基于具身認(rèn)知的兒童抽象科普閱讀產(chǎn)品設(shè)計研究

謝永　蔣雯

關(guān)鍵詞：具身認(rèn)知 兒童抽象科普 閱讀閱讀理解 產(chǎn)品設(shè)計 力學(xué)

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2022）02-0068-03

引言

科學(xué)知識的閱讀與學(xué)習(xí)在兒童的成長過程中起著重要的作用，兒童科普知識內(nèi)容可以分為事物概念類、抽象原理類兩大類別，事物概念類知識為描述事物外在屬性的知識，可通過具象化手段達(dá)到較好的理解效果，而抽象原理類知識旨在揭示現(xiàn)象的內(nèi)在原理，其抽象性對于兒童理解能力存在傳達(dá)困難。目前關(guān)于兒童抽象科普知識內(nèi)容的研究主要在教育領(lǐng)域，—方面針對內(nèi)容創(chuàng)新，包括科學(xué)實(shí)驗(yàn)和親子互動的在內(nèi)的各類教育教學(xué)活動，另—方面結(jié)合新技術(shù)，例如虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，豐富以科普展覽館為主的科普知識展示方式;而在產(chǎn)品創(chuàng)新方面主要集中在如何將新技術(shù)運(yùn)用到科普讀物的研究上，對兒童科普繪本產(chǎn)品現(xiàn)狀和交互趣味性的研究等，未曾有從身體感知的角度來解決抽象科普知識理解問題的思考。具身認(rèn)知（embodied cognition）是20世紀(jì)忠后期發(fā)展起來的認(rèn)知心理學(xué)新理論，強(qiáng)調(diào)身體在認(rèn)知過程中的重要作用，為教育教學(xué)提供了啟發(fā)，成為探索抽象內(nèi)容教學(xué)的重要方向。本文旨在利用具身認(rèn)知原理，分析兒童抽象科普閱讀行為，設(shè)計兒童科普閱讀產(chǎn)品。

一、具身認(rèn)知與兒童閱讀理解

具身認(rèn)知的中心含義是指身體在認(rèn)知過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。人的思維和認(rèn)知在很大程度上依賴和發(fā)端于身體，身體的構(gòu)造、感官、神經(jīng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動系統(tǒng)的活動方式?jīng)Q定了我們認(rèn)識世界的方式，塑造了我們的思維風(fēng)格。

心理學(xué)家葉浩生對具身認(rèn)知觀念的內(nèi)涵作了全面系統(tǒng)的闡述：認(rèn)知是大腦、身體和環(huán)境相互作用的產(chǎn)物。心智、大腦、身體和環(huán)境相互作用，構(gòu)成一個一體的自組織的動力系統(tǒng)m。簡而言之，具身認(rèn)知可以被進(jìn)一步歸納為如下三層含義：1.感知覺的體驗(yàn)直接影響著認(rèn)知過程;2.大腦和身體的特殊感覺運(yùn)動系統(tǒng)在認(rèn)知的形成過程中起著至關(guān)重要的作用;3.認(rèn)知既是具身的，也是嵌入的，大腦嵌入身體，身體嵌再入環(huán)境，共同構(gòu)成一體的系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的兒童學(xué)習(xí)過程中本身也包含著許多具身認(rèn)知環(huán)節(jié)，世界知名數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)專家、心理學(xué)家Brian Butterworth的研究發(fā)現(xiàn)孩子在幼兒園時期手指越靈活，未來他們的數(shù)學(xué)技巧就越突出，相反的情況也成立。而閱讀是兒童學(xué)習(xí)和認(rèn)識事物的重要形式，兒童閱讀本質(zhì)上是一種“意義建構(gòu)活動”。不同于成年人的閱讀以文字為主，兒童缺乏文字積累，閱讀活動更依賴于圖片、聲音等多種形式，由此可見運(yùn)用具身認(rèn)知策略可以豐富知識表現(xiàn)手段，結(jié)合認(rèn)知模型構(gòu)建更多交互通道，在兒童閱讀的理解層面表現(xiàn)出一定優(yōu)勢。

