具身認知下的兒童智能玩具交互設(shè)計范文
本站小編為你精心準備了具身認知下的兒童智能玩具交互設(shè)計參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
摘要：目的探究具身認知視角下的兒童智能玩具交互設(shè)計方法。方法通過對具身認知和信息加工兩種認知理論模型進行對比分析，提煉具身認知理論的核心特征；通過對具身交互和兒童智能玩具交互設(shè)計的具身性進行研究，發(fā)現(xiàn)將具身認知引入兒童智能玩具交互設(shè)計的機會和意義；通過分析兒童的具身認知特性并結(jié)合前期相關(guān)研究，構(gòu)建基于具身認知的兒童智能玩具交互設(shè)計方法。結(jié)論具身是兒童認識和理解世界最本能的方式。兒童智能玩具的交互設(shè)計需要同時考慮到兒童的具身認知特性以及融合了物理實體和虛擬計算在內(nèi)的復(fù)雜交互系統(tǒng)的特點。通過將具身認知理論與兒童智能玩具的交互設(shè)計相結(jié)合，提出信息的多通道輸入輸出、交互行為的自然化和直覺化兩個交互設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞：具身認知；兒童智能玩具；交互設(shè)計；設(shè)計方法
具身認知是兒童在成長過程中認識和理解世界最簡單和直觀的方式。技術(shù)的嵌入使傳統(tǒng)玩具與兒童的互動模式發(fā)生了變革，但兒童用身體去探索世界的本能并未發(fā)生改變。將具身認知理論融入兒童智能玩具的交互設(shè)計中，能夠幫助設(shè)計者在由人、技術(shù)、產(chǎn)品、環(huán)境所構(gòu)成的新的生態(tài)系統(tǒng)下探索一種更加合理、自然、直覺的交互方式，創(chuàng)造趣味而有活力的兒童智能產(chǎn)品，體現(xiàn)出設(shè)計對人性的關(guān)懷。
1概述
1.1具身認知理論綜述
人認識世界從自己的身體開始[1]。主體以自身為基準，形成了大小、高低、前后、左右的空間認知；冷與難過、暖與快樂，物理感覺認知幫助理解抽象的高級情感體驗。Lakoff和Johnson將具身認知（EmbodiedCognition）看作概念形成和理解世界的基礎(chǔ)[2]。作為認知心理學(xué)領(lǐng)域的一個新興的研究方向，具身認知一方面還原了客觀主體認識世界的一種常態(tài)化方式，另一方面為人與外界的交互提供了新的研究視角。情境、身體的感知和運動系統(tǒng)是具身認知形成的兩個重要條件。情境作為源域為具身認知提供了豐富的信息來源，身體的感知和運動系統(tǒng)在情境的激發(fā)下獲得大量感知運動經(jīng)驗，經(jīng)過大腦處理形成基礎(chǔ)認知隱喻。隨著刺激不斷加深加強，基礎(chǔ)認知隱喻進一步發(fā)生概念融合和轉(zhuǎn)化，最終形成穩(wěn)定的認知結(jié)構(gòu)，個體由此逐漸完成對事物的理解和認識。
1.2兒童智能玩具發(fā)展現(xiàn)狀
玩具，即供人（尤其是兒童）娛樂和游戲的器具[3]，融合了有形實體和數(shù)字媒體技術(shù)、具備一定人機互動性的兒童玩具即可稱之為兒童智能玩具[4]。早在20世紀70年代，國外已經(jīng)開始對智能玩具展開研究，1998年MIT與樂高合作推出以可編程積木為核心的智能機器人揭開了全球玩具智能化的序幕。經(jīng)過20年的發(fā)展，兒童智能玩具的種類不斷豐富，益智類、教育類和娛樂類占據(jù)市場主流，代表產(chǎn)品如費雪的“學(xué)習(xí)廚房”、索尼的AIBO機器狗等，交互方式主要包括語音控制、肢體觸碰以及圖像交互[5]。近年來，基于實體用戶界面的兒童智能玩具結(jié)合HCI，CV和AR等新技術(shù)實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實的無縫聯(lián)結(jié)，為兒童智能玩具的發(fā)展提供了新思路。