由 芳,謝雨錕,李雅茹,徐逸君
(同濟(jì)大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院,上海 201804)
在汽車人機(jī)交互設(shè)計(jì)領(lǐng)域,虛擬仿真駕駛座艙評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)的作用至關(guān)重要,良好的評(píng)測(cè)能夠幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題,進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)教學(xué)直接影響研究生的科研水平和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1],將教學(xué)與虛擬仿真結(jié)合[2],掌握多種有效的評(píng)測(cè)方法有助于汽車人機(jī)交互設(shè)計(jì)專業(yè)類的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)研究以及科研工作。設(shè)計(jì)評(píng)測(cè)測(cè)量指標(biāo)主要有3 種[3]:主觀測(cè)量、行為績(jī)效測(cè)量和生理測(cè)量。傳統(tǒng)的研究中常使用調(diào)查問(wèn)卷的主觀評(píng)價(jià)和行為績(jī)效指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案評(píng)測(cè),皮電技術(shù)的引入可以為虛擬仿真駕駛座艙評(píng)測(cè)教學(xué)提供新的方法和思路,幫助學(xué)生探索用戶在與車載設(shè)備進(jìn)行交互的過(guò)程中的認(rèn)知負(fù)荷和體驗(yàn)[4],其連續(xù)測(cè)量的特點(diǎn)能實(shí)時(shí)、客觀地反映動(dòng)態(tài)變化,與主觀和行為數(shù)據(jù)結(jié)合能增強(qiáng)可信度和準(zhǔn)確性,有助于學(xué)生綜合分析多種數(shù)據(jù),更準(zhǔn)確、客觀地得到評(píng)測(cè)結(jié)果,啟發(fā)設(shè)計(jì)優(yōu)化迭代,掌握多種人機(jī)交互評(píng)測(cè)方法,通過(guò)實(shí)踐提高實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)設(shè)計(jì),有利于研究生后續(xù)的學(xué)習(xí)和發(fā)展[5]。
本文涉及車載音樂(lè)評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)是研究生交互設(shè)計(jì)課程內(nèi)容,學(xué)生選題為“多屏互動(dòng)音樂(lè)系統(tǒng)”,課程的前期指導(dǎo)學(xué)生自主展開設(shè)計(jì)調(diào)研和設(shè)計(jì)表達(dá),后期培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)評(píng)測(cè)能力,設(shè)計(jì)一個(gè)基于皮電測(cè)量方法的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)多場(chǎng)景評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)方案,由學(xué)生在虛擬仿真駕駛座艙上完成人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)可用性評(píng)測(cè)。
皮電測(cè)量作為一種客觀的生理測(cè)量方法,可以通過(guò)生理激活水平來(lái)衡量心理負(fù)荷,是生理測(cè)量中最常用的生理信號(hào)之一。皮電反應(yīng)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)參與下的精神性出汗,受腦高級(jí)皮層的調(diào)節(jié),屬于信息加工的一個(gè)過(guò)程[6]。在人機(jī)交互設(shè)計(jì)領(lǐng)域,皮電測(cè)量主要應(yīng)用于以下方面:
(1)皮膚測(cè)量能反映情緒覺(jué)醒。皮膚電導(dǎo)與喚醒水平呈線性相關(guān)[7],情緒覺(jué)醒幅度的變化能引發(fā)明顯的皮膚電反應(yīng)變化[8],常作為喚醒度實(shí)驗(yàn)的生理測(cè)量指標(biāo)[9]。研究用戶在交互過(guò)程中的情緒變化時(shí),常結(jié)合自我情緒評(píng)定量表(Self-Assessment Manikin Scale,SAM)進(jìn)行測(cè)量[10]。
