VR建筑教育中UI设计对学习性能的影响

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报6（2019）189UI设计中的导航模式、操作方法、观察尺度和背景选项，以提高基于VR的建筑应用的学习性能孙成宇，胡伟，徐迪琼同济大学建筑与城市规划学院。中国上海市四平路1239号阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年4月3日收到2018年5月29日接受2018年5月31日在线提供保留字：用户界面交互设计学习性能虚拟现实A B S T R A C T虚拟现实技术以其独特的沉浸感被广泛应用于建筑教育领域在硬件和平台开发方面，国际上已经有了很多研究然而，关于用户界面（UI）设计的研究相对较少本研究旨在探讨建筑教育中VR应用的UI设计通过以往的研究和其他学者通过对120名大学生进行相关分析，对这四个因素与学习成绩进行了一组实验结果表明：在HTC Vive导航中，即时移动的钓鱼模式优于飞行模式;虚拟操作中直接抓取的方式优于虚拟构建过程中使用操作代理的方式;虚拟观察尺度接近真实世界中的身体和实体模型的方式表现最好; VR中背景环境的贡献没有预期的那么显著简而言之，VR平台中的学习性能随着不同的UI设计而变化很大。©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍虚拟现实（VR）技术已应用于许多领域，包括娱乐和教育（Dinis，Guimaraes，Carvalho，Martins，2017）。世界各地的高校已经在机械、建筑、医学、物理、设计等多个领域开展了基于VR的应用研究和实践（Cochrane，2016; Satava，2013; Li，Zhang，Sun，Wang，Gao，2017; Liang，Lee，Liu，2016）。虚拟现实在建筑教育中具有明显的优势，建筑教育中的一类陈述性知识严重依赖于时空信息。学生需要认知的三维物体在实验室。例如，建筑历史课程通常包括记忆3D建筑组件和时空构造步骤的认知学习过程。这些技术可以从各种感官上增强互动、沉浸感和想象力（Sheridan，2000）。从而使学生由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者。电子邮件地址：cy. tongji.edu.cn（C. Sun），1990huwei@sina.com（W. 胡）。在一些实施方案中，将两种药物相互作用以改善记忆效果（Siebra，Salgado，Tedesco，2007; Chen和Wang，2008;目前，大多数项目都与基于VR的建筑应用领域的硬件平台或软件引擎的开发和选择有关（Portman，Natapov，Fisher-Geettzman，2015; Rahimian和Ibrahim，2011; Sampaio，Ferreira，Rosário，Martinset ， 2010; Aoki ， Mitani ， Kanamori ， Fukuiet ， 2015;Park，Lim，Seo，Jung，Lee，2015; Ham，Roh，Zhao，2018）。然而，针对这些应用的用户界面设计的研究还很有限。采用的大多数指导方针都继承自电子游戏的UI范式（Suh，2014;Roupé，Bosch-Sijtsema，Johansson，2014）。UI设计是指由硬件和软件共同执行的人机交互范例，涉及操作逻辑和界面美学的整体设计，也称为界面设计（Braesicke et al.，1985年）。虚拟环境的交互范式从传统的二维平面向沉浸式的三维空间转变。对于2D窗口范例，即WIMP（Windows，Icons，Menus，Pointer）（Smith，1975），很难适应3D虚拟环境。因此，研究VR应用程序的UI设计，以提高建筑教育的学习效果在以前的https://doi.org/10.1016/j.jcde.2018.05.0062288-4300/©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。