基于数字化学习的人机交互界面设计在自闭症儿童社会互动能力中的应用

张歌

(南昌师范学院 南昌 330032)

1 前言

儿童是祖国的花朵，是民族的未来，保护每一个儿童的身心健康，对少年儿童进行德智体美劳全面的教育，是事关国家兴盛、民族复兴的百年大计。然而在我国有200万左右的自闭症儿童，而且这个数字每年都在增加，由于自闭症目前没有完全有效的治疗方法，而自闭症儿童也无法像正常儿童一样接受常规教育，并且在社交能力上有很大的障碍，对于一些基本的生存技能也没用办法掌握，必须进行大量的重复训练和人为干预才能获取新的技能，但是这样的教育方法不仅效果差而且费时费力，为了帮助这些特殊群体可以更好的接受教育，提高他们的社会互动能力和个人素质，保证每一个儿童在阳光下健康成长，特殊教育事业必须被重视起来[1]。随着计算机和互联网技术的大规模普及，各行各业都在进行智能化和自动化的升级和改革，教育要面向广大青少年就必须时刻保持自身的先进性，跟紧时代的发展，以特殊教育为例，为了保障那些先天残疾、智力低下、心理障碍、精神不佳的特殊儿童群体的身心健康，提高他们的综合素质以及生存技能，教育者和一大批学者都在不断积极寻找可以有效实现特殊教育、提高教学效果的办法，结合现代信息技术来实现特殊教学不仅可以提高教学质量而且能够节约人力和时间成本[2]。近年来人机交互技术逐渐走向成熟，以人和计算机之间的交互对话获取信息并做出反馈，这对于不善于沟通的自闭症儿童来说是一种非常好的教育方式[3]。

本文将以数字化学习为基础对人机交互技术在自闭症儿童的社会互动能力提升中的实际应用进行研究和分析，以SWOT分析法进行人机交互技术的可行性评估，并以乘坐公交车这项社交技能为例对自闭症儿童进行实验，发现人机交互界面设计对于自闭症儿童的社交能力具有一定的促进作用，这对于今后自闭症儿童的教育和人机交互技术的发展都具有一定的借鉴和指导意义。

2 研究现状及基础

2.1 自闭症儿童的教育问题概述

对于自闭症儿童来说，由于情绪缺陷使得其无法像正常儿童一样接受信息，无法准确理解信息，而自闭症目前来说还没有完全根治的办法，只能在早期进行预防和干预才能减轻症状[4]，因此对自闭症儿童的教育是非常有难度的事，既要保证信息的准确传达又要进行多次训练才能让他们完全掌握技能，这就需要大量的精力和时间，由于教育资源的紧缺，无法对每个患者儿童进行多次训练，所以一些教育家开始借助辅助工具来对自闭症儿童进行干预训练，比如利用多媒体教学来加强记忆，结合传统的教学模式可以对自闭症儿童的教育起到一定的促进作用，在学校和家庭都非常实用[5]。近年来，以数字化学习为基础的人机交互技术逐渐兴起，基于人机交互的游戏化界面设计可以完美地解决重复训练以及信息准确传达的问题，自闭症儿童可以通过完成游戏中的场景和操作来达到技能训练的目的，其独特的趣味性学习环境有助于降低自闭症儿童的负面情绪，将该技术应用到特殊教育领域中可以为特殊教育带来新的转机，但是具体如何对人机交互界面进行设计才能满足自闭症儿童的信息量需求、如何进行规范操作才能准确地对信息进行评估并做出反馈、如何对自闭症儿童进行积极干预都需要系统的研究[6]。

2.2 基于态势分析法的可行性评估

对于人机交互技术在自闭症儿童社会互动能力的应用，本文应用态势分析法(SWOT分析法)进行可行性分析，SWOT分析主要通过调查研究对象的内部优势、内部劣势、外部机会、外部威胁，并按照矩阵形式排列，将各种相互制约的因素列出来按照系统思维进行态势分析，分析结果在结构和系统上具有非常高的规范性，这种分析法目前在教育领域被广泛应用[7]。以SWOT分析法对人机交互技术进行分析，首先分析其在自闭症儿童教育中的优势、劣势、机会、威胁等客观因素，再根据态势进行方案设计。人机交互技术(Human-Computer Interaction,HCI)的核心在于人与计算机进行高频率的信息互动和反馈，囊括了计算机学、心理学、人文社科学等交叉学科的内容，为了帮助自闭症儿童在人机交互系统中从被动接受信息到主动适应环境，需要提供游戏化的学习训练环境，同时电子设备的出现使得自闭症儿童更容易接受互动式学习模式，这边是人机交互技术的内部优势所在[8]。

