具身認知下的兒童智能玩具交互設計范文

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摘要：目的探究具身認知視角下的兒童智能玩具交互設計方法。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計的具身性進行研究，發現將具身認知引入兒童智能玩具交互設計的機會和意義；通過分析兒童的具身認知特性并結合前期相關研究，構建基于具身認知的兒童智能玩具交互設計方法。結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的復雜交互系統的特點。通過將具身認知理論與兒童智能玩具的交互設計相結合，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計方法。

關鍵詞：具身認知；兒童智能玩具；交互設計；設計方法

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。技術的嵌入使傳統玩具與兒童的互動模式發生了變革，但兒童用身體去探索世界的本能并未發生改變。將具身認知理論融入兒童智能玩具的交互設計中，能夠幫助設計者在由人、技術、產品、環境所構成的新的生態系統下探索一種更加合理、自然、直覺的交互方式，創造趣味而有活力的兒童智能產品，體現出設計對人性的關懷。

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[2]。作為認知心理學領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在情境的激發下獲得大量感知運動經驗，經過大腦處理形成基礎認知隱喻。隨著刺激不斷加深加強，基礎認知隱喻進一步發生概念融合和轉化，最終形成穩定的認知結構，個體由此逐漸完成對事物的理解和認識。

1.2兒童智能玩具發展現狀

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字媒體技術、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。經過20年的發展，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市場主流，代表產品如費雪的“學習廚房”、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合HCI，CV和AR等新技術實現了虛擬與現實的無縫聯結，為兒童智能玩具的發展提供了新思路。縱觀國內兒童智能玩具市場，將虛擬界面、卡通造型和簡單交互技術相結合的兒童智能玩具占據主流，學習和游戲內容主要依托于后臺數據庫，較低的技術壁壘和開發門檻導致大量產品的同質化，無法從根本上激發兒童的創造力，亟待進一步發展創新。

2具身認知與兒童智能玩具交互設計

2.1具身認知理論模型

根據認知心理學理論，人的整個認知過程可歸納總結為3個步驟：環境刺激下感受器接收信息—大腦對信息進行加工處理—效應器輸出信息。感受器主要指身體的感官系統，包括視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、力覺等，效應器主要指能夠對大腦指令做出反應的肌肉、腺體和器官，具體表現為相應的表情、語言、動作和行為，見圖1。對信息進行加工處理是傳統認知心理學的研究重點，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、知覺轉譯、決策和執行。在知覺轉譯模塊，大腦將短時感覺信息與記憶中的相關信息進行匹配，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的決策并支配人的行為。具身認知相關理論（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，認為感知覺經驗以及身體與環境在互動過程中所產生的運動經驗直接影響認知的形成。具身認知理論將身體、認知與環境看作統一整體[6]，并強調認知在此過程的無意識性，見圖2b。從交互設計的角度看，基于信息加工理論的交互設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計則側重對感知覺的分析并關注身體與環境的互動過程，更加強調交互系統的整體性、互動性和直接性。

2.2基于具身認知的交互設計

交互設計以用戶體驗為基礎，通過研究用戶的期望和行為構建人與產品之間愉快和諧的關系，目標在于開發宜人的人機界面。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。交互設計的核心在于信息的輸入和輸出。傳統的命令行和圖形用戶界面（GUI）以信息加工理論為基礎，通過鼠標、電腦等設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人與外界的關系。20世紀70年代以來，此類交互范式越來越受到質疑，實物交互和社會計算的發展使設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，關注設計的參與性和情境性[8]。具身認知的研究重點在于人與環境互動交流的本質，認為主體在后天環境潛移默化的影響下所獲得的習得性經驗是認知的重要來源。因此，在人工智能交互系統中應關照人“體認”世界的方式，營造自然、真實、直覺的交互參與狀態。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了有形實體與虛擬數字之間的自然橋接，見圖4。具身交互與實物交互存在一定的區別和聯系，具身交互依托于有形實體，強調交互的日常性和直覺化，實物交互的重點則在于將數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合組成了一個數字化智能生態系統，用戶能夠以日常的方式通過操縱智能模塊來處理數字信息，如用“傾倒”的方式來調制顏色，畫面內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計的具身性

2.3.1物理具身信息技術的發展使數字信息嵌入傳統玩具成為可能，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，創造了一種多媒體的、交互豐富的游戲環境[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身體、認知（游戲體驗）與環境（交互情境）一體化的思想觀不謀而合[11]，在物理層面體現出兒童智能玩具交互設計的具身性。認知嵌入環境，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、物體所發出的聲音等物理屬性能夠影響認知主體的好惡傾向和態度，如暖色調更能代表溫暖，表面粗糙的工具往往增加了操作者的“心理難度”。感知覺經驗為個體內部概念、人際概念的形成以及隱喻知識的發生發展提供了本體論構架[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，當前對兒童智能玩具交互設計的研究大多從兒童的身心發育特點以及交互技術的應用兩方面展開。根據皮亞杰的兒童認知發展論，兒童認知的發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驗分析具體問題，需要大量借助感官系統與外界事物進行具身的行為交互來獲得思維和意識。因此，為兒童設計的智能玩具產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出自然、開放的行為特征，從用戶行為層面體現出較強的具身性。

