虛擬現(xiàn)實手柄操作引導設計對用戶體驗的影響分析

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；手柄引導；用戶體驗；操作效率；認知負荷

引言

隨著虛擬現(xiàn)實（VR）技術的快速發(fā)展，其在教育、培訓、娛樂等領域得到了廣泛應用，尤其是在執(zhí)行復雜任務（如手術訓練、虛擬游戲或模擬演習）[1] 時，VR 成為提升用戶體驗和任務效率的重要工具。然而，在虛擬環(huán)境中的物體交互中，如何設計有效的引導系統(tǒng)以提升用戶體驗，成為VR 交互設計的核心挑戰(zhàn)。

根據Hassenzahl[2] 的“用戶體驗模型”，用戶的系統(tǒng)感知（如可用性、情感反饋）直接影響任務表現(xiàn)與滿意度。合理的界面設計應平衡信息呈現(xiàn)的清晰性與認知負荷，通過動態(tài)反饋（如手柄狀態(tài)可視化）優(yōu)化用戶的“感知- 行動”閉環(huán)，從而提升交互效率與情感體驗。然而，盡管已有研究探討了虛擬現(xiàn)實中的用戶引導設計，但對于不同引導方式如何影響任務效率[3] 和用戶認知負荷[4] 的系統(tǒng)性研究尚顯不足。

物體交互任務在虛擬現(xiàn)實中廣泛應用，涉及抓取、投擲、點擊等操作。不同的引導方式顯著影響任務的效率、準確性和認知負荷[5]，因此研究不同引導設計對用戶行為的影響，尤其是如何減少認知負荷，具有重要的理論價值和應用意義。

本研究旨在探討不同虛擬現(xiàn)實（VR）手柄引導設計對用戶操作效率、準確性及認知負荷的影響，重點關注認知負荷的主觀評估。通過比較6 種不同的引導方案，研究其在虛擬環(huán)境下的實際表現(xiàn)，為未來虛擬現(xiàn)實交互設計提供理論依據和實踐指導，特別是在虛擬教育和游戲等應用場景中的潛力。

一、 相關研究

虛擬現(xiàn)實手柄操作引導是提升虛擬現(xiàn)實交互效率的關鍵方向。根據Nielsen[6] 提出的可用性原則，設計應簡化操作流程，避免冗余信息。用戶在虛擬環(huán)境中使用手柄時，過多的信息或復雜的操作步驟可能會導致認知過載，降低用戶體驗。然而，現(xiàn)有的研究大多關注手柄操作的基本應用，而對于如何平衡用戶認知負荷與操作效率的研究仍較為薄弱，以下是相關研究的一些典型案例。

首先，曾健友、張昂霄和許露（2023）在《包裝工程》期刊中發(fā)表的研究提出了虛擬現(xiàn)實展館中基于手柄交互的引導設計方法[7]。該研究通過用戶研究總結了虛擬現(xiàn)實引導設計的原則，實驗表明，該系統(tǒng)顯著降低新手用戶學習成本，提升操作熟練度與滿意度，為VR 應用可用性優(yōu)化提供實證支持其次，Tobias Hermann、Andreas Burkard 和S. Radicke（2020）在《VISIGRAPP》期刊中提出了定向反饋控制器（DFC）[8]，該控制器通過觸覺反饋增強虛擬現(xiàn)實中的沉浸感。研究表明，DFC 為用戶提供了來自不同方向的觸覺反饋，增強了虛擬現(xiàn)實游戲中的沉浸體驗，盡管存在控制器重量較重的問題，但這種設計被用戶認為具有很大的潛力。

此外，JEFFREY 通過VR 地下采礦模擬系統(tǒng)，從新手用戶的表現(xiàn)和情境感知兩個維度，證實了在VR 環(huán)境中用戶需要操作教程的引導[9]。NICKEL 等在研究VR 應用的自動化可用性評估時發(fā)現(xiàn)，缺乏引導會導致用戶行為的低效[10]。HARMS 則通過在VR 海洋尋寶系統(tǒng)中的視覺搜索任務，證明了視覺引導對于提升心流體驗和任務績效的關鍵作用[11]。SANTOS-TORRES 等的實驗證明，在任務選擇過程中使用控制器不僅能夠顯著減少時間、降低錯誤率，還能提高整體表現(xiàn)，同時，用戶對控制器的感知可用性也表現(xiàn)出較高的偏好[12]。