190C. Sun等人/计算设计与工程学报6（2019）189研究发现，在基于VR的虚拟构建过程中采用的UI设计，类似于PC上的2D构建游戏，不能显著提高学习性能，它在虚拟组件记忆过程中完成（Sun，Xu，Daria，Tao，2017）。因此，本研究试图定量地探讨基于VR的建筑应用的UI设计的关键因素。本文在Bowman（Bowmanet al.，2008）、Caputo等人（Caputo和Giachetti，2015）以及作者先前的研究（Sun等人，2017年）。以完成率、正确率、年龄、运算速度为变量，通过学习实验考察学习者的学习绩效。通过对上述两组变量的相关性分析，定量地衡量了四个因素对学习绩效的影响。2. 方法基于虚拟学习实验的相关性分析，测量了所提出的关键因素对学习绩效的影响。介绍了学习任务、虚拟现实平台、关键变量、小组参与者和整个过程。2.1. 虚拟学习任务实验中执行的学习任务是一个典型的建筑史课程虚拟学习模块。参与者必须通过一系列互动的虚拟建造操作，记住建于公元1013年的中国古代木造寺庙“保国寺”的建造步骤。作为同济大学国家虚拟实验建筑、城市规划、风景园林教育中心开发的基于VR的建筑应用项目之一，保国寺虚拟建造模块已经在课堂上进行了两个学期的测试。本研究中优化的UI设计将在未来的修订中应用2.2. HTC VIVE有各种类型的VR硬件，它们的价格相差近100万倍，从1美元的谷歌纸板玻璃盒到价值100万的全尺寸沉浸式CAVE。它们的功能从视听刺激到嗅觉和触觉刺激，甚至是脑电交互控制。为了应用于课堂场景，应仔细考虑平台的成本和维护。因此，个人虚拟现实平台，如普通PC，手机和HTC Vive，通常被认为是在教学场景内图1.一、在HTC Vive中以学生为对象的实验场景教室在这个实验中，使用了具有最佳沉浸效果和虚拟操作足够自由度的HTC Vive，如图所示。1.一、2.3. 交互任务的四个关键因素根据Bowman的交互任务理论（Ruddle，2005）提出了四个关键因素他将3D用户界面定义为包含三种类型的交互任务：导航，选择/操作和系统控制。导航任务包括漫游和路径查找。选择/操作任务包括选择、移动和旋转。系统控制包括请求系统实现特定功能的命令，这 些 功 能 可 以 改 变 系 统 交 互 模 式 或 系 统 状 态 （ Bowman andMcMahan ， 2007; Polys andBowman ， 2004; Setareh ，Bowman，Kalita，Gracey，Lucas，2005）。第一个关键因素是导航模式。随着Valve前者已经使用了几十年前，因为在每一个第一个角色喷气战斗游戏。后者自第一款Valve游戏“TheLab”以来就已为人所知。当用户将控制器提升到更高的角度时，目标点将沿着抛物线进一步生成。如果确认该点，用户将有一个瞬间的运动（显示为“眨眼”，屏幕淡出可以减少用户的疲劳和头晕）。然而，哪种模式导致更好的学习性能在架构应用程序仍然是一个问题。第二个关键因素是操作方法，从“选择/操纵”的类型来看。给定一个控制器，用户至少有两种方法来操作（移动和旋转）选择中的对象图二. 导航模式。左：飞行模式;右：钓鱼模式。C. Sun等人/计算设计与工程学报6（2019）189191图3.第三章。一种是使用控制器上的触发器来虚拟地抓住和释放物体。当被抓取时，物体将跟随控制器的运动实时移动和旋转。另一种是使用一个虚拟代理显示在选定的对象周围作为3D按钮来驱动移动和旋转。Caputo and Giachetti（2015）认为，VR中不同的操作方法会导致不同的认知效果（Caputo and Giachetti，2015）。第三个关键因素是从“系统控制”类型看观察尺度. Lucas，Kim，Bowman（2005）认为观察尺度也是影响虚拟环境中交互的重要因素。提出了在大规模虚拟环境中漫游应允许尺度的调整。因此在在实验中，学生可以调整观察尺度，这是虚拟化身的身体与虚拟保国寺的关系 四个水平的观察尺度（1：1，1：5，1：10，1：20）可供学生在他们的虚拟操作（图）。 4）.