縱觀國內(nèi)兒童智能玩具市場，將虛擬界面、卡通造型和簡單交互技術(shù)相結(jié)合的兒童智能玩具占據(jù)主流，學(xué)習(xí)和游戲內(nèi)容主要依托于后臺數(shù)據(jù)庫，較低的技術(shù)壁壘和開發(fā)門檻導(dǎo)致大量產(chǎn)品的同質(zhì)化，無法從根本上激發(fā)兒童的創(chuàng)造力，亟待進一步發(fā)展創(chuàng)新。
2具身認知與兒童智能玩具交互設(shè)計
2.1具身認知理論模型
根據(jù)認知心理學(xué)理論，人的整個認知過程可歸納總結(jié)為3個步驟：環(huán)境刺激下感受器接收信息—大腦對信息進行加工處理—效應(yīng)器輸出信息。感受器主要指身體的感官系統(tǒng)，包括視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、力覺等，效應(yīng)器主要指能夠?qū)Υ竽X指令做出反應(yīng)的肌肉、腺體和器官，具體表現(xiàn)為相應(yīng)的表情、語言、動作和行為，見圖1。對信息進行加工處理是傳統(tǒng)認知心理學(xué)的研究重點，其中Wickens的信息加工理論模型最為典型，見圖2a。該模型將信息加工過程分為幾個模塊，主要包括感覺貯存、知覺轉(zhuǎn)譯、決策和執(zhí)行。在知覺轉(zhuǎn)譯模塊，大腦將短時感覺信息與記憶中的相關(guān)信息進行匹配，如圓形、黃色和熱量匹配太陽，一旦知覺對象被歸納為某一范疇，大腦就會做出相對應(yīng)的決策并支配人的行為。具身認知相關(guān)理論（CMT理論、PPS理論、SSM理論）反對此種視心理為計算、圖式或表征的信息加工機制，認為感知覺經(jīng)驗以及身體與環(huán)境在互動過程中所產(chǎn)生的運動經(jīng)驗直接影響認知的形成。具身認知理論將身體、認知與環(huán)境看作統(tǒng)一整體[6]，并強調(diào)認知在此過程的無意識性，見圖2b。從交互設(shè)計的角度看，基于信息加工理論的交互設(shè)計著重研究用戶輸入的信息與機器輸出的信息是否相匹配的問題，而基于具身認知理論的交互設(shè)計則側(cè)重對感知覺的分析并關(guān)注身體與環(huán)境的互動過程，更加強調(diào)交互系統(tǒng)的整體性、互動性和直接性。
2.2基于具身認知的交互設(shè)計
交互設(shè)計以用戶體驗為基礎(chǔ)，通過研究用戶的期望和行為構(gòu)建人與產(chǎn)品之間愉快和諧的關(guān)系，目標在于開發(fā)宜人的人機界面。人機界面即人與機器之間傳遞和交換信息的媒介，不僅局限于人與計算機界面的直接接觸，還包括遠距離信息傳遞與控制的作用空間[7]，人機交互模型見圖3。交互設(shè)計的核心在于信息的輸入和輸出。傳統(tǒng)的命令行和圖形用戶界面（GUI）以信息加工理論為基礎(chǔ)，通過鼠標、電腦等設(shè)備進行信息輸入并以圖形和聲音的形式完成信息輸出，用邏輯和符號來模擬和建構(gòu)人與外界的關(guān)系。20世紀70年代以來，此類交互范式越來越受到質(zhì)疑，實物交互和社會計算的發(fā)展使設(shè)計融入日常成為一種趨勢，新的交互概念基于具身認知理論，提倡充分運用人類技能，關(guān)注設(shè)計的參與性和情境性[8]。具身認知的研究重點在于人與環(huán)境互動交流的本質(zhì)，認為主體在后天環(huán)境潛移默化的影響下所獲得的習(xí)得性經(jīng)驗是認知的重要來源。因此，在人工智能交互系統(tǒng)中應(yīng)關(guān)照人“體認”世界的方式，營造自然、真實、直覺的交互參與狀態(tài)。