基于多模態(tài)交互的羽毛球學習訓練器材設計

摘" 要：通過引入多模態(tài)交互方式為傳統(tǒng)羽毛球學習訓練器材賦能，可解決學員在訓練中感知不強的問題，提高學員的學習效率。文章在使用情境任務分析法時發(fā)現(xiàn)學員在學習羽毛球的任務流程中動作通道與感官模態(tài)存在不合理的資源競爭問題，而這是影響學員學習效率的主要原因。文章提出了依托于多模態(tài)交互模型的設計策略，并提出了設計實例。最終結果表明：建立多模態(tài)平衡機制，將多模態(tài)交互的方式引入羽毛球學習訓練器材和訓練方法中，可以通過降低學員在學習時的認知負荷來提升學員的學習效率。

關鍵詞：產品設計；羽毛球訓練器材；情境任務分析法；多模態(tài)交互

隨著生活經濟水平的提高，人們逐漸從對基本生活需求的滿足轉向對高質量生活和幸福感的追求，越來越多的人選擇將體育運動作為自己的健康幸福生活的活動，其中羽毛球的地位越來越重要，它作為全民適宜的體育運動也被逐漸納入中考體育范圍，因此也帶來了羽毛球教育培訓行業(yè)的蓬勃發(fā)展。羽毛球運動屬于入門簡單，但精進難度高的小球運動，學員系統(tǒng)學習難度較大，而且當前國內培訓市場處于發(fā)展階段，教學方式和教具都不夠成熟，教練員主要以手把手教的簡單方式教學，教練員水平參差不齊，難以標準化教學，因此，可以設計出一款人機交互設備，將科學訓練標準和教練員經驗相結合，讓科技輔佐教育，提高效率。通過使用多模態(tài)交互技術設計一款訓練器件應用在體育教育培訓行業(yè)上，可以降低學員的認知負荷和學習難度，同時提高學員的學習效率和規(guī)范羽毛球行業(yè)的培訓標準，對羽毛球行業(yè)乃至其他小球類運動均會起到非常大的積極作用。

一、研究背景

（一）行業(yè)發(fā)展

據(jù)中研普華產業(yè)院研究報告－數(shù)據(jù)顯示2021—2023年全國羽毛球館市場規(guī)模由237.2億元上升到291.8億元，全國羽毛球館行業(yè)從業(yè)人員規(guī)模由69.7萬人上升到78.1萬人，羽毛球運動項目已逐漸納入中考體育范圍。由于其對青少年兒童駝背、眼睛近視等問題有很好的緩解作用，且沒有肢體碰撞，安全性較高，因此備受家長青睞。《2022年中國羽毛球培訓行業(yè)分析報告——行業(yè)規(guī)模與發(fā)展趨勢預測》報告顯示，在為孩子選擇體育培訓項目時，羽毛球已成為第二大受歡迎的選擇，占比達到21.3%。因此羽毛球培訓市場也在蓬勃發(fā)展[1]。調研發(fā)現(xiàn)市場上參加羽毛球培訓的學員區(qū)別于專業(yè)體校學生，他們沒有足夠多的時間和精力練習，因此培訓機構也無法完全使用專業(yè)體育學校的教學方式。國內的培訓機構也都不夠成熟，各羽毛球培訓機構使用的輔助訓練器材大多都是機構簡單自行定制（如圖1）。輔助訓練器材雖然在學習羽毛球的過程中不可或缺，但是其專業(yè)性和統(tǒng)一性卻沒有被重視起來[2]。

（二）學習流程

初學者學習羽毛球流程指的是學員在羽毛球培訓班主要的上課內容，其中教練員講解、學員使用輔助器材練習、教練員糾正動作這些流程是課程的基本步驟，其中學員使用輔助器材練習是上課環(huán)節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)[3]。學員需要使用訓練輔助器材不斷重復教練員演示的擊球動作，形成肌肉記憶，從而學會打羽毛球的專業(yè)動作，達到學習目的[4]。學員在學習羽毛球運動時首先需要學習專業(yè)的擊球動作，而學員在模仿教練員動作講解、使用輔助器材練習以及通過教練員糾正改正練習動作時以單模態(tài)交互方式為主，很難判斷視角外的自身肢體動作幅度。因此這種學習模式容易加重學員的認知負荷，使學習效率低下[5]。