虛擬現(xiàn)實手柄交互憑借操作耗時短、錯誤率低及執(zhí)行效能高等優(yōu)勢，成為優(yōu)化系統(tǒng)可用性的重要方向。當前市場引導設計呈現(xiàn)多維分類特征：空間維度涵蓋空間面板引導（固定場景錨定）與手柄跟隨引導（動態(tài)位置適配），內容維度則包括文字、圖片及圖文結合等形式，見表 1。本研究通過系統(tǒng)整合上述分類，重點探究引導信息空間定位（場景/ 手柄錨定）與內容呈現(xiàn)形式（文字/ 圖片/ 圖文）的適配關系，旨在建立高效認知映射機制，降低操作認知負荷，全面提升VR 手柄交互效率。

二、 實驗設計

（一）手柄操作引導設計

傳統(tǒng)的手柄操作引導是在菜單的操作設置中展示手柄各個按鈕的使用功能，并在需要時點擊設置按鈕重新顯示操作詳情。而在虛擬現(xiàn)實空間中，可以利用空間優(yōu)勢，將常用的引導內容設計在玩家手柄附近或者錨定在玩家所處的行為空間中，調整引導界面的現(xiàn)實位置或顯示方式，從而引導用戶正確高效的操作手柄，完成指定動作。

因此本研究提出在引導操作時，通過上述兩種顯示方式，分別承載不同信息內容，見表2，來引導用戶完成指定任務。（1）信息面板采用三級設計：文字提示（組合按鍵名稱與指令）、圖片提示（高亮標注靜態(tài)手柄圖示）、圖文提示（綜合圖文信息）；（2）動態(tài)顯示設計通過高亮目標按鍵實時引導操作，與默認顯示狀態(tài)形成對照。會將目標按鍵高亮以輔助用戶尋找手柄上對應的按鍵位置，而不顯示狀態(tài)則保持手柄默認顯示樣式，見表3 。

（二）目的

本實驗旨在探討虛擬現(xiàn)實手柄操作引導的空間位置及信息層級（如文字提示、圖文提示等）對任務完成效率和認知負荷的影響。實驗設計將通過定量數(shù)據（如操作時間、錯誤次數(shù)）和主觀評估（如認知負荷量表評分）相結合，全面評估不同引導方案的效果。

（三）實驗設備及被試

采用Meta Quest3 設備與Unity 開發(fā)實驗系統(tǒng)，招募16 名健康右利手被試（21 ～ 34 歲，平均24 歲，男女各半），采集576 次實驗數(shù)據。通過操作時間、錯誤次數(shù)及9 分量表易理解度評分進行主客觀評估，運用方差分析與非參數(shù)檢驗處理數(shù)據，同步監(jiān)測個體認知負荷差異。通過操作時間、錯誤次數(shù)、易理解度評分等指標對各個引導方案進行評估，易理解度評分通過9 分量表進行主觀評估。采用方差分析、非參數(shù)檢驗等統(tǒng)計方法進行數(shù)據分析，同時考慮了個體差異并使用認知負荷量表對被試的認知負荷進行評估。

（四）實驗系統(tǒng)及環(huán)境

基于Unity 2022.3.59f1 引擎開發(fā)，遵循Meta 設計規(guī)范與硬件渲染性能，設定設備時域視場角（FoV）為110°，場景可視距離0.1-30m，環(huán)境參數(shù)符合ITU-T P.910 標準[13]。實驗界面分為任務界面（0.36m×0.23m，底邊距地1.5m）與引導界面（寬度統(tǒng)一0.36m，高度依信息類型為0.12 ～ 0.27m，底邊距地1m），兩者分別展示任務內容與手柄操作引導實驗場景見圖1。被試保持坐姿，距任務界面0.8m、引導界面0.5m，此距離基于Meta 人機工程學設計，可有效降低視覺疲勞。

在這個實驗系統(tǒng)中，被試人員坐姿位置固定，可以根據任務界面提示，以及隨機出現(xiàn)在“空間錨定/ 手柄錨定”的操作引導提示，按照提示內容，選擇正確的任務目標。當被試人員完成當前隊列的任務時，下一組引導提示界面則會出現(xiàn)手柄錨定/ 空間錨定，同時更換操作引導界面信息。系統(tǒng)會在后臺記錄用戶操作時間以及錯誤次數(shù)等數(shù)據。

（五）實驗程序

操作引導界面分為：文字引導、圖片引導、圖文引導3 個級別，手柄現(xiàn)實狀態(tài)分為：按鍵高亮顯示、按鍵默認顯示兩個級別，界面顯示位置分為：空間錨定，手柄錨定兩個級別，如圖2，這些顯示形態(tài)都來自于Meta Store 中的熱門VR 應用中的手柄操作引導形式調研而定。實驗流程以界面位置不同分為兩個部分，每個部分包含3 次不同信息層級界面與兩種不同狀態(tài)手柄的組合情況，共重復3次。因此，每一位被試人員均需要完成36 次任務，16 位被試共收集576 份數(shù)據。

