針對礦山救援VR 培訓系統的認知干預方法與交互設計

田梓諭 曾棟

關鍵詞：礦山救援VR 培訓系統;認知干預;交互設計;注意力

1 礦山救援VR 培訓系統概述

虛擬現實技術能夠通過模擬真實的視覺效果和交互形式帶給人們高度沉浸感的體驗，隨著設備和技術的發展升級，已經應用到了許多領域[1]，并體現出高效益的應用前景[2-3]。礦山救援包括處理和搶救火災、水災、瓦斯與爆炸等礦山災害。應用虛擬現實技術模擬不同事故下的礦山環境、救援過程和反饋結果，能夠使學員將理論與實踐相結合，實現救援培訓過程中視覺、聽覺和觸覺的統一，達到預期的培訓效果。同時礦山災害涉及高危或極端的環境，救援措施不當可能會導致不可逆的操作，應用虛擬現實技術可以使培訓可靠、安全和經濟[4]。

目前，國內外學者對虛擬現實技術在礦山安全培訓的應用研究和理論方面都進行了大量的研究，并取得了一定的研究成果。虛擬現實技術在礦山安全領域中的應用，表明了其對礦山安全知識與技能提升發揮了巨大作用。然而，在這些已有的礦山救援虛擬現實培訓系統研究中，大多是針對技術進行創新研究以及針對用戶體驗進行設計研究，很少有從提升培訓效率的角度進行開發設計研究。有研究發現，虛擬現實培訓系統中存在誘人細節（Seductive Detail），這種誘人細節會分散學員的注意力，降低學習效率[5]。在虛擬現實系統中，虛擬環境、交互功能等都可能成為誘人細節。Wolf 等人發現，當虛擬現實系統作為設計師的工作環境時，圖形界面容易分散注意力，阻礙創造性過程，因此提出了基于語音和手勢的虛擬現實創造性任務交互模式，減少了腦力負荷，并且優化了使用感受[6]。Howard 等人研究了在虛擬現實培訓前進行預干預的方法，可以減少用戶在學習中的分心。其研究證實了干預措施對于提升培訓效果的有效性[5]。

2 針對注意力分散的認知干預方法

認知干預是Ross 于1977 年提出的心理干預措施，是通過改變或影響個體已有的認知思維模式來影響個體（運動）行為水平的各種主動措施。先前的研究表明，可以通過認知干預對注意力進行控制，減少注意力分散。李蔚在她的書中提出，在上課前應讓學生了解每個教學環節的具體目標和學習任務，從而集中注意力完成學習目標[7]。劉平提出多媒體教學方法能為學生創造真實的交流環境，在多媒體環境下，多種感官刺激能夠引起學生的學習興趣，從而更好的集中注意力[8]。

針對注意力控制的認知干預方法可以分為三個類別，分別是意識干預、正念干預和限制干預。意識干預旨在提高與某個行為相關的元認知，以此改變該行為的頻率，從而改變注意力分配的策略。A Dler R 等人通過生成彈出警報，提醒學員在分心時要返回到主要任務中[9]。正念干預通過培養對當前狀態的更多關注和意識，使個人能夠對自己的行為進行最大程度的控制，從而對當前的任務更加專注。正念練習能夠使學員具有避免分心的心理能力。Gorman 和Green 等人采用短暫的正念干預，讓參與者聽10分鐘的引導正念的錄音，要求他們通過將注意力錨定在呼吸模式上，從而集中注意力[10]。限制干預是通過將學員與可能引發注意力分散的元素分離，減少學員分心的機會。Jeurs 開發了一種干預措施，將不同的計算機任務分配到專用的虛擬工作空間，在單個工作空間中，用戶只能使用與特定任務相關的應用程序，這樣會使得用戶被限制在單個活動之中[11]。

