基于移動平板的動態(tài)幾何軟件手勢操作研究

陳寶玲，黃 勇，胡 瑩（.廣州大學(xué)計算機(jī)與軟件教育學(xué)院，廣東廣州50006；.廣州市數(shù)學(xué)教育軟件行業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州50006；.廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣東廣州50006）

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基于移動平板的動態(tài)幾何軟件手勢操作研究

陳寶玲1，黃 勇2，胡 瑩3
（1.廣州大學(xué)計算機(jī)與軟件教育學(xué)院，廣東廣州510006；2.廣州市數(shù)學(xué)教育軟件行業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510006；3.廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣東廣州510006）

在教育信息化大背景下，受軟件用戶體驗(yàn)思想的啟發(fā)，文章聚焦移動平板上動態(tài)幾何軟件的手勢操作，通過選取移動平板上有代表性的三款動態(tài)幾何軟件，對其使用的操作手勢進(jìn)行分析歸納，發(fā)現(xiàn)目前移動平板上動態(tài)幾何軟件手勢操作普遍存在沒有規(guī)范約束，類型單一，缺少用戶說明、引導(dǎo)和反饋等缺點(diǎn)。針對此情況，作者基于設(shè)計和用戶體驗(yàn)思想，總結(jié)讓軟件操作變得更為簡單的六個原則，并提出使用的手勢快捷方式要盡量簡單和對手勢操作采用漸進(jìn)式改善設(shè)計兩點(diǎn)建議。

動態(tài)幾何軟件；手勢操作；移動平板；用戶體驗(yàn)

一、引言

動態(tài)幾何軟件不僅是個人學(xué)習(xí)探究數(shù)學(xué)幾何圖形關(guān)系的輔助工具，也是創(chuàng)造性與發(fā)散性思維培養(yǎng)的平臺，在課堂教學(xué)中運(yùn)用動態(tài)幾何軟件更能增加趣味性，為教學(xué)過程注入新活力?；赑C機(jī)上的動態(tài)幾何軟件，如幾何畫板、超級畫板、Cinderella等，不僅能夠滿足動態(tài)幾何圖形的制作和變換的基本作圖需求，并且還增加了動態(tài)測量、編程、自動推理等拓展性功能，憑借其操作簡單、界面簡潔等特點(diǎn)吸引了很多用戶?；赑C機(jī)的動態(tài)幾何軟件已經(jīng)越來越趨向成熟，而在教育信息化驅(qū)動下，特別是隨著電子書包的推廣普及和在移動學(xué)習(xí)觀念的沖擊下，對搭建在移動平板（主要指iPad）上的動態(tài)幾何軟件開發(fā)與研究更具生命力。經(jīng)過下載移動平板上的十余種動態(tài)幾何軟件并使用后，發(fā)現(xiàn)其在功能性上基本能滿足使用需求，但是在界面設(shè)計以及操作方法上卻各有不同，沒有較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。從PC機(jī)到移動平板的轉(zhuǎn)變更多的是從鼠標(biāo)和鍵盤操作到手勢操作的變化，特別是對于可直接操作的動態(tài)幾何軟件來說，減少誤操作錯誤和設(shè)備控制型錯誤，能提高用戶體驗(yàn)，增加動態(tài)幾何軟件的使用吸引力。

然而，目前對移動平板動態(tài)幾何軟件的研究主要集中在功能性上，而對軟件手勢操作的研究還比較少。因此，我們選取移動平板上較有代表性的三款動態(tài)幾何軟件，德國的Sketchometry、美國的GeoGebra與中國的幾何之美（Beauty of Geometry），通過對其手勢操作方式進(jìn)行歸納總結(jié)，基于設(shè)計原則與用戶體驗(yàn)思想，比較分析它們的優(yōu)缺點(diǎn)，為建立移動平板手勢操作設(shè)計原則標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供一些參考，并為未來動態(tài)幾何軟件手勢設(shè)計帶來新的思路和更多靈感。

二、手勢操作概述

1.定義

移動平板中的手勢是指，將一系列多點(diǎn)觸控事件綜合成為一個單獨(dú)的事件。

2.主要手勢

伴隨著多點(diǎn)觸屏技術(shù)的發(fā)展，豐富的手勢操作方式應(yīng)運(yùn)而生。通過互聯(lián)網(wǎng)、期刊、雜志等多渠道對相關(guān)資料的搜集，總結(jié)出人們與多平臺移動終端應(yīng)用交互時的主要手勢，如圖1。

