针对矿山救援VR 培训系统的认知干预方法与交互设计

田梓谕 曾栋

关键词：矿山救援VR 培训系统;认知干预;交互设计;注意力

1 矿山救援VR 培训系统概述

虚拟现实技术能够通过模拟真实的视觉效果和交互形式带给人们高度沉浸感的体验，随着设备和技术的发展升级，已经应用到了许多领域[1]，并体现出高效益的应用前景[2-3]。矿山救援包括处理和抢救火灾、水灾、瓦斯与爆炸等矿山灾害。应用虚拟现实技术模拟不同事故下的矿山环境、救援过程和反馈结果，能够使学员将理论与实践相结合，实现救援培训过程中视觉、听觉和触觉的统一，达到预期的培训效果。同时矿山灾害涉及高危或极端的环境，救援措施不当可能会导致不可逆的操作，应用虚拟现实技术可以使培训可靠、安全和经济[4]。

目前，国内外学者对虚拟现实技术在矿山安全培训的应用研究和理论方面都进行了大量的研究，并取得了一定的研究成果。虚拟现实技术在矿山安全领域中的应用，表明了其对矿山安全知识与技能提升发挥了巨大作用。然而，在这些已有的矿山救援虚拟现实培训系统研究中，大多是针对技术进行创新研究以及针对用户体验进行设计研究，很少有从提升培训效率的角度进行开发设计研究。有研究发现，虚拟现实培训系统中存在诱人细节（Seductive Detail），这种诱人细节会分散学员的注意力，降低学习效率[5]。在虚拟现实系统中，虚拟环境、交互功能等都可能成为诱人细节。Wolf 等人发现，当虚拟现实系统作为设计师的工作环境时，图形界面容易分散注意力，阻碍创造性过程，因此提出了基于语音和手势的虚拟现实创造性任务交互模式，减少了脑力负荷，并且优化了使用感受[6]。Howard 等人研究了在虚拟现实培训前进行预干预的方法，可以减少用户在学习中的分心。其研究证实了干预措施对于提升培训效果的有效性[5]。

2 针对注意力分散的认知干预方法

认知干预是Ross 于1977 年提出的心理干预措施，是通过改变或影响个体已有的认知思维模式来影响个体（运动）行为水平的各种主动措施。先前的研究表明，可以通过认知干预对注意力进行控制，减少注意力分散。李蔚在她的书中提出，在上课前应让学生了解每个教学环节的具体目标和学习任务，从而集中注意力完成学习目标[7]。刘平提出多媒体教学方法能为学生创造真实的交流环境，在多媒体环境下，多种感官刺激能够引起学生的学习兴趣，从而更好的集中注意力[8]。

针对注意力控制的认知干预方法可以分为三个类别，分别是意识干预、正念干预和限制干预。意识干预旨在提高与某个行为相关的元认知，以此改变该行为的频率，从而改变注意力分配的策略。A Dler R 等人通过生成弹出警报，提醒学员在分心时要返回到主要任务中[9]。正念干预通过培养对当前状态的更多关注和意识，使个人能够对自己的行为进行最大程度的控制，从而对当前的任务更加专注。正念练习能够使学员具有避免分心的心理能力。Gorman 和Green 等人采用短暂的正念干预，让参与者听10分钟的引导正念的录音，要求他们通过将注意力锚定在呼吸模式上，从而集中注意力[10]。限制干预是通过将学员与可能引发注意力分散的元素分离，减少学员分心的机会。Jeurs 开发了一种干预措施，将不同的计算机任务分配到专用的虚拟工作空间，在单个工作空间中，用户只能使用与特定任务相关的应用程序，这样会使得用户被限制在单个活动之中[11]。

3 针对矿山救援VR 培训系统的认知干预方法

该研究旨在从系统设计环节中应用认知干预方法，无需在培训前后进行额外的干预措施，因此认知干预方法除了要能够有效减少学员的注意力分散，还要适用于虚拟现实培训场景。先前的研究对正念干预的应用表明，正念干预是一种长期的练习，因此更适用于正式培训开始之前。限制干预需要减少系统中的诱人细节，例如降低环境仿真的真实度，而这会降低学员的沉浸感，沉浸感的降低可能导致无法完全诱发出灾害发生时学员的真实行为和心理，從而造成不理想的培训效果。因此，这两类认知干预方法都不适用于虚拟现实培训场景。先前的研究对意识干预的应用更多的是在任务进行过程中，因此可以在培训过程中对学员的注意力进行意识干预。

3.1 增强对当前任务完成情况的了解

在逼真的VR 场景下，学员容易被虚拟场景中的诱人细节干扰，造成注意力分散，忘记当前的主要学习任务。因此，可以在培训过程中增强学员对主要学习任务和任务完成情况的了解，引导学员将注意力集中到学习内容上。如在培训系统中增加任务提示，展示当前章节需要了解的知识点;设置任务倒计时，规定学员在一定时间内完成学习;建立学习情况评分体系，在每个章节学习完成后对学生的学习情况进行打分，并设置一定的奖罚机制。

