系统不能作出反应或提示，可能导致系统崩溃或死机。此外，由于实验者在操作出错后无法及时获得帮助和明确的纠错信息，将影响实验的进行。

(4) 虚拟实验系统未顾及实验者的心理、行为与情感等方面的状态，缺乏对实验者认知水平和学习能力的考量，实验的难度等级单一或难度层级不可控，使一些实验者难以适应。

以上问题是影响虚拟实验设计品质的重要因素。在虚拟实验设计中引入回旋性设计思想，设计开发以实验者为中心并满足实验者认知、行为和情感等方面需求，使实验者有较大的操作灵活度和自由度，实验效果更好的虚拟实验系统十分必要。

2 将回旋性设计思想引入虚拟实验设计

2.1 回旋性设计思想的内涵

“回旋”具有可进退、可商量、可变通之意，回旋性设计思想就是要求设计的产品灵活、可进可退，即具有回旋的特性。美国学者威廉·立德威尔(William Lidwell)等在《通用设计法则》[3]中指出：所谓“回旋性”是使系统造成的负面影响降到最小化，把正确操作设置得明白易懂，错误操作发生前，避免错误发生，若错误一旦发生，也能把负面影响降到最低。该书还指出：具有回旋性的设计提供了灵活性、稳定性、安全性，让使用者更愿意尝试与冒险，并提出使设计体现“回旋性”的方式主要包含良好的功能可见性、可逆性、安全网等。

2.2 虚拟实验回旋性概念的理念

虚拟实验的回旋性是基于以实验者为中心的设计思想，实现实验者与虚拟实验交互过程的顺畅、灵活自由，减少操作错误的发生，或在错误发生后将负面影响最小化。该设计理念充分考虑实验者使用虚拟实验过程中认知、行为及情感等多样化的需求，使设计的虚拟实验灵活而有弹性，为实验者的自主研究提供回旋的空间，有助于提高人机交互过程中虚拟实验的使用效率及易用性，减轻实验者使用的心理负担，最大限度地满足实验者体验过程的愉悦感、自由感与归属感。

2.3 引入回旋性设计思想的必要性

回旋性设计思想旨在以系统设计思想指导虚拟实验设计，提升实验的设计品质与教学效果。虚拟实验回旋性设计的实现主要有功能可见性设计、可逆性设计、容错性设计和安全网设计。功能可见性侧重于降低实验者使用实验系统过程中的认知负荷，即看得懂且找得到所需信息；可逆性设计能满足实验者灵活地在不同操作环节跳转，而非简单地执行既定操作；容错性设计是从设计方面减少错误的发生，即使错误发生，也能指导实验者及时发现并纠正错误；安全网设计考虑的是防范实验者在使用过程中过度偏离正确操作，消除过度挫折或厌烦心态等负面影响。

虚拟实验回旋性设计的4个方面相互关联，构成统一的整体。功能可见性保证实验者正确、流畅地操作实验，有助于减少后退与错误的发生；可逆性和容错性保证虚拟实验的高度可用性，利于实验者主动发现、加工界面信息；安全网贯穿整个学习过程的始终，是保障实验系统整体性功能有效运作的保护机制。

3 虚拟实验回旋性设计的实现

笔者在分析虚拟实验回旋性设计的内涵与实现方式的基础上，构建了虚拟实验回旋性设计模型(见图1)。此模型将功能可见性设计、可逆性设计、容错性设计、安全网设计与虚拟实验中的相关要素进行了匹配，这些要素是虚拟实验回旋性设计的核心部分。

图1 基于回旋性思想的虚拟实验设计模型

3.1 功能可见性模块设计

3.1.1 导入隐喻设计方法，增强信息交互的流畅感

在虚拟实验界面设计中借助隐喻手法，将不熟悉或难以理解的信息用简单、可视化的形式表达，主要体现在图标符号设计中。图标隐喻的常用方法包括形象隐喻、工具隐喻、符号隐喻、效果隐喻。形象隐喻是采用模拟现实图像直接传达图标含义，如虚拟实验界面中以真实示波器设备为原型设计的图标；工具隐喻是通过使用的工具表示功能，如调色板图标表示可使用该工具更改背景颜色；符号隐喻是利用抽象的符号或标志与一些语义关联，如问号很容易与“帮助”、“答疑”关联[4]；效果隐喻是用操作的结果表征其操作，如水平左对齐图标，将执行左对齐操作后物体呈现的结果呈现。隐喻设计应寻求创意与功能实现的平衡，不能过分追求外观上的新颖而忽视使用隐喻设计的初衷[5]。