實驗流程如下：實驗開始前，被試人員佩戴好設備并登錄實驗系統(tǒng)后，首先觀看簡短的實驗引導視頻，了解實驗的基本流程。實驗正式開始時，被試人員查看當前任務目標，等待3 秒鐘后，系統(tǒng)會顯示操作引導面板。根據引導信息，被試人員進行操作，成功完成后，系統(tǒng)記錄操作時間，并顯示“操作成功”的提示，同時顯示一個李克特9 分量表，要求被試根據自己的理解主觀評估操作引導的易理解程度。如果操作錯誤，系統(tǒng)不提供錯誤提示，但會記錄錯誤次數(shù)，并要求繼續(xù)執(zhí)行當前任務，直到操作成功并記錄操作用時。每完成一項任務后，系統(tǒng)隨機提供下一項任務。完成一組任務（18 次）后，系統(tǒng)等待5 秒鐘并切換操作引導面板的位置，隨后重復上述流程。

三、 實驗結果

通過計算每名被試人員的李克特量表主觀評分結果與平均意見分值MOS（Mean Opinion Scroe）之間的皮爾森相關系數(shù)PCC（Person Linear Correlation Coefficient），將兩位相關系數(shù)低于0.8的測試人員數(shù)據剔除，得到剩余的14 組有效數(shù)據

（一）任務時間

不同操作引導界面的平均任務完成時間見圖3，通過單因素方差分析（ANOVA）驗證了信息層級的獨立效應。統(tǒng)計結果顯示信息層級對操作時間的影響具有統(tǒng)計學顯著性（F=85.6，plt;0.001，plt;0.05），不同層級的平均操作時間差異顯著。具體來說，文字提示的操作時間最短，均值為4.20 秒，圖文提示為7.95 秒，而圖片提示的操作時間最長，均值為9.12 秒。效應量（η2 = 0.72）表明，信息層級解釋了72% 的操作時間變異，凸顯了信息層級作為操作時間的核心影響因素。

信息層級與手柄狀態(tài)的交互作用。通過兩因素方差分析（信息層級 × 手柄狀態(tài)）結果表明，交互效應顯著（F = 38.9，p lt; 0.001），意味著手柄狀態(tài)對不同信息層級的優(yōu)化效果存在差異。見圖4，在動態(tài)顯示的情況下，文字提示的操作時間顯著減少（6.1 秒降至4.23秒，降幅30.8%），而對圖片提示的優(yōu)化最為有限（從9.5 秒降至8.53秒，僅降幅10%）。這一結果表明，動態(tài)手柄在優(yōu)化文字提示時具有最強效果。

任務組（空間錨定界面與手柄錨定界面）對操作時間的影響未達到顯著性水平（F=1.23，p=0.27，pgt;0.05）。兩組的平均操作時間差異微小，最大差異僅0.11 秒，見圖5，表明界面錨定位置對核心操作效率無實質影響。

綜上所述，信息層級顯著影響操作時間，且手柄狀態(tài)與信息層級之間的交互作用在優(yōu)化操作時間方面發(fā)揮了重要作用。文字提示在動態(tài)顯示的幫助下表現(xiàn)出最強的優(yōu)化效果，而圖片提示的改進效果較為有限。

（二）平均誤差

在計算平均操作錯誤次數(shù)與相關變量的正態(tài)性和方差齊性檢驗時，結果顯示錯誤次數(shù)數(shù)據拒絕了正態(tài)性假設（p lt; 0.05），并呈現(xiàn)右偏分布，表明多數(shù)任務錯誤次數(shù)較少，僅少數(shù)任務出現(xiàn)較高的錯誤次數(shù)。此外，方差齊性檢驗結果（p lt; 0.001）表明組間方差不齊，因此選擇了非參數(shù)檢驗方法。

關于信息層級的影響，方差分析檢驗結果顯示信息層級對錯誤次數(shù)有顯著影響（p lt; 0.001）。具體而言，圖文提示的錯誤次數(shù)最低（均值0.63 次），顯著優(yōu)于文字提示（均值0.94 次）和圖片提示（均值1.1 次），見圖6。這一數(shù)據可能表明在虛擬顯示場景中，在 更清晰的信息層級（如圖文結合）下，用戶的錯誤率降低。而文字引導能夠提供更加清晰、具體的引導，對比圖片引導容易產生信息歧義，增加了用戶認知負擔，從而導致錯誤率上升。

