（计算机应用技术专业论文）一个基于笔的概念图编辑器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 概念图的研究缘于早期认知心理学的研究，概念图是一种由概念节点和连线 所组成的一系列概念的结构化表征。研究表明概念图对于促进学习者的有意义学 习和知识建构具有重要作用，它在教学中可以体现为头脑风暴工具、交流工具等。 视觉思维是一种富于创造性的思维。视觉的思维性功能可以帮助我们通过 图示进行思维、进行创造视觉思维需要借助：观看、想象、构绘三方面能力 的有机结合。所以静态的概念图并不能促进绘图者的创造性恩维，需要提供一 个概念图工具，让构绘者在勾画中，通过观看、想象和构绘三者间的相互作用 激发他们的创造性和思维的积极性。 传统的概念图工具是基于图形用户界面而构造起来的。他们都是从功能实 现的角度构造的，并没有考虑用户的可用性需求。随耆计算机技术的发展，出 现了各种形式的用户界面，他们在各自的某些领域中发挥了很重要的作用。我 们不能说某种用户界面一定比另一种优越，只能说在完成某些任务时某一种用 户界面更合适。所以应该以用户为中心，考虑他们要完成的任务，然后进行设 计，才可能设计出可用的软件。 为了开发可用的软件，本文将以用户为中心的场景设计方法和概念模型引 入到软件开发过程中去。基于场景分析，发现概念图编辑器最适合采用纸笔交 互形式和规整图形的信息呈现方式，而在编辑时最适合采用人们惯用的手势。 进而引发了下面的研究：几何图形识另i j 、命令手势识别。 在几何图形识别方面：对于矩形等几何图形，本文采用了模糊逻辑进行识 别，此识别方法是一种基于几何特征的在线识别方法，具有识别率高且与笔划 数、笔划顺序无关的特点：对于箭头的识别，本文采用了一种基于速度的两笔 划识别方法。 在命令手势识别方面，本文实现了两类手势：删除手势和调整边框大小手 势。考虑到随着手势的增多，可能出现几何图形手势和命令手势类似的情形， 本文对两类手势的分离进行了研究，提出了一种较为合理的隐式分离的方法。 关键词概念图，视觉思维，交互设计，手势 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ho f c o n c e p tm 印o r i g i n a t e sf r o me a r l yc o g n i t i o n p s y c h o l o g y s r e s e a r c h t h ec o n c e p tm a pi sas e r i e so fs t r u c t u r a lt o k e n sc o m p o s e d b yc o n c e p t u a l n o d e sa n dr o u t e s t h er e s e a r c hs h o w st h a ti th a ss i g n i f i c a n tf u n c t i o n sf o rl e a r n e r s m e a n i n gs t u d ya n dk n o w l e d g ec o n s t r u c t i o n , a n dc a ne m b o d yb r a i ns t o r mt o o l 、 c o m m u n i c a t i n gt o o la n ds oo n v i s u a lt h i n k i n gi sak i n do fc r e a t i v et h o u g h t t h et h i n k i n gf u n c t i o nc a nh e l pu s t h i n ka n dc r e a t et h r o u g hc h a r t v i s u a lt h i n k i n gn e e do r g a n i cc o m b i n e so fv i s i o n 、 i m a g i n a t i o n 、c o m p o s i t i o n t h e r e f o r e , t h es t a t i cc o n c e p tm a pc a nn o tp r o m o t e d r a w e r s c r e a t i v et h o u g h t , ac o n c e p tm a pt o o li sn e e d e dt o p r o v i d e ，b yw h i c h d r a w e r s c r e a t i v i t ya n dt h i n k i n ga c t i v i t yc a nb ep r o m o t e d t h et r a d i t i o n a lc o n c e p tm 印e d i t o r sa r eb u i l tb a s e do ng r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e t h e ya r ea l lc o n s t r u c t