具身交互過程中，用戶在物理世界中與嵌入計算的日常事物展開交互，形成了信息輸入和輸出的新模式，不僅減輕了人與機器之間的認知障礙并且實現(xiàn)了有形實體與虛擬數(shù)字之間的自然橋接，見圖4。具身交互與實物交互存在一定的區(qū)別和聯(lián)系，具身交互依托于有形實體，強調(diào)交互的日常性和直覺化，實物交互的重點則在于將數(shù)字信息耦合到物理對象中從而達到方便用戶操作的目的[9]。具身交互更注重交互的社會性表達，有形的物理對象和自然直覺的交互行為是具身交互的兩個重要特征。智能積木Siftables將圖形界面與有形模塊相結(jié)合組成了一個數(shù)字化智能生態(tài)系統(tǒng)，用戶能夠以日常的方式通過操縱智能模塊來處理數(shù)字信息，如用“傾倒”的方式來調(diào)制顏色，畫面內(nèi)容會跟隨傾斜的動作而傾斜，形成了較為典型的具身交互范式，見圖5。
2.3兒童智能玩具交互設(shè)計的具身性
2.3.1物理具身信息技術(shù)的發(fā)展使數(shù)字信息嵌入傳統(tǒng)玩具成為可能，進而誕生了兒童智能玩具。兒童智能玩具依托于有形玩具實體并且能夠在游戲中提供雙向人機交互，創(chuàng)造了一種多媒體的、交互豐富的游戲環(huán)境[10]。兒童與玩具的交互是一種探索性的嘗試行為，兒童置身于游戲環(huán)境中并通過與玩具的物理接觸獲得了豐富的感官刺激和身心體驗，逐步提高了對事物的理解，這一過程與具身認知強調(diào)身體、認知（游戲體驗）與環(huán)境（交互情境）一體化的思想觀不謀而合[11]，在物理層面體現(xiàn)出兒童智能玩具交互設(shè)計的具身性。認知嵌入環(huán)境，身體與外界的互動成為認知的重要組成部分，玩具的物理屬性為具身認知的形成提供了豐富的土壤。具身研究表明物體的顏色、尺寸、重量以及物體表面的溫度、濕度、光滑度、粗糙度、物體所發(fā)出的聲音等物理屬性能夠影響認知主體的好惡傾向和態(tài)度，如暖色調(diào)更能代表溫暖，表面粗糙的工具往往增加了操作者的“心理難度”。感知覺經(jīng)驗為個體內(nèi)部概念、人際概念的形成以及隱喻知識的發(fā)生發(fā)展提供了本體論構(gòu)架[12]，同時也是重要的具身交互體驗。
2.3.2行為具身兒童智能玩具的交互主體是兒童，當(dāng)前對兒童智能玩具交互設(shè)計的研究大多從兒童的身心發(fā)育特點以及交互技術(shù)的應(yīng)用兩方面展開。根據(jù)皮亞杰的兒童認知發(fā)展論，兒童認知的發(fā)展具有階段性和不完全性的特征，0~2歲的兒童處于感知運動階段，兒童與外界的交互行為是發(fā)自本能和無意識的；從2歲到11歲，兒童逐漸完成了從具象思維到簡單抽象思維的過渡；11歲以后兒童開始逐漸掌握高級的抽象思維能力。兒童在成長過程中難以像成人一樣用抽象的邏輯思維和生活經(jīng)驗分析具體問題，需要大量借助感官系統(tǒng)與外界事物進行具身的行為交互來獲得思維和意識。因此，為兒童設(shè)計的智能玩具產(chǎn)品往往具有較強的體驗性和互動性，需要滿足兒童的具身交互需求，并且在交互過程中體現(xiàn)出自然、開放的行為特征，從用戶行為層面體現(xiàn)出較強的具身性。
2.4具身認知與兒童智能玩具交互設(shè)計的意義
將具身認知理論引入兒童智能玩具的交互設(shè)計中，具有以下2方面的意義：（1）針對兒童在游戲過程中的具身參與狀態(tài)和交互情境的研究相對較少，研究具有一定的創(chuàng)新性；（2）兒童智能玩具誕生于實物交互和社會計算的雙重背景下，新的人機交互拓展了圖形用戶界面的范疇，更加要求兒童的具身參與，引入具身認知理論有利于設(shè)計出更具人性化的智能玩具產(chǎn)品。
3兒童的具身認知特性
