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导航模式、操作方法、观察尺度和UI设计中的背景选项，以在基于vr的架构应用程序中获得较高的学习性能

1.介绍

虚拟现实(VR)技术已经应用到许多领域，包括娱乐和教育(迪尼斯, 吉马良斯, 橡木, 马丁斯, 2017)。世界各地高校对基于虚拟现实的应用在机械、建筑、医学、物理、设计等诸多领域进行了研究和实践(科克伦, 2016;斯塔万 2013;李，张，孙，王，高，2017;梁，李，刘，2016)。虚拟现实在建筑教育中具有明显的优势，在建筑教育中，一类陈述性知识在很大程度上依赖于时空信息。学生需要在课程中认识三维物体。例如，建筑史课程通常包括记忆三维建筑构件和时空施工步骤的认知学习过程。这些技术可以增强各种感官的互动、沉浸感和想象力(谢里登, 2000)。因此，为了提高记忆效果，学生的认知学习过程可以从单向灌输转变为双向互动(谢贝尔, 珊高德, 德国, 2007;陈和王，2008;苏藻D, 尹,伊斯兰, 2011)。

目前，大多数项目都关注基于vr架构应用领域的硬件平台或软件引擎的开发和选择(波特曼, 纳特博威, 费舍尔, 2015;瑞诗曼和易卜拉欣, 2011;桑帕约, 费雷拉,蓉斯, 马丁塞特, 2010;青木，光谷，金取，福井，2015;帕克,里姆, 苏奥, 李, 2015;(韩，卢武铉，赵，2018)。然而，针对这些应用程序的用户界面(UI)设计的研究还很有限。所采用的指导方针大多继承自电子游戏的UI范式(徐, 2014;鲁普，博施-西泽马，约翰逊，2014)。UI设计是指由硬件和软件共同执行的人机交互范式，涉及操作逻辑和界面美学的整体设计，又称界面设计。

虚拟环境的交互范式从传统的二维平面向沉浸式三维空间转变。二维窗口范例WIMP (Windows、图标、菜单、指针)(西姆, 1975)很难适应三维虚拟环境。因此，研究虚拟现实应用的UI设计对于提高建筑教育的学习效果是十分必要的。在之前的研究中，我们发现基于虚拟现实的虚拟构建过程中所采用的UI设计，类似于PC上的2D构建游戏，并不能像在虚拟构件记忆过程中那样显著提高学习性能(孙, 徐, 达里娅, 韬, 2017)。因此，本研究试图定量探讨基于虚拟现实的建筑应用程序UI设计的关键因素。

本文在鲍曼 (鲍曼等人， 2008)、卡普特等人(卡普特和 基恰克, 2015)和作者前期研究(孙等人， 2017)的基础上，将导航模式、操作方法、观测尺度和背景选择这四个关键因素作为一组变量。通过学习实验，将完成率、纠正率、操作速度等学习性能作为另一组变量进行考察。通过对上述两组变量的相关分析，定量测量了这四个因素对学习成绩的影响。

3.结果和讨论

本实验收集了四组实验数据，并进行了相关分析，得出各因素对基于虚拟现实的保国寺课件学习效果的影响。

3.1导航方式

实时记录了两种导航模式的使用情况。该分布反映了飞行模式下39.2%的作业和垂钓模式下60.8%的作业。显然，钓鱼模式更受参与者欢迎。然而,之间没有显著相关性模式和学习性能分析(表2)。

表2 导航模式和学习效绩之间的数据分析

尽管在实验中,一些学生报告说,尽管他们可能达到高视角的使用飞行模式,长期操作容易导致头晕,甚至一些学生在继续之前要求脱下头部监视器休息,这些可能会导致生理上的不利影响学习进度的经验。。

3.2. 操作方法

实时记录两种操作方法的使用情况。该分布反映了代理法操作的47.4%和抓取法操作的52.6%。虽然偏好不显著，但操作方法与学习成绩的相关性显著(表3)。

表3 操作方法和学习成绩之间的数据分析

这表明，代理操作方法与测试结果呈负相关。而抓取操作方法与试验结果正相关，即代理操作方法不是一种好的学习方法。代理方法使用的时间越长，操作就越慢速度为，完成率和校正率越低。原因之一可能是代理方法更适合远程精确操作。