e df r o mt h ev i e w p o i n to ff u n c t i o n ，n o tc o n s i d e r i n gt h eu s e r s u s a b l e r e q u i r e m e n t a l o n gw i t l lt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h e m u l t i f o r mu s e ri n t e r f a c ea p p e a r ，a n dp l a yi m p o r t a n tr o l e si ne a c ho t h e r d o m a i n s w ec a no n l ys a yt h a ts o m ec e r t a i nu s e ri n t e r f a c ea r em o r es u i t a b l ef o rs o m et a s k s r a t h e rt h a ns a y i n gt h a ts o m ec e r t a i nu s e ri n t e r f a c ea r eb e t t e rt h a ns o m eo t h e r s t h e r e f o r e ，w es h o u l dd e s i g nb a s e do nu s e rc e n t e r e dt h o u g h t ，c o n s i d e r i n gu s e r s t a s k s f i r s t ，t h e nd e s i g n i n gs o f t w a r e ，o n l ys oc a nw ed e s i g nu s a b l es o f t w a r e i no r d e rt o d e v e l o pu s a b l es o f t w a r e ，t h i st h e s i si n c l u d e s u s e r - c e n t e r e d s c e n a r i o - b a s e dd e s i g nm e t h o da n dc o n c e p t i o nm o d e li n t os o f t w a r ed e v e l o p m e n t w e f i n dt h ec o n c e p tm 印e d i t o ri sm o s ts u i t a b l eu s i n gp e n b a s e di n t e r a c t i o na n d p r e s e n t a t i o nb a s e do nr e g u l a rs h a p e s ，a n dt h ee d i t i n gi sm o s ts u i t a b l eu s i n gi d i o m a t i c g e s t u r e ，a b o v ed i s c u s s i o n sc a u s et h er e s e a r c h ：g e o m e t r ys h a p e sr e c o g n i t i o n 、 c o m m a n dg e s t u r e sr e c o g n i t i o n t h i st h e s i su s e st h er e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do nf u z z yl o g i cf o rg e o m e t r y s h a p e sr e c o g n i t i o n ，w h i c hi sa no n l i n er e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do ng e o m e t r y f e a t u r e s ，h a v i n gt h ea d v a n t a g e so fh i 曲r e c o g n i t i o nr a t e 、i n d e p e n d e n tw i t hs t r o k e s n a b s t r a c t n u m b e ra n do r d e r ；a n dt h i st h e s i su s e sas p e e d - b a s e d 、t w o - s t r o k er e c o g n i t i o nm e t h o d f o ra r r o wr e c o g n i t i o n t h i st h e s i si m p l e m e n t st w ok i n d so fc o m m a n dg e s t u r e sr e c o g n i t i o n ：g e s t u r e d e l e t i n ga n df