3.1.2 运用预设用途，帮助理解实验系统操作方式

心理学家Donald.A.Norman认为：预设用途是产品本身所具有的并被使用者理解的基本性能[6]。将预设用途应用于虚拟实验设计中，是指虚拟实验中的信息通过外在表现形式被实验者理解，主要包括：(1)设计可点击的提示线索，通过界面元素或区域外观上的设计，表达界面中按钮、图标或场景区域的操作功能，如点击鼠标时对象形状变为手状，提示学习者该区域是可通过点击发生下一步动作；(2)设计可拖拽的视觉表示，以增添特效来凸显功能，如将页面边缘设计成书角卷曲以表示本页面可通过拖拽翻页。

3.1.3 实现自然匹配，减少实验者记忆负担

在虚拟实验设计中，自然匹配原则表现为界面元素的空间位置、大小、色彩和功能间的关系，使虚拟实验界面元素的操作更加自然和容易理解。

(1) 在空间位置的设计中要对功能项进行恰当的归类和组织，将同类、同级的信息放置在同一区域或选单(菜单)下，使虚拟实验界面布局符合人的视觉心理和记忆特点，界面元素重点明确、层次分明。

(2) 字体大小与色彩设计应合理表达功能的重要程度。通常小于9磅的字号易出现阅读障碍，大于12磅的字号浪费空间[7]，但放大字号和图标容易成为视觉焦点，具有强调的暗示。色彩选择应考虑文化背景、审美需求、学科特点等因素[8]，色彩合理搭配、风格一致可带来舒适感，色彩适度对比利于区分内容的主次关系。

3.2 可逆性模块设计

3.2.1 可逆形式划分

可逆性设计包括一步撤销、多步撤销、历史记录和恢复初始值等形式。(1)一步撤销是根据知识间的联系程度将实验内容设置为一系列按顺序排列的操作节点，通过标有“上一步”的按钮实现向上一个节点的跳转；(2)多步撤销是跨节点的跳转。图2的上部(a区域)有一条按实验进程生成的导航轴，轴上有各操作节点，允许实验者自由跳转到已完成的节点上；(3)历史记录的设计可借鉴Photoshop软件的设计方法，令系统自动生成一个虚拟实验的操作列表，记录所执行的每一个动作，允许实验者撤销或更改操作动作(见图2的b区域)；(4)恢复初始状态的作用是当实验者要清除已有的操作或回顾实验内容时，系统能恢复虚拟实验的最初状态，节省重启实验所花费的时间[9]。

图2 机械基础虚拟实验系统界面

3.2.2 路径结构决定可逆形式设计

根据虚拟实验的内容联系及复杂程度，可将组织形式分为线性、树状和网状三种结构类型。

(1) 线性结构用于流程单一、顺序性较强的虚拟实验，是将实验过程按序划分为一系列操作节点，通过后台程序实现节点与对应实验流程的超链接。

(2) 树状结构用于较复杂的虚拟实验。将实验划分为若干子实验，每个子实验都是完成整个实验的必经步骤，有的子实验可以通过多种路径完成。例如制取氧气是完成某一复杂实验的一个环节，且有加热高锰酸钾、氯酸钾、双氧水等不同制氧方法。当采用某种制氧方法遇到因难时，可重新选择另一种方法。

(3) 网状结构适用于知识点多且联系紧密的虚拟实验，节点间交叉搭建促成多条学习路径。当实验遇阻时，可从遇阻节点跳至另一条分支继续实验，无需返回上一节点，完成实验后再通过提示解决难题。

3.3 容错性模块设计

3.3.1 分析出错原因，做好防御准备

设计虚拟实验时应分析实验者易出错的原因及类型。操作出错的原因主要有两方面：一是与人的生理、心理特点和外界环境有关[10]；二是虚拟实验的功能设计不符合实验者的操作特点。设计者应在界面信息的视觉表达上避免易引起误操作的交互设计，并对出错率高的操作步骤给予辅助性提示。

3.3.2 明确出错信息，及时反馈错误

虚拟实验应根据实验者的操作及时提供反馈，维持学习的连续性，防止学习过程脱节或错误累积。当实验者在系统的提示下仍无法正确操作时，系统应及时作出反应[11]，避免因某一操作环节的错误而使实验失败。所反馈的出错信息不仅要告知实验者发生了错误，还要提示出错的原因。描述出错原因的语言应通俗易懂、内容要具体明确；反馈形式应友好、多样，通过富有感情色彩的文字、声音、图像或动画给实验者以良好的情感体验。

3.3.3 提供纠错帮助，减小错误代价

当实验者操作错误后，系统应提供纠错帮助，包括建设性意见和纠正错误的办法。建设性意见是系统向实验者提供关联推荐，列出与出错问题相关的多种解决方法与线索，使实验者能够快速找到纠错方法。此方法也适用于出错形式在系统考虑范围之外的情况。纠正错误的办法是在明确问题的前提下，以详尽的文字说明或直观的视频演示告知实验者正确的操作方式，减少实验者出错后的挫败感，帮助实验者迅速恢复到离出错点最近的状态，降低出错产生的负面影响。

