水產品冷鏈物流實訓虛擬現實系統使用性分析

□ 王 喆，黃 娟,2，許麗娟，雷 潔，余永霜

(1.四川旅游學院 經濟管理學院，四川 成都 610100；2.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031)

1 引言

在新興科技領域中，虛擬仿真因具有高度互動性與擬真性，是一項極有潛力的教育科學技術。目前，3D虛擬仿真已被廣泛應用于全球教育領域，相關的遠距離學習課程與應用亦顯著增長，世界各地的大學和教育機構已經利用這種技術來擬定教學計劃，并進行正規的學習。雖然，以目前虛擬仿真的技術水平，虛擬實驗教學的模擬尚無法完全取代真實世界的深度體驗，但隨著信息技術持續發展，虛擬仿真技術可以提供快速擴大虛擬實驗教學應用的機會，結合新興的科技、科學學習和傳統教學策略建立一個務實可行的虛擬教學應用環境具有重要意義。

一方面，在教育環境中，教師通常會想辦法提供激勵學生的學習材料和有效的學習策略，特別是教育工作者應積極思考如何運用教學策略和活用科技以提升師生互動、創造生動活潑的教學環境，并引導學生主動學習及分享學習經驗，達到創新性學習[1]。Andersen指出在科學、技術、工程、數學(STEM)等學科的學習上，視覺空間能力是一項相當重要的認知能力[2]?，F有的廣泛應用的虛擬仿真技術多是以視覺感官形式來呈現虛擬場景，其中非沉浸式虛擬仿真一般利用個人電腦配備觸控屏幕和滑鼠等傳統輸入設備來進行與虛擬仿真軟體所呈現的虛擬環境互動；沉浸式虛擬仿真系統則是利用頭戴式顯示器來呈現虛擬現實(VR)環境，并透過手把控制器來與VR交互。從學科屬性來看，物流管理與工程類專業采用虛擬實驗教學是通過虛擬環境中實驗實訓以理解理論知識有效的教學策略[3-5]，尤其是對于缺乏立體空間概念或抽象思考能力薄弱的學習者而言；從學習者屬性來看，性別、先備知識經驗、認知風格和科技使用能力等都是影響學習的重要因素[6]。Hffler、Ko-Januchta、Leutner利用眼動追蹤技術進一步驗證了人類的認知風格應具有言語、物件視覺和空間視覺三種認知風格[7]。Yoon、Choi、Oh探討了在線三維虛擬技術建構的傳統平面屏幕場景中(非沉浸式虛擬仿真)，視覺認知風格會對臨場感造成影響，而臨場感進一步地再正向影響著學習者的滿意度[8]。翁鴻仁分析了學生的視覺認知風格屬性(包含物件視覺風格和空間視覺風格)對虛擬仿真各向度(包含臨場感、滿意度及科學感知學習)的影響，得出沉浸式的VR環境傾向于產生更高程度的臨場感[9]。

另一方面，使用性評估在人機互動中是非常重要的部分，通過使用性評估可以清楚地知道虛擬仿真系統與使用者互動時的問題，使用性的優劣直接影響使用者對于虛擬仿真的學習動機與效果。所以，一個好的虛擬仿真系統在開發時，除了要注意教學內容的設計，也必須兼顧系統的使用性。因此，在開發一個好的虛擬仿真系統時，使用性評估應該貫穿于整個開發過程，從虛擬仿真系統的設計、開發過程到最終完成，乃至于教學使用-反饋階段，使用者與虛擬仿真系統互動流暢性、能否降低學習者認知負荷，提高學習成效等[10]，每個階段都應該兼顧到使用性。本文針對沉浸式虛擬仿真系統——VR在教學環境的應用，利用問卷、影像記錄、觀察反饋等多種資料收集方式，從作為使用者的學生處收集直接的經驗資料，通過使用性分析來發現虛擬現實系統使用性相關問題，并將其反饋給教育科技企業及研究人員加以改進。

2 水產品冷鏈物流VR教學系統

中國農業展望報告(2020-2029)顯示，2019年中國水產品市場總產量6511萬噸，總消費量為6711萬噸，其中損耗約為1055萬噸。展望期水產品消費增長略高于產量增長，預計2029年達到7232萬噸，年均增長0.9%，食用消費年均增長1.1%，加工消費年均增長1.3%。國家物流標準化技術委員會提出《水產品冷鏈物流服務規范》，規定了水產品冷鏈物流的接收地作業、運輸、倉儲作業、加工與配送、貨物交接、包裝與標志要求和服務質量的主要評價指標。《國務院辦公廳關于加快發展冷鏈物流保障食品安全促進消費升級的意見》明確指出要率先研究制定對包括水產品在內的易腐食品溫度控制的強制性標準并盡快實施。近年來，國家部委不斷出臺政策支持促進冷鏈行業發展、完善冷鏈物流設備、加快構建全程冷鏈物流體系。