二、兒童抽象科普閱讀調(diào)研過程與行為具身性分析

（一）調(diào)研目標(biāo)與方法

為了進(jìn)一步辨析兒童科普閱讀場景中的現(xiàn)實(shí)問題，本文觀察了兩種兒童家庭科普閱讀場景：一是對3歲目標(biāo)兒童的對于繪本圖書《DK學(xué)前兒童為什么小百科》中“恐龍吃人嗎？”這一章節(jié)內(nèi)容的親子閱讀行為進(jìn)行觀察，二是對6歲組兒童觀看俄羅斯《螺絲釘》動畫片中身體感知相關(guān)度更高的第58集“摩擦力”的學(xué)習(xí)行為。調(diào)研針對3～6歲兒童在家庭生活中通過紙媒和數(shù)字媒體手段學(xué)習(xí)科普知識的情況，探究閱讀障礙具體存在的環(huán)節(jié)和形式，以及具身閱讀的影響效果。

（二）調(diào)研過程與數(shù)據(jù)

調(diào)研過程首先讓兒童通過閱讀或觀看學(xué)習(xí)給定內(nèi)容，然后通過問答形式對兒童對知識點(diǎn)的掌握情況進(jìn)行評價，再針對評分較低（理解不足）的知識點(diǎn)展開具身學(xué)習(xí)指導(dǎo)，最后再對知識點(diǎn)的理解情況進(jìn)行評估。部分調(diào)研結(jié)果見表1：

（三）具身視角下的兒童抽象科普閱讀行為的分析

將研究中通過觀察收集的兒童行為與具身認(rèn)知理論的三個層面進(jìn)行對應(yīng)，一般性兒童科普閱讀行為歸納分析如下：

1.感知覺的體驗(yàn)直接影響著認(rèn)知過程。在對三歲目標(biāo)兒童的觀察中，發(fā)現(xiàn)兒童對于構(gòu)圖簡單直觀且具有沖擊力的畫面會更感興趣，同時，相對于對霸王龍的辨認(rèn)，小朋友能更快地辨認(rèn)出三角龍輪廓，由此可見，簡單直觀且具有較高辨識度的視覺設(shè)計是兒童科普閱讀視知覺的通道開發(fā)的主要方向，便于兒童理解且易于吸引兒童興趣;在閱讀圖片時兒童會嘗試觸摸圖片上恐龍的尾巴，可以反映出兒童試圖通過觸覺感知內(nèi)容的無意識行為，此外，兒童在疑惑恐龍的耳朵在哪里的時候會比畫自己的耳朵，此類具身經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)形式，啟發(fā)我們在設(shè)計教學(xué)互動時需調(diào)動兒童身體活動，加深兒童理解。

2.大腦與身體的特殊感覺運(yùn)動系統(tǒng)在認(rèn)知的形成中起著至關(guān)重要作用。本研究中所嘗試的平衡和摩擦力教學(xué)干預(yù)目的在于調(diào)動兒童的身體活動使之參與到概念表現(xiàn)中，獲得切身的認(rèn)知感受，以6歲組為例，筆者在與兒童的口頭交流中一直未能理解步行時腳步的發(fā)力方向，但當(dāng)兒童換上輪滑鞋后，腳步向后運(yùn)動帶來的動覺感知使兒童很快的明白到自己發(fā)力是向后的，并隨后結(jié)合筆者的解釋真正完成對這一現(xiàn)象的理解。由此可見操作產(chǎn)生的動覺在這一認(rèn)知過程中起到了關(guān)鍵作用。