3.4 安全网模块设计

安全网可以实时监控实验者的虚拟实验过程，判断实验者的动作，并根据反馈结果自动调节实验的难度。在图3中，安全网调控机制以挫折和懈怠两种学习状态为坐标轴，中间粗线代表实验者完全沉浸于虚拟实验，达到了理想状态，圆点表示安全网机制的监控节点；灰色区域是系统允许实验者状态波动的区间。在灰色区域，实验者能够通过自身努力或系统帮助保持良好的实验状态。a曲线表示无安全网调节时实验过难、实验者心理受挫的状态，b曲线表示缺少安全网调控时实验过易、实验者不断懈怠的过程。在融入安全网机制的虚拟实验中，当挑战难度过大，超出灰色区域，安全网将进行调控，通过降低难度使实验者逐渐回归到沉浸状态，如A曲线所示，反之，实验难度过低时，安全网将提升难度，其调节结果如B曲线所示。

图3 安全网调控机制示意图

3.4.1 实时监控实验过程，判断实验状态

安全网通过一定的技术手段实现对实验者实验过程的实时监控，监控内容涉及实验者完成阶段性任务所用时间、出错次数、使用提示帮助频率、自我测试结果等，系统根据监控得到的信息分析判断实验者的实验状态与学习水平。实验的初始状态应设定为适宜于大多数实验者水平的中级难度，允许实验状态在一定范围内波动[12]，实验者可通过实验的拓展练习或系统提供的容错功能解决问题。波动范围不宜过大，若发现学习状态超出某一临界值，即实验难度设置与实验者现有水平严重不符，安全网应实施调节机制。

3.4.2 自动调控学习难度，不断提升学习效果

将虚拟实验各个节点设置为不同的难度等级，当发现实验者过度偏离“沉浸状态”时，安全网需自动调高或降低难度等级，使实验符合实验者变化的认知水平。例如实验者在某一阶段的学习状态逐渐下滑，系统开始利用提示帮助或纠错的方式引导实验者，若监测发现容错功能未能遏制其下滑趋势，安全网应将实验路径切换至较低难度，使实验者经过平缓的难度递进过程实现学习目标。反之，若实验过于简单，实验者会逐渐失去学习兴趣，安全网应将实验调至难度系数较大的路径，增加实验者的成就感[13]。

4 结束语

回旋性设计思想为改善虚拟实验设计提供了新思路。将回旋性设计思想的内涵所指与虚拟实验要素特性相耦合，构建出虚拟实验回旋性设计模型，为设计出符合实验者认知特点、行为习惯和情感体验的虚拟实验提供了参考依据。随着技术水平的发展和理论分析的深入，虚拟实验回旋性设计理论也需进一步丰富和拓展，从而更好地指导虚拟实验设计。

References)

[1] 罗仕鉴,朱上上.用户体验与产品创新设计[M].北京：机械工业出版社,2010.

[2] 吴泊晓.虚拟实验的自然交互设计研究[D].长春：吉林大学，2012.

[3] 威廉·立德威尔,克里蒂娜·霍顿,吉尔·巴特勒.设计的法则[M].李婵，译.沈阳:辽宁科学技术出版社,2010.

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[5] 廖宏勇.图形界面的隐喻设计[J].同济大学学报：社会科学版,2010,21(3):76-82.

[6] Norman D A.好用型设计[M].梅琼，译.北京:中信出版社,2007.

[7] 柳沙.设计心理学[M].上海:上海人民美术出版社,2009.

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[9] 张亮.细节决定交互设计的成败[M].北京:电子工业出版社,2009.

[10] 黄群,杨赛男.产品设计中产品容错性设计应用研究[J].设计艺术研究,2012,2(1):47-51.

[11] 闫霞,聂桂平.产品设计中的容错性思考[J].东华大学学报,2012,38(5):636-638.

[12] 马颖峰,隋志华.基于Flow理论的教育游戏沉浸性设计策略研究：教育游戏活动难度动态调控研究[J].电化教育研究,2010(3):54-62.

[13] 隋志华.基于flow理论的教育游戏活动难度的动态设计研究：以初中物理知识点改编为教育游戏为例[D].西安:陕西师范大学,2010.

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

吉林省发展和改革委员会资助项目(2010018-1)

李宇佳(1989—)，女，河北石家庄，硕士研究生，研究方向为网络教育研究与应用

E-mail：jdgjslyj@163.com

杨雪(1955—)，女，吉林长春，教授，硕士研究生导师，研究方向为网络教育研究与应用.

TP391.9

A

1002-4956(2015)2- 0127- 04