交互式教學資源設計原則淺析

司國東 ，趙 玉

（1.華南農業大學 信息學院，廣東 廣州 510642；2.廣東行政職業學院 電子信息系，廣東 廣州 510665）

一、引言

近年來，交互式電子白板以其功能性、環保性、便利性等諸多特點，在教育領域逐漸普及。從交互式電子白板的技術特點和目前的發展趨勢看，它在未來極有可能部分或完全地取代教室中的黑板。而交互式電子白板的使用方法、交互式教學資源（交互式電子白板上使用的教學資源）的設計極有可能成為未來教師必須掌握的教育技術技能。目前，學術界對交互式電子白板在教育領域的研究大多集中在教師和學生對交互式電子白板使用的態度、教學理念改變、應用中的教學法問題、教學應用的案例研究、教學效果等[1]。在交互式教學資源設計上的相關研究較少[2]。一些研究者認為，“交互式教學課件的開發，需要強大的、有經驗的技術隊伍的共同參與才能完成。因此，這種專業性技術性極強的工作任務，不是一個普通的科任教師可以獨立完成的”[3]。筆者認為，就像PPT課件的普及過程一樣，技術從出現、接受、到普遍使用需要經歷一個緩沖期。雖然一線教師不具備交互式設計的專業知識，但他們十分了解所在學科的專業特點，能精確把握學生的社會背景、認知能力和個性特點。因此，如果能給教師提供交互式教學資源設計的基本原則和簡單有效的資源開發工具，設計交互式教學資源并沒有他們想象中那么難。本文從人機交互設計的角度，介紹了一些應用于交互式教學資源設計的人機交互理論和原則，為教學資源建設者提供人機界面設計和交互任務設計的問題解決方法。

二、交互式電子白板

電子白板是由普通白板發展而來的。上世紀后期，人們為了避免粉塵污染，開始使用白板代替黑板，隨后出現了電子白板產品。最早使用的電子白板為復印型電子白板，隨著技術的發展及市場的需要，出現了交互式的電子白板。交互式電子白板可以與電腦進行信息通訊，將電子白板連接到計算機，并利用投影儀將計算機上的內容投影到電子白板屏幕上，在專門的應用程序的支持下，可以構造一個大屏幕、交互式的協作會議或教學環境。交互式電子白板主要使用兩種人機交互手段，筆式輸入技術和多點觸控技術。電子感應筆具有電子白板書寫筆和計算機鼠標的雙重功用，用以替代傳統的粉筆。多點觸控技術使得電子白板產品能夠同時識別更多的觸控點，發現這些觸控點之間的關系，這為多人同時板書演示以及實現一些更豐富的教學應用提供了技術基礎。

交互式電子白板正處于一個高速發展的時期。在政策層面，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中明確提出要加快教育信息基礎設施建設，國內多媒體教學設備保持了較快的發展勢頭。作為一種新的教育技術產品，交互式電子白板在我國的教育領域逐漸普及，特別是在中小學領域，已成為各大中小學多媒體教室的必備品。在產業層面，電子白板市場發展迅速，從業企業不斷增加。2011年，我國電子白板行業共完成全年銷售收入8.04億元，同比增長了50.16%[4]。在技術層面，受市場的推動，新的技術不斷出現。如：液晶電子白板、智能多點觸控技術、雙人同步書寫、光子白板等。另外，廠商在不斷進行硬件技術研發的同時，也開始重視電子白板軟件的開發。

交互式電子白板為課堂上師生互動、生生互動提供了技術可能和方便，為建立以學習者為中心的課堂教學奠定了技術基礎。但從目前的應用現狀看，盡管很多課室配置了交互式電子白板，但白板的交互功能并未全部得到應用，大多還僅僅作為投影屏幕使用[5]。主要原因還是缺乏相應的交互式教學資源。一方面是電子白板廠商更重視硬件技術的研發，在軟件方面投入不足，資源素材庫內容較少，資源開發工具的功能尚不完善。另一方面，教師普遍缺乏交互設計的基礎理論知識，即便提供了素材和工具也很難完成教學資源的設計。

三、人機交互技術

人機交互（Human-Computer Interaction）是一個涉及計算機、人類工效學、認知科學、心理學等多學科的領域，從學術上看屬于計算機科學的一個子領域。在20世界90年代初人機交互技術日趨成熟，對人機交互有了明確的學術定義與解釋。美國計算機協會人機交互特別興趣小組（ACM SIGCHI）給出的定義為：人機交互是一個關于人類對交互式計算系統的設計、評估與實現以及相關領域研究的學科[6]。人機交互研究的范疇包括：人機交互模型、計算機使用的上下文、人的屬性、交互設備和交互技術、計算機系統和交互架構、開發過程和方法、可行性設計和評估等。人機交互是一個跨越多學科的科目，以計算機學科與其他學科的交叉研究為主，多從心理學、認知科學、社會學等方面展開，從教育技術應用的角度開展的研究還比較少。

