基于移动平板的动态几何软件手势操作研究

陈宝玲，黄 勇，胡 莹（.广州大学计算机与软件教育学院，广东广州50006；.广州市数学教育软件行业工程技术研究中心，广东广州50006；.广州大学实验中心网络与现代教育技术中心，广东广州50006）



基于移动平板的动态几何软件手势操作研究

陈宝玲1，黄 勇2，胡 莹3
（1.广州大学计算机与软件教育学院，广东广州510006；2.广州市数学教育软件行业工程技术研究中心，广东广州510006；3.广州大学实验中心网络与现代教育技术中心，广东广州510006）

在教育信息化大背景下，受软件用户体验思想的启发，文章聚焦移动平板上动态几何软件的手势操作，通过选取移动平板上有代表性的三款动态几何软件，对其使用的操作手势进行分析归纳，发现目前移动平板上动态几何软件手势操作普遍存在没有规范约束，类型单一，缺少用户说明、引导和反馈等缺点。针对此情况，作者基于设计和用户体验思想，总结让软件操作变得更为简单的六个原则，并提出使用的手势快捷方式要尽量简单和对手势操作采用渐进式改善设计两点建议。

动态几何软件；手势操作；移动平板；用户体验

一、引言

动态几何软件不仅是个人学习探究数学几何图形关系的辅助工具，也是创造性与发散性思维培养的平台，在课堂教学中运用动态几何软件更能增加趣味性，为教学过程注入新活力。基于PC机上的动态几何软件，如几何画板、超级画板、Cinderella等，不仅能够满足动态几何图形的制作和变换的基本作图需求，并且还增加了动态测量、编程、自动推理等拓展性功能，凭借其操作简单、界面简洁等特点吸引了很多用户。基于PC机的动态几何软件已经越来越趋向成熟，而在教育信息化驱动下，特别是随着电子书包的推广普及和在移动学习观念的冲击下，对搭建在移动平板（主要指iPad）上的动态几何软件开发与研究更具生命力。经过下载移动平板上的十余种动态几何软件并使用后，发现其在功能性上基本能满足使用需求，但是在界面设计以及操作方法上却各有不同，没有较为统一的标准。从PC机到移动平板的转变更多的是从鼠标和键盘操作到手势操作的变化，特别是对于可直接操作的动态几何软件来说，减少误操作错误和设备控制型错误，能提高用户体验，增加动态几何软件的使用吸引力。

然而，目前对移动平板动态几何软件的研究主要集中在功能性上，而对软件手势操作的研究还比较少。因此，我们选取移动平板上较有代表性的三款动态几何软件，德国的Sketchometry、美国的GeoGebra与中国的几何之美（Beauty of Geometry），通过对其手势操作方式进行归纳总结，基于设计原则与用户体验思想，比较分析它们的优缺点，为建立移动平板手势操作设计原则标准规范提供一些参考，并为未来动态几何软件手势设计带来新的思路和更多灵感。

二、手势操作概述

1.定义

移动平板中的手势是指，将一系列多点触控事件综合成为一个单独的事件。

2.主要手势

伴随着多点触屏技术的发展，丰富的手势操作方式应运而生。通过互联网、期刊、杂志等多渠道对相关资料的搜集，总结出人们与多平台移动终端应用交互时的主要手势，如图1。

图1　主要手势图

3.手势的分类

按操作的形式进行分类，手势可以分为简单手势、复杂手势、核心手势和通用手势等四大类。按操作的过程进行分类，手势可分为导航的手势 （Navigating Actions）、基于对象的手势（Object-Related Actions）和绘制类手势（Drawing Actions）。［1］

三、三种动态几何软件手势操作分析研究

1.三种动态几何软件手势操作介绍

（1）Sketchometry

Sketchometry运用一种新型的混合算法解释用户的手势输入并将其转换成准确的数学几何对象，用户在输入时只需要大致画出图形的形状即可。因此，在Sketchometry中没有点、线、圆等图形工具的选择，用户根据习惯使用指头在画布中画出几何图形，在手势画图过程中，屏幕上方会给出相关的图形提示，如图2所示。

图2　 Sketchometry部分图形绘制手势

手势绘图是Sketchometry非常有趣和具有创造力的一大特点。除此之外，在Sketchometry中，通过基于对象的手势命令能够对几何图形进行放大、缩小、旋转等操作。表1总结了Sketchometry中基于对象的手势操作。

表1　 Sketchometry基于对象手势操作

（2）GeoGebra

GeoGebra是一款自由并且跨平台的动态数学软件，针对不同的数学物件，划分为代数、几何、运算、工作表等六个窗口。在这里我们主要探讨几何窗口的手势操作，GeoGebra在界面设计上保留PC机的下拉菜单和可折叠菜单，无论在绘图或者对几何图形的操作上（见表2），几乎都能通过选择菜单命令的方式来实现，部分功能能够使用手势操作来完成。

表2　 GeoGebra几何视区基于对象手势操作

（3）几何之美（Beauty of Geometry）

几何之美是一款简洁、高效、智能化的动态几何软件，可以实现智能作图、自定义作图、几何变换等功能。为了实现动态几何软件的功能，开发人员对很多界面的表现方式和相应的算法进行了重新设计，基于移动平板多点触控的特点，引进了丰富的操作手势，如表3所示。