然而，由于在运动和旋转控制中强调X、Y、Z的准确性，参与者的交互过程不自然，导致操作速度下降。相反，在互动过程中，抓握法是自然的，类似于人类的取物行为。因此，它与所有的绩效指标都存在正相关关系。交互的自然程度直接影响操作的速度，进而影响学习效果。

3.3. 观察尺度

在本实验中，一半的用户被设计在1:1的固定观测尺度下进行操作，另一半用户在工作过程中能够在1:1、1:5、1:10、1:20四个水平上进行调节。按后半部分的分布(1:1为3%;1:5是12%;1:10是30%;1:20是5%)，对特定比例(1:10)的偏好非常明显。同时，观察量表与学习成绩的相关性也值得一提。

说明1:1的量表与绩效指标显著负相关(表4)，其他量表显著正相关。原因之一可能是宝国寺的规模太大，参与者无法从整体上观察，这意味着他们只能收集局部的理解，而不能收集全球的理解。

表4 不同量表和学习成绩之间的数据分析

此外，在HTC Vive中，最受欢迎的观察比例(1:10)实际上是将5米高的寺院转换成0.5米高的虚拟模型，呈现在用户面前，这与现实世界中建筑师在桌子上使用模型的比例非常接近。因此，相关分析可能表明虚拟化身和他的操作目标之间的比例越接近真实人体和桌子上的模型之间的比例，学习性能就越好。

3.4 背景选择

根据实验设计，一半的参与者有背景环境，另一半没有。虽然这一因素在现实寻路任务中被认为是重要的，但相关分析并不支持这一预期(表5)，原因可能是寺庙各组成部分的名称前缀为“东”、“西”、“前”、“后”。建筑的纹理帮助用户辨别方向。未来还将进行进一步的实验。

表5 背景环境和学习成绩之间的数据分析

3.5用戶界面设计对学习绩效的强烈影响

通过以上分析，明确了UI设计中的四个因素与学习性能之间的关系。为了定量了解UI设计影响的程度，我们抽取了两组用户数据。其中一名参与者拥有13名参与者的所有最佳条件(钓鱼模式、掌握操作方法、1:10比例、有无背景)。另一组是17名参与者中最差的(飞行模式、代理操作方法、1:1比例、有无背景)。学习成绩的差距令人印象深刻:最佳组的完成率比最差组高39.2%，校正率比最差组高59.7%，运算速度比最差组快0.72项/分钟(图6）。

图6 最好和最差的条件下的表现

因此，在不同的UI设计下，虚拟现实中的学习成绩差异较大。

5.结论

由于建筑教育涉及到大量关于3D对象和操作的学习过程，应用虚拟现实技术提高其学习性能的潜力很大。因此，如何更有效地利用虚拟现实是该领域的一个重要课题。除了讨论硬件平台和虚拟引擎之外，UI设计是另一个重要方面。然而，对于建筑教育领域VR UI设计的研究相对较少。

本研究从UI设计中提取了四个关键因素:导航模式、操作方法、观察尺度和背景选项。在实验的基础上进行相关分析，定量探讨这些因素对学习成绩的影响。

在实验中，120人参与了HTC Vive虚拟构建保国寺的学习任务。根据因子水平的不同组合，将其平均分为4组，分别为:导航模式(钓鱼模式/飞行模式)、操作方法(抓取方法/代理方法)、观察量表(1:1/1:5/1:10/1:20)和背景选项(有背景/没有背景)。通过操作速度、完成率和纠正率来表示学习成绩，通过相关分析得出以下结论。

·在不同的UI设计下，虚拟现实平台的学习性能差异很大。

·在HTC Vive导航中，钓鱼模式优于飞行模式。

·在虚拟施工作业中，抓取法优于代理法。

·在现实世界中，接近人体模型的虚拟观察量表表现最好。

·在虚拟现实中背景环境的贡献还不清楚，如果建筑的细节能够说明方向的话。

此外，在30名参与者参与的基于手机的VR平台验证实验中也发现，不同虚拟现实平台之间存在一定的共性，UI设计可以通过适当的观察量表设置对学习成绩做出贡献。

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