2.3 人机交互界面的设计

在数字化的学习环境中，认识信息、理解信息、传递信息是实现人机交互的重要渠道，为了帮助自闭症儿童更好地接收和理解信息，人机交互界面的设计必须遵循安全、简洁、统一的原则，具体来说：从安全的角度出发，界面中需要具备一定的容错性和防御性，在使用者进行交互操作时要保证指令的正确，当出现错误指令应该及时做出错误警告，出现突发故障应该及时保存用户数据防止发生泄露和丢失；从简洁的角度出发，界面的功能区和任务流程应该简单明了，通俗易懂，因为自闭症儿童的理解能力不是很高，过于复杂的操作界面只会增加人机交互的难度；从统一性的角度出发，界面图像设计需要和内容相统一，便于自闭症儿童的理解，同时设计理念和用户需求相统一，设计思路和数字化教学的思路相统一，这样才能保证用户和系统形成完美的信息交互回路，实现数字化的高效学习[9]。

随着计算机和智能设备的普及，可视化信息愈发朝着复杂化和多样化发展，传统的人机交互界面由于缺少对信息的整合所以在功能区的设计上显得非常凌乱没有章法，而随着技术的进步，按照以上几点要求对人机交互界面进行设计，是促进数字化教学的人机交技术从功能导向转为用户需求为导向的重要手段，其大致思路如下：(1)对于界面信息量过大内容杂乱的问题可以通过分类整合的方式进行优化，按照不同维度、不同用户对象、不同功能板块、不同任务类型来进行分区设计；(2)交互系统由多个不同功能的子系统构成，子系统之间保持相对独立性互不影响，保证不同功能系统的个性化；(3)信息接收和传递需要通过编码和加密，保证用户的隐私信息不被侵犯；(4)降低操作难度，去专业化和复杂化使得交互系统操作起来流畅方便，不需要专业人员的指导[10]。可视化信息在人机交互技术中的不断升级将直接提高用户的体验感，同时强化交互系统的实用性，特别是在对自闭症儿童进行社会互动能力的干预训练时，其简洁的操作界面和流程将会大大提高用户的体验感受，增强自闭症儿童对信息的记忆能力和模仿能力。此外，游戏化的学习模式对于儿童来说更具有吸引力，不容易引起方案，所以在进行人机交互界面设计时还可以适当加入动画和游戏元素，更多地以用户需求为导向进行界面设计可以有效地增加用户粘度[11]。

3 对象与方法

本文从当地康复机构中随机选取三名自闭症作为本次乘坐公交车技能训练实验的研究对象，为保护隐私将他们编号为A、B、C。本次实验将采用安全性和操作性较强的人机交互界面为测试平台，实现输入乘坐公交车的样本数据作为原始模拟资料，分别对三名儿童进行为期数周的技能训练(具体时间以测试者完全熟练掌握技能为止)，按照整体乘坐公交车的完成情况为主要参考标准，以整个训练周期为自变量，技能的掌握情况为因变量，其中技能的掌握情况将以目标项目完成的进度百分比为准，具体来说就是以单个技能训练点数除以整体技能训练点数，然后再乘以该技能在整体技能中的权重最后得到的完成度，其主要依据训练过程中的数据反馈而得来的，由于整个训练周期较长本文决定以周为单位，取一周内的所有训练次数的技能完成度平均值作为本周的完成度。

乘坐公交车不仅是日常生活中频繁使用的技能，而且涉及的流程相对简单，社交难度居中，对于自闭症儿童来说是非常好的训练项目，所以本文将以乘坐公交车为训练课程对自闭症儿童进行干预训练。具体教学设计将根据乘坐公交车的实际场景进行模拟，并在人机交互界面以游戏或动画的形式展现给用户，课程中主要包括单项技能、整体技能、技能延伸三大板块，每个板块都将根据车站、车厢、车座不同场景进行不同技能的实操演练，用户将通过完成每个模块的游戏训练便可以掌握相关的技能，反复训练后可以实现技能的熟练运用，为了满足不同年龄和性别的自闭症儿童需求，教学训练可以进行难度的调节，对于年龄较小的自闭症儿童可以从最初级的训练开始，难度划分使得教学更加人性化。整个乘坐公交车的过程被演化为游戏场景，按照乘车流程划分为不同的技能项目如排队等车、排队上车、买票、车厢内移动、落座、让座、排队下车等虚拟情景，用户将按照提示信息一步一步完成演练，直到整个乘车过车完整模拟下来，最后系统将根据用户各项技能点的完成进度评估对该项技能的掌握情况。为了使训练效果更加贴近生活，后续的训练延伸主要是针对已经熟练掌握技能的用户来进行泛化演练，具体将通过新增乘车信息如不同的公交车外观、不同公交车路线、不同车站、不同乘客、不同出发地和目的地等，该模式下用户将根据已有的乘车经验自行完成训练，对于未知的乘车路线、车辆外观、未知的目的地、随机出现的时间任务和乘车方向等不确定因素用户需要克服自己的心理障碍并且灵活应用已掌握的乘车技能，只有多次进行训练延伸才能从根本上掌握乘坐公交车这项社交技能。

