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摘 要：本文通过对虚拟实验的概念、特点及虚拟实验学习者、虚拟实验指导系统进行分析，在产品界面交互设计基本原则的基础上，提出了虚拟实验指导系统应当遵循的两个原则。在此基础上以开放式实验教学与实验室管理系统的虚拟实验指导系统为例，分析了该指导系统的优缺点及改进方案。
关键字：虚拟实验；交互设计；指导系统
中图分类号：TP391.6 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.08.007
本文著录格式：[1]文琪琪，文福安.虚拟实验指导系统的交互设计研究[J].软件，2013，34（8）：20-23
0 引言
随着计算机、网络和虚拟现实等技术的迅猛发展，虚拟实验教学在教育领域产生了巨大影响。虚拟实验主要利用网络资源实现在线或远程的实验教学[4]。然而虚拟实验不同于真实实验，能触摸或者感知得到各种实验器材，并可以请求实验指导老师给予指导。虚拟实验必须配备有设计良好的指导系统，使学习者在做虚拟实验的过程中随时可以得到相应的指导信息。
虚拟实验指导系统通过学习者与计算机间的交互，可以智能化地为学习者提供虚拟实验指导信息，以减轻使用者遇到问题时没有头绪而产生的焦虑。上世纪六十年代国外就有了自适应辅助教学系统的概念，九十年代以后，随着人工智能及相关理论技术的进步与发展，国内逐渐开发出各式各样的智能教学系统，北京大学计算机研究所某研究室开发的微积分智能教学专家系统便是其中的代表。中国科技大学的大学物理远程虚拟实验最早提供实时智能指导的功能，为学习者在进行虚拟实验中提供实时的指导信息。北京邮电大学的电子电路类虚拟实验提供的智能指导系统，为学习者提供递进式的智能指导，对引导学习者进行积极思考和自主学习具有积极的意义和价值[1-2]。但目前国内关于虚拟实验智能指导系统的研究主要侧重于技术方面，对基于虚拟实验教学的智能指导系统的交互设计的相关研究少之又少。
1 虚拟实验指导系统的交互设计原则
1.1虚拟实验的概念和特点
虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实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，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果[5]。然而虚拟实验可能面临的挑战：1）学习者并非实际动手操作；2）在没有教学指导下的重复实验可能挫败那些还没深入理解概念的学习者；3）并非所有课程允许学习者“反馈”他们的批判性思维以便改进或反省练习[3]。
从虚拟实验面临的挑战来看，设计一套交互良好的虚拟实验指导实时指导系统非常必要。学习者虽然不能实际动手操作，但学习者可以通过反复进行虚拟实验，深入理解后，再进行真实实验（现场实验）。同时，设计良好的虚拟实验指导系统可以实时给予学习者以反馈，以达到启发学习者的目的。
1.2 交互设计的基本原则
用户体验和人与产品的交互密切相关，交互行为无处不在。《Don’t make me think》一书中提到，Krug可用性第一定律：别让我思考[7]。要做到别让我思考，至少需要遵循以下几个原则[7]：一致性原则，减少用户的记忆负担，提示和信息反馈。
1.3 虚拟实验指导系统交互设计原则
结合虚拟实验的概念和特点，虚拟实验指导系统的交互设计除了需要遵循上述三条交互设计的基本原则，还必须符合“可用性”的设计标准[5]。因此，要依照“可用性”标准，制定虚拟实验指导系统的交互设计原则。
1.3.1 指导信息与实验操作的关联性