2.4具身認知與兒童智能玩具交互設計的意義

將具身認知理論引入兒童智能玩具的交互設計中，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和交互情境的研究相對較少，研究具有一定的創新性；（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計出更具人性化的智能玩具產品。

3兒童的具身認知特性

根據具身認知理論模型，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的運動能力和行為發展。兒童的感知和運動發展在不同的年齡段表現出不同的特征，見表1。新生兒喜歡注視色彩鮮明、圖案復雜的物體，能夠分辨聲音和聲音的方向，觸覺發育十分敏感，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歲完成聽覺發育，5~6歲時能夠區別物體的體積和重量，6歲完成視覺發育，大運動和精細運動的發展基本成型。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和進一步提高兒童的視知覺能力，在行為層上需要設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驗，如什么樣的材質適合抓握，什么樣的高度容易摔跤。到了學齡期，兒童開始逐漸對讀寫、算數、繪畫產生興趣，并開始對一些簡單的規律產生好奇，在這一階段，兒童智能玩具可充分利用圖像交互、肢體觸碰等技術手段培養和鍛煉兒童的動手動腦能力以及聯想思維能力。兒童在具身認知過程中由于其感覺、知覺和運動能力的發展而表現出一定的階段性和漸進性，兒童智能玩具的交互設計應考慮到這個特點有針對性的做出合適的設計選擇。

4基于具身認知的兒童智能玩具交互設計方法

4.1信息的多通道輸入輸出

傳統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歲左右能夠區別各種圖形，6歲時進入成人視覺。兒童智能玩具在造型設計上應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育，開放式的、可自由搭配的實體玩具模塊能夠開發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育最早、分布最廣、最復雜的感覺系統，能夠感知外部環境的溫度、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生積極的心態和評價，利用高科技變溫材料產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的聽覺反饋能夠幫助嬰幼兒學習日常事物的基本概念，如汽笛聲、風聲、雨滴聲、打鼓聲等。兒童在3個月左右開始對聲音產生定向反應，在玩具中內置不同方位的聲音信號能夠鍛煉兒童的聽覺發育。聽覺發育成熟后，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計中應關照兒童的動覺發育，運用多種交互技術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”、“推—拉”等簡單動作，形成習得性動作經驗。隨著兒童綜合認知能力的提升，設置具有挑戰性的交互操作，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、磁力等物理現象。

4.2交互行為的自然化和直覺化

前文研究已經表明，具身認知強調認知在具身狀態下的無意識性，具身交互旨在幫助用戶以日常的形式操縱數字信息，還原人與環境的真實互動。基于具身認知的兒童智能玩具交互設計應符合兒童用身體來探索世界的認知特點，幫助兒童專注于當前的游戲情境而不因復雜的技術和操作產生覺知壓力。根據具身認知理論模型，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、綜合利用多種傳感技術，通過識別兒童的視線、面部表情、肢體語言、聲音、腦電等來預估和判斷兒童的行為意圖，并結合智能情境提供相應的行為引導，能夠有效減少認知障礙，營造自然的具身交互環境。在視覺通道，玩具可利用眼動追蹤技術觀測兒童的視覺注意中心并自動執行相關操作，如點亮屏幕、放大圖像、周圍像素的高質量渲染等；在觸覺通道，觸覺傳感器能夠幫助兒童與玩具產生自然的肢體互動，“孩之寶”開發的兒童智能玩具菲比精靈在毛絨外表下內置觸覺傳感器，兒童可以通過撓它的頭頂或者拉它的尾巴與菲比產生交流。此外，粗魯或友好的不同對待方式會觸發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慣；在聽覺通道，語音識別技術已經能夠讓兒童與玩具進行自然對話，對兒童的語言學習具有一定的促進作用；在運動通道，體感交互技術能夠實現用肢體控制終端，兒童與機器人可以互相學習彼此的動作，在游戲中鍛煉兒童的手眼協調和平衡能力。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，實現兒童智能玩具娛樂益智的目的。

5結語

將具身認知引入兒童智能玩具的交互設計中，在理論層面突破了以信息加工為代表的傳統認知心理學的禁錮，對于探索信息時代下新的交互設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計更好地適應人與環境，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計方法通過提取理論模型要點并結合兒童的具身認知特性而展開，對具體設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：河北地質大學