情境任務分析法（Contextual Task Analysis）是一種任務分析方法，它著重于理解任務在特定情境下的執(zhí)行過程、要求和影響因素。情境任務分析法的目標是深入了解任務執(zhí)行者與其工作環(huán)境之間的相互作用，以及環(huán)境對任務執(zhí)行的影響。在上課培訓流程中，學員的行為與教練、輔助器材等邏輯關系較復雜，因此，運用情境任務分析法分析學員上課的關鍵步驟，能夠研究學員行為特征并分析其中存在的問題[6]。

表1為羽毛球培訓過程中學習過程，使用情景任務分析法來拆解學員的任務目標，可以分為四個部分。1.看教練員演示動作，聽教練員講解關鍵點，這是最基礎的接收信息的過程，而其中主要參與模態(tài)為眼睛和耳朵，在此階段學員可以簡單地觀察學習，認知負荷在可承受范圍之內。2.觀察并挪動輔助器材，使自身和輔助器材處于合理位置，此時屬于學員初步學習階段，只需要眼睛和肢體參與即可，但這個階段教練員的教育水平非常關鍵，讓學員站在固定合理的點位才能使學員充分感受發(fā)力，順利進行下一步訓練。3.使用教練員講解的專業(yè)擊球動作，使用輔助器材練習，這個階段雖然只需要學員眼睛和肢體的參與，但是復雜的信息加工階段，學員需要對第一部分的輸入信息進行思考加工，還需要自身行為訓練的配合，對于較小年齡的小孩而言，認知負擔相對較重。4.通過教練員糾正，學員改正錯誤動作繼續(xù)練習，這是最后一部分的反饋接收改正階段，在此階段教練員需要時刻觀察學員練習姿勢和心理狀態(tài)如何，及時提出訓練意見。

在上述的羽毛球培訓學習過程中，我們可以分析發(fā)現(xiàn)教練員的經驗和規(guī)范化教學非常重要。學員在使用輔助器材練習擊球動作時，既要注意自身擊球動作是否規(guī)范，又要注意與訓練器材的動作交互并且還要聽從教練員的糾正，所以對于教學和受教的雙方而言，在學習開始階段的負擔很重。因此教練員初始規(guī)范化教學負擔重，學員感官模態(tài)和動作姿勢競爭造成認知負荷過重導致效率低下，均是有待解決的問題。

（三）多模態(tài)交互

多模態(tài)交互（Multimodal Interaction）是指在人與計算機的交互過程中，利用多種感官通道或輸入方式（如視覺、聽覺、觸覺等）同時進行信息交流與處理的技術。隨著電子產品的不斷發(fā)展，相比傳統(tǒng)的單模態(tài)交互（如僅通過鍵盤輸入或語音指令），多模態(tài)交互逐漸成為人機交互的發(fā)展趨勢[7]。作為一種新型人機交互方式，多模態(tài)交互并非多個模態(tài)的簡單疊加，而是通過各模態(tài)配合實現(xiàn)比單一模態(tài)更高效、自然的人機對話。國內外學者開展了關于多模態(tài)交互的研究，例如Nuovo等提出面向高齡用戶的多模態(tài)輸入界面，并通過試驗證明多模態(tài)輸入方式可為用戶提供有效的認知補償[8]；李善青設計了一套由穿戴計算機、立體視覺機、無線麥克和頭戴顯示器組成的交互穿戴系統(tǒng)，通過利用多模態(tài)交互中視覺和聽覺通道的互補性和可并行性，提高了整套系統(tǒng)的運行效率[9]；邵幫麗等將多模態(tài)交互方法應用于智能家居場景，提升了人機交互精確性和順暢性[10]。多模態(tài)交互還被運用于增強現(xiàn)實等應用領域，以實現(xiàn)高效、自然的人機對話，如易心武等基于神經科學和運動學的角度劃分視線轉移，結合頭動的穩(wěn)定性與眼動的高效性以及頭眼協(xié)調特征設計了一個頭眼協(xié)調交互模型，通過多模態(tài)相互作用減少Midas誤觸和識別用戶意圖，與傳統(tǒng)交互模態(tài)相比，其交互模型具有更高的精度、更快的時間效率和更高的自然度[11]。