学习者在虚拟实验环境下，学习环境单一，要提高学习者做虚拟实验的效率和质量，必须提供直接而有效的指导信息。学习的过程是一个枯燥的过程，学习的过程中避免不了会产生厌烦的情绪。根据减少用户记忆负担的交互设计基本原则，学习者在虚拟实验系统中获得的虚拟实验系统操作说明，要与具体的实验步骤相关联[2]，减少学习者在众多指导信息中搜寻与自己当前操作相关部分的操作，使学习者一步到位的看到自己对当前操作所需要的指导信息。因此，指导系统的指导信息必须与实验操作具有相关联性。
1.3.2指导信息的实时反馈性
反馈和交互意味着通过合适的反馈以及和程序之间的交互从而让用户时刻知道现在发生了什么，而不仅仅是当事情出错时显示一个警告[6]。根据心理学的注意力分配模型，不熟悉或十分关注的操作都会占据人脑相当多的注意力资源，若任务有延时反馈，则操作完成后注意力发生聚焦，投射在行为发生地附近，以关注产生的结果。简单点说就是，我在虚拟实验的过程中连了一条电路，如果这是其中关键一步，那么我希望系统可以在我所连电路附近及时的告诉我正确还是错误，以达到给我鼓励或提示我的作用。
2 虚拟实验指导系统交互设计
以产品交互设计原则为指导，基于虚拟实验指导系统的交互设计原则，选取“开放式实验教学与实验室管理系统”为案例进行虚拟实验指导系统的交互设计研究。
2.1 帮助文档
实验帮助是帮助答疑模块的一部分，它是基于虚拟实验系统的。通过实验帮助，用户可以获得虚拟实验系统的操作说明，学习者可以在虚拟实验中获得与实验相关的实验指导书，如图1所示。
优缺点分析：不论是系统的操作说明还是与实验相关的实验指导书，用户在请求实验帮助时候返回的都是一个整体的在线文档，并不具备针对性和有效性。用户在虚拟实验系统中获得的虚拟实验系统操作说明，没有与具体的页面关联起来，整体的在线文档使得用户还需要自己去搜寻与自己当前操作相关的部分，降低了系统操作说明的可用性和便捷性。学习者在虚拟实验学习中获得的实验相关指导，并没有和当前学习的具体实验关联起来，显得实验相关帮助不具备易用性，有可能影响到学习者在虚拟实验学习中的积极性和主动性。 改进方案：根据指导信息与实验操作相关联的原则，针对实验帮助文档缺乏针对性和有效性，不与具体页面相关联的问题，可将实验原理、实验步骤、实验操作电路图等关键信息放在实验平台界面上，学习者在做虚拟实验的过程中需要指导时，可通过单击某个按钮直接定位到该实验的相关原理、步骤。如果学习者还需要实验原理、实验步骤的之外的指导信息，可请求其他方式的指导信息。
2.2 智能指导系统
学生在做网上做虚拟实验的过程中，可以通过单击 “请求指导”按钮得到指导。系统中智能指导为递进式智能指导。
递进式的智能指导方式，学习者在看到指导信息后，可以根据指导信息进行相应的思考，尝试进行操作。如果在看到如图2指导信息后，还是不明白，此时单击“进一步指导”按钮，如图3所示。如果在看到指导信息后，还是不明白，还可以单击“进一步指导”按钮如图4所示。此时，智能指导过程结束。学生可以根据指导信息一步一步的完成实验。
优缺点分析： 递进式智能指导并不会一次性给予学习者全部的具体指导信息，通过逐级递进提示更为具体而丰富的指导信息，启发学习者在实验过程中对具体的实验知识的思考，在实现智能指导帮助学习者进行虚拟实验的同时，留给学习者充足的思考空间[2]。但递进式智能指导信息只有在学习者单击“请求指导”按钮后，才会出现相应的指导信息，在学习者之前的操作中没有实时的指导学习者。此外，虚拟实验的目的是为学习者创造一个近似真实的环境，而虚拟实验指导系统也应让学习者感觉不到与真实实验的差别。
改进方案：根据指导信息的实时反馈性原则，学习者在虚拟实验过程中，操作到关键步骤时，指导系统应实时给予学习者以鼓励或者提示。例如：学习者在关键之处操作正确，指导系统应鼓励学习者“You are so great！”，或学习者在关键之处操作错误，指导系统应提示学习者“是不是需要再思考一下？”之类的信息。此外，虚拟实验智能指导系统的指导信息可以采用语音的方式来呈现，使学习者可以像在真实实验中一样可以眼耳手鼻共用来获得指导信息。