3 針對礦山救援VR 培訓系統的認知干預方法

該研究旨在從系統設計環節中應用認知干預方法，無需在培訓前后進行額外的干預措施，因此認知干預方法除了要能夠有效減少學員的注意力分散，還要適用于虛擬現實培訓場景。先前的研究對正念干預的應用表明，正念干預是一種長期的練習，因此更適用于正式培訓開始之前。限制干預需要減少系統中的誘人細節，例如降低環境仿真的真實度，而這會降低學員的沉浸感，沉浸感的降低可能導致無法完全誘發出災害發生時學員的真實行為和心理，從而造成不理想的培訓效果。因此，這兩類認知干預方法都不適用于虛擬現實培訓場景。先前的研究對意識干預的應用更多的是在任務進行過程中，因此可以在培訓過程中對學員的注意力進行意識干預。

3.1 增強對當前任務完成情況的了解

在逼真的VR 場景下，學員容易被虛擬場景中的誘人細節干擾，造成注意力分散，忘記當前的主要學習任務。因此，可以在培訓過程中增強學員對主要學習任務和任務完成情況的了解，引導學員將注意力集中到學習內容上。如在培訓系統中增加任務提示，展示當前章節需要了解的知識點;設置任務倒計時，規定學員在一定時間內完成學習;建立學習情況評分體系，在每個章節學習完成后對學生的學習情況進行打分，并設置一定的獎罰機制。

3.2 被動學習轉換為主動學習

當前大多數虛擬現實培訓系統都是以引導為主，學員只需要跟隨引導作出相應的動作，大部分學員沒有進行深層次的思考，膚淺、被動的引導式訓練會使學員難以記住知識點。并且一旦學員機械化的跟隨引導，就容易注意力分散。因此，可以引導學員將被動式學習轉換為主動學習，如在系統中減少直接引導，增加思考內容，培養學員主動思考和快速識別有效信息的能力。

3.3 發生注意力分散時進行警告

當學員注意力分散時，直接警告可能是最直接的干預措施，先前的研究曾在學員使用多媒體分心時彈出警報。虛擬現實系統可以通過程序設計實現在檢測學員視線，當視線停留在非學習區域時對學員發出警告，使學員重新將注意力集中到學習內容上。

4 基于認知干預的礦山救援VR 培訓系統的交互設計

4.1 礦山救援VR 培訓系統交互界面設計元素分析

礦山救援虛擬現實培訓系統交互界面的主要功能是顯示場景內的相關信息，引導用戶作出相應操作，并為操作提供反饋。系統中的設計元素主要包括界面色彩設計、界面布局設計、控件外觀設計、文字信息設計等。

4.1.1 界面色彩

色彩是最直觀的視覺感受，用戶在使用虛擬現實培訓系統時，對系統的第一印象來自于整個系統界面的色彩和系統內環境的色彩。同時，色彩會影響用戶的色覺疲勞度、警覺和持續性，進而影響培訓過程中注意力的集中。因此，色彩設計不僅會影響用戶培訓過程的體驗，還會影響培訓效果。

虛擬現實培訓系統界面的色彩設計包括色溫、明度、主要顏色、輔助顏色。主要顏色用于界面的背景色，輔助顏色是突出信息時使用的顏色。為保證界面的能見度，主要顏色和輔助顏色的明度對比十分重要。例如，當主要顏色為黑色時，輔助顏色為黃色時，能見度最高。若想提高部分信息的注目性，即用戶未想見到的物體卻想引起用戶注視時，可以提高色彩的視覺沖擊力。例如，當整體背景為白色時，紅色最引人注目。但是，在使用高飽和度色彩提高信息的注目性時，不宜過多，過多的重點反而會引起注意力分散。同時，相比暖色調，冷色調的色彩搭配更利于注意力集中。

首先，色彩搭配在保證可用性的同時，要選取能夠反映培訓知識內容的色彩，對這些色彩進行搭配，使得色彩結構能夠映射知識結構，用戶通過色彩的結構關系就能夠進一步領會知識結構。其次，應考量用戶領會知識目標的交互需求，通過控制色彩來暗示用戶如何進行交互操作，有效地獲取知識目標，有針對性地學習。