多模態(tài)交互利用人類的不同感覺通道，使用戶運用更加自然的交互方式與產品協(xié)作，是增強現(xiàn)實人機交互的主要形式，也是未來人機交互的發(fā)展重心[12]。通過綜合運用多感官優(yōu)勢而形成的多模態(tài)交互信息互補形式，不僅可降低學員在學習訓練場景下的認知負荷為用戶提供認知補償，還能有效提升交互的自然性。后文將針對學員在學習存在的感官模態(tài)和動作資源不合理競爭問題提出多模態(tài)交互模型以及設計策略，并構建羽毛球訓練器材的系統(tǒng)設計，以提高學員的學習效率。

二、多模態(tài)交互模型與設計策略

（一）多模態(tài)交互模型

多模態(tài)交互模型指的是能夠處理多種不同類型輸入（例如文字、語音、圖像等）和輸出的交互模型。這種模型可以同時處理來自不同傳感器或資源的信息，并且能夠將這些信息整合起來以進行更加全面和智能的交互。其主要包含用戶層、產品層和交互層（如圖2），信息在這三個層面中被加工處理以及流通。多模態(tài)交互通過整合多種感官輸入和輸出方式，使交互過程更加自然、靈活和高效，提升了人機交互的整體體驗和應用廣度[13]。

1.用戶層。用戶層主要包括用戶的感覺通道和效應通道，用戶通過感覺通道接收產品發(fā)出的信息，再通過效應通道做出相關反應傳遞給產品完成相應的交互行為。

2.交互層。交互層是整個多模態(tài)交互模型的核心層面，其功能主要將不同模態(tài)的信息整合處理，進行系統(tǒng)的決策和分析，形成輸入和輸出的信息映射。

3.產品層。產品層包含輸入設備和輸出設備，輸入設備接收來自用戶和環(huán)境的信息傳遞給交互層，輸出設備將交互層處理好的信息采用多模態(tài)的方式傳遞給用戶相對應的感覺通道。

在交互層中信息從輸入設備流入經過多模態(tài)交互處理后由輸出設備傳遞給用戶。信息沿用戶層交互層和產品層循環(huán)傳遞工作。該模型可以梳理多模態(tài)交互中信息處理和加工的過程，有助于為后續(xù)的交互設計提出設計策略[14]。

（二）設計策略

基于多模態(tài)交互模型，可在產品層和交互層提出設計策略。在產品層的信息輸入階段，增加傳感器拓寬獲取信息的效應通道；在交互層的信息處理階段實時跟蹤分析用戶使用過程中的情景數(shù)據(jù)，并輸出用戶需要的特征信息；在產品層的信息輸出階段選擇合理分配輸出模態(tài)，在合適的情景為用戶提供合理的融合信息以保持用戶正常的認知負荷。

三、羽毛球智能學習器多模態(tài)交互設計

（一）羽毛球智能學習器設計

學習器從虛擬現(xiàn)實結合出發(fā)，保留傳統(tǒng)學習架觸感反饋的同時增加VR設備增強學員的視覺模態(tài)。學習器包括學習架、VR眼鏡和內外部攝像頭三個部分組成。學員佩戴VR頭戴設備練習。場地設備立于學員右側，攝像頭固定在學員正前方（如圖3）。

學員的VR眼鏡虛構出場地的虛擬景象并提供標準學習動作的指令，在發(fā)送揮拍指令后虛擬環(huán)境模擬出羽毛球向學員飛來，學員向虛擬揮拍后擊打在懸掛的小球上。外部的場地設備包括攝像頭和提供擊打反饋的懸吊架，其中攝像頭收集學員的動作發(fā)送給VR與標準動作對比然后把糾正動作的指令發(fā)送給學員。懸吊架提供真實的擊打反饋并收集擊打數(shù)據(jù)。