2.3 答疑交流平台
网络虚拟实验可以在网络环境下充分实现各种实验教学资源的共享，也能为学习者提供自主探索和合作学习的互动交流平台，使学习者与老师、学习同伴之间开展有效的交流，有利于提高学习者学习知识的销量并激发学习者的学习兴趣。
上述两种方式都是由系统给出的指导信息。为了保证学习者能够快速及时得到正确的指导，学习者在通过实验指导书和智能指导没有得到想要的指导信息时，还可以通过答疑交流平台跟老师沟通，如果指导老师不在线的话，可以发送离线电子邮件给指导老师。如图5所示。
优缺点分析：通过虚拟实验答疑室，师生之间、学生之间都可以进行沟通和交流，对虚拟实验中遇到的问题进行交流和探讨。教师可以对学生遇到的问题进行集中回答，同时答疑室也使得学生能够对教师的教学给予及时的反馈。
3 结束语
虚拟实验指导系统在虚拟实验过程中扮演“在线教师”的角色，及时地提供学习者需要的指导信息，指导学习者完成虚拟实验。虚拟实验使学习者可以在一个近似真实的环境中进行实验，而如果虚拟实验没有配备一个设计良好的指导系统，虚拟实验将不能达到预期的实验目的。本文在对虚拟实验特点及交互设计原则研究的基础上，提出指导系统的交互设计原则，为虚拟实验指导系统的交互设计提供参考，使学习者可以在虚拟实验过程中更加高效地学习。
参考文献
[1] 党伯伟. 跨学科虚拟实验智能指导系统的设计及实现[学位论文]. 北京邮电大学，2012.
[2] 母诗源. 虚拟实验综合辅助教学的设计与应用[学位论文] . 北京邮电大学，2013.
[3] 王荣之， 辛日华. 网络虚拟实验的界面交互设计[J]. 实验室研究探索， 2009.02
[4] 吴泊晓. 虚拟实验的自然交互设计研究[学位论文]. 吉林大学， 2012
[5] 赵小吾， 霍剑青， 王晓蒲. 基于远程虚拟实验的实时智能指导系统[J]. 中国科学技术大学学报， 2006.12
[6] 杨雪， 王倩， 黄海林，李肖锋 .虚拟实验的反馈设计与实现[J].中国电化教育， 2011.07
[7] Steve Krug. Don’t make me think. 机械工业出版社， 2006.08
关键字：虚拟实验；交互设计；指导系统
中图分类号：TP391.6 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.08.007
本文著录格式：[1]文琪琪，文福安.虚拟实验指导系统的交互设计研究[J].软件，2013，34（8）：20-23
0 引言
随着计算机、网络和虚拟现实等技术的迅猛发展，虚拟实验教学在教育领域产生了巨大影响。虚拟实验主要利用网络资源实现在线或远程的实验教学[4]。然而虚拟实验不同于真实实验，能触摸或者感知得到各种实验器材，并可以请求实验指导老师给予指导。虚拟实验必须配备有设计良好的指导系统，使学习者在做虚拟实验的过程中随时可以得到相应的指导信息。
虚拟实验指导系统通过学习者与计算机间的交互，可以智能化地为学习者提供虚拟实验指导信息，以减轻使用者遇到问题时没有头绪而产生的焦虑。上世纪六十年代国外就有了自适应辅助教学系统的概念，九十年代以后，随着人工智能及相关理论技术的进步与发展，国内逐渐开发出各式各样的智能教学系统，北京大学计算机研究所某研究室开发的微积分智能教学专家系统便是其中的代表。中国科技大学的大学物理远程虚拟实验最早提供实时智能指导的功能，为学习者在进行虚拟实验中提供实时的指导信息。北京邮电大学的电子电路类虚拟实验提供的智能指导系统，为学习者提供递进式的智能指导，对引导学习者进行积极思考和自主学习具有积极的意义和价值[1-2]。但目前国内关于虚拟实验智能指导系统的研究主要侧重于技术方面，对基于虚拟实验教学的智能指导系统的交互设计的相关研究少之又少。
1 虚拟实验指导系统的交互设计原则
1.1虚拟实验的概念和特点
虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实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，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果[5]。然而虚拟实验可能面临的挑战：1）学习者并非实际动手操作；2）在没有教学指导下的重复实验可能挫败那些还没深入理解概念的学习者；3）并非所有课程允许学习者“反馈”他们的批判性思维以便改进或反省练习[3]。
从虚拟实验面临的挑战来看，设计一套交互良好的虚拟实验指导实时指导系统非常必要。学习者虽然不能实际动手操作，但学习者可以通过反复进行虚拟实验，深入理解后，再进行真实实验（现场实验）。同时，设计良好的虚拟实验指导系统可以实时给予学习者以反馈，以达到启发学习者的目的。
1.2 交互设计的基本原则
用户体验和人与产品的交互密切相关，交互行为无处不在。《Don’t make me think》一书中提到，Krug可用性第一定律：别让我思考[7]。要做到别让我思考，至少需要遵循以下几个原则[7]：一致性原则，减少用户的记忆负担，提示和信息反馈。
1.3 虚拟实验指导系统交互设计原则
结合虚拟实验的概念和特点，虚拟实验指导系统的交互设计除了需要遵循上述三条交互设计的基本原则，还必须符合“可用性”的设计标准[5]。因此，要依照“可用性”标准，制定虚拟实验指导系统的交互设计原则。
1.3.1 指导信息与实验操作的关联性
学习者在虚拟实验环境下，学习环境单一，要提高学习者做虚拟实验的效率和质量，必须提供直接而有效的指导信息。学习的过程是一个枯燥的过程，学习的过程中避免不了会产生厌烦的情绪。根据减少用户记忆负担的交互设计基本原则，学习者在虚拟实验系统中获得的虚拟实验系统操作说明，要与具体的实验步骤相关联[2]，减少学习者在众多指导信息中搜寻与自己当前操作相关部分的操作，使学习者一步到位的看到自己对当前操作所需要的指导信息。因此，指导系统的指导信息必须与实验操作具有相关联性。
1.3.2指导信息的实时反馈性
反馈和交互意味着通过合适的反馈以及和程序之间的交互从而让用户时刻知道现在发生了什么，而不仅仅是当事情出错时显示一个警告[6]。根据心理学的注意力分配模型，不熟悉或十分关注的操作都会占据人脑相当多的注意力资源，若任务有延时反馈，则操作完成后注意力发生聚焦，投射在行为发生地附近，以关注产生的结果。简单点说就是，我在虚拟实验的过程中连了一条电路，如果这是其中关键一步，那么我希望系统可以在我所连电路附近及时的告诉我正确还是错误，以达到给我鼓励或提示我的作用。
2 虚拟实验指导系统交互设计
以产品交互设计原则为指导，基于虚拟实验指导系统的交互设计原则，选取“开放式实验教学与实验室管理系统”为案例进行虚拟实验指导系统的交互设计研究。
2.1 帮助文档
实验帮助是帮助答疑模块的一部分，它是基于虚拟实验系统的。通过实验帮助，用户可以获得虚拟实验系统的操作说明，学习者可以在虚拟实验中获得与实验相关的实验指导书，如图1所示。
优缺点分析：不论是系统的操作说明还是与实验相关的实验指导书，用户在请求实验帮助时候返回的都是一个整体的在线文档，并不具备针对性和有效性。用户在虚拟实验系统中获得的虚拟实验系统操作说明，没有与具体的页面关联起来，整体的在线文档使得用户还需要自己去搜寻与自己当前操作相关的部分，降低了系统操作说明的可用性和便捷性。学习者在虚拟实验学习中获得的实验相关指导，并没有和当前学习的具体实验关联起来，显得实验相关帮助不具备易用性，有可能影响到学习者在虚拟实验学习中的积极性和主动性。 改进方案：根据指导信息与实验操作相关联的原则，针对实验帮助文档缺乏针对性和有效性，不与具体页面相关联的问题，可将实验原理、实验步骤、实验操作电路图等关键信息放在实验平台界面上，学习者在做虚拟实验的过程中需要指导时，可通过单击某个按钮直接定位到该实验的相关原理、步骤。如果学习者还需要实验原理、实验步骤的之外的指导信息，可请求其他方式的指导信息。