r a m es i z ea d j u s t i n g c o n s i d e r i n gs i m i l a rg c o m e l r ys h a p eg e s t u r e sa n d c o m m a n dg e s t u r e sm a ya p p e a rf o l l o w i n gt h ei n c r e a s eo fg e s t u r e s ，t h i st h e s i sp u t s f o r w a r dar e a s o n a b l ei m p l i c i t - s e p a r a t e dm e t h o db a s e do nt h er e s e a r c ho fg e s t u r e s s e p a r a t i n g k e y w o r d sc o n c e p tm a p ；v i s u a lt h i n k i n g ；i n t e r a c t i o nd e s i g n ；g e s t u r e 1 1 i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：菇童竖指导教师签名：垡盔二 z ，一7 年月j 鼋日2 一，7 年g 月墙曰 西= l 匕大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 西、y 。 学位论文作者签名：笊字义 2 口7 年善月飓日 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 概念图是盛行于国外特别是欧美国家的一种教学和学习策略。它除了用作 促进学生进行知识建构学习的工具外，还是教师进行教学设计和分析评价学生 对知识的理解和建构的方法。概念图有助于学生建构概念间的关系，从而加深 概念理解。概念图通过视觉线索反映事物之间的关系，从而帮助学习者提高问 题解决能力。 概念图术语最早由美国康奈儿大学n o v a k ( 诺瓦克) 教授等人提出，认为 它是将某一领域内的知识元素，按其内在关联建立起来的种可视化语义网络， 它以视觉化的形式阐明了在知识领域中学习者是怎样使概念之间产生关联的。 i i 研究表明，概念图作为种思维支撑工具，能够有效地促进学习者的思维支 撑和能力自治，通过揭示出不同事物或知识之间的内在联系或差异对比，从而 激发学习者的创造性思维，提高问题解决的能力。 概念图只是为创造性思维提供了一种视觉意象，要想能够辅助人们创造性思 维及逻辑思维，必须满足视觉思维三要素 2 1 ：人们看到的“意象”、“我们用心 灵之窗所想象的”、“我们的构绘”因此，必须提供一种作图工具，才能通过 观看、想象、构绘三方面能力的有机结合，进行视觉思维，从而辅助人们分析问 题、解决问题。 在过去，我们是用纸笔的方式把思维决策结果记录下来，通过外化，减轻了 工作记忆的负担，使人们可以集中精力思考所要解决的问题。而纸笔的易用性使 工具从人们的意识中消失，从而使人们集中于所进行的任务。但纸的不易修改性 和难以保存的特点也逐渐暴露出来，在修改上花费人们太多的时间，阻碍了人们 的正常思维过程，降低了工作效率。 。 个人电脑的广泛应用促成了大量的电子文档的出现，相比纸质材料，电子文 档内容丰富、形式多样化、方便修改、方便传输、易存储的特点，使电子文档界 面整洁且方便用户之间的交流。针对概念图，出现了一些优秀的作图工具。他们 的共同特点是采用了基于鼠标和键盘的输入方式。通过分析发现，他们有以下不 第1 章绪论 足： 1 、交互方式不自然、效率低 现有的概念图编辑器都是基于鼠标、键盘交互的。用户的思考往往被鼠标、 键盘的频繁切换所打断，用户所关注的是能够快速、准确地记录下他的想法， 而不是工具本身。基于鼠标、键盘的交互方式是一种显式交互方式，为完成 一个任务，组成一个任务结构的二要素：对象、操作都需要显式指定，用户 的多次输入往往只换来一个简单的输出。 2 、缺乏对模糊信息的支持 用户在概念图绘制的过程中，用的是模糊信息，不需要精确的信息。用户需 要的是快速、自然地记录下他的稍纵即逝的想法，并不需要指定所画图形的 尺寸。现有的概念图编辑器必须让用户输入精确的信息，这样用户必须花精 力将模糊信息转换为精确信息后，然后进行绘制。 3 、缺乏对绘制过程的支持 现有的概念图编辑器只能在用户对所绘制对象形成比较清晰的概念时使用， 即只能做为用户阶段性结果的记录工具，而不能提供对整个绘制过程的支 持。实际上，用户绘制的每一步都可能激发用户进一步的思考，促使灵感的 产生所以很有必要提供一个支持整个绘制过程的编辑器。 但现有的基于桌面隐喻的图形用户界面的应用，采用鼠标和键盘作为输入方 式。需要花费用户大量时间去学习这种交互方式。对于操作不是很熟练的用户来 说，将分心于如何作图，对于用来辅助思维的作图来说，显然是不合适的。 1 2 研究目的及意义 既然构造工具的目的是为了辅助我们去完成任务，那么工具首先应该是易用 的，而不应花太多的时间去学习如何使用。最好用的工具是人们在使用工具时， 能够从人们的意识中消失的工具，从而可以使人们集中精力去思考所要完成的任 务。 