水产品冷链物流实训虚拟现实系统使用性分析

□ 王 喆，黄 娟,2，许丽娟，雷 洁，余永霜

(1.四川旅游学院 经济管理学院，四川 成都 610100；2.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031)

1 引言

在新兴科技领域中，虚拟仿真因具有高度互动性与拟真性，是一项极有潜力的教育科学技术。目前，3D虚拟仿真已被广泛应用于全球教育领域，相关的远距离学习课程与应用亦显著增长，世界各地的大学和教育机构已经利用这种技术来拟定教学计划，并进行正规的学习。虽然，以目前虚拟仿真的技术水平，虚拟实验教学的模拟尚无法完全取代真实世界的深度体验，但随着信息技术持续发展，虚拟仿真技术可以提供快速扩大虚拟实验教学应用的机会，结合新兴的科技、科学学习和传统教学策略建立一个务实可行的虚拟教学应用环境具有重要意义。

一方面，在教育环境中，教师通常会想办法提供激励学生的学习材料和有效的学习策略，特别是教育工作者应积极思考如何运用教学策略和活用科技以提升师生互动、创造生动活泼的教学环境，并引导学生主动学习及分享学习经验，达到创新性学习[1]。Andersen指出在科学、技术、工程、数学(STEM)等学科的学习上，视觉空间能力是一项相当重要的认知能力[2]。现有的广泛应用的虚拟仿真技术多是以视觉感官形式来呈现虚拟场景，其中非沉浸式虚拟仿真一般利用个人电脑配备触控屏幕和滑鼠等传统输入设备来进行与虚拟仿真软体所呈现的虚拟环境互动；沉浸式虚拟仿真系统则是利用头戴式显示器来呈现虚拟现实(VR)环境，并透过手把控制器来与VR交互。从学科属性来看，物流管理与工程类专业采用虚拟实验教学是通过虚拟环境中实验实训以理解理论知识有效的教学策略[3-5]，尤其是对于缺乏立体空间概念或抽象思考能力薄弱的学习者而言；从学习者属性来看，性别、先备知识经验、认知风格和科技使用能力等都是影响学习的重要因素[6]。Hffler、Ko-Januchta、Leutner利用眼动追踪技术进一步验证了人类的认知风格应具有言语、物件视觉和空间视觉三种认知风格[7]。Yoon、Choi、Oh探讨了在线三维虚拟技术建构的传统平面屏幕场景中(非沉浸式虚拟仿真)，视觉认知风格会对临场感造成影响，而临场感进一步地再正向影响着学习者的满意度[8]。翁鸿仁分析了学生的视觉认知风格属性(包含物件视觉风格和空间视觉风格)对虚拟仿真各向度(包含临场感、满意度及科学感知学习)的影响，得出沉浸式的VR环境倾向于产生更高程度的临场感[9]。

另一方面，使用性评估在人机互动中是非常重要的部分，通过使用性评估可以清楚地知道虚拟仿真系统与使用者互动时的问题，使用性的优劣直接影响使用者对于虚拟仿真的学习动机与效果。所以，一个好的虚拟仿真系统在开发时，除了要注意教学内容的设计，也必须兼顾系统的使用性。因此，在开发一个好的虚拟仿真系统时，使用性评估应该贯穿于整个开发过程，从虚拟仿真系统的设计、开发过程到最终完成，乃至于教学使用-反馈阶段，使用者与虚拟仿真系统互动流畅性、能否降低学习者认知负荷，提高学习成效等[10]，每个阶段都应该兼顾到使用性。本文针对沉浸式虚拟仿真系统——VR在教学环境的应用，利用问卷、影像记录、观察反馈等多种资料收集方式，从作为使用者的学生处收集直接的经验资料，通过使用性分析来发现虚拟现实系统使用性相关问题，并将其反馈给教育科技企业及研究人员加以改进。

2 水产品冷链物流VR教学系统

中国农业展望报告(2020-2029)显示，2019年中国水产品市场总产量6511万吨，总消费量为6711万吨，其中损耗约为1055万吨。展望期水产品消费增长略高于产量增长，预计2029年达到7232万吨，年均增长0.9%，食用消费年均增长1.1%，加工消费年均增长1.3%。国家物流标准化技术委员会提出《水产品冷链物流服务规范》，规定了水产品冷链物流的接收地作业、运输、仓储作业、加工与配送、货物交接、包装与标志要求和服务质量的主要评价指标。《国务院办公厅关于加快发展冷链物流保障食品安全促进消费升级的意见》明确指出要率先研究制定对包括水产品在内的易腐食品温度控制的强制性标准并尽快实施。近年来，国家部委不断出台政策支持促进冷链行业发展、完善冷链物流设备、加快构建全程冷链物流体系。