(2)皮電測(cè)量作為界面設(shè)計(jì)的可用性指標(biāo)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)界面設(shè)計(jì)可用性低時(shí),用戶任務(wù)績(jī)效降低,導(dǎo)致交感神經(jīng)興奮,皮膚電導(dǎo)水平比靜息狀態(tài)下高一倍[11],該現(xiàn)象可能與被試戰(zhàn)斗或逃跑的反應(yīng)相關(guān)[12]。皮電測(cè)量能有效反映界面可用性,常結(jié)合系統(tǒng)可用性量表(System Usability Scale,SUS)、用戶界面滿意問(wèn)卷(Questionnaire for User Interface Satisfaction,QUIS)、系統(tǒng)適用性問(wèn)卷(Post-Study System Usability Questionnaire,PSSUQ)、情景后問(wèn)卷(After-Scenario Questionnaire,ASQ)等主觀量表和行為績(jī)效進(jìn)行評(píng)測(cè)。
(3)皮電測(cè)量應(yīng)用于情境意識(shí)和工作負(fù)荷。Mehler等[13]在心理學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)倒數(shù)n項(xiàng)測(cè)驗(yàn)范式(nback)研究中發(fā)現(xiàn),隨著任務(wù)難度增加,用戶皮電反應(yīng)增加,皮電反應(yīng)能有效反映精神負(fù)荷隨任務(wù)難度的動(dòng)態(tài)變化情況,常與工作負(fù)荷量表(NASA Task Load Index,NASA-TLX)、態(tài)勢(shì)感知評(píng)價(jià)(Situation awareness rating technique,SART)、態(tài)勢(shì)感知整體評(píng)估(SA global assessment technique,SAGAT)等主觀量表結(jié)合進(jìn)行評(píng)測(cè)[14]。
皮電測(cè)量可應(yīng)用于傳統(tǒng)人機(jī)交互場(chǎng)景,國(guó)內(nèi)有學(xué)者將皮電測(cè)量應(yīng)用于道路駕駛場(chǎng)景下被試的疲勞檢測(cè)[15]和工作負(fù)荷[16],本文進(jìn)一步將皮電測(cè)量與主觀評(píng)測(cè)和行為績(jī)效結(jié)合,應(yīng)用至汽車交互設(shè)計(jì)虛擬仿真駕駛座艙評(píng)測(cè)教學(xué)。
在汽車交互設(shè)計(jì)虛擬仿真駕駛座艙評(píng)測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中將皮電測(cè)量與主觀和行為績(jī)效測(cè)量結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn),具有以下優(yōu)勢(shì):
(1)皮電測(cè)量具有實(shí)時(shí)檢測(cè)的特點(diǎn),與主觀測(cè)量結(jié)合分析增加結(jié)果可信度。主觀測(cè)量往往要求被試在體驗(yàn)完產(chǎn)品后報(bào)告使用感受,具有延時(shí)性,可能受到主試效應(yīng)或主觀傾向性等因素影響[17],結(jié)合皮電反應(yīng)能驗(yàn)證主觀測(cè)量的結(jié)果準(zhǔn)確性。
(2)皮電測(cè)量皮電反應(yīng)敏感[18],與行為績(jī)效結(jié)合分析能深入研究認(rèn)知心理狀態(tài)。行為績(jī)效測(cè)量需要主試人員通過(guò)觀察被試行為得到,對(duì)被試認(rèn)知狀態(tài)的變化缺乏敏感[19],結(jié)合皮電測(cè)量能直接得到有效的被試認(rèn)知變化,找到行為和心理之間的關(guān)聯(lián)。
(3)皮電測(cè)量易于操作,容易與主觀和行為績(jī)效測(cè)量結(jié)合使用。皮電設(shè)備是非侵入性的,安裝流程和方法簡(jiǎn)單,且不影響被試駕駛,學(xué)生容易學(xué)習(xí)掌握,獨(dú)自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)不容易出錯(cuò),容易在教學(xué)中展開。
為使學(xué)生深入學(xué)習(xí)汽車交互設(shè)計(jì),需要在測(cè)試評(píng)估理論的基礎(chǔ)上,重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng),針對(duì)測(cè)試評(píng)估的實(shí)踐開設(shè)虛擬仿真駕駛座艙評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)課程,課程面向研究生,依托于學(xué)院多年汽車交互設(shè)計(jì)研究背景以及設(shè)備環(huán)境條件,學(xué)生進(jìn)行自主命題,課程達(dá)到以下教學(xué)目標(biāo):
(1)通過(guò)教學(xué),讓研究生體驗(yàn)完整虛擬仿真駕駛座艙評(píng)測(cè)流程,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)汽車人機(jī)交互設(shè)計(jì)的興趣,開拓學(xué)生的知識(shí)面。