软件的可用性问题越来越引起人们的重视，促使了很多这方面的研究，也 出现的大量的研究成果，推动了软件产业的进一步发展。但现有的很多文献资 料，大都停留在心理学角度，来研究可用性问题，出现了很多软件开发的可用 第1 章绪论 性原理、用户界面设计原则。可是怎么把这些原理、设计原则运用于软件开发 中，以给予现有开发人员具体可行的指导，却是比较少。 本文的研究目的是；首先对以用户为中心的软件开发方法，尤其是交互设 计理论做初步的研究，将概念模型及以用户为中心的场景设计方法引入到软件 开发过程中去。以此理论为指导，以概念图编辑器这一研究课题为载体，对以 用户为中心的软件开发作初步的探索以给可用性软件开发过程一点启发或者 借鉴。 1 3 本文所做工作 本文主要工作体现在理论和实践两个方面： 1 ) 对系统体系结构的表示层做了一定的研究，并给出了表示层结构。为以 用户为中心的软件开发及研究奠定了基础。 2 ) 将概念模型及以用户为中心的场景设计方法引入到软件开发过程，目的 是为可用性软件的开发过程做一定的探索。 3 ) 在分析概念图编辑器任务本质的基础上，将笔式用户界面引入到概念图 作图工具中。 4 ) 基于隐式交互的思想，提出了一种简单易行的手势分离方法，将命令手 势与几何图形手势相分离。 1 4 本文的组织 本文以软件开发的流程为主线进行组织，从需求分析、设计到实现。 第一章绪论 介绍了本文的研究背景、研究目的及意义，以及本文所做工作、本文组织。 第二章人机交互研究 因为概念模型有助于更好地设计可用性的软件，所以本章引入了概念模型 并加以论述。为给设计人员开发概念模型提供一个思路，又对概念模型的分类、 界面隐喻、交互范式进行了较为详细的分析。 第三章相关研究 本文所涉及到的主要概念的相关研究，包括：概念图、视觉思维、笔式用 第1 章绪论 户晃面、手势、交互技术相关研究，概念图编辑器的现状。 第四章一个概念图编辑器开发方法研究 对本文概念图编辑器的以用户为中心的开发方法进行了理论方面的探讨和 研究。用户界面的组成结构为将概念模型更好地转化为体系结构奠定了基础。 对交互设计的层次问题做了一定的讨论。概念图编辑器开发方法：在相关讨论 的基础上，提出采用以用户为中心的设计方法，并从宏观上来叙述了开发可用 性软件的流程。以用户为中心的场景设计方法则提供了很好的描述交互行为的 手段，可集成至概念图编辑器软件开发过程中的需求、分析、设计过程中去。 最后在以上讨论的基础上，给出了本文中基于笔交互的概念图编辑器的开发过 程。 第五章概念图编辑器需求分析 概念图编辑器的需求分析阶段。采用了以用户为中心的场景设计方法，并 给出了观察场景和分析场景。 第六章概念图编辑器的设计及实现 概念图编辑器的设计与实现阶段，展示了从设计者模型一直到实现者模型 的流程，包括：设计场景、任务产生框架、顺序图、类图。为了对系统有个整 体的印象，给出了概念图编辑器的系统体系结构。然后对本文所用到的技术做 了比较详细的介绍，包括；手势设计、手势识别、交互技术。最后给出了几个 实例。 第七章结束语 总结本文的研究成果，并指出需要进一步开展的工作。 第2 章入机交互研究 2 1 交互设计 第2 章人机交互研究 交互设计作为一门关注交互体验的新学科产生于二十世纪八十年代，它由 i d e o 的一位创始人比尔莫格里奇在1 9 8 4 年一次设计会议上提出。他一开始给 它命名为软面s o f tf a c e ，由于这个名字容易让入想起当时流行的玩具椰菜娃娃 ( c a b b a g ep a t c hd o l l ) 于是后来把它更名为交互设计。 2 ，1 1 定义 交互设计可以初步定义为：设计一个交互系统，用于支持人们的日常工作或 生活。可以描述为“人类交流和交互空间的设计”。从用户角度来说交互设计是 一种如何让产品易用有效而且让人愉悦的技术。它致力于了解目标用户和他们的 期望，了解用户在与产品交互时彼此的行为，了解人本身的心理和行为特点同时 还包括了解各种有效的交互方式并对它们进行增强和扩充。 交互设计与很多学科分支相互联系或交叉，其中包括：人类工效学、认知心 理学、信息学、人因工程学、工程学、计算机科学、计算机软件科学、社会学、 人类要素( h f ) 、认知学、认知工效学等等。设计者设计交互系统的交互机制与 交互行为，目的是增强用户对该系统的体验。 2 1 2 交互设计原则 交互设计主要的目标是优化人与产品之间的交互关系，这样就要求设计人员 在设计的时候，必须考虑尽可能地支持用户的要求，满足用户的期望并且扩大用 户的潜在需求，在产品的交互设计当中，要遵循一些基本的原则，根据n o r m a n 的观点，下面列举了一系列最常用的设计原则 1 可视性。现代的交互系统中，功能的可视性越好，用户也就越容易理解交互进 程。不可见的功能通常会对用户使用造成难度。 2 反馈。反馈是与可视性相关的概念，指返回的与活动相关的信息( 包括己执行 5 第2 章人机交互研究 的动作或已完成的任务) ，以便用户能继续这个活动。反馈必须及时，若延迟超 过了用户的忍耐限度，任务便很难进行。 3 限制。表示在特定时刻限制用户的交互类型。