某物流与供应链教育科技企业开发的VR冷链物流实训系统以虚拟现实技术作为依托，从冷库认知、冷藏/冷冻鱼物流实训两大模块入手，让学生通过完成实训任务了解冷库出库、入库、在库保管作业，掌握生鲜类冷链(加工、包装、储藏、运输、配送等)的实际操作流程[11]以保证产品质量、减少产品损耗和解决冷藏冷冻类食品从生产到消费各个环节中易出现问题，如图1所示。基于冷链物流案例背景，重点培养学生的冷链物流标准和服务规范应知应会，为学生今后从事冷链物流相关的工作奠定一定的基础。

图1 冷藏/冷冻鱼物流实训VR场景

3 使用性分析方法

3.1 ITC SOPI系统使用性量表

ITC SOPI量表是由Independent Television Commission提出的，是针对产品设计的使用性评估工具，可真实客观反映出产品在虚拟仿真环境下的使用性表现[12]。量表主要包含两个部分，PART A和PART B。PART A关注受试者在结束虚拟环境体验后的及时想法和感受反馈；PART B着重检测受试者在虚拟仿真环境中的实时反馈[13]。量表分为5个等级，分别为：非常不同意，不同意，普通，同意，非常同意。量表中空间呈现性面项19题，参与度面项13题，内容真实度面项5题，负面影响面项6题。

为了解受试者对虚拟现实系统的满意度情形，本研究使用ITC SOPI系统使用性量表进行分析，在结束基于3D仿真的冷藏/冷冻鱼物流实训后发给受试者进行填写，并回收进行统计。根据ITC SOPI计算方式进行统计：ITC SOPI的问题选项是李克特5分选项，在ITC SOPI问卷四个面项中计算平均数。

3.2 OWAS工作姿势分析系统

工作姿势分析系统(Ovako Working Postures Analysis System,OWAS)起源于芬兰Ovako Oy钢铁公司，用于区分员工工作时的身体姿势，按照该姿势可能引发伤害的程度予以分级，并将分级结果提供给研究人员参考，以作为是否改善员工不良工作姿势的依据。其将一般作业人员的工作姿势依据头部5种姿势、躯干(背部)4种姿势、手臂3种姿势、腿部7种姿势以及抬举3种姿势总结为1260种工作姿势组合进行编码及分析，详细的OWAS姿势编码如图2所示。采用OWAS分析法，针对基于VR冷藏/冷冻鱼物流实训现场拍摄影像存档，进行取样图片姿势编码，根据身体单独部位评估姿势，并综合评估全身姿势。

图2 OWAS姿势编码图例

4 实验结果分析

4.1 问卷统计分析

随机抽取8名物流工程专业20级学生作为受试者完成冷藏/冷冻鱼物流实训VR实验，并进行虚拟现实系统ITC SOPI问卷填写。回收有效问卷8份，其中女性受试者4人(编号N1到N4)，男性受试者4人(编号N5到N8)，年龄分布在19-22岁。学生信息素养为“基础”(5人)和“中等”(3人)；之前有使用过VR的受试者只有3人，主要通过VR游戏等有过前期体验；对VR的相关知识了解为“无”(2人)、“基础”(3人)以及中等(3人)。