(2)學(xué)會(huì)虛擬仿真駕駛座艙評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)材料開發(fā)準(zhǔn)備,提高實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力。
(3)學(xué)習(xí)包括皮電、主觀、行為績(jī)效等多種設(shè)計(jì)評(píng)測(cè)方法,掌握皮電測(cè)量設(shè)備的主要操作方法,學(xué)會(huì)將皮電數(shù)據(jù)與主觀和行為績(jī)效數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行分析,得到設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的方向。
課程改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)模式,建立以研究生作為交互設(shè)計(jì)課程教學(xué)過(guò)程的學(xué)習(xí)主體、教師為引導(dǎo)的教學(xué)關(guān)系,充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性,這種教學(xué)模式貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)流程,主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。
(1)自主命題及設(shè)計(jì)。教師依據(jù)研究背景確立大課題背景,引導(dǎo)學(xué)生在課題背景下展開自主命題,教師協(xié)助提出命題意見(jiàn)。各組學(xué)生通過(guò)適合的設(shè)計(jì)方法展開調(diào)研,教師在課程過(guò)程中把握設(shè)計(jì)方向,教師指導(dǎo)學(xué)生完成交互設(shè)計(jì)方案以及開發(fā)工作。
(2)自主設(shè)計(jì)評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)。教師介紹評(píng)測(cè)環(huán)境、評(píng)測(cè)方法和設(shè)備使用方法,學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案自主展開實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),選擇合適的測(cè)量指標(biāo),教師對(duì)實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)方案提出改進(jìn)建議。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選被試,符合條件的課程學(xué)生為實(shí)驗(yàn)被試,不符合被試條件的學(xué)生作為協(xié)助主試完成實(shí)驗(yàn),學(xué)生在評(píng)測(cè)期間合理分工完成評(píng)測(cè)工作。
(3)自主分析數(shù)據(jù)及優(yōu)化方向。要求學(xué)生分析皮電數(shù)據(jù)、主觀數(shù)據(jù)和行為績(jī)效數(shù)據(jù),加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力,將皮電數(shù)據(jù)與主觀行為績(jī)效數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和規(guī)律,綜合分析造成結(jié)果的原因,最后提出設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的方向。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由學(xué)生提出,實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃谇袚Q音樂(lè)場(chǎng)景下,采用生理測(cè)量方法對(duì)汽車人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)進(jìn)行可用性評(píng)測(cè)。實(shí)驗(yàn)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩部分,被試在靜止和駕駛兩種狀態(tài)下,通過(guò)方向盤物理按鍵或中控觸屏兩種交互方式完成切換音樂(lè)并播報(bào)音樂(lè)編號(hào)的任務(wù),在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)過(guò)程中,實(shí)時(shí)采集被試的皮電信號(hào)(Electrodermal activity,EDA),被試在完成任務(wù)后完成系統(tǒng)可用性量表評(píng)分。為降低被試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)順序(靜止使用方向盤按鍵組別、靜止實(shí)驗(yàn)中控觸屏組別、駕駛使用方向盤按鍵組別、駕駛使用中控觸屏組別)帶來(lái)的影響,需要對(duì)4 組干預(yù)條件進(jìn)行完全平衡,實(shí)驗(yàn)采用組內(nèi)設(shè)計(jì),將采用拉丁方平衡設(shè)置任務(wù)順序,具體順序如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)順序
