The purpose of this study was to explore the process of designing a visuohaptic simulation for learning structural analysis following a learner-centered approach (LCD). Our implementation of an LCD approach followed a three-part iterative process: (1) requirements analysis and specification, (2) multimedia application design, and (3) prototype inspection. In designing the learning tasks, we employed a three-phase pedagogical approach of prediction, experimentation, and confirmation. We found that designing a visuohaptic simulation for learning purposes is a complex process that requires considering the learners' building of knowledge from different perspectives (e.g., prior knowledge, nonnormative conceptions, cognitive load, and modalities). A total of 51 participants interacted with the visuohaptic simulation following one of two sequenced approaches: (1) haptic feedback and minimal visual information followed by enhanced visual and haptic feedback, or (2) enhanced visual and kinesthetic feedback followed by enhanced visual and haptic feedback. Results suggest that the visuohaptic simulations promoted learners' exploration of structural analysis concepts, improved their intuition about the forces acting on the member of the structure—compression, tension, and zero-force members, and facilitated knowledge transfer. However, we concluded that our approach did not challenge participants to revise nonnormative conceptions and representational competencies. Implications for teaching and learning of our findings are discussed.

中文翻译：

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一种以学习者为中心的设计视觉触觉模拟的方法，用于对桁架结构的概念理解

本研究的目的是探索按照以学习者为中心的方法 (LCD) 设计用于学习结构分析的视觉触觉模拟的过程。我们对 LCD 方法的实施遵循三部分迭代过程：(1) 需求分析和规范，(2) 多媒体应用程序设计，以及 (3) 原型检查。在设计学习任务时，我们采用了预测、实验和确认的三阶段教学方法。我们发现为学习目的设计视觉触觉模拟是一个复杂的过程，需要从不同的角度（例如，先验知识、非规范概念、认知负荷和模态）考虑学习者的知识构建。共有 51 名参与者按照以下两种顺序方法之一与视觉触觉模拟交互：(1) 触觉反馈和最小视觉信息，然后是增强的视觉和触觉反馈，或 (2) 增强的视觉和动觉反馈，然后是增强的视觉和触觉反馈. 结果表明，视觉触觉模拟促进了学习者对结构分析概念的探索，提高了他们对作用在结构成员（压缩、张力和零力成员）上的力的直觉，并促进了知识转移。然而，我们得出的结论是，我们的方法并没有挑战参与者修改非规范性概念和表征能力。讨论了我们的发现对教学和学习的影响。(1) 触觉反馈和最小视觉信息，然后是增强的视觉和触觉反馈，或 (2) 增强的视觉和动觉反馈，然后是增强的视觉和触觉反馈。结果表明，视觉触觉模拟促进了学习者对结构分析概念的探索，提高了他们对作用在结构成员（压缩、张力和零力成员）上的力的直觉，并促进了知识转移。然而，我们得出的结论是，我们的方法并没有挑战参与者修改非规范性概念和表征能力。讨论了我们的发现对教学和学习的影响。(1) 触觉反馈和最小视觉信息，然后是增强的视觉和触觉反馈，或 (2) 增强的视觉和动觉反馈，然后是增强的视觉和触觉反馈。结果表明，视觉触觉模拟促进了学习者对结构分析概念的探索，提高了他们对作用在结构成员（压缩、张力和零力成员）上的力的直觉，并促进了知识转移。然而，我们得出的结论是，我们的方法并没有挑战参与者修改非规范性概念和表征能力。讨论了我们的发现对教学和学习的影响。结果表明，视觉触觉模拟促进了学习者对结构分析概念的探索，提高了他们对作用在结构成员（压缩、张力和零力成员）上的力的直觉，并促进了知识转移。然而，我们得出的结论是，我们的方法并没有挑战参与者修改非规范性概念和表征能力。讨论了我们的发现对教学和学习的影响。结果表明，视觉触觉模拟促进了学习者对结构分析概念的探索，提高了他们对作用在结构成员（压缩、张力和零力成员）上的力的直觉，并促进了知识转移。然而，我们得出的结论是，我们的方法并没有挑战参与者修改非规范性概念和表征能力。讨论了我们的发现对教学和学习的影响。我们得出的结论是，我们的方法并没有挑战参与者修改非规范性概念和表征能力。讨论了我们的发现对教学和学习的影响。我们得出的结论是，我们的方法并没有挑战参与者修改非规范性概念和表征能力。讨论了我们的发现对教学和学习的影响。