通过对用户采用限制，可以主动 防止用户进行不正确操作，客观上起到了引导用户的作用，降低了错误率。 n o r m a n 3 1 把限制分为三个类别：物理限制、逻辑限制和文化限制。物理限制指的 是物理对象限制事物运动的方式。逻辑限制取决于人们对于事物工作方式的理 解以及人们对行为及其结果的常识性推理。文化限制则源白一些需要学习的惯 例。 4 映射。表示交互控制及其效果之间的对应关系。几乎所有的交互系统都存在着 这种映射，例如计算机键盘中的上下箭头分别表示光标的上下移动，笔式界面中 的文本框代表一个文字输入区域。 5 一致性。一致性指的是在设计界面时使用相似的操作，并且为相似的任务使用 相似的元素。一致化带来的是遵循规则的界面，使其易学、易用。 6 启示性( a f o r d a n c e ) 。启示性指的是事物的属性即能帮助人们理解应如何使用 这个事物。例如：笔的“书写”动作即受启发于笔的固有属性。如果一个对象的 启示性是显而易见的，那么人们就很容易知道如何与它交互。启示性广泛应用于 描述如何设计界面对象，从而使得用户对应该采取的行动一目了然 2 1 3 交互设计目标 1 可用性目标 可用性目标可分为三类具体目标：易学性、灵活性和强健性1 4 l 。 ( 1 ) 易学性 易学性是指新用户学习使用系统的难易。它包括系统的：可预见性 ( p r e d i c t a b i l i t y ) ，即用户通过过去的交互操作的经验可判断未来操作的效果；综 合性( s y n t h e s i z a b i l i t y ) ，即用户按照系统的当前状态评估以前操作结果的能力； 熟悉度( f a m i l i a r i t y ) ，即新系统的知识范围应尽量贴近用户在真实世界或其他 计算机环境中拥有的知识和体验；普遍性( g e n e r a l i z a b i l i t y ) ，即支持用户将 他们对于特定操作的知识延伸到其他类似的情境中；一致性( c o n s i s t e n c y ) ， 即在相似的情境或任务中的交互操作始终具有相似性。 ( 2 ) 灵活性 6 第2 章人机交互研究 灵活性是指用户和系统之间信息交流方式的多样化。它包括系统的：对话 主动性( d i a l o gi n i t i a t i v e ) ，即允许用户可以自由地摆脱系统对话形式上的 人工限制；多线索对话( m u l t i t h r e a d i n g ) ，即系统支持用户同时进行多个任 务的交互操作；任务可迁移性( t a s km i g r a t a b i l i t y ) ，即任务执行的控制权可 以在系统与人之间相互传递，既可由一方主导又可由双方共同协作；可替换性 ( s u b s t i t u t i v i t y ) ，即要求相等的输入和输出值可以相互替换；可定制性 ( c u s t o m i z a b i l i t y ) 。即用户或系统可以根据具体用户特点修改界面形式。 ( 3 ) 健壮性 健壮性是指对于用户成功地完成和评估目标的支持程度。它包括系统的： 可观察性( o b s e r v a b i l i t y ) ，即允许用户评估系统的内部状态，通过该系统在 界面上可感知的信息：可恢复性( r e c o v e r a b i l i t y ) ，即识别出过去交互的某个 错误后达到目标的能力；响应度( r e s p o n s i v e n e s s ) ，即测量系统与用户之间的 通信速率；任务执行( t a s kp e r f o r m a n c e ) ，即系统在多大程度上以用户理解的 方式支持用户所有的欲执行任务，它包括任务对于用户意图的覆盖程度和任务 被用户恰当理解的程度。 2 用户体验目标 新技术已经从各个方面渗透到人们的日常生活中，在各应用领域，人们开 始对产品有了更多的要求。交互设计不只是提高工作效率，人们也越来越关心 系统是否具备其他一些品质，仅仅用可用性目标不足以描述用户对交互行为的 全部体验。 所谓“用户体验”指的是用户在与系统交互时的感觉如何。用户体验目标 不同于可用性目标，它更关注用户的主观感受，因此通常用主观性词语描述。 用户体验的目标广泛应用于娱乐、游戏和电子竞技等行业，因为在这些领域中， 产品的重要目标就是给用户带来心理上的愉悦。可用性目标更为客观，用户体 验目标则关心的是用户从自己的角度如何体验交互式产品，而不是从产品的角 度来评价系统多有用或多有效。 用户体验目标与可用性目标之间存在权衡取舍的问题。在实际设计中，往 往是为了满足某一些目标，就不得不以损失另一些目标为代价。并不是所有的 可用性目标和用户体验目标都适用于每个交互式产品，有些目标甚至是相互排 斥的。因此，针对具体任务和使用环境，采用两类目标中不同的组合形式，以 7 第2 章人机交互研究 最大程度地满足用户的需求。 2 2 概念模型 设计中最重要的就是用户的概念模型。设计的首要任务就是开发明确、具 体的概念模型。1 5 1 概念模型1 6 1 ： 一种用户能够理解的系统描述，它使用一组集成的构思和概念，描述系统 应做什么( 任务) 、如何运作( 交互方面) ，外观如何( 观与感) 等。 