在手柄狀態(tài)方面，見圖7。方差分析檢驗結果表明動態(tài)顯示顯著降低了錯誤次數(shù)（p lt; 0.001）。動態(tài)顯示組（均值0.47 次），相比不顯示組（均值1.36 次），錯誤次數(shù)下降了約65.4%。特別是在文字提示的條件下，動態(tài)顯示的優(yōu)化效果最為明顯，錯誤次數(shù)減少了82.7%。數(shù)據表面，用戶在操作過程中能直接看到手柄的變化，可以有效減少誤觸或錯誤操作。

進一步分析任務組的影響，結果顯示任務組（空間錨定與手柄錨定）對錯誤次數(shù)的影響不顯著（p gt; 0.05），兩組之間差異。

最后，分析信息層級與手柄狀態(tài)之間的顯著交互作用（p lt;0.001）。動態(tài)手柄對文字提示的優(yōu)化效果最強，錯誤次數(shù)的降低達到1.2 次，而對圖片提示的優(yōu)化較為有限，優(yōu)化效果為0.3 次。此外，圖文提示與動態(tài)顯示組合下的錯誤率最低，均值為0.22 次。

這些發(fā)現(xiàn)表明，信息層級、手柄狀態(tài)以及二者的交互作用對任務完成時的錯誤次數(shù)具有顯著影響，尤其是在文字提示與動態(tài)顯示的結合下，能夠顯著減少用戶的錯誤。但是純圖片提示即使結合動態(tài)手柄，錯誤率仍較高，說明圖片信息的有效性可能取決于用戶是否能準確理解。

（三）引導易理解程度

信息層級與手柄狀態(tài)對用戶主觀評價的影響通過非參數(shù)檢驗得到明確結論。信息層級的主效應顯著（H=146.8，plt;0.001），見圖8，文字提示評分最高（均值7.2 分），顯著優(yōu)于圖文提示（均值3.7分）和圖片提示（均值3.2 分），圖文提示評分也顯著高于圖片提示（plt;0.001）。

動態(tài)顯示對手柄狀態(tài)的優(yōu)化效果顯著（U=892.5，plt;0.001），動態(tài)顯示組評分（均值5.36 分）較不顯示組（均值3.97 分）提升35%，其中文字提示+ 動態(tài)顯示組合評分達到8.2 分，接近滿分（9分），而圖片提示+ 不顯示評分最低（2.6 分）。交互效應分析表明，動態(tài)顯示對文字提示的增益最強（評分提升1.99 分，plt;0.001），圖文提示次之（提升1.19 分），圖片提示最弱（提升0.99 分，p=0.01）。在圖文提示的情況下，動態(tài)顯示顯著改善了易理解度，這可能是因為圖文結合本身就是用戶最容易理解的形式，再加上動態(tài)顯示的輔助效果，幾乎消除了誤操作。

通過非參數(shù)檢驗（Mann-Whitney U）對比空間錨定界面與手柄錨定界面的評分差異，結果顯示兩者無顯著差異（U=2750.5，p=0.22，pgt;0.05）。

四、 討論

虛擬現(xiàn)實中的手柄操作引導設計是構建用戶全新交互體驗的基礎，本文通過實驗研究對比了不同引導面板以及不同錨定位置對操作引導的效率影響，發(fā)現(xiàn)影響用戶學習操作手柄的核心因素可歸納為：信息呈現(xiàn)的清晰性、反饋的即時性、界面設計的簡潔性、認知負荷的優(yōu)化以及場景與用戶的適配性。因此，筆者針對上述特點分別提出以下5 種交互設計原則。

（一）信息呈現(xiàn)方式與層級

信息呈現(xiàn)方式與層級是影響用戶學習操作效率與準確性的核心因素。實驗表明，信息類型（文字、圖文、圖片）對操作表現(xiàn)具有顯著差異：文字提示憑借語義明確性可實現(xiàn)最短操作時間（4.20 秒），但需依賴動態(tài)反饋（如按鍵高亮）彌補抽象性缺陷，從而將錯誤率降低82.7%；圖文結合通過視覺與語義的雙通道編碼優(yōu)勢，在復雜任務中達成最高理解度評分（4.29）和最低錯誤率（0.22 次），成為信息整合的最優(yōu)選擇；而純圖片提示因易引發(fā)歧義，錯誤率最高（1.1 次），需避免單獨使用。因此，設計需遵循任務復雜度適配原則——簡單操作（如菜單選擇）優(yōu)先采用文字提示以提升效率，復雜流程（如教學指導）則通過圖文結合實現(xiàn)精準引導，同時規(guī)避純靜態(tài)圖片造成的認知負擔。