某物流與供應鏈教育科技企業開發的VR冷鏈物流實訓系統以虛擬現實技術作為依托，從冷庫認知、冷藏/冷凍魚物流實訓兩大模塊入手，讓學生通過完成實訓任務了解冷庫出庫、入庫、在庫保管作業，掌握生鮮類冷鏈(加工、包裝、儲藏、運輸、配送等)的實際操作流程[11]以保證產品質量、減少產品損耗和解決冷藏冷凍類食品從生產到消費各個環節中易出現問題，如圖1所示。基于冷鏈物流案例背景，重點培養學生的冷鏈物流標準和服務規范應知應會，為學生今后從事冷鏈物流相關的工作奠定一定的基礎。

圖1 冷藏/冷凍魚物流實訓VR場景

3 使用性分析方法

3.1 ITC SOPI系統使用性量表

ITC SOPI量表是由Independent Television Commission提出的，是針對產品設計的使用性評估工具，可真實客觀反映出產品在虛擬仿真環境下的使用性表現[12]。量表主要包含兩個部分，PART A和PART B。PART A關注受試者在結束虛擬環境體驗后的及時想法和感受反饋；PART B著重檢測受試者在虛擬仿真環境中的實時反饋[13]。量表分為5個等級，分別為：非常不同意，不同意，普通，同意，非常同意。量表中空間呈現性面項19題，參與度面項13題，內容真實度面項5題，負面影響面項6題。

為了解受試者對虛擬現實系統的滿意度情形，本研究使用ITC SOPI系統使用性量表進行分析，在結束基于3D仿真的冷藏/冷凍魚物流實訓后發給受試者進行填寫，并回收進行統計。根據ITC SOPI計算方式進行統計：ITC SOPI的問題選項是李克特5分選項，在ITC SOPI問卷四個面項中計算平均數。

3.2 OWAS工作姿勢分析系統

工作姿勢分析系統(Ovako Working Postures Analysis System,OWAS)起源于芬蘭Ovako Oy鋼鐵公司，用于區分員工工作時的身體姿勢，按照該姿勢可能引發傷害的程度予以分級，并將分級結果提供給研究人員參考，以作為是否改善員工不良工作姿勢的依據。其將一般作業人員的工作姿勢依據頭部5種姿勢、軀干(背部)4種姿勢、手臂3種姿勢、腿部7種姿勢以及抬舉3種姿勢總結為1260種工作姿勢組合進行編碼及分析，詳細的OWAS姿勢編碼如圖2所示。采用OWAS分析法，針對基于VR冷藏/冷凍魚物流實訓現場拍攝影像存檔，進行取樣圖片姿勢編碼，根據身體單獨部位評估姿勢，并綜合評估全身姿勢。

圖2 OWAS姿勢編碼圖例

4 實驗結果分析

4.1 問卷統計分析

隨機抽取8名物流工程專業20級學生作為受試者完成冷藏/冷凍魚物流實訓VR實驗，并進行虛擬現實系統ITC SOPI問卷填寫?；厥沼行柧?份，其中女性受試者4人(編號N1到N4)，男性受試者4人(編號N5到N8)，年齡分布在19-22歲。學生信息素養為“基礎”(5人)和“中等”(3人)；之前有使用過VR的受試者只有3人，主要通過VR游戲等有過前期體驗；對VR的相關知識了解為“無”(2人)、“基礎”(3人)以及中等(3人)。