概念模型分为以下三个不同的方面： ( 1 ) 用户概念模型( 用户心智模型、用户模型) ： 用户模型是人们有关他们存在的世界的知识，包括自我、他人、环境及与 之交互的实体 7 1 。具体的讲，可以认为是用户在认知上创建的一种产品如何工 作的解释。用户就是通过用户模型来指导和系统的交互。它可以是人们通过经 验、训练及指导获取的，也可是在与系统交互的过程中形成的。这些知识通常 是感知的和潜在的，很少有认知水平上的形式。 但) 系统映像： 用户通过用户界面的物理结构中感知到的映像，包括看到的用户界面和各 种交互控件。用户主要就是通过系统映像来修正或形成用户模型。所以系统映 像要准确的反映设计者模型( 用户界面设计模型) ，才可能让用户少出错。 ( 3 ) 设计者模型( 表现模型) ： 即设计人员所使用的概念模型。设计师选择如何将程序的功能展现给用户 的方式。所以设计者模型实际上就是用户界面设计模型，即系统映像的概念模 犁。 第2 章人机交互研究 图1 人机交互模型 用户是通过系统映像来修正或形成用户模型，以此来指导与系统的交互。 所以系统映像对系统的可用性起着至关重要的作用。而系统映像又是设计者模 型( 用户界面设计模型) 的具体化表示。如果设计者模型与用户概念模型很接 近，用户就应学地很快，且将知识正确地应用到新的情景中。换句话说，用户 将感觉到界面很直观。而当设计者模型偏离用户模型时，用户需要从用户模型 翻译到设计者模型，才能无障碍地与系统交互，所以此时需要用户付出较多努 力。 为了让设计者模型与用户概念模型一致，设计者必须理解用户的任务及期 望。如果设计者不理解他们的用户，界面的行为将不会是用户所期望的。如果 系统的行为不是用户所期望的，他们的概念模型将不同于设计者模型，误解将 会发生。 2 3 概念模型分类 j e n n i f e rp r e e c e 等人1 6 1 将它划分为两大类：基于活动的概念模型和基于对象的 概念模型。 。 2 3 1 基于活动的概念模型 ( 1 ) 指示 此种类型是用户在执行任务时通过向系统发出指令，来指示系统应做什么， 从而完成自己的任务。交互形式可采用：输入命令、单击菜单、按下按钮、手 势、发出声音命令等。这一类概念模型特别适合于重复性的活动，用于操作多 9 第2 章人机交互研究 个对象。 ( 2 ) 对话 此种类型基于人与系统对话，最适用于用户需要查找特定类型的信息，或 就某个问题展开讨论。可采用的交互形式也多种多样，可采用：语音交互、动 画代理、命令交互、直接操作等。 ( 3 ) 操作和导航 利用用户在现实世界中积累的知识来操作对象或穿越某个虚拟空间。这个 模型的典型例子是“直接操纵”。 ( 4 ) 探索和浏览 利用自己已有的知识，去发掘和浏览自己感兴趣的信息。如：门户网站、 电子商务网站都是基于这一模型的应用。 2 3 2 基于对象的概念模型 这类模型侧重于特定对象在特定环境中的使用方式，通常是对现实世界的 模拟。此种模型中一个非常典型的例子是“电子表格” 在具体应用中，我们应先分析用户任务的本质，然后选用最能支持用户任 务的概念模型。然后再去决定交互形式和观与感以充实概念模型。但实际上， 在很多情况下，对一个具体应用，不同的任务可能适合选用的模型是不同的， 在这种情况下，我们可以采用他们的混合搭配 2 4 界面隐喻 隐喻是指用现实世界中已经存在的事物对某个对象迸行比拟描述。界面隐 喻的描述对象是用户界面，利用物理世界中的某事物的组织形式和交互方式与 用户界面某些控件相似的特点，使人们把对这些事物的知识运用到用户界面上 来，减轻了用户的认知努力。 图形用户界面的成功直接来自于隐喻的运用。比如文件操作就来自于桌面 办公文件的操作。采用界面隐喻，增加了用户与应用的初始熟悉度。 界面隐喻是开发概念模型的另一种方法。比如某物理实体和要开发的概念 模型的特征存在着相似，这时我们可以利用界面隐喻。 1 0 第2 章人机交互研究 2 5 交互范式 交互范式是开发概念模型的另一个灵感来源，最近的趋势是拓宽交互范型 目前比较成熟的交互范型有： 2 5 1w i m p 交互范式 图形用户界面的雏形在2 0 世纪7 0 年代由x e r o x 公p a r c 研究机构提出，它最 早由a p p l e 公司的m a c i n t o s h 操作系统应用，之后m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 和u n i x 系统中的m o t i f 窗口系统也纷纷效仿。它所采用的是w i m p ( w i n d o w ，i c o n 。m e n u ， p o i n t i n gd e v i c e ) 的交互风格。其中：1 7 窗口：是一个矩形区域，表示了一个逻辑对话线索。 图标：表示一个往起的对话线索( 即关闭的窗口) ，用于节省屏幕空间并提示 用户以后可以恢复该对话。 菜单；表示系统可以执行的命令或服务的选项，这样的可视提示辅助用户回忆 与操作相关的信息。 指点设备( 如鼠标) ：提供了用户输入信息的能力，w i m p 所需的交互风格很大 程度上依赖于指点和选择交互对象( 如图标) 。 这种风格一直沿用至今，使得它成为近几十年中占统治地位的界面风格。