表3　几何之美基于对象手势操作

2.软件手势操作分析

通过对Sketchometry、GeoGebra与几何之美在操作手势上的分析研究，我们发现目前移动平板上动态几何软件操作手势普遍具有以下特点：

（1）没有充分考虑移动平板的特点，手势应用不多，手势的形式较少，很多依然保留着PC机上菜单命令选择的设计方式，手势形式应用的都是简单的轻触、拖动、旋转、收缩及拉伸，并且除了几何之美外其它动态几何软件手势运用的指头数目一般局限在两个指头内。

（2）动态几何软件的操作手势没有统一的规范，完成相同的任务不同的软件有不同的操作手势，或者同一个操作手势在不同软件上完成的任务是不同的，比如单指长按某一对象，在Sketchometry中是在该对象上作点，在GeoGebra弹出修改对象属性的选择框，在几何之美中进入对象编辑状态。

（3）使用的手势类别比较单一，基本集中在通用手势和基于对象的手势上，只有Sketchometry运用了绘图手势，而对于基于导航的手势，比如删除对象、显示和隐藏几何对象等任务完成的手势只有在几何之美中使用，Sketchometry和GeoGebra均使用传统的菜单命令方式实现。

（4）对手势的操作没有特别的说明，缺少对用户的引导，在Sketchometry手势绘图过程中有相应的提示，但是在基于对象的操作手势上没有说明，几何之美有简明指南，但是在操作过程中没有引导，在GeoGebra则没有手势说明也没有提示，大多手势的使用需要用户根据自己的经验和习惯在操作过程中自己进行探索。

四手势设计原则与建议

1.六个原则

在2013年加拿大温哥华举办的SID会议上，Don Norman和Bahar Wadia提到以触摸和手势为基础的操作是机会也是挑战，人们在使用一款产品时会遇到我能做什么，在哪里操作和怎样做，将会发生什么情况，怎样才能撤销返回上一级，产品使用帮助这五个主要问题。［2］

Jakob Nielsen和Don Norman认为，用户体验的首要要求是满足用户的准确需求，并且不会使用户感到繁杂和烦恼，接着使产品尽可能简洁和典雅，让用户拥有和使用它都感到快乐。［3］用户体验越来越成为人们选择产品或服务时考虑的一个重要因素，因此，能够给用户带来好的用户体验的产品服务才能获取永久的市场以及持续发展力。Don Norman在《设计心理学》一书中提出了将复杂的操作过程变得容易的七个原则：应用储存于外部世界和头脑中的知识；简化任务的结构；注重可视性，消除执行阶段和评估阶段的鸿沟；建立正确的匹配关系；利用自然和人为的限制性因素；考虑可能出现的人为差错；最后选择，采用标准化。［4］这给移动平板上动态几何软件操作手势的设计提供一定的参考价值：

（1）为用户提供操作指南帮助以及必要的提示和反馈。用户一般凭借自己已有的经验和习惯对新产品进行操作，如果用户在使用软件前没有用户手册帮助，或者在尝试基本手势操作后得不到相应的功能性提示以及反馈，即软件不能清楚告诉用户能做什么，在哪里操作和怎样做，用户将会迷航并感到非常沮丧。因此，在进入软件后提供简单直观的手势操作指南，并在操作过程中给出相应的提示和反馈，可增加动态几何软件的用户体验，带给用户正确的指引。

（2）尽量减少用户不断切换选择工具的负担。动态几何软件的一个很重要的功能是完成几何图形对象的绘制，如果在这个过程中需要用户不断地切换作图工具，将会增重用户的操作负担以及增加误操作出现的概率，因为在触摸屏画布上用户一般更加自由，习惯性将其当作白板或白纸能够随意绘制，而作图工具的选择及不断切换剥削了用户在移动设备触摸屏上操作的自由。

（3）避免使用标准通用的手势完成不同的命令。重新定义通用的手势会增加软件操作的难度，并且容易使用户感到不适应。尽管手势的设计和使用在目前尚未成熟，还存在很大探索改善的空间，对于基本的操作手势仍然注重功能的完成，复杂以及组合类手势是在满足基本功能的基础上带给用户炫酷体验的尝试。

（4）要符合用户的习惯。简单、熟悉的手势操作更加容易被用户理解和接受，不会给用户带来记忆负担。用户在日常生活中对某些事物的认知形成的习惯，可以通过真实物理世界的映射形式用于手势操作设计中。［5］符合用户习惯的设计使得操作过程更快，效率更高，特别是在绘制类作图手势设计中尤为重要。比如，我们平时在纸上画图时，在两线相交处画一条圆弧表示角；在看书时如果遇到不明白或者有疑问的地方，我们通常会在附近打个问号表示需要帮助，画个“√”表示接受或者确定等，在手势设计时要保持用户日常生活中的操作习惯，遵循用户至上原则。