圖1　主要手勢圖

3.手勢的分類

按操作的形式進(jìn)行分類，手勢可以分為簡單手勢、復(fù)雜手勢、核心手勢和通用手勢等四大類。按操作的過程進(jìn)行分類，手勢可分為導(dǎo)航的手勢 （Navigating Actions）、基于對象的手勢（Object-Related Actions）和繪制類手勢（Drawing Actions）。［1］

三、三種動態(tài)幾何軟件手勢操作分析研究

1.三種動態(tài)幾何軟件手勢操作介紹

（1）Sketchometry

Sketchometry運(yùn)用一種新型的混合算法解釋用戶的手勢輸入并將其轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)幾何對象，用戶在輸入時只需要大致畫出圖形的形狀即可。因此，在Sketchometry中沒有點(diǎn)、線、圓等圖形工具的選擇，用戶根據(jù)習(xí)慣使用指頭在畫布中畫出幾何圖形，在手勢畫圖過程中，屏幕上方會給出相關(guān)的圖形提示，如圖2所示。

圖2　 Sketchometry部分圖形繪制手勢

手勢繪圖是Sketchometry非常有趣和具有創(chuàng)造力的一大特點(diǎn)。除此之外，在Sketchometry中，通過基于對象的手勢命令能夠?qū)缀螆D形進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作。表1總結(jié)了Sketchometry中基于對象的手勢操作。

表1　 Sketchometry基于對象手勢操作

（2）GeoGebra

GeoGebra是一款自由并且跨平臺的動態(tài)數(shù)學(xué)軟件，針對不同的數(shù)學(xué)物件，劃分為代數(shù)、幾何、運(yùn)算、工作表等六個窗口。在這里我們主要探討幾何窗口的手勢操作，GeoGebra在界面設(shè)計上保留PC機(jī)的下拉菜單和可折疊菜單，無論在繪圖或者對幾何圖形的操作上（見表2），幾乎都能通過選擇菜單命令的方式來實(shí)現(xiàn)，部分功能能夠使用手勢操作來完成。

表2　 GeoGebra幾何視區(qū)基于對象手勢操作

（3）幾何之美（Beauty of Geometry）

幾何之美是一款簡潔、高效、智能化的動態(tài)幾何軟件，可以實(shí)現(xiàn)智能作圖、自定義作圖、幾何變換等功能。為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)幾何軟件的功能，開發(fā)人員對很多界面的表現(xiàn)方式和相應(yīng)的算法進(jìn)行了重新設(shè)計，基于移動平板多點(diǎn)觸控的特點(diǎn)，引進(jìn)了豐富的操作手勢，如表3所示。

表3　幾何之美基于對象手勢操作

2.軟件手勢操作分析

通過對Sketchometry、GeoGebra與幾何之美在操作手勢上的分析研究，我們發(fā)現(xiàn)目前移動平板上動態(tài)幾何軟件操作手勢普遍具有以下特點(diǎn)：

（1）沒有充分考慮移動平板的特點(diǎn)，手勢應(yīng)用不多，手勢的形式較少，很多依然保留著PC機(jī)上菜單命令選擇的設(shè)計方式，手勢形式應(yīng)用的都是簡單的輕觸、拖動、旋轉(zhuǎn)、收縮及拉伸，并且除了幾何之美外其它動態(tài)幾何軟件手勢運(yùn)用的指頭數(shù)目一般局限在兩個指頭內(nèi)。

（2）動態(tài)幾何軟件的操作手勢沒有統(tǒng)一的規(guī)范，完成相同的任務(wù)不同的軟件有不同的操作手勢，或者同一個操作手勢在不同軟件上完成的任務(wù)是不同的，比如單指長按某一對象，在Sketchometry中是在該對象上作點(diǎn)，在GeoGebra彈出修改對象屬性的選擇框，在幾何之美中進(jìn)入對象編輯狀態(tài)。

（3）使用的手勢類別比較單一，基本集中在通用手勢和基于對象的手勢上，只有Sketchometry運(yùn)用了繪圖手勢，而對于基于導(dǎo)航的手勢，比如刪除對象、顯示和隱藏幾何對象等任務(wù)完成的手勢只有在幾何之美中使用，Sketchometry和GeoGebra均使用傳統(tǒng)的菜單命令方式實(shí)現(xiàn)。