这 种界面风格之所以能统治这么长时间，是因为它与命令行的输入相比，大大地提 高了用户的生产力。w i m p 交互方式具有直接操作的特点。直接操作具有三个重要 特征【羽： ( 1 ) 对象可视化，界面可以通过图形方式显示用户所关心的对象： ( 2 ) 语法极小化，采用物理动作或按钮代替复杂的语法，用户不必通过命 令行的输入方式来手动构造命令的语法，避免了在命令输入过程中的错误，同时 缩短了命令的执行时间； ( 3 ) 快速语义反馈，用户在对象上快速，增量式和可逆的操作会立即带来 可视的效果。这无疑极大地减轻了用户的认知负担。 w i m p 所采用的多窗口策略，为用户提供了多个对话线索，可以使用户方便地 在各个窗口之间来回切换，避免了以前线性的工作方式。特别适合用在交互密集 第2 章人机交互研究 型的任务。 2 5 2p i b g 交互范式 在w i m p 界面占统治地位的几十年中，随着计算机硬件设备的进步和软件技术 的发展。w i m p 界面的缺点逐渐地体现出来。对于w i m p 界面而言。终究是局限在 d e s k t o p 范式之上的，用它来进行文档的处理等工作非常合适，但对于其他许多 类的应用而言，w i m p 界而并不合适。从9 0 年代初开始，研究者们将研究的焦点重 新聚集到下一代的用户界面的研究上【9 】。 中科院软件所通过对p o s t w i m p 交互特征的研究，提出了p i b g 交互范式。p i b g 范式采用p e n p a p e r 隐喻，模拟人们数千年来形成并熟悉的纸笔交互环境来构造 笔式用户界面。从信息呈现和交互方式两个方面有了根本性的改变，p ，i ，b ，g 分别与w i m p 范式的w ，i ，m ，p 相对应。在p i b g 范式中，承载应用信息的交互组件 由窗口( w i n d o w ) 变为物理对象( p h y s i c a lo b j e c t ) ，p 是这一类交互组件的统称， 主要包括p a p e r 和f r a m e 两类交互组件。i ，b 表示此范式中与具体语义无关的直接 操纵组件，i 是i c o n ，b 是b u t t o n 。在此范式中摒弃了m e n u 类的交互组件，尽量多 地使用i c o n 和b u t t o n ，这样可以大大增加直接操纵在整个交互方式中的比例，提 高系统的操作效率。g 表示g e s t u r e ，是指此范式中所采用的主要的交互方式。与 w i m p 交互方式比较，用户的交互动作由鼠标的点击( p o i n t i n g ) 变为笔的g e s t u r e 。 p i b g 范式并没有在各个方面完全替代w i m p 范式，它保留了i c o n ，b u t t o n 等 直接操纵组件。g e s t u r e 是p i b g 范式中用户同界面交互的主要方式，用户通过 g e s t u r e 来对纸、框或其它组件以及框中的特定内容进行处理。基于g e s t u r e 的交 互方式同样模仿了人们千百年来在纸上用笔进行交互的方式，可以减轻用户对交 互方式的认知负担，减少用户的训练时间，提高操作效率。同时，基于g e s t u r e 的交互方式通过笔在特定的信息上进行直接操纵。这种方式与w i m p 范式下利用菜 单、按钮等交互组件的方式不同。这种方式不需要用户关注任务的执行过程，避 免了所关注的焦点发生变化，从而能减轻用户的认知负担，提高操作效率。0 0 1 第3 章相关研究 3 1 概念图相关研究 3 1 1 研究缘起 第3 章相关研究 概念图的研究缘于6 0 年代末西方科学教育界的一场大争论：儿童是否能 理解诸如能量、细胞和进化等抽象概念。n o v a k ( 诺瓦克) 等人认为，这决定于 儿童通过自己的经验和在学校教学中所获得的相关概念的质量和数量，而不决 定于皮亚杰等人所研究的抽象的认知操作能力。为此，他们决定用a - t 课对小 学一、二年级的学生进行实验，发现皮亚杰等人完全低估了儿童的认知能力一 一些低年级儿童已经可以独立地画出概念图了，并且他们还能向其他人解释自 己所画概念图的含义。 q u i l l i a n 和c o l l i n s 在研究用语言理解计算机程序时，首次提出了概念 的网络模型。该模型认为，在人类记忆中，概念作为节点是以层级的形式进行 表征的，即概念与概念之闯在逻辑上具有上下位关系：类概念在上，属概念在 下；下层概念所具含义存储在上层概念之中，亦即遵循“认知经济”的原则。 n o v a k 和g o w i n s ( 1 9 8 4 ) 综合图式理论和概念网络，首次提出了概念图这一 概念。并将概念图运用于教与学中，取得了较好的效果。研究者( w a n d e r s e e ， 1 9 9 0 ) j i l l 发现，这一结果用奥苏贝尔的有意义学习理论可以得到很好的解释。这 方面的研究很快受到重视，论文发表也很多，如e r i c ( 1 9 9 5 ，1 2 期) 收集了从 1 9 9 0 1 9 9 4 年的与概念图有关的研究文献就达1 5 6 篇之多。概念图己成为西 方国家科学课程教与学中探讨的一个热点和前沿性课题。 