最后一个关键因素虽然没有讨论它对虚拟空间认知的影响，但现实世界的寻路研究提到了它的潜在功能，即帮助用户在不熟悉的环境中 辨 别 方 向 （ Frankenstein ， Brüssow ， Ruzzoli ， Hölscher ，2012）。由于对称的寺庙，两个层次的这个因素（有背景和没有背景，图。（5）在相关性分析中也提出了一些建议。图三. 操作方法。左：抓取法;右：代理法。图四、 观察量表。左上：1：1;右上：1：5;左下：1：10;右下：1：20。图五. 背景选项。左：有背景;右：无背景。192C. Sun等人/计算设计与工程学报6（2019）1892.4. 学生参与者和实验组一个班的120名学生（年龄从18岁到20岁，其中男生52名，女生68名）参加了实验。他们是建筑系二年级的学生他们虽然都有一定的中国木结构建筑的基础知识，但没有人知道报国寺的建造过程。所有受试者随机分为4组（ABCD组），每组人数相同。每组的UI设计是根据特定水平的上述因素的独特组合设计的（表1）。在虚拟学习过程中，参与者可以根据自己的喜好调整导航模式和操作方法。对于C组和D组，他们还可以调整观察尺度。同时，所有这些偏好都在每一秒被记录下来。2.5. 实验过程在前5分钟，参与者尝试HTC Vive以熟悉虚拟用户界面。由于HTCVive游戏很受欢迎，几乎所有参与者都能在练习后很好地使用UI。在接下来的20分钟里，他们根据上述实验设计，在HTC Vive中使用定制的UI学习了至少3次所有构建步骤一点红色的透明组件被用来帮助他们了解每一步的下一步该做什么他们可以随时打开/关闭它。当参与者想要测试他的知识时，它很有用。最后，休息1小时后，15分钟的考试开始了。当参与者要选择和放置元件时，没有相关的提示。在考试过程中，系统记录每一次操作，并自动对学习成绩进行评价，包括操作速度、完成率和正确率。手术速度（项目/分钟）定义为手术项目总数除以总手术时间（分钟）。完成百分比被定义为执行的表1实验组设计组观察量表背景选项一比例为1：1带背景B比例为1：1没有背景C可调刻度带背景无背景的三维可调刻度部件除以所有可操作部件的数量。校正百分比定义为正确构建的组件数量除以所有可操作组件。使用两套HTC Vive，这项实验从2017年11月25日开始，持续了一个月。从120名参与者中收集的所有数据都经过验证是可靠的。3. 结果和讨论通过对实验中四组被试的数据进行相关分析，得出各因素对基于VR的保国寺课件学习成绩的影响。3.1. 导航模式在实时过程中记录两种导航模式的使用情况。该分布反映了39.2%的作业采用飞行模式，60.8%的作业采用捕鱼模式。显然，钓鱼模式更受参与者的欢迎。然而，根据分析，模式和学习性能之间没有显著的相关性（表2）。虽然在实验过程中，有学生反映，虽然使用飞行模式可以达到高视角，但长时间操作容易导致头晕，部分学生甚至需要摘下头部显示器休息一下才能继续，这些都可能导致生理不良体验，影响学习进度。3.2. 操作方法两种手术方法的使用情况也被实时记录。其分布反映了47.4%的手术采用代理法，52.6%的手术采用抓取法。虽然偏好不显著，但操作方法与学习成绩之间的相关性显著（表3）。结果表明，代理操作方法与试验结果呈负相关.而抓握操作法与测验成绩呈正相关，说明代理操作法不是一种好的学习方法。代理法时间越长，运算速度越慢，完成率和校正率越低。原因可能是代理方法更适合远程精确操作。表2导航模式与学习绩效之间的相关性导航模式指示器运行速度完成百分比修正百分比飞行模式皮尔逊相关系数-0.018 0.065-0.028Sig.0.842 0.468捕捞模式Pearson相关系数0.018-0.065 0.028Sig.0.842 0.468表3操作方法与学习绩效之相关性。操作方法指标操作速度完成百分比校正百分比抓取方法皮尔逊相关系数-0.320**0.000-0.304**0.001-0.384**0.000代理方法皮尔逊相关系数0.320**0.0000.304**0.0010.384**0.000**在0.01水平（双尾），相关性显著。C. Sun等人/计算设计与工程学报6（2019）189193然而，由于在运动和旋转控制中强调X，Y，Z的准确性，参与者的交互过程不自然，导致操作速度下降。