除個人基本情況采集外，問卷后續問題編號如下：“當虛擬現實結束時，我覺得意猶未盡”(Q8)、“在體驗虛擬現實的過程中，我感覺不知所措”(Q9)、“在體驗虛擬現實的過程中，我有身臨其境的感覺”(Q10)、“當結束時，我依然想繼續沉浸在虛擬現實的環境里”(Q11)、“我依然生動地記得剛剛的虛擬現實中的某些部分”(Q12)、“我會建議我的朋友也來體驗虛擬現實”(Q13)、“我感覺我剛剛完全沉浸在虛擬現實環境中”(Q14)、“我感覺我剛剛參與在整個虛擬現實環境中”(Q15)、“在剛剛的虛擬現實體驗中我忘記了時間”(Q16)、“我感覺在虛擬現實的環境中可以進行互動”(Q17)、“虛擬現實看上去很真實”(Q18)、“剛剛的虛擬現實中的內容感覺很真實”(Q19)、“剛剛虛擬現實中的內容很觸動我”(Q20)、“我在使用虛擬現實的過程中很愉悅”(Q21)、“在虛擬現實的環境中，我感覺我在參觀一個地方”(Q22)、“我在剛剛的虛擬現實中感覺很疲憊”(Q23)、“剛剛虛擬現實的內容顯得很可信”(Q24)、“我感覺我并不是僅僅在觀看”(Q25)、“我感覺我被虛擬現實中的某些地方觸動了”(Q26)、“我在剛剛的虛擬現實中感覺很暈”(Q27)、“我感覺剛剛的虛擬現實環境是一個真實的情景”(Q28)、“我的體驗感覺很強烈”(Q29)、“我花更多的時間在虛擬現實的體驗中多過于自我的思考”(Q30)、“我在呈現的場景中有存在感”(Q31)、“在虛擬現實過程中，我可以移動其中的物件”(Q32)、“這個場景在真實世界中會真地發生”(Q33)、“我在剛剛的虛擬現實中感覺眼睛很疲勞”(Q34)、“我可以感受到虛擬現實環境中的不同特征”(Q35)、“我感覺虛擬現實中的對象可以感知到我的存在”(Q36)、“在虛擬現實的過程中，我感受到聲音來自不同的方向”(Q37)、“我感覺我被虛擬現實的環境所包圍”(Q38)、“剛剛的體驗讓我感到惡心”(Q39)、“我感覺剛剛虛擬現實中的物件是立體的”(Q40)、“在虛擬現實的過程中，我感覺我可以移動和觸摸”(Q41)、“在虛擬現實的過程中，我感覺到溫度有所變化”(Q42)、“在虛擬現實的過程中，我的情緒有所變化”(Q43)、“在虛擬現實的過程中，我的所有感官系統都有被刺激”(Q44)、“虛擬現實中的內容對我有吸引力”(Q45)、“我感覺我可以去改變時間發展的過程”(Q46)、“我感覺我跟虛擬現實中的物件是沒有距離感的”(Q47)、“我感覺虛擬現實中的對象對我的動作有響應”(Q48)、“我在虛擬現實中移動對象的感覺很真實”(Q49)、“我在剛剛的虛擬現實中感覺頭痛”(Q50)、“我感覺我參與到整個虛擬現實環境中”(Q51)。

對于Q9、Q37、Q39題項，受試者較多持不同意、非常不同意態度；對于Q23、Q27、Q42、Q44、Q46、Q50題項，受試者多持不同意態度；對于Q30、Q34、Q36、Q47題項，受試者較少持不同意態度；其他題項，受試者持普通及同意態度較多，部分受試者對部分題項持非常同意態度(見圖3)。

圖3 ITC SOPI問卷統計分析

受試者在空間呈現性、內容真實度、參與度和負面影響四個面向的均值如表1所示。從表中可以看出，受試者性別對冷藏/冷凍魚物流實訓VR系統體驗無明顯影響，過去VR使用經驗對本次冷藏/冷凍魚物流實訓VR系統體驗無明顯影響。

表1 空間呈現性、內容真實度、參與度和負面影響受試者態度均值

4.2 身體姿勢分析

在N1至N8受試者使用VR進行冷藏/冷凍魚物流實訓過程中，同步進行影像記錄，根據身體單獨部位評估姿勢，并綜合評估全身姿勢。通過OWAS取樣圖片姿勢編碼，發現存在“頭部后仰人直立單手位于肩下方站立”(OWAS 編碼：41121)、“頭部前傾身體前彎單手位于肩下方站立或走動”(OWAS 編碼：22171 22121)、“頭部前傾身體前彎單手位于肩上方雙腳站立腿彎曲”(OWAS 編碼：22241)、“頭部前傾身體前彎單手位于肩下方雙腳站立腿彎曲或跪姿”(OWAS 編碼：2214122161)、“頭部后仰人直立單手位于肩上方站立”(OWAS 編碼：41221)、“頭部側彎身體直立單手位于肩下方站立”(OWAS 編碼：31221)幾種不良姿勢，如圖4所示。

