基于人臉識別的兒童英語單詞互動學習系統的設計研究

曾晨

摘要：隨著信息技術的創新與發展，信息化教育成為教育領域研究的熱點并受到教育人士及家長的廣泛關注。本文通過對兒童學習心理與行為特征進行分析，提出面向兒童的互動學習系統的設計原則和設計方法，開發以兒童為中心的多感官參與的互動學習系統。本系統利用人臉識別技術，通過攝像頭檢測追蹤人臉并與系統中的元素相碰撞來獲取反饋的非接觸式交互方式，借助游戲娛樂的學習形式讓兒童輕松愉快地完成學習任務，達到寓教于樂的目的。

關鍵詞：系統設計；人臉識別；交互設計；界面設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）02-0108-02

傳統教育軟件的交互方式一直倍受鍵盤、鼠標等設備的束縛，越來越難以調動兒童學習的主動性與積極性。因此，如何設計一種更形象、更具吸引力、更符合兒童認知心理的交互方式，是兒童教育領域中一個值得研究的課題。人臉識別，是利用攝像頭對人的面部進行追蹤和檢測的生物技術，其最典型的特征是將屏幕中的虛擬世界同現實世界相結合，并為用戶提供基于自身面貌的互動，從而創造極具沉浸感和新鮮感的互動環境。人臉識別對兒童用戶而言，具有自然性、非強制性和非接觸性的優勢，完全契合了兒童教育所要求的順應天性、啟迪心智和操作簡單的要求，能充分調動兒童的多感官學習通道，增加兒童學習過程中的沉浸感，提高兒童學習效率。

1 兒童學習的基本特征分析

1.1 兒童的心理特征分析

兒童的認知活動具有具體形象性，事物的表象與具體形象影響著兒童的整個認知過程。因此，與兒童生活有直接聯系的、直觀生動的形象更容易引起兒童的注意，更容易在兒童的腦海里留下深刻印象。兒童生性好動，其心理活動具有很大的無意性，很容易受到外部環境的影響而脫離自己原本的行動方向。強制記憶這一行為本身便超出了兒童一般性的認知能力，更不符合兒童心理活動規律。因此，在兒童學習系統的設計中，要盡量避免強制記憶行為的出現，應積極建立兒童與直觀事物之間的具體聯系，才能加深兒童對知識的記憶。

1.2 兒童行為特征的分析

好動，是兒童時期時最典型的行為特征，而“操作體驗”的學習方式最契合兒童的這一特征。研究表明，獨特、新穎的學習方式更容易激發兒童的學習興趣，調動兒童學習積極性。游戲做為兒童操作學習方式中最具有代表性的學習方式之一，其本身包含了豐富的認知成份，而互動游戲更能將學習內容以具體.形象的表現方式呈現給兒童，從視覺、聽覺等多感官通道給予兒童即時的互動反饋，反復強化兒童對知識的記憶。4歲以上的兒童行為能力有了一定的發展，已經能夠利用簡單的肢體動作獨立完成簡單的游戲互動，這也為學習系統更多應用形式的設計提供了科學保障。

2 面向兒童的互動學習系統設計的基本原則

兒童互動學習系統的本質在于引導兒童的大腦和身體進行有效配合、在娛樂中獲取知識的互動行為。兒童群體的自控能力和抽象思維都較弱，這就決定了面向兒童互動學習系統需要具有一定的特殊性。通過對兒童心理和行為特征的研究，提出針對兒童互動學習系統的幾大基本設計原則：

2.1 益智性原則

益智性是兒童應用產品中不容忽視的最基本原則。面向兒童的互動學習系統應當充分注重兒童心理特征與行為特征，使兒童身心能夠同步發展。

2.2 自然簡潔的易用性原則

兒童往往跟隨表象思維行事，難以理解復雜性環境，因而，面向兒童的互動學習系統設計中應充分考慮這一心理特征，可采用手勢控制、實物操作等直觀的交互方式，盡量減少兒童的學習時間與認知負荷。

2.3 個性化交互原則

兒童生性好動，注意力易分散。為集中兒童注意力延長其學習時間，在互動方式的設計中，應顯著突出和順應兒童群體本身的興趣和喜好。

2.4 正向體驗性原則

兒童群體正處于極佳的性格塑造期，其在學習的過程中都渴望積極的互動反饋與鼓勵。因此，在兒童的互動學習系統設計中，應抓住兒童這一心理，利用積極的互動反饋正向鼓勵兒童，形成良好的學習體驗。