3.2 被动学习转换为主动学习

当前大多数虚拟现实培训系统都是以引导为主，学员只需要跟随引导作出相应的动作，大部分学员没有进行深层次的思考，肤浅、被动的引导式训练会使学员难以记住知识点。并且一旦学员机械化的跟随引导，就容易注意力分散。因此，可以引导学员将被动式学习转换为主动学习，如在系统中减少直接引导，增加思考内容，培养学员主动思考和快速识别有效信息的能力。

3.3 发生注意力分散时进行警告

当学员注意力分散时，直接警告可能是最直接的干预措施，先前的研究曾在学员使用多媒体分心时弹出警报。虚拟现实系统可以通过程序设计实现在检测学员视线，当视线停留在非学习区域时对学员发出警告，使学员重新将注意力集中到学习内容上。

4 基于认知干预的矿山救援VR 培训系统的交互设计

4.1 矿山救援VR 培训系统交互界面设计元素分析

矿山救援虚拟现实培训系统交互界面的主要功能是显示场景内的相关信息，引导用户作出相应操作，并为操作提供反馈。系统中的设计元素主要包括界面色彩设计、界面布局设计、控件外观设计、文字信息设计等。

4.1.1 界面色彩

色彩是最直观的视觉感受，用户在使用虚拟现实培训系统时，对系统的第一印象来自于整个系统界面的色彩和系统内环境的色彩。同时，色彩会影响用户的色觉疲劳度、警觉和持续性，进而影响培训过程中注意力的集中。因此，色彩设计不仅会影响用户培训过程的体验，还会影响培训效果。

虚拟现实培训系统界面的色彩设计包括色温、明度、主要颜色、辅助颜色。主要颜色用于界面的背景色，辅助颜色是突出信息时使用的颜色。为保证界面的能见度，主要颜色和辅助颜色的明度对比十分重要。例如，当主要颜色为黑色时，辅助颜色为黄色时，能见度最高。若想提高部分信息的注目性，即用户未想见到的物体却想引起用户注视时，可以提高色彩的视觉冲击力。例如，当整体背景为白色时，红色最引人注目。但是，在使用高饱和度色彩提高信息的注目性时，不宜过多，过多的重点反而会引起注意力分散。同时，相比暖色调，冷色调的色彩搭配更利于注意力集中。

首先，色彩搭配在保证可用性的同时，要选取能够反映培训知识内容的色彩，对这些色彩进行搭配，使得色彩结构能够映射知识结构，用户通过色彩的结构关系就能够进一步领会知识结构。其次，应考量用户领会知识目标的交互需求，通过控制色彩来暗示用户如何进行交互操作，有效地获取知识目标，有针对性地学习。

4.1.2 界面布局

在虚拟现实培训系统界面中，布局设计主要是对状态栏、任务栏、工具栏，以及控件进行布局，布局会直接影响用户的信息接收，从而影响培训效率。

设计要根据信息优先级和功能区域进行设计，将优先级高的信息放在醒目的位置，将功能相近的模块放在同一位置。并且要符合Z 形视觉动线，将需要用户阅读的信息放在左侧或上侧，将需要用户作出决策的交互控件放在视觉落点，即界面的右侧或下侧。此外，对于不需要用户始终关注的信息，例如工具栏，可以收起放在二级界面，防止界面信息过多对用户造成干扰。

虚拟现实培训系统的界面布局设计可以参考一些游戏设计，在许多电子游戏中，界面所包含的内容同样也是状态栏、任务栏等。比如，在幸福工厂的界面中，状态栏在左下角，任务栏在左侧，Tab 键为调出工具栏。在荒野大镖客2 的界面中，状态栏也位于左下角，任务栏在左侧，Tab 键为调出工具栏。

4.1.3 控件外观

控件是实现用户和界面的有效互动元素。界面中的控件要能吸引用户的注意力，激发用户行动，在设计时应该遵循一定的设计细节规范，控件含义要明确，交互热区要合理，反馈要及时，满足用户的使用习惯。控件要在需要用户操作时给出恰当的引导，在不可操作时示意用户。

控件包括按钮和图标，需要设计按钮和图标的样式、大小以及状态。

按钮是界面中最常见的一种交互控件，按钮上面通常有文字提示信息，文字以动词为主。根据使用频率不同，需要设计不同的按钮样式来区分其视觉层级。同一产品的按钮设计，在底板形状、尺寸、风格上应保持统一。按钮的留白设计应该遵循：文字高度约为按钮高度的一半，文字与按钮边缘的上下间距约为左右间距的一半。按钮通常有四种状态：默认状态、点击状态、禁用状态和忙碌状态。在不同状况下，按钮的状态要有明显区分，将正确信息及时反馈给用户，降低用户的使用成本，提升用户的体验感。在设计时为了保持统一，按钮四种状态的底板外形尺寸及形状应一致，可利用底板色彩或底板上的图标加以区分。图标设计的重点则在于图标样式要减少认知负荷，用户不需要花费时间理解也能快速明确含义作出选择。图标和按钮一样也需要对状态和颜色进行设计。