（5）留给用户undo的空间和选择。用户在操作过程中出现错误是在所难免的，因此设计人员应该尽可能多地考虑用户可能出现的错误，并且根据这些可能出现的错误采取相应的预防或者处理措施。预防操作性错误的发生只能在操作前给予用户足够的提示，当错误发生后就要让用户发现差错带来的消极影响，并且提供用户撤销返回上一级的操作方法，这样将会使用户与产品之间能够进行有建设性的、良好的沟通，使用户愉快地进入磨合适应阶段。

（6）充分考虑移动平板界面和多点触摸的特点。良好的手势操作体验需要一个基本的前提条件：用户在移动终端界面上操作时有一个好的人机操作。［6］由于移动平板的界面相对PC较小，为了预留较大的画布操作空间，应该尽可能多地使用手势命令代替菜单和工具命令。而多点触摸与电阻式单点触摸相比，其最大的优点是能够同时响应多个点操作，所以在手势设计时不应局限于单点触摸，而应发挥多点触摸的最大用处。

2.两点建议

对于移动平板上动态几何软件手势设计，我们建议：

（1）提供易用的快捷方式

人们会选用更快、步骤更少的方式来完成任务，尤其是那些需要反复做的事。但如果快捷方式太难或者操作习惯已经养成，人们就会一直沿用过去的做法，或者寻找快捷方式看上去工作量太大，人们就宁愿沿用过去的习惯。［7］

基于移动平板的动态几何软件手势操作设计中，除了运用简单手势实现软件中的主要功能外，增加有趣的手势为已熟悉软件操作的专家级用户提供操作的快捷方式，会使用户更加喜欢使用我们的软件产品。比如在几何之美中，工具栏上有删除对象命令，但是采用三指轻触的手势操作同样能实现删除对象的功能。但类似这种手势提供快捷方式的操作在动态几何软件手势设计中的应用较少，就像键盘快捷键一样，手势也是不可见的，所以在设计时使用手势快捷方式最大的挑战，就是提供一些支持让用户知道他们能做什么或者怎样才能快速进行操作。如几何之美在简明指南中为用户提供了手势操作的说明，除此之外，还可以在操作界面上提示用户，或者使用动画的形式向用户展示隐藏的手势命令。特别值得注意的一点是，对于经常会使用的快捷方式应该选择简单易记的手势。

（2）渐进式改善的设计理念

渐进式改善的设计理念是设计大师Don Norman提出的，他认为设计和几乎所有的创新一样，至少有两种截然不同的实践形式，一种是渐进式改善，另一种是形式的设计。渐进式改善意味着持续对产品设计进行修补，包括调整界面、追加新功能、在各处做小修订等，采用渐进式改善的设计和创新不如直接创造创新概念和新想法有魅力，但是比后者更常见，也更重要。［8］手势设计除了要符合用户习惯，还要考虑硬件的支持等因素，并且由于目前手势缺乏规范，手势的使用和标准正处于不断发展完善阶段，因此它是不断动态发展的，培养用户的手势操作习惯也有一个适应的过程，如果一开始在设计的时候就追求创新颠覆传统手势操作模式，用户可能会很难理解和接受。

手势操作设计是渐进式改善的设计，这就要求设计人员在开始阶段保证使用简单通用的手势实现动态几何软件中对象的选择、移动、缩放等基本功能，而在后续更新版本中，更要掌握手势发展动态，引进新的具有前瞻性的操作手势，如组合手势、指点手势等，逐步提高软件手势操作的趣味性，以吸引更多的用户。

五、结束语

目前移动平板上动态几何软件无论在功能或者设计上都相对混乱，处于萌芽生长时期。动态几何软件是协助用户探讨几何性质、体验几何乐趣的一种教育软件，从传统PC机向多点触摸移动平板的转变，面临的不仅仅是不同平台重新编码实现功能重组再现的考验，还面临界面、手势操作等二次甚至重新设计的挑战。不愿放弃传统操作模式以及菜单命令设计风格，不能重新审视和体会手势操作带来的新变化，必将带来糟糕的用户体验。随着移动学习的不断发展，移动终端设备也越趋向体积更小、更轻薄易携的方向发展，这意味着动态几何软件画布的可操作空间更小，不能容纳太多的工具栏或菜单栏，也就对手势操作提出了更高的要求。因此，未来手势将不局限单个或者多个手指数目的限制，也不受单指轻触、长按、转动等简单类型的约束，将会朝更加灵活更为丰富的方向发展。我们有理由相信，未来移动终端上的动态几何软件只要能够为用户提供足够的引导和反馈，将不会出现工具栏和菜单栏，用户将移动终端屏幕当成一块智能白板使用手势即可完成命令操作，实现各种功能。

［1］齐颖.手持移动设备中基于手势的界面交互方式研究与设计［D］.长沙：湖南大学，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］唐纳德·A·诺曼著，梅琼译.设计心理学［M］.北京：中信出版社，2010.

［5］张瑞秋，褚原峰，乔莎莎.基于用户心理模型的移动终端手势操作研究［J］.包装工程，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、马迪、余盈亿译.设计师要懂心理学［M］.北京：人民邮电出社，2013.

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

（编辑：鲁利瑞）

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1673-8454（2016）02-0082-04