人機交互領域的研究已經給出了大量界面設計和交互設計的原則和方法。《用戶界面設計：有效的人機交互策略》一書中將這些原則與方法劃分為三大類：明確且實用的指導原則；中層原則；高層理論和模型[7]。指導原則提供設計過程中問題的解決方法。中層原則能幫助分析和比較設計的備選答案。而高層理論和模型的目標是用統一的術語描述對象和行為。本文后面介紹和討論的原則均為明確且實用的指導原則。

四、交互式教學資源設計原則

教育面臨的挑戰是如何設計和使用用于學習的技術。交互式技術可以更容易地創建教學環境，在這種環境中學生通過交互實踐來學習，獲得反饋并不斷改進他們的理解以及建構新知識[8]。對使用交互式電子白板的教師來說，交互功能為教學帶來了新的機會，也帶來了新的問題。如何應用交互設計原則，設計出滿足教學需求的交互式教學資源，是目前交互式電子白板應用的主要問題。本文從人的因素、交互任務設計、界面設計、參與性設計四方面介紹了交互式教學資源設計的一般原則。

1.人的因素

人機交互強調“以用戶為中心的設計”，教育領域也強調針對教育對象的不同設計不同的教學策略。以小學一年級的數學教學為例，卡彭特（Carpenter）等的研究[9]發現，在被問及類似“你的包里有5塊糖，隔壁阿姨又放了幾塊進去，現在有8塊糖，想想隔壁的阿姨共放了幾塊進去？”這樣的問題時，一年級的學生用加法來解決這個問題，采用一次數一塊的方法先數出5塊，再加上幾塊直至得到8，再數數他們加了幾塊獲得答案，而成年人會把這個問題當成一道8減5的減法題。如果為上述的情境設計課堂教學使用的交互式教學資源，應該通過交互讓糖果以逐塊遞增的方式出現，而不是設計一個展示減法操作的交互任務。因此，對交互式教學資源的設計人員來說，理解學習者的社會背景和認知能力是至關重要的原則，在這方面教師比那些專業的界面設計師更具優勢。

另一個要考慮的因素是用戶的技能水平，受益于國家和地區政府的教育政策，交互式電子白板在我國的普及速度很快。對那些經濟發達地區的學生來說，由于日常生活中經常接觸智能手機或平板電腦等觸控設備，他們可以很快的掌握電子白板上的觸控操作。而對經濟不發達地區的大部分學生來說，接受這種技術和達到熟練程度可能需要一個較長的過渡期，相同的交互任務他們可能需要更多的操作時間，在設計交互任務時必須考慮這一點。另外，最新的交互式電子白板提供了類似手勢識別，多點觸控等交互手段，要根據學生的技能水平合理的使用。

2.交互任務設計

交互是學習者為學習、解釋和挑戰一些觀點而進行的一種雙向交流，是教學過程的重要組成部分，是知識傳遞的一種主要手段[10]。學習過程中的交互對提升教學質量有著積極的作用。要設計出可用于電子白板的交互式教學資源，需要提前定義和分析需要在教學過程完成的交互任務，特別是需要學生參與交互的任務。人機交互領域多采用諾曼（Norman）交互模型進行交互任務的分析，然后再進行相應的設計。諾曼交互模型是一個循環，分兩大部分：執行和評估。這兩部分又可以進一步劃分為七個階段，依次是：建立目標、形成意向、定義動作、執行動作、查看狀態、解釋狀態，評估結果[11]。諾曼模型的每一個階段都是用戶的一個動作。用戶建立一個目標，但這個目標可能是不精確的，因此需要翻譯成明確的意向，定義為了達到這個目標而要執行的動作，然后執行動作。動作執行后，用戶感知到系統的新狀態，并根據他的期望加以解釋。如果系統的狀態反映了用戶的目標，則計算機完成了用戶想要做的事情，交互成功。否則，用戶必須建立新的目標，并且重復這個循環。

圖1 諾曼交互模型

文獻[12]中[12]提到了一個電子白板交互任務設計不良的例子：“一位小學數學教師在教授 《認識時間》時，請一位學生旋轉白板上的時針和分針，其他學生說出表示的時間，結果由于學生沒有熟練掌握方法，旋轉時把時針移動了，慌亂中把整個頁面搞得支離破碎”。從交互任務設計的角度看，這里出現的問題是當交互操作沒有達到用戶期望時，用戶無法形成新意向，定義新的執行動作。因此，除了交互模型外，諾曼還提出了人機交互設計的七項原理。包括：應用現實世界中的知識和頭腦中的知識；簡化任務結構；使事情明顯；獲得正確的映射；利用限制的力量；容錯設計；當所有都不成功時進行標準化。上面例子中問題產生的原因是交互過程中對指針的移動操作缺少限制，也沒有容錯設計。解決方法很多，例如限制時針和分針的移動操作，使它們只能像在鐘表內部那樣轉動；或者提供一個初始化按鈕，讓時針和分針回到初始的狀態，學生可以重新執行動作。