4.1.4 文字信息

文字信息包括文字的字体、大小和排列。字体选取的关键在于要突出所要表达信息的主体内容。受众群体认为带有纹理、阴影等装饰因素的拟物化字体容易产生视觉疲劳，而简约时尚的扁平化字体更加符合大众的审美要求，因此要选取样式简单的无衬线字体，例如黑体。对于重要的标题及警告文字，可以使用与正文有所区别的字体。每个系统中的字体设计都有规范，对不同优先级的信息设计了相对应的字体大小、间距和颜色。

此外，字体的排列形式也会影响用户对信息的理解，要有效地组织信息，通过合理化的排列形式，减轻用户的视觉负担，提高信息传播的速度与效率。通过有效的文字信息设计，简明扼要的展现信息内容是界面设计过程中的重要环节。

4.2 不同场景下的矿山救援VR 培训系统交互设计策略

在不同的场景下，不同认知干预方法对注意力的干预效果也不同。在VR 培训过程中，可以分为学习场景和训练场景。学习场景指用户在培训系统中观看教学素材的学习阶段。训练场景指在学习结束后，在培训系统中进行实际操作训练的阶段。文章将对学习场景和训练场景分别提出交互设计策略。

4.2.1 学习模块的交互设计策略

学习模块的界面内容以学习材料和交互功能为主，没有状态栏、工具栏和任务栏等。因此，设计策略主要针对交互功能、色彩设计和环境设计提出。

策略1 ： 在界面交互功能设计上，系统中应减少知识的单向直接输送，增加意识性交互行为，即在关键节点增加思考和互动的内容，培养用户主动思考和快速识别有效信息的能力。同时，尽量结合体感、手势等多种交互方式，使培训更加仿真，激发学员的学习兴趣。

策略2 ：在界面色彩设计上，首先色彩的深浅结构要映射知识结构，使得用户能够快速梳理知识架构，在脑海中形成思维导图。其次，在使用高饱和度色彩強调关键信息时，不宜应用过多。在色彩搭配时，可以选择偏冷色调进行搭配，有助于注意力的集中。

策略3 ：在界面环境设计上，为突出学习材料，吸引用户注意力，学习内容以外的环境光线不宜过亮，环境内无需添加其他与学习内容无关的动态物体。

策略4 ：在界面其他要素设计上，关键知识点处可以合理利用动效提醒用户，控件设计上可选取用户认知范围内的形式，字体选用无衬线字体，字体大小要保证在所设定距离内用户能够清晰辨认。

4.2.2 训练模块的交互设计策略

训练模块是虚拟现实培训系统中最主要的也是最重要的模块，涉及的设计内容也较多，文章基于认知干预方法对界面交互功能设计、色彩设计、布局设计、图形设计、引导设计提出设计策略。

策略1 ：在界面交互功能设计上，增加任务提醒，除了列举需要完成的任务外，应将每个任务的完成状态和评价实时显示在任务栏中，同时对任务设定倒计时，用户需在时间范围内完成训练，避免停留时间过长导致注意力分散。

策略2 ：在界面色彩设计上，和学习模块相同，相同层级的训练内容要使用相同的色彩，色彩的结构要映射训练内容的结构，在使用高饱和度色彩强调关键信息时，不宜应用过多。在色彩搭配时，选择偏冷色调的搭配有助于注意力的集中。界面中的状态栏可使用透明背景，不影响用户的沉浸感，状态信息可使用饱和度较高的颜色，警告信息使用红色，状态正常信息使用绿色。任务栏起到干预作用，因此要引起用户注意，使用深色背景，任务栏内的文字信息颜色应尽量选用明度高的颜色。

策略3 ：在界面布局设计上，应主次分明，信息不宜过多。任务栏放置在左上角，状态栏放置在左下角，工具栏、设置、菜单等其他信息和按钮不显示在界面，可以通过操作手柄调出。

策略4 ：在界面图形设计上，可以合理运用图标，减少认知负荷，注意控件的状态设计，及时给用户反馈。

策略5 ：在引导设计上，应在关键位置设置引导点，引导用户顺利完成整个训练。引导点要在用户视野范围内，有效引起用户注意。引导形式要有主次区分，对训练完成有影响的引导形式较强，无关键影响的引导形式不宜过强，刺激过多会导致用户注意力分散，无法明确训练重点。

5 结语

文章面向矿山救援VR 培训系统开展认知干预方法与交互设计的研究，提出了三种适用于VR 培训系统的认知干预措施，并提出了针对矿山救援VR 培训系统的交互设计策略，通过交互设计的优化将干预措施应用到培训过程中，减少注意力分散，提升培训效率。未来将通过实验验证所提出的三种干预措施的有效性，进一步丰富干预措施的内容，细化干预流程，并根据交互设计策略提出具体的交互设计方案，从而为开展矿山救援培训虚拟现实培训设计实践提供一定的参考。