為保證課程學(xué)生均參與實(shí)驗(yàn),本次實(shí)驗(yàn)主試人員為參與該設(shè)計(jì)方案的學(xué)生或其他未持有駕駛證的課程學(xué)生,12 名被試為持有駕駛證的課程學(xué)生和其他在校人員,平均年齡為24 歲,年齡的標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation,SD)為2.42,平均駕齡1.85 年(SD=1.14)。
設(shè)計(jì)方案由課程學(xué)生基于Kanzi軟件平臺(tái)開發(fā)的多屏互動(dòng)娛樂(lè)信息系統(tǒng),該系統(tǒng)以車載音樂(lè)應(yīng)用為例,前期通過(guò)調(diào)研分析得到駕駛員在不同情景下的行為和音樂(lè)娛樂(lè)需求,分析車載信息系統(tǒng)各屏定位、界面布局,探究車內(nèi)多屏互動(dòng)協(xié)作交互方式。娛樂(lè)功能適應(yīng)車載駕駛場(chǎng)景,將音樂(lè)娛樂(lè)內(nèi)容合理地呈現(xiàn)在車內(nèi)多屏上,如圖2、3 為儀表和中控雙屏音樂(lè)應(yīng)用界面的設(shè)計(jì)圖,在前期的用戶調(diào)研中,學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩種高頻使用的交互方式,即方向盤物理按鍵交互和中控觸屏交互。學(xué)生希望探究被試在靜止和行駛多情境下分別適合以何種交互方式完成車載娛樂(lè)功能。在駕駛條件下,被試需要確保安全完成主要駕駛?cè)蝿?wù)的前提下,快速獲知信息以及操作信息系統(tǒng)[20],滿足人們的社交需求和安全駕駛的要求,給被試帶來(lái)更好的用戶體驗(yàn)。

圖2 儀表界面設(shè)計(jì)

圖3 中控界面設(shè)計(jì)
如圖4 所示,依托于汽車交互實(shí)驗(yàn)室多年的研究背景,設(shè)計(jì)評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)將在實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)搭建的駕駛仿真臺(tái)架上完成,為被試營(yíng)造一個(gè)具有真實(shí)感的駕駛空間。駕駛模擬器采用Fanatec Porsche 918 RSR方向盤及相關(guān)配件,搭建一臺(tái)搭載三通道融合環(huán)幕的電腦,采用Unity軟件開發(fā)模擬車輛周圍環(huán)境仿真程序,評(píng)測(cè)的虛擬場(chǎng)景為自主開發(fā)的雙向兩車道程序。車載交互顯示屏可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求自由替換,設(shè)計(jì)方案涉及儀表和中控雙屏,采用兩臺(tái)平板電腦(Surface Pro)進(jìn)行模擬,采用Kanzi開發(fā)相應(yīng)的界面程序,通過(guò)消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)傳輸U(kuò)nity程序的駕駛數(shù)據(jù)。

圖4 駕駛仿真臺(tái)架
皮電測(cè)量設(shè)備包括BIOPAC Smart Center 生理記錄儀及相關(guān)材料,采集被試的皮電信號(hào),原始采樣率為2 kHz。如圖5 所示,為確保采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,實(shí)驗(yàn)中要先去足部角質(zhì)并涂GEL101 等滲導(dǎo)電膏,再將電極片安裝在被試左足。

圖5 EDA電極片安裝過(guò)程及位置
將皮電數(shù)據(jù)與主觀數(shù)據(jù)結(jié)合分析,主觀數(shù)據(jù)為系統(tǒng)可用性量表,能對(duì)系統(tǒng)的可用性、有效性進(jìn)行詳細(xì)地分析和度量[21],包含10項(xiàng)題目,為5點(diǎn)量表,需轉(zhuǎn)化成百分制的分?jǐn)?shù),其中8 道題目構(gòu)成“可用性”分項(xiàng),2道題目構(gòu)成“易學(xué)性”分項(xiàng)。圖6 為系統(tǒng)可用性量表結(jié)果,其中中控觸屏組干預(yù)易學(xué)性平均得分91.67(SD=9.73)高于方向盤按鍵組干預(yù)為平均得分69.79(SD=27.42),中控觸屏組系統(tǒng)可用性平均得分76.46(SD=11.45)高于方向盤按鍵組平均得分73.33(SD=18.54),與皮電反應(yīng)與靜息皮電水平差值的數(shù)據(jù)結(jié)果一致,如圖7 所示,綜合靜止?fàn)顟B(tài)和駕駛狀態(tài),中控觸屏組平均EDA差值為3.25(SD=3.23)高于方向盤按鍵組平均EDA 差值3.48(SD=3.23),說(shuō)明被試在使用中控觸屏切換歌曲時(shí)精神負(fù)荷小,皮電反應(yīng)驗(yàn)證系統(tǒng)可用性結(jié)果,即中控觸屏組的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)比方向盤按鍵組可用性更高,說(shuō)明綜合皮電和系統(tǒng)可用性數(shù)據(jù),參與實(shí)驗(yàn)的被試人員使用中控觸屏切換歌曲比使用方向盤物理按鍵切換歌曲具有更好的體驗(yàn)。