3.認(rèn)知既是具身的，又是嵌入的，大腦嵌入身體，身體嵌入環(huán)境，它們構(gòu)成了一體的系統(tǒng)。3歲組家長在為兒童講解的時候是根據(jù)書本的內(nèi)容編排進(jìn)行的，呈現(xiàn)出來的知識傳達(dá)比較零碎，兒童的注意力也難以集中，而6歲組觀看動畫片的時候，動畫故事把知識點(diǎn)編排進(jìn)了故事里，因此兒童能相對專注地沉浸到內(nèi)容當(dāng)中。此外，在對家長的訪談中了解到，兒童去科學(xué)博物館的時候?qū)W習(xí)表現(xiàn)更為積極，而且效果顯著，由此可見使兒童處于一個情境化的場景中可以有效地提升兒童對于知識的認(rèn)知和理解，兒童在完整環(huán)境中可以打開更多的感知通道來進(jìn)行交互，所接收到的信息更加系統(tǒng)化，因此認(rèn)知的效率和有效性會得到明顯提高。

（四）兒童具身科普閱讀行為模型與關(guān)鍵障礙

兒童的閱讀行為本身是具身的，根據(jù)前面對具身認(rèn)知與兒童閱讀行為的研究，我們可用圖1描述兒童在進(jìn)行科普閱讀時的一般行為。兒童首先通過視聽覺通道接收閱讀材料信息，進(jìn)而結(jié)合自身認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)對該信息與頭腦中已有認(rèn)知概念進(jìn)行匹配，隨后所產(chǎn)生的認(rèn)知結(jié)果如果能為兒童所“理解”則會成為新的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)疊加到舊有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)上。若產(chǎn)生的認(rèn)知結(jié)果使兒童感到無法理解，兒童則會嘗試用更多通道去感知信息，并尋求他人經(jīng)驗(yàn)。他人經(jīng)驗(yàn)往往來源于家長或者閱讀產(chǎn)品自帶的解釋。新的信息使兒童對概念進(jìn)行重新判斷，進(jìn)而促成新一輪的認(rèn)知。兒童正是在這樣的認(rèn)知循環(huán)和雙向互動中，逐步趨近對于知識的理解。

上述研究表明，兒童的理解障礙主要集中表現(xiàn)為感知環(huán)節(jié)的缺乏真實(shí)感知和認(rèn)知環(huán)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)不匹配。目前閱讀產(chǎn)品呈現(xiàn)方式主要是通過視聽通道，兒童的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)大都建立在具象層面，因此對于給予形式的事物概念類的知識理解比較容易獲得。由于兒童缺乏抽象認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，且抽象知識又不易以視聽方式感知，因此抽象知識的理解成為兒童科普閱讀的難點(diǎn)。要提升對抽象原理類科學(xué)知識的理解，建立抽象性認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，需要引入更多的具身感知體驗(yàn)來設(shè)計雙向的交互行為。

三、基于具身認(rèn)知的兒童抽象科普閱讀產(chǎn)品設(shè)計

（一）設(shè)計目標(biāo)與過程

力學(xué)是認(rèn)知世界物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)之一，日常生活中存在大量的力學(xué)現(xiàn)象，所以對力的認(rèn)知是兒童抽象科普閱讀的重要內(nèi)容之一。本文的設(shè)計易用以摩擦力的學(xué)習(xí)為例，目標(biāo)用戶為4～5歲兒童，學(xué)習(xí)內(nèi)容一般包括力的產(chǎn)生、力的方向、大小和相互作用等。由于力因?yàn)闊o形而顯得抽象，單純的視覺表達(dá)難以克服兒童認(rèn)知障礙。人通過視覺感知、操作感知和分析認(rèn)知3個基本層面認(rèn)識智能體，并與其進(jìn)行交互。因此依據(jù)前文的兒童閱讀行為研究從具身認(rèn)知原理出發(fā)，提出圖2所示三段交互模式：以視聽覺構(gòu)建場景和行為引導(dǎo);通過調(diào)動兒童身體操作，引入力覺和動覺幫助兒童感知抽象的力;通過講解導(dǎo)入他人經(jīng)驗(yàn)，使兒童對力的概念形成一個系統(tǒng)的理解。依據(jù)行為模式分析摩擦力知識，得到表2的兒童學(xué)習(xí)摩擦力的知識點(diǎn)與其對應(yīng)的具身策略。