4.1.2 界面布局

在虛擬現實培訓系統界面中，布局設計主要是對狀態欄、任務欄、工具欄，以及控件進行布局，布局會直接影響用戶的信息接收，從而影響培訓效率。

設計要根據信息優先級和功能區域進行設計，將優先級高的信息放在醒目的位置，將功能相近的模塊放在同一位置。并且要符合Z 形視覺動線，將需要用戶閱讀的信息放在左側或上側，將需要用戶作出決策的交互控件放在視覺落點，即界面的右側或下側。此外，對于不需要用戶始終關注的信息，例如工具欄，可以收起放在二級界面，防止界面信息過多對用戶造成干擾。

虛擬現實培訓系統的界面布局設計可以參考一些游戲設計，在許多電子游戲中，界面所包含的內容同樣也是狀態欄、任務欄等。比如，在幸福工廠的界面中，狀態欄在左下角，任務欄在左側，Tab 鍵為調出工具欄。在荒野大鏢客2 的界面中，狀態欄也位于左下角，任務欄在左側，Tab 鍵為調出工具欄。

4.1.3 控件外觀

控件是實現用戶和界面的有效互動元素。界面中的控件要能吸引用戶的注意力，激發用戶行動，在設計時應該遵循一定的設計細節規范，控件含義要明確，交互熱區要合理，反饋要及時，滿足用戶的使用習慣。控件要在需要用戶操作時給出恰當的引導，在不可操作時示意用戶。

控件包括按鈕和圖標，需要設計按鈕和圖標的樣式、大小以及狀態。

按鈕是界面中最常見的一種交互控件，按鈕上面通常有文字提示信息，文字以動詞為主。根據使用頻率不同，需要設計不同的按鈕樣式來區分其視覺層級。同一產品的按鈕設計，在底板形狀、尺寸、風格上應保持統一。按鈕的留白設計應該遵循：文字高度約為按鈕高度的一半，文字與按鈕邊緣的上下間距約為左右間距的一半。按鈕通常有四種狀態：默認狀態、點擊狀態、禁用狀態和忙碌狀態。在不同狀況下，按鈕的狀態要有明顯區分，將正確信息及時反饋給用戶，降低用戶的使用成本，提升用戶的體驗感。在設計時為了保持統一，按鈕四種狀態的底板外形尺寸及形狀應一致，可利用底板色彩或底板上的圖標加以區分。圖標設計的重點則在于圖標樣式要減少認知負荷，用戶不需要花費時間理解也能快速明確含義作出選擇。圖標和按鈕一樣也需要對狀態和顏色進行設計。

4.1.4 文字信息

文字信息包括文字的字體、大小和排列。字體選取的關鍵在于要突出所要表達信息的主體內容。受眾群體認為帶有紋理、陰影等裝飾因素的擬物化字體容易產生視覺疲勞，而簡約時尚的扁平化字體更加符合大眾的審美要求，因此要選取樣式簡單的無襯線字體，例如黑體。對于重要的標題及警告文字，可以使用與正文有所區別的字體。每個系統中的字體設計都有規范，對不同優先級的信息設計了相對應的字體大小、間距和顏色。

此外，字體的排列形式也會影響用戶對信息的理解，要有效地組織信息，通過合理化的排列形式，減輕用戶的視覺負擔，提高信息傳播的速度與效率。通過有效的文字信息設計，簡明扼要的展現信息內容是界面設計過程中的重要環節。

4.2 不同場景下的礦山救援VR 培訓系統交互設計策略

在不同的場景下，不同認知干預方法對注意力的干預效果也不同。在VR 培訓過程中，可以分為學習場景和訓練場景。學習場景指用戶在培訓系統中觀看教學素材的學習階段。訓練場景指在學習結束后，在培訓系統中進行實際操作訓練的階段。文章將對學習場景和訓練場景分別提出交互設計策略。