除个人基本情况采集外，问卷后续问题编号如下：“当虚拟现实结束时，我觉得意犹未尽”(Q8)、“在体验虚拟现实的过程中，我感觉不知所措”(Q9)、“在体验虚拟现实的过程中，我有身临其境的感觉”(Q10)、“当结束时，我依然想继续沉浸在虚拟现实的环境里”(Q11)、“我依然生动地记得刚刚的虚拟现实中的某些部分”(Q12)、“我会建议我的朋友也来体验虚拟现实”(Q13)、“我感觉我刚刚完全沉浸在虚拟现实环境中”(Q14)、“我感觉我刚刚参与在整个虚拟现实环境中”(Q15)、“在刚刚的虚拟现实体验中我忘记了时间”(Q16)、“我感觉在虚拟现实的环境中可以进行互动”(Q17)、“虚拟现实看上去很真实”(Q18)、“刚刚的虚拟现实中的内容感觉很真实”(Q19)、“刚刚虚拟现实中的内容很触动我”(Q20)、“我在使用虚拟现实的过程中很愉悦”(Q21)、“在虚拟现实的环境中，我感觉我在参观一个地方”(Q22)、“我在刚刚的虚拟现实中感觉很疲惫”(Q23)、“刚刚虚拟现实的内容显得很可信”(Q24)、“我感觉我并不是仅仅在观看”(Q25)、“我感觉我被虚拟现实中的某些地方触动了”(Q26)、“我在刚刚的虚拟现实中感觉很晕”(Q27)、“我感觉刚刚的虚拟现实环境是一个真实的情景”(Q28)、“我的体验感觉很强烈”(Q29)、“我花更多的时间在虚拟现实的体验中多过于自我的思考”(Q30)、“我在呈现的场景中有存在感”(Q31)、“在虚拟现实过程中，我可以移动其中的物件”(Q32)、“这个场景在真实世界中会真地发生”(Q33)、“我在刚刚的虚拟现实中感觉眼睛很疲劳”(Q34)、“我可以感受到虚拟现实环境中的不同特征”(Q35)、“我感觉虚拟现实中的对象可以感知到我的存在”(Q36)、“在虚拟现实的过程中，我感受到声音来自不同的方向”(Q37)、“我感觉我被虚拟现实的环境所包围”(Q38)、“刚刚的体验让我感到恶心”(Q39)、“我感觉刚刚虚拟现实中的物件是立体的”(Q40)、“在虚拟现实的过程中，我感觉我可以移动和触摸”(Q41)、“在虚拟现实的过程中，我感觉到温度有所变化”(Q42)、“在虚拟现实的过程中，我的情绪有所变化”(Q43)、“在虚拟现实的过程中，我的所有感官系统都有被刺激”(Q44)、“虚拟现实中的内容对我有吸引力”(Q45)、“我感觉我可以去改变时间发展的过程”(Q46)、“我感觉我跟虚拟现实中的物件是没有距离感的”(Q47)、“我感觉虚拟现实中的对象对我的动作有响应”(Q48)、“我在虚拟现实中移动对象的感觉很真实”(Q49)、“我在刚刚的虚拟现实中感觉头痛”(Q50)、“我感觉我参与到整个虚拟现实环境中”(Q51)。

对于Q9、Q37、Q39题项，受试者较多持不同意、非常不同意态度；对于Q23、Q27、Q42、Q44、Q46、Q50题项，受试者多持不同意态度；对于Q30、Q34、Q36、Q47题项，受试者较少持不同意态度；其他题项，受试者持普通及同意态度较多，部分受试者对部分题项持非常同意态度(见图3)。

图3 ITC SOPI问卷统计分析

受试者在空间呈现性、内容真实度、参与度和负面影响四个面向的均值如表1所示。从表中可以看出，受试者性别对冷藏/冷冻鱼物流实训VR系统体验无明显影响，过去VR使用经验对本次冷藏/冷冻鱼物流实训VR系统体验无明显影响。

表1 空间呈现性、内容真实度、参与度和负面影响受试者态度均值

4.2 身体姿势分析

在N1至N8受试者使用VR进行冷藏/冷冻鱼物流实训过程中，同步进行影像记录，根据身体单独部位评估姿势，并综合评估全身姿势。通过OWAS取样图片姿势编码，发现存在“头部后仰人直立单手位于肩下方站立”(OWAS 编码：41121)、“头部前倾身体前弯单手位于肩下方站立或走动”(OWAS 编码：22171 22121)、“头部前倾身体前弯单手位于肩上方双脚站立腿弯曲”(OWAS 编码：22241)、“头部前倾身体前弯单手位于肩下方双脚站立腿弯曲或跪姿”(OWAS 编码：2214122161)、“头部后仰人直立单手位于肩上方站立”(OWAS 编码：41221)、“头部侧弯身体直立单手位于肩下方站立”(OWAS 编码：31221)几种不良姿势，如图4所示。

