基于具身認知的兒童抽象科普閱讀產品設計研究

謝永　蔣雯

關鍵詞：具身認知 兒童抽象科普 閱讀閱讀理解 產品設計 力學

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2022）02-0068-03

引言

科學知識的閱讀與學習在兒童的成長過程中起著重要的作用，兒童科普知識內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到較好的理解效果，而抽象原理類知識旨在揭示現象的內在原理，其抽象性對于兒童理解能力存在傳達困難。目前關于兒童抽象科普知識內容的研究主要在教育領域，—方面針對內容創新，包括科學實驗和親子互動的在內的各類教育教學活動，另—方面結合新技術，例如虛擬現實和增強現實技術，豐富以科普展覽館為主的科普知識展示方式;而在產品創新方面主要集中在如何將新技術運用到科普讀物的研究上，對兒童科普繪本產品現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。具身認知（embodied cognition）是20世紀忠后期發展起來的認知心理學新理論，強調身體在認知過程中的重要作用，為教育教學提供了啟發，成為探索抽象內容教學的重要方向。本文旨在利用具身認知原理，分析兒童抽象科普閱讀行為，設計兒童科普閱讀產品。

一、具身認知與兒童閱讀理解

具身認知的中心含義是指身體在認知過程中發揮著關鍵作用。人的思維和認知在很大程度上依賴和發端于身體，身體的構造、感官、神經的結構和運動系統的活動方式決定了我們認識世界的方式，塑造了我們的思維風格。

心理學家葉浩生對具身認知觀念的內涵作了全面系統的闡述：認知是大腦、身體和環境相互作用的產物。心智、大腦、身體和環境相互作用，構成一個一體的自組織的動力系統m。簡而言之，具身認知可以被進一步歸納為如下三層含義：1.感知覺的體驗直接影響著認知過程;2.大腦和身體的特殊感覺運動系統在認知的形成過程中起著至關重要的作用;3.認知既是具身的，也是嵌入的，大腦嵌入身體，身體嵌再入環境，共同構成一體的系統。

傳統的兒童學習過程中本身也包含著許多具身認知環節，世界知名數學學習專家、心理學家Brian Butterworth的研究發現孩子在幼兒園時期手指越靈活，未來他們的數學技巧就越突出，相反的情況也成立。而閱讀是兒童學習和認識事物的重要形式，兒童閱讀本質上是一種“意義建構活動”。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，由此可見運用具身認知策略可以豐富知識表現手段，結合認知模型構建更多交互通道，在兒童閱讀的理解層面表現出一定優勢。

二、兒童抽象科普閱讀調研過程與行為具身性分析

（一）調研目標與方法

為了進一步辨析兒童科普閱讀場景中的現實問題，本文觀察了兩種兒童家庭科普閱讀場景：一是對3歲目標兒童的對于繪本圖書《DK學前兒童為什么小百科》中“恐龍吃人嗎？”這一章節內容的親子閱讀行為進行觀察，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度更高的第58集“摩擦力”的學習行為。調研針對3～6歲兒童在家庭生活中通過紙媒和數字媒體手段學習科普知識的情況，探究閱讀障礙具體存在的環節和形式，以及具身閱讀的影響效果。

（二）調研過程與數據

調研過程首先讓兒童通過閱讀或觀看學習給定內容，然后通過問答形式對兒童對知識點的掌握情況進行評價，再針對評分較低（理解不足）的知識點展開具身學習指導，最后再對知識點的理解情況進行評估。部分調研結果見表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知理論的三個層面進行對應，一般性兒童科普閱讀行為歸納分析如下：

1.感知覺的體驗直接影響著認知過程。在對三歲目標兒童的觀察中，發現兒童對于構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，小朋友能更快地辨認出三角龍輪廓，由此可見，簡單直觀且具有較高辨識度的視覺設計是兒童科普閱讀視知覺的通道開發的主要方向，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，此類具身經驗的現實表現形式，啟發我們在設計教學互動時需調動兒童身體活動，加深兒童理解。

2.大腦與身體的特殊感覺運動系統在認知的形成中起著至關重要作用。本研究中所嘗試的平衡和摩擦力教學干預目的在于調動兒童的身體活動使之參與到概念表現中，獲得切身的認知感受，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力方向，但當兒童換上輪滑鞋后，腳步向后運動帶來的動覺感知使兒童很快的明白到自己發力是向后的，并隨后結合筆者的解釋真正完成對這一現象的理解。由此可見操作產生的動覺在這一認知過程中起到了關鍵作用。

3.認知既是具身的，又是嵌入的，大腦嵌入身體，身體嵌入環境，它們構成了一體的系統。3歲組家長在為兒童講解的時候是根據書本的內容編排進行的，呈現出來的知識傳達比較零碎，兒童的注意力也難以集中，而6歲組觀看動畫片的時候，動畫故事把知識點編排進了故事里，因此兒童能相對專注地沉浸到內容當中。此外，在對家長的訪談中了解到，兒童去科學博物館的時候學習表現更為積極，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知和理解，兒童在完整環境中可以打開更多的感知通道來進行交互，所接收到的信息更加系統化，因此認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鍵障礙