根據(jù)具身認知理論模型，身體與外界互動時所獲得的感知和運動經(jīng)驗促進了兒童認知的形成。感知覺主要指視覺、聽覺、觸覺、力覺、物體知覺、時間和空間知覺等，運動主要指包括動作在內(nèi)的運動能力和行為發(fā)展。兒童的感知和運動發(fā)展在不同的年齡段表現(xiàn)出不同的特征，見表1。新生兒喜歡注視色彩鮮明、圖案復(fù)雜的物體，能夠分辨聲音和聲音的方向，觸覺發(fā)育十分敏感，喜歡用手去感受和探索身邊的事物。為新生兒開發(fā)的智能玩具可通過將常見的觸覺材料與形狀、色彩、聲音相結(jié)合，形成多重感官刺激，讓兒童通過眼看、耳聽、手握等具身方式來理解日常事物的基本概念。兒童在2~3歲時能夠辨別物體的大小、形狀和色彩，4歲完成聽覺發(fā)育，5~6歲時能夠區(qū)別物體的體積和重量，6歲完成視覺發(fā)育，大運動和精細運動的發(fā)展基本成型。在這一階段，兒童對事物的認識是具體和直觀的，兒童智能玩具可在物理層面上提供更加豐富的感官刺激幫助兒童進一步理解物體的大小、冷熱、軟硬、輕重等屬性概念，可通過色彩的對比調(diào)和進一步提高兒童的視知覺能力，在行為層上需要設(shè)計更多互動性的模塊，使兒童在具身互動過程中建立起初步的生活經(jīng)驗，如什么樣的材質(zhì)適合抓握，什么樣的高度容易摔跤。到了學(xué)齡期，兒童開始逐漸對讀寫、算數(shù)、繪畫產(chǎn)生興趣，并開始對一些簡單的規(guī)律產(chǎn)生好奇，在這一階段，兒童智能玩具可充分利用圖像交互、肢體觸碰等技術(shù)手段培養(yǎng)和鍛煉兒童的動手動腦能力以及聯(lián)想思維能力。兒童在具身認知過程中由于其感覺、知覺和運動能力的發(fā)展而表現(xiàn)出一定的階段性和漸進性，兒童智能玩具的交互設(shè)計應(yīng)考慮到這個特點有針對性的做出合適的設(shè)計選擇。
4基于具身認知的兒童智能玩具交互設(shè)計方法
4.1信息的多通道輸入輸出
傳統(tǒng)的圖形用戶界面主要通過手部、眼睛和聲音輸入信息。具身交互依托于有形實體，信息的輸入和輸出將更加自然全面。根據(jù)具身認知理論模型以及兒童的具身認知特性，建立多通道的信息交互，形成豐富的感官和運動刺激，對于處在生長發(fā)育階段的兒童來說具有十分重要的意義，見圖6。
4.1.1視覺通道兒童在嬰幼兒時期對顏色十分敏感，喜歡明亮鮮艷的顏色，尤其偏愛紅色、黃色、綠色、橙色和藍色，到2歲左右能夠區(qū)別各種圖形，6歲時進入成人視覺。兒童智能玩具在造型設(shè)計上應(yīng)選用純度和飽和度較高的顏色，選用辨識度清晰的圖形或卡通圖案。隨著兒童立體視覺的發(fā)育，開放式的、可自由搭配的實體玩具模塊能夠開發(fā)兒童的空間智力和想象能力，如樂高智能積木。4.1.2觸覺通道觸覺是人體中發(fā)育最早、分布最廣、最復(fù)雜的感覺系統(tǒng)，能夠感知外部環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動和疼痛，能夠幫助修正視覺偏差、提高認知準確度[13]。兒童的觸覺發(fā)育在1歲以后趨于成熟。觸覺信息通道的交互包括觸覺感知和觸覺反饋兩方面。在觸覺感知方面，豐富的材質(zhì)和肌理能夠提供多種觸覺刺激，幫助兒童對客觀事物有初步的了解，例如沙子是粗糙的，玻璃是光滑的。觸覺反饋能夠有效傳達鼓勵、贊賞、警告等信息，例如通過振動的時長和頻率來增強體感或提示操作錯誤。此外，還可以利用溫度覺來傳遞信息，例如熱感更能促使個體產(chǎn)生積極的心態(tài)和評價，利用高科技變溫材料產(chǎn)生熱反饋可以達到鼓勵的效果。
4.1.3聽覺通道聽覺是具身認知形成的重要通道。在具身交互過程中配合視覺圖形和觸覺感知提供相應(yīng)的聽覺反饋能夠幫助嬰幼兒學(xué)習(xí)日常事物的基本概念，如汽笛聲、風(fēng)聲、雨滴聲、打鼓聲等。兒童在3個月左右開始對聲音產(chǎn)生定向反應(yīng)，在玩具中內(nèi)置不同方位的聲音信號能夠鍛煉兒童的聽覺發(fā)育。聽覺發(fā)育成熟后，利用聽覺反饋可以有效表達地理位置、角色定位以及當(dāng)前的交互情境從而輔助兒童進行具身判斷，如怪獸的咆哮聲和戰(zhàn)爭的號角聲。