（二）學習器多模態(tài)交互信息架構

將多模態(tài)交互模型應用于該硬件形成信息架構，智能學習器選擇合適于情景的模態(tài)為主模態(tài)其他模態(tài)為輔模態(tài)，通過主輔配合的方式向學員傳遞信息指令；學員接收到指令后做出反應，由效應通道傳遞給智能學習器[15]（如圖4）。

根據(jù)模態(tài)確定交互信息架構，標準動作演示及口令提示以視聽結合形式呈現(xiàn)，使得學員在訓練中易于理解；同時錯誤糾正將不再單純?yōu)榻叹殕T講解（只使用聽覺模態(tài)）而以視聽結合的方式增加視覺模態(tài)參與，以此減輕學員處理信息的壓力。其中設備信息中的時間、電量、用戶信息等使用視覺模態(tài)提供給學員。設備的基本設置使用觸覺效應通道和視覺模態(tài)與用戶交互。訓練功能中的標準動作演示，錯誤糾正以及口令指示使用視覺和聽覺提供給學員，揮拍擊打信息收集將使用視覺模態(tài)與用戶交互。

（三）學習器多模態(tài)交互系統(tǒng)

在多模態(tài)交互信息架構中，羽毛球智能學習架將以圖像和聲音的方式將對學員位置的指示、標準動作的演示以及口令提醒由視覺和聽覺的感覺通道傳達給學員，學員將使用視覺和聽覺模態(tài)接收信息并作出調整位置、觀察動作演示以及根據(jù)口令練習等任務。整合用戶和產品之間的信息的流動和參與的模態(tài)可以構建出多模態(tài)交互系統(tǒng)（如圖5）[16]。學員傳達的信息將以肢體動效應通道被羽毛球智能學習架的攝像頭接收。羽毛球智能學習架再通過數(shù)據(jù)處理將通過其模態(tài)關系和時間關系的特點將信息分配。其中模態(tài)關系主要分為選擇型、相繼型、并發(fā)型和互補型。時間關系主要是并行和串行。羽毛球智能學習架再將展示學員錯誤動作和演示學員正確動作等信息通過圖像傳遞給學員。學員再重復練習形成循環(huán)。多模態(tài)交互系統(tǒng)將輸入信息進行多模態(tài)交互處理，并選擇合適情景的模態(tài)組合將信息輸出給學員以實現(xiàn)信息準確傳達和有效反饋。

（四）學習器界面交互設計

VR界面布局設計基于用戶認知和行為邏輯特性。界面設計首先要對信息重要性進行排序。在學員練習過程中信息重要性由高到低排序應該為場地環(huán)境（包括球場模擬和擊球位置模擬）、動作演示（包括標準動作演示、自身動作圖像以及糾正信息）、設備基本信息（電量音量等）。系統(tǒng)將不同重要性的信息以不同大小放置于不同區(qū)域和層級，使學員在需要該信息時便于獲取（如圖6）。

在VR眼鏡演示正確動作后向學員發(fā)出指令練習并在練習時由外部攝像頭收集學員練習動作數(shù)據(jù)，整理后將糾正指令以聲音信息發(fā)送給學員，VR眼鏡同時將標準動作和學員當前動作的圖像信息發(fā)送給學員，如此循環(huán)進行。

四、結語

本文設計了一種針對羽毛球初學者的學習機器，通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等技術增強視覺、聽覺信息模態(tài)運用多感官優(yōu)勢進行信息互補，降低了學員在原有場景下因信息通道擁擠帶來的高認知負荷，提高了學員的學習效率，拓寬了將虛擬現(xiàn)實技術應用至體育教育領域的路徑，同時完善了多模態(tài)交互模型，提出了新的多模態(tài)交互策略為同類產品設計提供參考。筆者下一步將繼續(xù)完善設計使其更適用于多人以及更多場景下的學習訓練。

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作者簡介：劉澤，西安工程大學碩士研究生。研究方向：用戶界面與交互設計。

通訊作者：孫薇，西安工程大學副教授。研究方向：產品設計與人機關系、視覺傳達與交互設計。