4.2.1 學習模塊的交互設計策略

學習模塊的界面內容以學習材料和交互功能為主，沒有狀態欄、工具欄和任務欄等。因此，設計策略主要針對交互功能、色彩設計和環境設計提出。

策略1 ： 在界面交互功能設計上，系統中應減少知識的單向直接輸送，增加意識性交互行為，即在關鍵節點增加思考和互動的內容，培養用戶主動思考和快速識別有效信息的能力。同時，盡量結合體感、手勢等多種交互方式，使培訓更加仿真，激發學員的學習興趣。

策略2 ：在界面色彩設計上，首先色彩的深淺結構要映射知識結構，使得用戶能夠快速梳理知識架構，在腦海中形成思維導圖。其次，在使用高飽和度色彩強調關鍵信息時，不宜應用過多。在色彩搭配時，可以選擇偏冷色調進行搭配，有助于注意力的集中。

策略3 ：在界面環境設計上，為突出學習材料，吸引用戶注意力，學習內容以外的環境光線不宜過亮，環境內無需添加其他與學習內容無關的動態物體。

策略4 ：在界面其他要素設計上，關鍵知識點處可以合理利用動效提醒用戶，控件設計上可選取用戶認知范圍內的形式，字體選用無襯線字體，字體大小要保證在所設定距離內用戶能夠清晰辨認。

4.2.2 訓練模塊的交互設計策略

訓練模塊是虛擬現實培訓系統中最主要的也是最重要的模塊，涉及的設計內容也較多，文章基于認知干預方法對界面交互功能設計、色彩設計、布局設計、圖形設計、引導設計提出設計策略。

策略1 ：在界面交互功能設計上，增加任務提醒，除了列舉需要完成的任務外，應將每個任務的完成狀態和評價實時顯示在任務欄中，同時對任務設定倒計時，用戶需在時間范圍內完成訓練，避免停留時間過長導致注意力分散。

策略2 ：在界面色彩設計上，和學習模塊相同，相同層級的訓練內容要使用相同的色彩，色彩的結構要映射訓練內容的結構，在使用高飽和度色彩強調關鍵信息時，不宜應用過多。在色彩搭配時，選擇偏冷色調的搭配有助于注意力的集中。界面中的狀態欄可使用透明背景，不影響用戶的沉浸感，狀態信息可使用飽和度較高的顏色，警告信息使用紅色，狀態正常信息使用綠色。任務欄起到干預作用，因此要引起用戶注意，使用深色背景，任務欄內的文字信息顏色應盡量選用明度高的顏色。

策略3 ：在界面布局設計上，應主次分明，信息不宜過多。任務欄放置在左上角，狀態欄放置在左下角，工具欄、設置、菜單等其他信息和按鈕不顯示在界面，可以通過操作手柄調出。

策略4 ：在界面圖形設計上，可以合理運用圖標，減少認知負荷，注意控件的狀態設計，及時給用戶反饋。

策略5 ：在引導設計上，應在關鍵位置設置引導點，引導用戶順利完成整個訓練。引導點要在用戶視野范圍內，有效引起用戶注意。引導形式要有主次區分，對訓練完成有影響的引導形式較強，無關鍵影響的引導形式不宜過強，刺激過多會導致用戶注意力分散，無法明確訓練重點。

5 結語

文章面向礦山救援VR 培訓系統開展認知干預方法與交互設計的研究，提出了三種適用于VR 培訓系統的認知干預措施，并提出了針對礦山救援VR 培訓系統的交互設計策略，通過交互設計的優化將干預措施應用到培訓過程中，減少注意力分散，提升培訓效率。未來將通過實驗驗證所提出的三種干預措施的有效性，進一步豐富干預措施的內容，細化干預流程，并根據交互設計策略提出具體的交互設計方案，從而為開展礦山救援培訓虛擬現實培訓設計實踐提供一定的參考。