（4）對手勢的操作沒有特別的說明，缺少對用戶的引導(dǎo)，在Sketchometry手勢繪圖過程中有相應(yīng)的提示，但是在基于對象的操作手勢上沒有說明，幾何之美有簡明指南，但是在操作過程中沒有引導(dǎo)，在GeoGebra則沒有手勢說明也沒有提示，大多手勢的使用需要用戶根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣在操作過程中自己進(jìn)行探索。

四手勢設(shè)計原則與建議

1.六個原則

在2013年加拿大溫哥華舉辦的SID會議上，Don Norman和Bahar Wadia提到以觸摸和手勢為基礎(chǔ)的操作是機(jī)會也是挑戰(zhàn)，人們在使用一款產(chǎn)品時會遇到我能做什么，在哪里操作和怎樣做，將會發(fā)生什么情況，怎樣才能撤銷返回上一級，產(chǎn)品使用幫助這五個主要問題。［2］

Jakob Nielsen和Don Norman認(rèn)為，用戶體驗(yàn)的首要要求是滿足用戶的準(zhǔn)確需求，并且不會使用戶感到繁雜和煩惱，接著使產(chǎn)品盡可能簡潔和典雅，讓用戶擁有和使用它都感到快樂。［3］用戶體驗(yàn)越來越成為人們選擇產(chǎn)品或服務(wù)時考慮的一個重要因素，因此，能夠給用戶帶來好的用戶體驗(yàn)的產(chǎn)品服務(wù)才能獲取永久的市場以及持續(xù)發(fā)展力。Don Norman在《設(shè)計心理學(xué)》一書中提出了將復(fù)雜的操作過程變得容易的七個原則：應(yīng)用儲存于外部世界和頭腦中的知識；簡化任務(wù)的結(jié)構(gòu)；注重可視性，消除執(zhí)行階段和評估階段的鴻溝；建立正確的匹配關(guān)系；利用自然和人為的限制性因素；考慮可能出現(xiàn)的人為差錯；最后選擇，采用標(biāo)準(zhǔn)化。［4］這給移動平板上動態(tài)幾何軟件操作手勢的設(shè)計提供一定的參考價值：

（1）為用戶提供操作指南幫助以及必要的提示和反饋。用戶一般憑借自己已有的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣對新產(chǎn)品進(jìn)行操作，如果用戶在使用軟件前沒有用戶手冊幫助，或者在嘗試基本手勢操作后得不到相應(yīng)的功能性提示以及反饋，即軟件不能清楚告訴用戶能做什么，在哪里操作和怎樣做，用戶將會迷航并感到非常沮喪。因此，在進(jìn)入軟件后提供簡單直觀的手勢操作指南，并在操作過程中給出相應(yīng)的提示和反饋，可增加動態(tài)幾何軟件的用戶體驗(yàn)，帶給用戶正確的指引。

（2）盡量減少用戶不斷切換選擇工具的負(fù)擔(dān)。動態(tài)幾何軟件的一個很重要的功能是完成幾何圖形對象的繪制，如果在這個過程中需要用戶不斷地切換作圖工具，將會增重用戶的操作負(fù)擔(dān)以及增加誤操作出現(xiàn)的概率，因?yàn)樵谟|摸屏畫布上用戶一般更加自由，習(xí)慣性將其當(dāng)作白板或白紙能夠隨意繪制，而作圖工具的選擇及不斷切換剝削了用戶在移動設(shè)備觸摸屏上操作的自由。

（3）避免使用標(biāo)準(zhǔn)通用的手勢完成不同的命令。重新定義通用的手勢會增加軟件操作的難度，并且容易使用戶感到不適應(yīng)。盡管手勢的設(shè)計和使用在目前尚未成熟，還存在很大探索改善的空間，對于基本的操作手勢仍然注重功能的完成，復(fù)雜以及組合類手勢是在滿足基本功能的基礎(chǔ)上帶給用戶炫酷體驗(yàn)的嘗試。