相反的，抓取的方式是自然的互动，类似于人的拿东西的动作。因此，它与所有业绩指标都呈正相关。交互的自然程度直接影响运算速度，进而影响学习性能。3.3. 观察尺度在本实验中，一半用户被设计为在1：1的固定观察尺度下操作，另一半用户能够在工作过程中在4个水平（1：1，1：5，1：10，1：20）上调整尺度。从后半部分的分布来看（1：1为3%; 1：5为12%; 1：10为30%; 1：20为5%），对某一特定比例（1：10）的偏好非常明显。同时，观察量表与学习成绩的相关性也值得一提。结果表明，1：1量表与绩效指标呈显著负相关（表4），其他量表均呈显著正相关。一个原因可能是保国寺的规模太大，参与者无法从整体上观察，这意味着他们只能收集局部的理解，而不是全球性的理解。此外，最受欢迎的观察比例（1：10）实际上将5米高的寺庙转换为HTC Vive中用户面前的0.5米高的实体模型，这非常接近现实世界中建筑师在桌子上使用实体模型的比例。因此，相关性分析可以表明，虚拟化身和他的操作目标之间的比例越接近真实人体和桌子上的模型之间的比例，学习性能越好。3.4. 背景选项根据实验设计，一半被试有背景环境，另一半没有.尽管预期该因素可能很重要，正如在现实世界的寻路任务中所建议的那样，但相关性分析一个原因可能是寺庙的组成部分的名称‘‘Front”建筑物的纹理帮助用户区分方向。预计今后将进行进一步的实验3.5. UI设计对学习表现的强烈影响通过以上分析，阐明了用户界面设计中的四个因素与学习绩效为了对UI设计的影响程度有一个一个有所有的最佳条件（捕鱼模式，掌握操作方法，1：10的比例，无论有或没有背景）从13个参与者。另一组是17名参与者中最差的一组（飞行模式、代理操作方法、1：1比例尺、有背景和无背景）。学习成绩的差距令人印象深刻：最好的一组比最差的一组完成率高39.2%，正确率高59.7%，操作速度快0.72个项目/分钟（图6）。因此，不同的UI设计，VR中的学习性能差异很大。4. 验证为了验证上述来自HTC平台的结果是否可以与其他个人VR平台共享，在移动VR平台上使用名为Yu Xin v.2的APP验证观察尺度与学习表现之间的相关性，该APP使用具有随机图案的盒子来设置用于虚拟构建的增强现实环境。在验证实验中，30名来自建筑系二年级的参与者（13名男性和17名女性）操作自己的手机，通过与先前实验类似的步骤虚拟建造保国寺（图11）。 7）。手术过程中，参与者能够在3个水平（1：1、1：5和1：10）之间调整观察量表。这个过程与HTC Vive实验的过程相同（5分钟学习APP，20分钟学习构建过程，1小时休息，15分钟考试）。同样，参与者对量表的偏好是明显的，这反映在量表使用的分布上（1：1是27%，1：5是48%，1：10是25%）。同时，相关分析（表6）表明，1：5的观察量表与学习表4不同量表与学习成绩的相关性观察量表指标操作速度完成百分比校正百分比1：1的比例皮尔逊相关系数-0.447**0.000-0.480**0.000-0.562**0.000一比五皮尔逊相关系数0.205*0.0210.180*0.0440.0630.4841分10秒皮尔逊相关系数0.271**0.0020.378**0.0000.577**0.000一点二十分Pearson相关0.0730.1030.048Sig.0.4160.2510.597*在0.05水平（单尾），相关性显著。**在0.01水平（双尾），相关性显著。表5背景选项与学习绩效之相关性。背景选项指标操作速度完成百分比校正百分比带背景Pearson相关0.1690.0810.085Sig.0.0590.3670.342没有背景皮尔逊相关系数-0.1690.059-0.0810.367-0.0850.342194C. Sun等人/计算设计与工程学报6（2019）18996.80%百分之0.9757.60%30.60%最佳条件最差条件1.69完成百分比修正百分比运行速度（条/分钟）见图6。 最佳条件和最差条件下的性能。图7.第一次会议。验证实验场景。