4.1.4動覺通道互動體驗是具身認知的重要組成部分。兒童智能玩具在交互設(shè)計中應(yīng)關(guān)照兒童的動覺發(fā)育，運用多種交互技術(shù)增強玩具的互動性和趣味性。對于嬰幼兒，可通過模擬不同的生活情境讓兒童體驗“開—關(guān)”、“推—拉”等簡單動作，形成習(xí)得性動作經(jīng)驗。隨著兒童綜合認知能力的提升，設(shè)置具有挑戰(zhàn)性的交互操作，不僅能夠鍛煉兒童的動手操作能力，同時能夠提升兒童的智力水平和邏輯思維能力，如智能遙控玩具能夠讓兒童在互動過程中感受重力、磁力等物理現(xiàn)象。
4.2交互行為的自然化和直覺化
前文研究已經(jīng)表明，具身認知強調(diào)認知在具身狀態(tài)下的無意識性，具身交互旨在幫助用戶以日常的形式操縱數(shù)字信息，還原人與環(huán)境的真實互動。基于具身認知的兒童智能玩具交互設(shè)計應(yīng)符合兒童用身體來探索世界的認知特點，幫助兒童專注于當(dāng)前的游戲情境而不因復(fù)雜的技術(shù)和操作產(chǎn)生覺知壓力。根據(jù)具身認知理論模型，感覺通道和運動通道是認知形成的兩個重要通道，也是兒童接收外界信息的途徑，從交互通道的角度出發(fā)、綜合利用多種傳感技術(shù)，通過識別兒童的視線、面部表情、肢體語言、聲音、腦電等來預(yù)估和判斷兒童的行為意圖，并結(jié)合智能情境提供相應(yīng)的行為引導(dǎo)，能夠有效減少認知障礙，營造自然的具身交互環(huán)境。在視覺通道，玩具可利用眼動追蹤技術(shù)觀測兒童的視覺注意中心并自動執(zhí)行相關(guān)操作，如點亮屏幕、放大圖像、周圍像素的高質(zhì)量渲染等；在觸覺通道，觸覺傳感器能夠幫助兒童與玩具產(chǎn)生自然的肢體互動，“孩之寶”開發(fā)的兒童智能玩具菲比精靈在毛絨外表下內(nèi)置觸覺傳感器，兒童可以通過撓它的頭頂或者拉它的尾巴與菲比產(chǎn)生交流。此外，粗魯或友好的不同對待方式會觸發(fā)菲比不同的表情和行為，潛移默化的影響兒童形成與人交往的良好習(xí)慣；在聽覺通道，語音識別技術(shù)已經(jīng)能夠讓兒童與玩具進行自然對話，對兒童的語言學(xué)習(xí)具有一定的促進作用；在運動通道，體感交互技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)用肢體控制終端，兒童與機器人可以互相學(xué)習(xí)彼此的動作，在游戲中鍛煉兒童的手眼協(xié)調(diào)和平衡能力。兒童與玩具的交互具有較強的具身性和互動性，在交互過程中尊重兒童的行為特點能夠幫助智能玩具真正融入到兒童的日常生活中，實現(xiàn)兒童智能玩具娛樂益智的目的。
5結(jié)語
將具身認知引入兒童智能玩具的交互設(shè)計中，在理論層面突破了以信息加工為代表的傳統(tǒng)認知心理學(xué)的禁錮，對于探索信息時代下新的交互設(shè)計方法具有積極的意義；在實踐層面，物理世界和虛擬世界的深度融合要求設(shè)計更好地適應(yīng)人與環(huán)境，以感覺和運動通道為媒介的具身交互更加貼合兒童的認知特性、使兒童與機器之間的交流更加自然順暢。兒童生長發(fā)育的特殊性決定了兒童具身認知的階段性和不成熟性，本文所談及的交互設(shè)計方法通過提取理論模型要點并結(jié)合兒童的具身認知特性而展開，對具體設(shè)計方法的研究還有很多不足之處，希望在未來進一步挖掘和拓展。
作者：王秀麗 蔣曉 趙丹琳 馬鳳娟 單位：河北地質(zhì)大學(xué)