根據(jù)上述具身策略，本文設(shè)計了一個軟硬件結(jié)合的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)數(shù)字閱讀產(chǎn)品系統(tǒng)（見圖3），以幫助兒童實(shí)現(xiàn)上述具身閱讀模式。硬件主體為可隨通過內(nèi)置驅(qū)動靈活移動的可移動控件，對應(yīng)摩擦力系統(tǒng)中的受力物件，提供具身認(rèn)知所需要的力覺通道感知，攝像頭拍攝畫面并識別控件的移動，軟件應(yīng)用利用畫面渲染增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場景，并將交互元素貼圖至控件上，提供豐富的交互場景。軟硬件之間通過藍(lán)牙連接。

（二）設(shè)計方案說明

1.硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括三個部分：可移動控件、底座和攝像頭。

（1）可移動控件靈活運(yùn)動開啟兒童具身認(rèn)識的動覺通道。三個控件之間互相組合實(shí)現(xiàn)多種交互體驗(yàn)，例如操作一個控件推動其他兩個控件，兩個控件往相同和相對的方向移動來模擬磁力互斥現(xiàn)象?？丶?nèi)置靈活細(xì)膩的驅(qū)動系統(tǒng)可以模擬精細(xì)的受力效果。內(nèi)置的觸控傳感器，使控件能夠接收到兒童對其施加的觸動和移動等的操作信號，以便控件作出即時反饋，由此兒童通過移動它們與軟件系統(tǒng)互動?？丶庥^設(shè)計成圓柱體形狀，并邊緣做倒大圓角處理，使之形象圓潤可愛，吸引兒童興趣，使用起來也對于兒童更安全友好。三個控件上的圖案相同，為單軸對稱圖形，給圓柱體形狀的控件以方向指向，使兒童操作的時候可識別操作方向。控件圖案上顏色分為紅色、綠色和藍(lán)色，鮮明的顏色能有效吸引兒童的注意力，同時也有利于系統(tǒng)對三個控件進(jìn)行掃描區(qū)別。

（2）底座設(shè)計集成所有硬件和使用場景。底座的設(shè)計集成了三個功能，一是收納三個可移動控件并作為控件的充電底座，通過與控件底部的充電接口接觸實(shí)現(xiàn)對控件的充電;第二個功能是收納攝像頭;第三個功能是通過邊緣的突起和與攝像頭的連桿，組成用以支撐平板電腦的支撐架子，為兒童固定一個健康安全的觀看角度。

（3）外置攝像頭保證安全適宜的產(chǎn)品交互場景。攝像頭通過連桿與底座連接，用于拍攝兒童操作并將畫面?zhèn)鬏斀o軟件系統(tǒng)。采用外置攝像頭代替平板電腦的前置攝像頭的原因在于：外置攝像頭可以靈活變換拍攝角度，尋找最佳畫面效果的同時，保證兒童觀看平板電腦的距離和角度不變而處在一個安全舒適的區(qū)間，并為兒童提供了桌面邊緣到平板電腦之間的35厘米長的操作區(qū)。

2.軟件與交互設(shè)計

軟件設(shè)計一方面運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升視覺通道表現(xiàn)力，另一方面結(jié)合可移動控件設(shè)計具身交互操作，開啟兒童動覺認(rèn)知通道，促進(jìn)兒童理解，創(chuàng)造新穎的具身體驗(yàn)。

系統(tǒng)將虛擬事物與控件和環(huán)境結(jié)合起來，靈活運(yùn)用視覺畫面建立故事場景，用聲音提示進(jìn)程和講解，引導(dǎo)兒童行為，幫助兒童理解閱讀內(nèi)容。如圖4所示，首先頁面1到2：軟件系統(tǒng)通過掃描識別控件表面的圖案并貼圖實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果;頁面3到4：軟件中的大部分交互由控件替代，控件靈活運(yùn)動到畫面相應(yīng)位置，兒童通過觸碰機(jī)器人來選擇操作，無需接觸屏幕，由此創(chuàng)造具身交互體驗(yàn);頁面5：系統(tǒng)運(yùn)用AR技術(shù)鋪成場景，簡單的對話故事讓兒童易于理解，任務(wù)式操作激發(fā)兒童參與的度;頁面6：系統(tǒng)隨著閱讀故事環(huán)節(jié)給機(jī)器人發(fā)送運(yùn)動信號，機(jī)器人通過運(yùn)動控制，使兒童感知到受力，例如表現(xiàn)省力的時候機(jī)器人往前主動運(yùn)動使兒童感知到省力，費(fèi)力的時候往相反方向運(yùn)動給兒童操作制造阻力，此外還可以通過振動來模擬摩擦面崎嶇的效果。