（4）要符合用戶的習(xí)慣。簡單、熟悉的手勢操作更加容易被用戶理解和接受，不會給用戶帶來記憶負(fù)擔(dān)。用戶在日常生活中對某些事物的認(rèn)知形成的習(xí)慣，可以通過真實(shí)物理世界的映射形式用于手勢操作設(shè)計中。［5］符合用戶習(xí)慣的設(shè)計使得操作過程更快，效率更高，特別是在繪制類作圖手勢設(shè)計中尤為重要。比如，我們平時在紙上畫圖時，在兩線相交處畫一條圓弧表示角；在看書時如果遇到不明白或者有疑問的地方，我們通常會在附近打個問號表示需要幫助，畫個“√”表示接受或者確定等，在手勢設(shè)計時要保持用戶日常生活中的操作習(xí)慣，遵循用戶至上原則。

（5）留給用戶undo的空間和選擇。用戶在操作過程中出現(xiàn)錯誤是在所難免的，因此設(shè)計人員應(yīng)該盡可能多地考慮用戶可能出現(xiàn)的錯誤，并且根據(jù)這些可能出現(xiàn)的錯誤采取相應(yīng)的預(yù)防或者處理措施。預(yù)防操作性錯誤的發(fā)生只能在操作前給予用戶足夠的提示，當(dāng)錯誤發(fā)生后就要讓用戶發(fā)現(xiàn)差錯帶來的消極影響，并且提供用戶撤銷返回上一級的操作方法，這樣將會使用戶與產(chǎn)品之間能夠進(jìn)行有建設(shè)性的、良好的溝通，使用戶愉快地進(jìn)入磨合適應(yīng)階段。

（6）充分考慮移動平板界面和多點(diǎn)觸摸的特點(diǎn)。良好的手勢操作體驗(yàn)需要一個基本的前提條件：用戶在移動終端界面上操作時有一個好的人機(jī)操作。［6］由于移動平板的界面相對PC較小，為了預(yù)留較大的畫布操作空間，應(yīng)該盡可能多地使用手勢命令代替菜單和工具命令。而多點(diǎn)觸摸與電阻式單點(diǎn)觸摸相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠同時響應(yīng)多個點(diǎn)操作，所以在手勢設(shè)計時不應(yīng)局限于單點(diǎn)觸摸，而應(yīng)發(fā)揮多點(diǎn)觸摸的最大用處。

2.兩點(diǎn)建議

對于移動平板上動態(tài)幾何軟件手勢設(shè)計，我們建議：

（1）提供易用的快捷方式

人們會選用更快、步驟更少的方式來完成任務(wù)，尤其是那些需要反復(fù)做的事。但如果快捷方式太難或者操作習(xí)慣已經(jīng)養(yǎng)成，人們就會一直沿用過去的做法，或者尋找快捷方式看上去工作量太大，人們就寧愿沿用過去的習(xí)慣。［7］

基于移動平板的動態(tài)幾何軟件手勢操作設(shè)計中，除了運(yùn)用簡單手勢實(shí)現(xiàn)軟件中的主要功能外，增加有趣的手勢為已熟悉軟件操作的專家級用戶提供操作的快捷方式，會使用戶更加喜歡使用我們的軟件產(chǎn)品。比如在幾何之美中，工具欄上有刪除對象命令，但是采用三指輕觸的手勢操作同樣能實(shí)現(xiàn)刪除對象的功能。但類似這種手勢提供快捷方式的操作在動態(tài)幾何軟件手勢設(shè)計中的應(yīng)用較少，就像鍵盤快捷鍵一樣，手勢也是不可見的，所以在設(shè)計時使用手勢快捷方式最大的挑戰(zhàn)，就是提供一些支持讓用戶知道他們能做什么或者怎樣才能快速進(jìn)行操作。如幾何之美在簡明指南中為用戶提供了手勢操作的說明，除此之外，還可以在操作界面上提示用戶，或者使用動畫的形式向用戶展示隱藏的手勢命令。特別值得注意的一點(diǎn)是，對于經(jīng)常會使用的快捷方式應(yīng)該選擇簡單易記的手勢。