圖6 系統(tǒng)可用性量表統(tǒng)計(jì)圖

圖7 皮電水平統(tǒng)計(jì)圖
將皮電數(shù)據(jù)與任務(wù)行為時(shí)間結(jié)合分析,實(shí)驗(yàn)中所有被試均成功完成任務(wù),因此采用任務(wù)行為時(shí)間作為衡量行為績(jī)效的指標(biāo)。有研究發(fā)現(xiàn)用戶在使用系統(tǒng)可用性良好的系統(tǒng)時(shí)處于放松狀態(tài),皮膚電導(dǎo)水平會(huì)逐漸降低;而在使用系統(tǒng)可用性的系統(tǒng)時(shí),皮膚電導(dǎo)水平先持續(xù)升高一段時(shí)間,然后趨于平緩或者降低[22],說(shuō)明存在一定的心理負(fù)荷。如圖8 所示,被試在任務(wù)開始前獲取具體任務(wù)要求,以提示任務(wù)開始時(shí)間為橫坐標(biāo)零點(diǎn),縱軸為皮電。方向盤按鍵組和中控觸屏組整體都是呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢(shì),說(shuō)明二者均存在心理負(fù)荷,但方向盤組的初始皮電水平明顯比中控觸屏組高,即使用方向盤按鍵的被試在聽到具體任務(wù)后就保持較高的警覺(jué),被試心理負(fù)荷大。如圖9 所示,綜合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種測(cè)試狀態(tài),方向盤按鍵組從提示任務(wù)開始至第1 次按鍵觸發(fā)花費(fèi)的時(shí)間比中控觸屏組短,與方向盤按鍵組皮電率先開始上升以及到達(dá)峰值的順序一致,并且方向盤按鍵組2 次按鍵操作總體時(shí)間和任務(wù)完成時(shí)間都比中控觸屏長(zhǎng),與方向盤組皮電上升后的下降幅度略小于中控組的趨勢(shì)一致,將任務(wù)行為與皮電數(shù)據(jù)結(jié)合可以得出方向盤按鍵組任務(wù)績(jī)效更低,反映出中控觸屏組的可用性更好,同時(shí)結(jié)果與主觀測(cè)量結(jié)果一致。學(xué)生分析得出主要原因在于方向盤兩個(gè)按鍵距離過(guò)遠(yuǎn)且指示性差,學(xué)習(xí)成本高,進(jìn)一步提出應(yīng)對(duì)方向盤按鍵位置和樣式進(jìn)行優(yōu)化,提高易學(xué)性,降低精神負(fù)荷。

圖8 EDA水平統(tǒng)計(jì)圖

圖9 任務(wù)行為時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖
本文選取學(xué)生交互設(shè)計(jì)課程方案,選題為“多屏互動(dòng)音樂(lè)系統(tǒng)”,設(shè)計(jì)方向盤按鍵和中控觸屏兩種交互方式,實(shí)驗(yàn)采用皮電測(cè)量方法,在模擬器上完成靜止和駕駛兩種狀態(tài)下人機(jī)交互界面交互方式實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè),與系統(tǒng)可用性量表和任務(wù)行為時(shí)間進(jìn)行比對(duì),可用性低的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)促使被試交感神經(jīng)的興奮,引起皮膚電導(dǎo)的變化,實(shí)驗(yàn)表明皮電測(cè)量方法能客觀且準(zhǔn)確地檢測(cè)被試的皮膚電導(dǎo)變化,說(shuō)明皮電測(cè)量的有效性。
該課程依托學(xué)院科研背景,緊密結(jié)合專業(yè)特色,為提高學(xué)生交互設(shè)計(jì)和評(píng)測(cè)能力,教師從課程前期指導(dǎo)學(xué)生自主展開調(diào)研和方案設(shè)計(jì),到課程后期由學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),學(xué)習(xí)皮電測(cè)量方法,在實(shí)驗(yàn)中模擬真實(shí)駕駛場(chǎng)景,結(jié)合主觀測(cè)量綜合分析出不同交互方式、不同界面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)評(píng)測(cè)的理解和數(shù)據(jù)分析能力,準(zhǔn)確客觀的評(píng)測(cè)結(jié)果有助于進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化迭代,同時(shí)培養(yǎng)汽車人機(jī)交互設(shè)計(jì)的興趣和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑸閷W(xué)生后續(xù)自主展開研究奠定基礎(chǔ)。