3.產(chǎn)品系統(tǒng)功能

本設(shè)計方案利用情境化綜合多通道技術(shù)手段、操作互動和認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)三者之間的關(guān)系，使交互行為契合兒童的心理模型和認(rèn)知水平，從而使其在高度沉浸的場景中完成對知識的認(rèn)知理解。此產(chǎn)品的核心功能設(shè)計基于前文的兒童力學(xué)科普閱讀交互模式進(jìn)行設(shè)置：

（1）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)動畫故事。動畫故事是兒童學(xué)習(xí)知識效率最高的形式之一，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)加持下的動畫故事利用現(xiàn)實(shí)畫面渲染環(huán)境，強(qiáng)化了視覺通道的信息傳遞效果，給兒童帶來新穎體驗(yàn)的同時，提升了故事互動的真實(shí)感和沉浸感，配合音效和具身操作實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)的效果。

（2）具身操作學(xué)習(xí)。此產(chǎn)品中的硬件設(shè)計和軟硬件之間的配合，旨在觸發(fā)兒童的動覺通道，豐富交互維度，使兒童接收的關(guān)于力學(xué)受力的信息反饋更為立體，從而實(shí)現(xiàn)對于摩擦力的具身認(rèn)知效果。此外，此設(shè)計形式還可以擴(kuò)展到其他類型的抽象科普內(nèi)容的閱讀上，例如利用控件的運(yùn)動模擬天體運(yùn)動學(xué)習(xí)天文知識、引導(dǎo)兒童做出身體動作來學(xué)習(xí)身體知識等，具備設(shè)計延展性。

（3）科普知識講解。符合兒童認(rèn)知模型的閱讀過程應(yīng)當(dāng)基于兒童的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，因此在動畫知識點(diǎn)觸發(fā)處設(shè)置科普知識講解，用于配合動畫和操作，結(jié)合兒童經(jīng)驗(yàn)給兒童解釋摩擦力原理，并圍繞同一知識點(diǎn)設(shè)置多種對比項(xiàng)，給兒童反復(fù)嘗試試錯的機(jī)會，幫助兒童理解摩擦力的壞處。結(jié)語

具身認(rèn)知是兒童認(rèn)知和理解世界知識的重要途徑，將具身認(rèn)知理論引入兒童科普閱讀產(chǎn)品設(shè)計的研究，聚焦兒童對抽象科普內(nèi)容的理解性問題，討論身體認(rèn)知視角下兒童教育教學(xué)可能性的同時也是在探討新時代產(chǎn)品設(shè)計發(fā)展道路。研究認(rèn)為基于具身認(rèn)知的兒童抽象科普閱讀產(chǎn)品的設(shè)計需要基于兒童閱讀理解模式，采用多通道設(shè)計策略，運(yùn)用情境化手段對內(nèi)容進(jìn)行整合，同時還應(yīng)注意引入他人經(jīng)驗(yàn)，以彌補(bǔ)兒童自身認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)的不足。將具身理論引入設(shè)計學(xué)研究有助于提升多元交互方式創(chuàng)新的有效性，本研究是基于理論分析和用戶研究的設(shè)計實(shí)踐，研究內(nèi)容尚存未能覆蓋兒童科普知識全部類型，下一步將擴(kuò)大內(nèi)容范圍，進(jìn)一步探索兒童科普閱讀的更多交互設(shè)計創(chuàng)新。

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