（2）漸進(jìn)式改善的設(shè)計理念

漸進(jìn)式改善的設(shè)計理念是設(shè)計大師Don Norman提出的，他認(rèn)為設(shè)計和幾乎所有的創(chuàng)新一樣，至少有兩種截然不同的實(shí)踐形式，一種是漸進(jìn)式改善，另一種是形式的設(shè)計。漸進(jìn)式改善意味著持續(xù)對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行修補(bǔ)，包括調(diào)整界面、追加新功能、在各處做小修訂等，采用漸進(jìn)式改善的設(shè)計和創(chuàng)新不如直接創(chuàng)造創(chuàng)新概念和新想法有魅力，但是比后者更常見，也更重要。［8］手勢設(shè)計除了要符合用戶習(xí)慣，還要考慮硬件的支持等因素，并且由于目前手勢缺乏規(guī)范，手勢的使用和標(biāo)準(zhǔn)正處于不斷發(fā)展完善階段，因此它是不斷動態(tài)發(fā)展的，培養(yǎng)用戶的手勢操作習(xí)慣也有一個適應(yīng)的過程，如果一開始在設(shè)計的時候就追求創(chuàng)新顛覆傳統(tǒng)手勢操作模式，用戶可能會很難理解和接受。

手勢操作設(shè)計是漸進(jìn)式改善的設(shè)計，這就要求設(shè)計人員在開始階段保證使用簡單通用的手勢實(shí)現(xiàn)動態(tài)幾何軟件中對象的選擇、移動、縮放等基本功能，而在后續(xù)更新版本中，更要掌握手勢發(fā)展動態(tài)，引進(jìn)新的具有前瞻性的操作手勢，如組合手勢、指點(diǎn)手勢等，逐步提高軟件手勢操作的趣味性，以吸引更多的用戶。

五、結(jié)束語

目前移動平板上動態(tài)幾何軟件無論在功能或者設(shè)計上都相對混亂，處于萌芽生長時期。動態(tài)幾何軟件是協(xié)助用戶探討幾何性質(zhì)、體驗(yàn)幾何樂趣的一種教育軟件，從傳統(tǒng)PC機(jī)向多點(diǎn)觸摸移動平板的轉(zhuǎn)變，面臨的不僅僅是不同平臺重新編碼實(shí)現(xiàn)功能重組再現(xiàn)的考驗(yàn)，還面臨界面、手勢操作等二次甚至重新設(shè)計的挑戰(zhàn)。不愿放棄傳統(tǒng)操作模式以及菜單命令設(shè)計風(fēng)格，不能重新審視和體會手勢操作帶來的新變化，必將帶來糟糕的用戶體驗(yàn)。隨著移動學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展，移動終端設(shè)備也越趨向體積更小、更輕薄易攜的方向發(fā)展，這意味著動態(tài)幾何軟件畫布的可操作空間更小，不能容納太多的工具欄或菜單欄，也就對手勢操作提出了更高的要求。因此，未來手勢將不局限單個或者多個手指數(shù)目的限制，也不受單指輕觸、長按、轉(zhuǎn)動等簡單類型的約束，將會朝更加靈活更為豐富的方向發(fā)展。我們有理由相信，未來移動終端上的動態(tài)幾何軟件只要能夠?yàn)橛脩籼峁┳銐虻囊龑?dǎo)和反饋，將不會出現(xiàn)工具欄和菜單欄，用戶將移動終端屏幕當(dāng)成一塊智能白板使用手勢即可完成命令操作，實(shí)現(xiàn)各種功能。

［1］齊穎.手持移動設(shè)備中基于手勢的界面交互方式研究與設(shè)計［D］.長沙：湖南大學(xué)，2011.

［2］Don Norman，？Bahar Wadia.Opportunities and Challenges For Touch and Gesture-Based Systems［DB/ OL］.［2013-05-23］.http：//www.jnd.org/dn.mss/opportunities_and_ch.html.

［3］Jakob Nielsen，Don Norman.The Definition of User Experience［DB/OL］.［2012］.http：//www.nngroup. com/articles/definition-user-experience.

［4］唐納德·A·諾曼著，梅瓊譯.設(shè)計心理學(xué)［M］.北京：中信出版社，2010.

［5］張瑞秋，褚原峰，喬莎莎.基于用戶心理模型的移動終端手勢操作研究［J］.包裝工程，2015（6）：63-67.

［6］BRAGDON A，NELSON E，LI Y，et al.Experimental Analysis of Touch-screen Gesture Designs in Mobile Environments［C］.Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems.ACM，2011：403-412.

［7］Susan M.Weinschenk著，徐佳、馬迪、余盈億譯.設(shè)計師要懂心理學(xué)［M］.北京：人民郵電出社，2013.

［8］Don Norman.Design without Designers［DB/OL］. http：//www.core77.com/posts/17587/design-withoutdesigners-17587.

（編輯：魯利瑞）

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1673-8454（2016）02-0082-04