（二）動態(tài)反饋的及時性與直觀性

動態(tài)反饋的及時性與直觀性是優(yōu)化用戶操作準確性與認知效率的關鍵要素。實驗表明，動態(tài)顯示（如按鍵高亮、狀態(tài)變化）能夠顯著降低錯誤次數(shù)（降幅65.4%）與認知負荷，其核心機制在于即時反饋通過視覺引導強化“感知- 行動”閉環(huán)，縮短用戶決策時間（如操作時間減少30%）。基于此，設計需遵循動態(tài)反饋優(yōu)先原則——默認啟用動態(tài)反饋作為基礎配置，并在復雜任務（如路徑導航、多步驟操作）中結合路徑動畫、手勢追蹤或傳感器數(shù)據反饋（如壓力可視化），以增強引導的直觀性與沉浸感，從而在高要求的虛擬交互場景中實現(xiàn)高效、低負荷的用戶學習體驗。

（三）界面設計的簡潔性與適配性

界面設計的簡潔性與適配性對用戶信息吸收效率具有決定性影響。界面位置需根據應用場景靈活適配——教育類任務宜采用空間錨定（固定位置，如底邊距地面1m），確保信息穩(wěn)定性，而游戲類場景推薦手柄錨定（跟隨手柄動態(tài)顯示），以維持操作連貫性（如《異形VR》的交互設計），既減少了視覺干擾，又滿足了用戶按需獲取信息的需求，從而在復雜虛擬環(huán)境中實現(xiàn)高效認知引導。

（四）認知符合管理策略

認知負荷與操作效率的負相關性（如高負荷導致錯誤率上升40%）要求設計者采取針對性優(yōu)化策略。減少外部負荷可通過動態(tài)反饋實現(xiàn)（如按鍵高亮無需用戶記憶功能映射）；優(yōu)化內部負荷則需依托信息整合機制，通過視覺與語言雙通道編碼提升信息處理效率（理解度評分提高1.8 倍）。設計實踐中，需嚴格規(guī)避冗余信息（如無關圖標或過長文本），逐步過渡至簡化模式，以此實現(xiàn)認知資源的合理分配與用戶體驗的持續(xù)優(yōu)化。

（五）用戶個體差異與場景適配

用戶經驗與任務類型的差異化需求要求設計具備高度靈活性。對于新手用戶，優(yōu)先采用“圖文+ 動態(tài)顯示”組合（錯誤率降低至0.22次），通過多模態(tài)信息降低學習門檻；而熟練用戶可切換至“文字提示+ 動態(tài)顯示”（操作時間4.20 秒），以最大化操作流暢性。場景適配方面，游戲類應用需側重效率（如《阿斯加德之怒》采用手柄錨定文字引導），教育類場景則強化理解度（如VR 解剖教學結合3D 模型與步驟圖文），從而在多樣化虛擬現(xiàn)實場景中滿足不同用戶的交互需求，推動VR 技術從功能化向智能化演進。

結語

本實驗通過比較不同手柄引導方案在操作時間、易理解度評分和錯誤次數(shù)等方面的表現(xiàn)，揭示了在不同情境下手柄引導的有效性。實驗結果表明，“文字提示 + 動態(tài)顯示”方案在操作效率、用戶理解度以及錯誤率方面表現(xiàn)優(yōu)異，綜合得分最高。因此，在實際應用中，推薦優(yōu)先選擇該方案，以提高用戶操作效率和減少誤操作，適用于游戲等需快速響應的場景。而“圖文結合+ 動態(tài)顯示”方案則能兼顧理解度與準確性，更適合教育、培訓等復雜任務。相反，“圖片提示 + 不顯示”方案由于操作時間較長、理解度評分較低以及錯誤次數(shù)較多，其效果相對較差，不適宜在此類任務中廣泛應用。

通過此次實驗，不僅驗證了不同引導方案的效果，也為虛擬顯示場景手柄操作引導設計提供了更加具體的設計指引，本研究的理論貢獻在于將認知負荷理論、Nielsen 可用性原則融入VR 交互設計，擴展了Nielsen 可用性原則在高沉浸環(huán)境中的應用邊界。未來可結合眼動追蹤與多模態(tài)反饋（如觸覺），進一步探索用戶認知資源的分配機制，進行更加細致的分析和調整，以達到最佳的用戶體驗和操作效果。