圖4 基于VR冷藏/冷凍魚物流實訓不良姿勢

4.3 用時分析與受試者反饋

基于VR的冷藏/冷凍魚物流實訓包括了認知和實操任務兩個相對獨立的部分，認知部分雖不涉及虛擬操作，但有利于受試者熟悉VR系統虛擬仿真環境和手柄使用。在實際實驗中，將8名受試者分為兩組，其中第一組(N2、N4、N5、N7)需要完成認知和實操任務兩個部分，而第二組(N1、N3、N6、N8)僅需完成實操任務部分。從受試者實訓用時來看，第一組女生完成實操任務的用時明顯比第二組女生少，第一組男生完成實操任務的用時相較比第二組男生少，證實了先進行認知有利于受試者熟悉VR系統虛擬仿真環境和手柄使用，受試者能在后續實操任務部分縮短花費的時間。前述第二組(N1、N3、N6、N8)在完成實操任務部分后，隔日又重復進行實操任務部分，通過計時比較亦發現其相應用時明顯縮短，表明受試者對VR系統虛擬仿真環境和手柄使用的熟悉能提高其實訓表現、縮短實訓用時，如表2所示。

8名受試者生源地皆為四川省，其身高、體重信息如表2所示。從表2中可以看出，四川籍學生身高不高，結合受試者反饋來看，在頭戴VR眼罩和持手柄操作時，雖然手柄較輕，但操作的過程中不良姿勢仍會一定程度增加學生的身體不適；特別是VR眼罩本身較重，對于小個子女生的頭頸部負荷要求較高，女生體重較輕者亦需要付出更多努力以維持身體重心平衡。

表2 受試者身高、體重信息及實訓用時(分秒)

此外，從N1至N8受試者問卷反饋來看，共性問題包括手柄操作(如拾取物品)對初學者較難；魚的真實感希望加強；針對有點近視的學生，不戴眼鏡看VR中的字體有些許模糊；若不太熟悉VR不同功能空間會不太好辨認，需要較好的空間記憶感；眼罩看字體有抖動現象。從N1至N8受試者實訓觀察反饋來看，除了VR眼罩較重需用手托以外，還有VR設備自帶的線易纏繞影響操作、周圍的防護欄保護效果不明顯等問題，如圖5所示。

圖5 基于VR冷藏/冷凍魚物流實訓觀察反饋

5 結論與建議

虛擬仿真影響教學模式。虛擬仿真技術改變傳統的教師主宰課堂的模式，改變學生被動接受知識、缺乏創新思維和創新能力。虛擬現實技術能提供友好的界面、形象直觀的互動式學習環境，能結合理論知識在實際場景中的應用提供圖文、聲像并茂的多種感官綜合刺激等[14]，這在受試者的問卷統計及反饋中都有體現。學生希望進一步增強虛擬現實中場景的真實度，特別是水產品冷鏈環境視覺感受度和聯覺感受度，如增加工作人員防寒服、冷氣和工作環境中的魚等。

虛擬仿真影響教學手段[15]。從啟發式教學來看，通過身臨其境的、自主控制的人機交互，由視覺、聽覺、觸覺獲取，提供生動活潑的直觀形象思維素材、展現學生不能在校直接體驗到的事物等，形成知識點(冷藏/冷凍魚物流認知實訓)。學生從思維、情感和行為多方面地參與教學活動。從探究式教學來看，以解決問題為中心的教學形式，虛擬現實在實訓教學中可讓學生進入問題存在的環境，有針對性地建構虛擬情境，引導學生進行探究，能提供良好的人機交互，允許學生出錯，自行了解錯誤的根由及后果，發現解決問題的方法(冷藏/冷凍魚物流實操任務)。

虛擬仿真影響學習方式。虛擬仿真可以創設一個人性化的虛擬學習環境，使教學的氣氛更加活躍、自然、親切。受試者對于冷藏/冷凍魚物流實訓VR系統所呈現的虛擬環境中空間呈現性、參與度、內容真實程度與負面影響都持有相對積極的評價，但對于VR眼罩和手柄等設備的使用反饋問題較多。一方面，較重的VR眼罩和初學者較難把控的手柄，再結合受試者身高和體重都會一定程度影響VR操作的個人負荷；另一方面，實操任務設計中需要注意使用者不良姿勢對身體不適的影響，盡可能減少不良姿勢時長和重復比例。此外，虛擬現實中的字體設計須要照顧視弱者使用；可以考慮應用無線VR設備以減少纏線影響操作的可能；重視VR使用過程中的信息化預警提示，避免使用者碰撞、跌落界外的安全風險等。