4 结果

4.1 训练次数对于技能掌握的影响

对自闭症儿童A、B、C分别进行一段时间的乘坐公交车技能训练后，其训练周期和训练次数统计结果如图1所示：

图1 三个测试儿童的训练次数和训练周数对比

由图1可知，三名儿童的训练次数相对持平，30次以内就对乘坐公交车这项技能有了一定的掌握，而且总的训练周期也维持在14周左右，说明训练记忆将长期保留在测试者记忆中后续停止训练以后这项技能也不会衰减，可见人机交互技术的训练手段对于自闭症儿童的社交互动能力具有一定的针对性。

4.2 不同测试者对于技能的掌握情况

为了研究技能训练的实际效果，接着我们分别以三个测试者A、B、C的干预训练次数为自变量，对于技能的完成度为因变量分别进行绘图，结果如图2所示：

图2 测试儿童在训练干预期技能完成度对比(a)儿童A(b)儿童B(c)儿童C

由图2可知，三名测试者随着干预训练次数的增多其技能完成度也逐渐增高，测试者A在整个干预训练阶段的技能完成度平均值为0.75，在训练接近尾声时其技能完成度已经达到1，说明已经熟练掌握了乘坐公交车这项技能；而测试者B在整个训练阶段的平均完成度为0.76，与测试者A相差不大，同样也在训练后期完成度达到1，表明已经熟练掌握该技能；而测试者C在训练期的平均完成度仅为0.72，虽然在训练后期也已经达到1但是整体的技能完成度起伏较大，说明C的学习能力较低于A和B。

5 讨论

通过实验数据分析可知，三名测试者在经过长期的技能训练后，乘坐公交车的能力显著提高，说明以游戏情景对人机交互界面进行设计的教学训练确实可以帮助自闭症儿童提高乘车技能，而且这种效果不局限于人机虚拟情景中，后续对三名儿童进行追踪观察发现他们在实际生活中的乘坐公交车也非常熟练，说明虚拟场景在向真实场景转化中不存在太大的障碍。此外，关于测试者C 的训练效果不如A、B的问题，可能是由于C的年龄略大于A和B，在自闭症儿童的教育中，早期的治疗效果更加明显，这也在一定程度上证实了自闭症儿童的治疗应该越早越好。通过人机交互技术设计的乘坐公交车技能训练教学，有效地提高了自闭症儿童的社会互动水平，帮助他们掌握了基本的乘车能力，实现了从数字化教学到实践的完美飞跃，另外，人机交互技术在一定程度上具有社会互动能力的治疗效果，三名测试者在后期的追踪观察中对于其他的社交互动中没有特别的排斥，说明该技术对于提高自闭症儿童的社会互动能力也具有一定的积极作用。

6 小结

本文通过利用人机交互技术对自闭症儿童的社会互动能力进行有效性研究，完成设计交互界面和乘坐公交车训练方案后，对三名自闭症儿童开展实际训练，对训练次数和技能完成度进行统计分析，发现人机交互技术不仅可以在虚拟环境里有效提高测试对象的乘坐公交车的完成度，在实际场景中测试者也可以独立完成整个乘车项目，同时人机交互技术对自闭症儿童的其他社会互动能力有一定的积极作用。本文存在的不足：由于时间和人员限制，本文仅对三名自闭症儿童进行技能训练，样本数量过少所以实验结果还存在局限性，对自闭症儿童的教育问题还需要进一步的深入研究。相信随着科学技术的进步和数字化学习的普及，人机交互技术将给更多的自闭症儿童带来个性化的技能训练，帮助他们实现社会互动能力的大幅度提高。