基于真实隐喻的儿童交互式学习环境研究

With the development of learning pattern, how to construct interactive learning environment for children to support learner-centered and collaborative learning activity, making use of the natural interaction technology, become a research focus of human-computer interaction. This project try to explore a new way of designing and developing interactive learning environments for children. First of all, children's cognitive and motor ability will be analysed to construct the user model; Then, based on the user model, UI metaphor and interactive components in the interactive learning environment will be studied, as well as the corresponding design method. Meanwhile, this project will provide a development platform of interactive learning environment, with algorithms library, interactive component library, and a design tool. Finally, based on the above research, several typical applications will be developped and evaluated. The goal of the research project is to solve the key issues in children's interactive learning environment, and to provide theoretical and technical guidelines.

随着儿童学习模式的变迁，如何利用基于真实隐喻的自然交互技术，构建支持主动性和协作性学习活动的儿童交互式学习环境成为人机交互领域研究的重点。本项目的研究工作将从一个新的思路出发，研究儿童交互式学习环境的用户模型、界面模型和开发平台。首先研究儿童的认知和运动能力，构造用户模型；然后基于用户模型的研究成果，进行界面隐喻、交互组件和设计方法的研究。同时，本项目将进行相应的儿童交互式学习开发平台的研究，封装算法库和交互组件库，并提供设计工具。最终，本项目将针对儿童学习领域的主流方向进行应用系统的构造和评估验证。本项目的研究工作将解决设计和开发面临的关键问题，为发展儿童交互式学习环境提供理论和技术准备。

本项目的目标是研究基于真实隐喻的儿童交互式学习环境。在项目执行过程中，我们严格按照计划开展研究工作，顺利完成了相关的研究任务。本项目所取得的进展主要包含用户模型、界面模型、交互式开发平台以及应用验证系统四个方面： .（1）在用户模型研究方面，提出了基于神经计算的多通道交互模型，该模型预测了人机交互中多通道反馈信号与交互任务完成效果之间的影响关系；此外，通过构造用户实验，研究了真实感交互的用户运动机能，给出基本动作的合理参数及范围，提出了基于肢体交互的运动模型。.（2）在界面模型研究方面，对真实物理世界中的交互行为进行分析与归类，提出了基于真实感框架的自然用户界面设计方法；基于真实交互的特点，实现了一种菜单组件构建方法，并提出组件优化模型UCOM；在界面层，还通过实验探索眨眼间隔与用户满意度之间的关系，并提出一种多维评估指标融合的用户界面评估方法NEM(NUI Evaluation Method)。.（3）在算法及平台研究方面，提出了基于加速度传感器的角色动作控制算法和以动作方向变化控制音符播放的算法，设计和实现了一个交互式工具箱，并基于模型驱动理论，提出一种模块化、层次化的描述语言DVDL，开发了界面生成平台DVIZ；.（4）基于本项目的基础研究成果，我们在应用系统研究方面设计并实现了基于真实隐喻的交互式学习系统Flying Kite和EnseWing。Flying Kite支持包括儿童在内的用户利用肢体动作学习并体验放风筝活动，实验表明该系统在出错频度、易学性、愉悦度和自然度方面均表现出色；EnseWing系统则能够帮助未经过音乐训练的儿童学习和体验合奏，培养儿童的音乐素养和协作意识。实地研究结果表明EnseWing能够帮助儿童获得与传统器乐合奏相似的合奏意识和技能，并显著降低了学习成本。.课题共录用和发表论文9篇，其中1篇被国际重要刊物IJHCI录用，1篇被国际顶级会议CHI录用。获得发明专利授权2项，申请发明专利3项。课题组共2人次受邀参加国际学术会议并做报告。同时邀请美国宾州州立大学的Xiaolong Zhang副教授和塔斯马尼亚大学的Henry Been- Lirn Duh教授等来课题组访问，为本课题研究工作的开展起到了很好的促进作用。培养博士5名，本科生2名。.