3 1 2 概念图的理论基础 按照概念图理论，概念图是一种由概念节点和连线所组成的一系列概念的 结构化表征。概念图中的节点是表示某一命题或知识领域内的各概念；连线则 表示节点概念间的内在逻辑关系。连线上的标注( 关系标签) 则用于说明连线两 端的逻辑关系。在学习同一命题中的新概念的过程中，通过幽概念圈，新概念 第3 章相关研究 所表达的信息总是不断地和学习者头脑中已有的概念发生相互作用，并加入蜀 学习者已形成的概念结构之中，且按“渐进分化”形成一个更为紧凑的认知结 构，其结果是逐步具备了这一领域知识的专家型表征结构( r o y e r ，c i s e r o ， 1 9 9 3 ) 。这被j o n a s s e n ( 1 9 9 3 ) 称为知识的结构化表征 奥苏贝尔教育心理学中最重要的观念之一是他对意义学习的描述，他认为 意义学习有两个条件：( 1 ) 学生在学习新内容的时候表现出一种在新知识与自 己原有知识之间建立联系的倾向；( 2 ) 学习的内容对学生具有意义，即能与学 生已有知识结构联系起来。他认为当学生把教学内容与自己认知结构建立起联 系时意义学习就发生了。所谓认知结构，就是指学生现有知识的数量、清晰度 和组织方式，它是由学生能回想出的事实、概念、命题、理论等构成的1 1 2 】。 奥苏贝尔认为意义学习的心理机制是同化，他的同化理论使我们了解学生 是怎么把知识组织弱认知结构中去的。在学生的认知结构中对各门学科内容的 组织是有层次的，包摄性最广的概念在最高层次，下面概念的包摄性依次降低， 恧且上位概念( 包摄性较广的概念，例如“蔬菜”是上位概念“胡萝卜“和“菠 菜”是下位概念) 要相对的更稳定。学生发生有意义学习的时候把新学的知识 与自己的认知结构联系起来，并且根据层次把这些新的概念放在他们知识结构 中相应的位置上，这样新知识就被贮存在与认知结构中有关概念的相互关系中。 为了使新知识习得后能长久保持还需要对新知识逐渐分化，使它的意义越来越 精细，也就是只有通过知识不断地改组和重新组合才能将新知识习得并保持下 来。 3 1 3 教学中概念图的意义和作用 ( 一) 概念图促进知识的结构化 1 、知识结构化有利于提高知识检索效率 皮亚杰在他的认知理论中一个核心概念就是“图式”，他认为知识是以一定 的层次结构在人脑中表征的。当知识以一种层次网络结构表征的时候，会提高 信息搜索速度。入们在回忆莱一具体事物的时候，经常是先回忆起包含该具体 事物的概念网络，然后重新形成这一具体事物的详细细节。现代心理学研究发 现。专家头魅中的知识经常呈现一定的层次网络，而且这个铡络瞄的节点是有 4 第3 章相关研究 意义的联系着的，而“新手”头脑中的知识经常是散乱的，即使各个知识点问 有联系也是不充分的。正是因为知识表征的不同使专家和新手在解决问题的时 候存在差异【1 3 】。而在实际的教学中教师很少考虑学生知识结钩化的问题。结果 是学生学到的是大量零散的知识，对于某一门学科不能从整体上把握，而是为 了考试记得表面细节的知识。 2 、制作概念图能够促进知识的结构化 概念( c o n c e p t s ) 、命题( p r o p o s i t i o n s ) 、交叉连接( c r o s s l i n k s ) 和层 级( h i e r a r c h i c a lf r a m e w o r k s ) 是概念图的四个图表特征。概念是指同类事件 的共同属性；命题是对事物现象、结构和规则的陈述，在概念图中，命题是两 个概念之间通过某个连接词而形成的意义关系；交叉连接表示不同知识领域概 念之间的相互关系；层级是概念的展现方式，它有两个含义：一是指在同一知 识领域内的结构根据概念的概括性来组织，概括性最强、最一般钓概念在最上 层，所包括的从属概念在其下，用来充实概念的具体概念在图的最下层；二是 不同知识领域问的结构，不同知识领域的概念图之间可以分层超链接。 概念图是个有层次的意义网络，与人类认知结构中表征、组织、贮存知识 的方式是吻合的。诺瓦克根据奥苏贝尔的认知学习理论将认知结构的组织方式 具体化成为概念命题层次网络图模式。它首先帮助学生理解所学内容的关键概 念，并在各个概念间建立起有意义的联系，然后用具体的知识或事实充实相应 的概念。学生进行的学习大部分都是在已有的知识等级中对概念和命题进行归 类，学习新知识的时候就是吸收新的概念和命题，修改原来的认知结构。这样 新知识获得了意义，旧知识也因为得到了新的修饰而获得了新的意义。通过制 作概念图来学习知识比其他学习方法的认知加工层次要深，绘制成的概念图本 身的结构佐比其他方式信息要强，因为图示本身就比文字、语言更具有形象往， 学生绘制一个概念图就相当于经历了一次头脑风暴。学生在制图的过程中能形 成自己的一种认知、组织模式，有助于从整体上把握所学的知识，避免知识缺 乏联系，更能使学生形成良好的认知结构。 ( 二) 概念图是一种教与学的策略 尽管概念图的最初目的是为了检测学生已有知识的情况，但是它蕴涵的丰 富教学功能使得我们不能将其仅仅作为工具，而是要把概念图作为一种教学的 第3 章相关研究 技能和策略。作为一种教的策略，研究发现概念图能大面积提高学生的学习成绩 切实提高教师的教学效果，尤其是在科学学