3.界面設計

在具有交互式電子白板的課堂情景中，最常見的交互形式仍然是技術性交互，即教師使用交互式電子白板的各種功能進行教學[2]。和使用PPT的多媒體課件相比，交互式電子白板能讓教師在教學過程使用書寫、標注、拖曳、縮放、音視頻播放、隱藏或顯示等多種操作，以更豐富的形式展示學習內容。資源的界面設計中涉及更多的交互元素，此部分主要介紹界面設計中的顯示設計原則和色彩設計原則。

顯示設計指的是界面中元素的布局和顯示方式，例如每一頁中信息的密度、對齊的方式、字體的大小等。席納德曼（Shneiderman）提出的八條黃金原則能幫助設計者改良顯示設計[13]。包括：盡可能保持設計的一致性；使用普遍可用的符號；提供豐富的信息反饋；設計說明對話框生成結束信息；提供故障預防和簡單的故障處理；允許反向操作；讓用戶掌握控制權；使用簡單顯示，減少工作記憶負擔。這些設計原則適用于常見的計算機人機界面設計，在應用于交互式教學資源設計時可以根據需求進行驗證和調整。對那些由教師進行的技術性交互，可以不考慮信息反饋、故障預防和故障處理等機制。而對于需要由學生參與交互的界面，設計者應遵循這些設計原則，如保持前后的一致性，提供簡單明了的符號，給予明確的操作說明和反饋等。一些教育學與心理學的研究成果也直接或間接的證實了這些原則的有效性[14]。

顏色是界面設計中最基本的元素，色彩的運用對教學交互和知識獲取都有很大的影響。人機交互領域的研究提出了許多關于顏色的編碼和使用原則，其中的一些可以直接應用于教學資源的設計。圖2中展示了一種顏色編碼的使用方法，使用顏色展示儀表盤中可用范圍，既能吸引用戶注意力，也有助于記憶和回想[15]。當我們需要在課堂上展示那些具有層次結構的內容時（例如程序設計語言中的嵌套結構），可以使用色彩階梯的形式，但色彩的數量不應超過4種。

圖2 帶有顏色編碼的儀表盤

色彩搭配也是界面設計中需要重點關注的問題。研究者們發現在學習環境中使用紅色、藍色、綠色和黃色是最有益處的[16]，并且應該避免使用藍色字體和小的屏幕元素[15]。位于光譜兩端的顏色會導致不和諧的效果，如紅色和藍色，需要眼睛調節不同的聚焦長度，時間一長會導致疲勞。在呈現信息時，前景色與背景色應避免有問題的顏色搭配。例如（前景色/背景色）：黃/綠、黃/白、藍/黑、綠/白、紅/藍、洋紅/綠、藍/綠、黃/紫、紅/黑、洋紅/黑等。教育技術領域也有類似的研究，安璐等通過眼動技術研究了教學PPT中前景色與背景色搭配的效果[17]。通過實驗對比了三種顏色搭配（前景/背景）：黑/白、黑/藍、黑/黃，結果顯示黑/白是效果最好的。這一結果符合人機交互領域中顏色使用的原則，即當目標物體使用和他們所處環境完全不同的顏色時，最容易被用戶識別和感知。

4.參與性設計

人機交互設計強調用戶的參與。參與性設計一般出現在開發的后期階段，由用戶參與可用性實驗和評估，提供最直接的定量與定性的反饋（時間、過程、態度、建議等），設計者使用這些反饋來改善整個設計。在設計交互式電子白板的教學資源時，應該讓資源的創建者和使用者共同參與資源的設計。建設資源的教師可以讓其他教師和學生參與資源的建設，由他們提供最直接的使用反饋和設計上的建議。根據學生對課件中交互任務執行的情況教師可以預估操作時間，觀察學生交互操作的過程，發現可能引起錯誤理解和錯誤操作的不良設計。

五、總結與展望

作為一種新的教育技術工具，交互式電子白板正以前所未有的速度在我國教育領域迅速普及。然而，電子白板硬件技術飛速發展的同時，交互式教學資源的設計與開發還處于一個探索階段。本文從人機交互的角度介紹了交互式教學資源在設計上應該遵循的一些基本原則。當然，要想真正的讓一線教師都能獨立的設計交互式教學資源，除了了解交互設計的基本原則外，還需要電子白板的廠商提供功能更強大，素材更豐富的教學資源開發工具。

從教育技術的發展趨勢看，未來的課堂教學中將使用更多的技術和工具。韓國、菲律賓、印度、泰國、哈薩克斯坦、土耳其、俄羅斯、巴西等國已經提出未來的幾年將在中小學校普及平板電腦，減少紙質教材的使用（來源于Ambient Insight公司最新的報告）[18]。這種在課堂上將電子白板和平板電腦結合使用的教學方式將會產生更多、更復雜的人機交互行為，對教學資源的交互性設計提出更高的要求。因此，教學資源的交互性設計可能成為未來教育技術領域和人機交互領域交叉研究的一個重點。

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