2.5 趣味性原則

在兒童互動學習系統的設計中，應從內容、呈現方式等多方面考慮其與兒童身心發展的適配性。富有趣味性的教學內容、視覺表現和新穎的交互方式能達到更好的教學效果。

3 基于人臉識別的兒童英語單詞學習系統的整體設計

3.1 系統設計目標

在該學習系統中，囊括了符合兒童認知的具象化教育內容，利用了人臉識別技術將視覺刺激與肢體動作相結合的交互方式，選用能夠調動兒童學習積極性的活潑音樂和明麗圖片等多重元素，用以達到讓兒童多感官、全身心參與學習的目的。

3.2 系統交互設計

基于人臉識別的兒童英語單詞互動學習系統交互立足于卡通式的故事情境，利用人臉識別檢測方法與碰撞檢測方法識別追蹤兒童臉部與應用中字母元素的碰撞，從而形成相應的操作指令并驅動應用產生相應的反饋。該系統主要分為四大模塊：預習模塊、拼寫模塊、填空模塊、默寫模塊，其基本交互流程如下：

3.2.1 學習模塊

預習子模塊：學習前，兒童通過對單詞的跟讀預習，對學習內容有一個提前性了解和熱身。

3.2.2 拼寫模塊

此模塊為兒童提供可組成完整單詞的兩種字母：實心字母和空心字母。其中，空心字母拼合成的單詞作為學習內容已經完整顯示于屏幕上方；實心字母則作為填充空心字母的“學習道具”。游戲開始后，空心字母會由屏幕上方緩緩落下，兒童需要適配好面部的卡通面具按順序觸碰落下的正確的實心字母，填充屏幕上方的空心字母，完成單詞的最終拼寫。整個游戲場景設計均為卡通形象，配以臉部觸碰的、符合兒童認知的交互方式，有效的減少了兒童的學習成本。

3.2.3 填空模塊

此模塊中，會將拼寫模塊中的某個已學單詞內的某一個或幾個字母隨機設置成空格，并在空格下方提供數個漂浮卡通形象的字母。兒童根據記憶用臉部觸碰正確的字母，將單詞補充完整，不斷加深對知識的記憶。

3.2.4 默寫模塊

為兒童提供單詞讀音和數個漂浮的卡通形象字母。兒童憑借讀音和前三輪的學習記憶，依次人臉映射到屏幕上的面具觸碰正確的字母，完成單詞默寫。此模塊不僅可以檢驗兒童對知識的掌握程度，其測試數據也將錄入系統數據庫，為教學者提供兒童學習效果的參考數據。同時，兒童拼寫錯誤次數較多的單詞會被系統自動安排到下一次的學習內容中，增加高頻錯誤單詞的出現頻次。

3.3 系統界面設計

交互界面是兒童與系統溝通的重要平臺。界面設計的目的在于解決兒童與系統間存在的問題，從而優化系統交互行為，達到最佳的互動學習效果。研究表明：在色彩豐富的學習氛圍下，更有益于兒童的邏輯思維能力、觀察力與記憶力的發展，符合兒童認知的直觀形象的視覺化學習內容則更容易讓兒童迅速地接收信息。

本系統使用了二維卡通風格的界面設計，運用多圖形組合、形象的卡通化元素以及語音與動畫相結合的界面交互方式，充分滿足了兒童學習過程中的情感化需求。系統所有界面都以虛擬場景與現實場景疊加的方式呈現，為兒童營造極具沉浸感的學習氛圍。同時，在界面設計中貫徹了交互活動區域一致性的原則，可交互元素均按照兒童互動區域均勻分布，保證了兒童移動過程中的安全狀態，降低學習成本。

4總結

兒童處于一個特殊的年齡階段，其認知能力和行為能力都有其獨特的特點。本文所設計的基于人臉識別的兒童英語單詞互動學習系統從兒童的心理特征和行為特征兩方面出發，通過認知教育和行為能力訓練相結合的非接觸式交互方式，在滿足兒童學習需求的同時又促進其身體健康的發展，達到寓教于樂的目的。

參考文獻

[1]楊軍.從“認知心理學”的觀點談兒童游戲的心理機制[J].杭州師范學院學報，1998，7

[2]蔣健勛.面向兒童的人機交互設計研究[D].浙江大學，2011，02