左上：学生表6验证中观察量表与学习绩效之相关性观察量表指标操作速度完成百分比校正百分比1：1的比例皮尔逊相关系数-0.3410.197-0.534*0.033-0.827**0.000一比五皮尔逊相关系数-0.0530.8190.3010.1850.533*0.0131分10秒皮尔逊相关系数0.0370.8780.0060.9790.1550.513*在0.05水平（单尾），相关性显著。**在0.01水平（双尾），相关性显著。C. Sun等人/计算设计与工程学报6（2019）189195性能验证具有不同偏好量表的原因当比例为1：1时，整个建筑在大多数情况下都在屏幕之外。总之，观察量表确实影响学习绩效。此外，不同类型的个人VR平台可能具有一定的通用性，即UI设计可以通过适当的观察尺度设置来促进学习性能。5. 结论由于建筑教育涉及大量的三维物体和操作的学习过程，因此应用虚拟现实技术来提高建筑教育的学习效果具有很大的潜力。因此，如何更有效地使用VR是该领域的一个重要课题。除了硬件平台和虚拟引擎的讨论，UI设计是另一个重要方面。然而，针对建筑教育领域的VR用户界面设计的研究相对较少.本研究从UI设计中提取了四个关键因素：导航模式、操作方法、观察尺度和背景选项。在实验的基础上进行相关分析，定量地探讨这些因素对学习成绩的影响在实验中，120名参与者在HTC Vive中执行虚拟建造保国寺的学习任务根据因素水平的不同组合，将被试平均分为4组：导航模式（钓鱼模式/飞行模式）、操作方法（抓取法/代理法）、观察尺度（1：1/1：5/1：10/1：20）和背景选项（有背景/无背景）。以运算速度、完成率和正确率作为学习性能在不同的UI设计下，VR平台中的学习性能差异很大。在HTC Vive导航中，钓鱼模式比飞行模式更受欢迎。在虚拟施工操作中，抓取法优于代理法。接近真实世界中的身体和模型的虚拟观察尺度表现最好。如果建筑物的细节可以告诉方向，那么VR中背景环境的贡献仍然此外，一个由30名参与者执行的基于手机的VR平台的验证实验也表明，不同的VR平台具有一定的普遍性，即UI设计可以通过适当的观察尺度设置来促进学习表现。确认本研究得到了国家自然科学基金项目（批准号：51778417）、国家重点研发计划项目（批准号：2016YFC 0700200）和同济大学教学改革项目的资助。利益冲突声明利益声明：无。引用青木，H.，Mitani，J.，Kanamori，Y.，&Fukui，Y.（2015年）。基于AR的3D打印装饰设计系统。Journal of Computational Design and Engineering，2（1），47-54.鲍曼，D.一、Coquillart，S.，Froehlich，B.，等（2008年）。3D用户界面：新的方向和视角。IEEE Computer Graphics and Applications，28（6），20-36.鲍曼，D. 一、&麦克马汉河P. （2007年）。虚拟现实：多大程度的沉浸感才足够？Computer，40（7）.三十六三十六。Braesicke ， C. ， Dean ， J. ， Fisher ， D. ， 等 （ 1985 ） 。 用 户 界 面 。 ACM SigadaAdaLetters，IV（5），90-96.Caputo，F.，Giachetti，A.（2015年）。低成本沉浸式虚拟现实的基本对象操作模式评估。ACM（pp. 74-77）。陈，R.，&Wang，X.（2008年）。设计技能移转之实体扩增实境学习空间实证研究。清华科技&，13（1），13-18.Cochrane，T.（2016年）。 教育领域的移动VR：从边缘到主流International Journal of Mobile and Blended Learning，8（4），44.D'Souza，N.，尹，S. &伊斯兰，Z.（2011年）。了解Y世代的设计技巧：通过VR-KiDS项目进行探索。Design Studies，32（2），180-209.Dinis，F. 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