2.2 智能指导系统
学生在做网上做虚拟实验的过程中，可以通过单击 “请求指导”按钮得到指导。系统中智能指导为递进式智能指导。
递进式的智能指导方式，学习者在看到指导信息后，可以根据指导信息进行相应的思考，尝试进行操作。如果在看到如图2指导信息后，还是不明白，此时单击“进一步指导”按钮，如图3所示。如果在看到指导信息后，还是不明白，还可以单击“进一步指导”按钮如图4所示。此时，智能指导过程结束。学生可以根据指导信息一步一步的完成实验。
优缺点分析： 递进式智能指导并不会一次性给予学习者全部的具体指导信息，通过逐级递进提示更为具体而丰富的指导信息，启发学习者在实验过程中对具体的实验知识的思考，在实现智能指导帮助学习者进行虚拟实验的同时，留给学习者充足的思考空间[2]。但递进式智能指导信息只有在学习者单击“请求指导”按钮后，才会出现相应的指导信息，在学习者之前的操作中没有实时的指导学习者。此外，虚拟实验的目的是为学习者创造一个近似真实的环境，而虚拟实验指导系统也应让学习者感觉不到与真实实验的差别。
改进方案：根据指导信息的实时反馈性原则，学习者在虚拟实验过程中，操作到关键步骤时，指导系统应实时给予学习者以鼓励或者提示。例如：学习者在关键之处操作正确，指导系统应鼓励学习者“You are so great！”，或学习者在关键之处操作错误，指导系统应提示学习者“是不是需要再思考一下？”之类的信息。此外，虚拟实验智能指导系统的指导信息可以采用语音的方式来呈现，使学习者可以像在真实实验中一样可以眼耳手鼻共用来获得指导信息。
2.3 答疑交流平台
网络虚拟实验可以在网络环境下充分实现各种实验教学资源的共享，也能为学习者提供自主探索和合作学习的互动交流平台，使学习者与老师、学习同伴之间开展有效的交流，有利于提高学习者学习知识的销量并激发学习者的学习兴趣。
上述两种方式都是由系统给出的指导信息。为了保证学习者能够快速及时得到正确的指导，学习者在通过实验指导书和智能指导没有得到想要的指导信息时，还可以通过答疑交流平台跟老师沟通，如果指导老师不在线的话，可以发送离线电子邮件给指导老师。如图5所示。
优缺点分析：通过虚拟实验答疑室，师生之间、学生之间都可以进行沟通和交流，对虚拟实验中遇到的问题进行交流和探讨。教师可以对学生遇到的问题进行集中回答，同时答疑室也使得学生能够对教师的教学给予及时的反馈。
3 结束语
虚拟实验指导系统在虚拟实验过程中扮演“在线教师”的角色，及时地提供学习者需要的指导信息，指导学习者完成虚拟实验。虚拟实验使学习者可以在一个近似真实的环境中进行实验，而如果虚拟实验没有配备一个设计良好的指导系统，虚拟实验将不能达到预期的实验目的。本文在对虚拟实验特点及交互设计原则研究的基础上，提出指导系统的交互设计原则，为虚拟实验指导系统的交互设计提供参考，使学习者可以在虚拟实验过程中更加高效地学习。
参考文献
[1] 党伯伟. 跨学科虚拟实验智能指导系统的设计及实现[学位论文]. 北京邮电大学，2012.
[2] 母诗源. 虚拟实验综合辅助教学的设计与应用[学位论文] . 北京邮电大学，2013.
[3] 王荣之， 辛日华. 网络虚拟实验的界面交互设计[J]. 实验室研究探索， 2009.02
[4] 吴泊晓. 虚拟实验的自然交互设计研究[学位论文]. 吉林大学， 2012
[5] 赵小吾， 霍剑青， 王晓蒲. 基于远程虚拟实验的实时智能指导系统[J]. 中国科学技术大学学报， 2006.12
[6] 杨雪， 王倩， 黄海林，李肖锋 .虚拟实验的反馈设计与实现[J].中国电化教育， 2011.07
[7] Steve Krug. Don’t make me think. 机械工业出版社， 2006.08