图4 基于VR冷藏/冷冻鱼物流实训不良姿势

4.3 用时分析与受试者反馈

基于VR的冷藏/冷冻鱼物流实训包括了认知和实操任务两个相对独立的部分，认知部分虽不涉及虚拟操作，但有利于受试者熟悉VR系统虚拟仿真环境和手柄使用。在实际实验中，将8名受试者分为两组，其中第一组(N2、N4、N5、N7)需要完成认知和实操任务两个部分，而第二组(N1、N3、N6、N8)仅需完成实操任务部分。从受试者实训用时来看，第一组女生完成实操任务的用时明显比第二组女生少，第一组男生完成实操任务的用时相较比第二组男生少，证实了先进行认知有利于受试者熟悉VR系统虚拟仿真环境和手柄使用，受试者能在后续实操任务部分缩短花费的时间。前述第二组(N1、N3、N6、N8)在完成实操任务部分后，隔日又重复进行实操任务部分，通过计时比较亦发现其相应用时明显缩短，表明受试者对VR系统虚拟仿真环境和手柄使用的熟悉能提高其实训表现、缩短实训用时，如表2所示。

8名受试者生源地皆为四川省，其身高、体重信息如表2所示。从表2中可以看出，四川籍学生身高不高，结合受试者反馈来看，在头戴VR眼罩和持手柄操作时，虽然手柄较轻，但操作的过程中不良姿势仍会一定程度增加学生的身体不适；特别是VR眼罩本身较重，对于小个子女生的头颈部负荷要求较高，女生体重较轻者亦需要付出更多努力以维持身体重心平衡。

表2 受试者身高、体重信息及实训用时(分秒)

此外，从N1至N8受试者问卷反馈来看，共性问题包括手柄操作(如拾取物品)对初学者较难；鱼的真实感希望加强；针对有点近视的学生，不戴眼镜看VR中的字体有些许模糊；若不太熟悉VR不同功能空间会不太好辨认，需要较好的空间记忆感；眼罩看字体有抖动现象。从N1至N8受试者实训观察反馈来看，除了VR眼罩较重需用手托以外，还有VR设备自带的线易缠绕影响操作、周围的防护栏保护效果不明显等问题，如图5所示。

图5 基于VR冷藏/冷冻鱼物流实训观察反馈

5 结论与建议

虚拟仿真影响教学模式。虚拟仿真技术改变传统的教师主宰课堂的模式，改变学生被动接受知识、缺乏创新思维和创新能力。虚拟现实技术能提供友好的界面、形象直观的互动式学习环境，能结合理论知识在实际场景中的应用提供图文、声像并茂的多种感官综合刺激等[14]，这在受试者的问卷统计及反馈中都有体现。学生希望进一步增强虚拟现实中场景的真实度，特别是水产品冷链环境视觉感受度和联觉感受度，如增加工作人员防寒服、冷气和工作环境中的鱼等。

虚拟仿真影响教学手段[15]。从启发式教学来看，通过身临其境的、自主控制的人机交互，由视觉、听觉、触觉获取，提供生动活泼的直观形象思维素材、展现学生不能在校直接体验到的事物等，形成知识点(冷藏/冷冻鱼物流认知实训)。学生从思维、情感和行为多方面地参与教学活动。从探究式教学来看，以解决问题为中心的教学形式，虚拟现实在实训教学中可让学生进入问题存在的环境，有针对性地建构虚拟情境，引导学生进行探究，能提供良好的人机交互，允许学生出错，自行了解错误的根由及后果，发现解决问题的方法(冷藏/冷冻鱼物流实操任务)。

虚拟仿真影响学习方式。虚拟仿真可以创设一个人性化的虚拟学习环境，使教学的气氛更加活跃、自然、亲切。受试者对于冷藏/冷冻鱼物流实训VR系统所呈现的虚拟环境中空间呈现性、参与度、内容真实程度与负面影响都持有相对积极的评价，但对于VR眼罩和手柄等设备的使用反馈问题较多。一方面，较重的VR眼罩和初学者较难把控的手柄，再结合受试者身高和体重都会一定程度影响VR操作的个人负荷；另一方面，实操任务设计中需要注意使用者不良姿势对身体不适的影响，尽可能减少不良姿势时长和重复比例。此外，虚拟现实中的字体设计须要照顾视弱者使用；可以考虑应用无线VR设备以减少缠线影响操作的可能；重视VR使用过程中的信息化预警提示，避免使用者碰撞、跌落界外的安全风险等。