兒童的閱讀行為本身是具身的，根據前面對具身認知與兒童閱讀行為的研究，我們可用圖1描述兒童在進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，進而結合自身認知經驗對該信息與頭腦中已有認知概念進行匹配，隨后所產生的認知結果如果能為兒童所“理解”則會成為新的認知經驗疊加到舊有認知經驗上。若產生的認知結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，并尋求他人經驗。他人經驗往往來源于家長或者閱讀產品自帶的解釋。新的信息使兒童對概念進行重新判斷，進而促成新一輪的認知。兒童正是在這樣的認知循環和雙向互動中，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為感知環節的缺乏真實感知和認知環節的經驗不匹配。目前閱讀產品呈現方式主要是通過視聽通道，兒童的認知經驗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知經驗，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。要提升對抽象原理類科學知識的理解，建立抽象性認知經驗，需要引入更多的具身感知體驗來設計雙向的交互行為。

三、基于具身認知的兒童抽象科普閱讀產品設計

（一）設計目標與過程

力學是認知世界物理現象的基礎之一，日常生活中存在大量的力學現象，所以對力的認知是兒童抽象科普閱讀的重要內容之一。本文的設計易用以摩擦力的學習為例，目標用戶為4～5歲兒童，學習內容一般包括力的產生、力的方向、大小和相互作用等。由于力因為無形而顯得抽象，單純的視覺表達難以克服兒童認知障礙。人通過視覺感知、操作感知和分析認知3個基本層面認識智能體，并與其進行交互。因此依據前文的兒童閱讀行為研究從具身認知原理出發，提出圖2所示三段交互模式：以視聽覺構建場景和行為引導;通過調動兒童身體操作，引入力覺和動覺幫助兒童感知抽象的力;通過講解導入他人經驗，使兒童對力的概念形成一個系統的理解。依據行為模式分析摩擦力知識，得到表2的兒童學習摩擦力的知識點與其對應的具身策略。

根據上述具身策略，本文設計了一個軟硬件結合的增強現實數字閱讀產品系統（見圖3），以幫助兒童實現上述具身閱讀模式。硬件主體為可隨通過內置驅動靈活移動的可移動控件，對應摩擦力系統中的受力物件，提供具身認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，軟件應用利用畫面渲染增強現實場景，并將交互元素貼圖至控件上，提供豐富的交互場景。軟硬件之間通過藍牙連接。

（二）設計方案說明

1.硬件設計

硬件設計包括三個部分：可移動控件、底座和攝像頭。

（1）可移動控件靈活運動開啟兒童具身認識的動覺通道。三個控件之間互相組合實現多種交互體驗，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象。控件內置靈活細膩的驅動系統可以模擬精細的受力效果。內置的觸控傳感器，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互動。控件外觀設計成圓柱體形狀，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，同時也有利于系統對三個控件進行掃描區別。

（2）底座設計集成所有硬件和使用場景。底座的設計集成了三個功能，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現對控件的充電;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傳輸給軟件系統。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。

2.軟件與交互設計

軟件設計一方面運用增強現實技術提升視覺通道表現力，另一方面結合可移動控件設計具身交互操作，開啟兒童動覺認知通道，促進兒童理解，創造新穎的具身體驗。

系統將虛擬事物與控件和環境結合起來，靈活運用視覺畫面建立故事場景，用聲音提示進程和講解，引導兒童行為，幫助兒童理解閱讀內容。如圖4所示，首先頁面1到2：軟件系統通過掃描識別控件表面的圖案并貼圖實現增強現實效果;頁面3到4：軟件中的大部分交互由控件替代，控件靈活運動到畫面相應位置，兒童通過觸碰機器人來選擇操作，無需接觸屏幕，由此創造具身交互體驗;頁面5：系統運用AR技術鋪成場景，簡單的對話故事讓兒童易于理解，任務式操作激發兒童參與的度;頁面6：系統隨著閱讀故事環節給機器人發送運動信號，機器人通過運動控制，使兒童感知到受力，例如表現省力的時候機器人往前主動運動使兒童感知到省力，費力的時候往相反方向運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.產品系統功能

本設計方案利用情境化綜合多通道技術手段、操作互動和認知經驗三者之間的關系，使交互行為契合兒童的心理模型和認知水平，從而使其在高度沉浸的場景中完成對知識的認知理解。此產品的核心功能設計基于前文的兒童力學科普閱讀交互模式進行設置：

（1）增強現實動畫故事。動畫故事是兒童學習知識效率最高的形式之一，增強現實技術加持下的動畫故事利用現實畫面渲染環境，強化了視覺通道的信息傳遞效果，給兒童帶來新穎體驗的同時，提升了故事互動的真實感和沉浸感，配合音效和具身操作實現情境學習的效果。

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

（3）科普知識講解。符合兒童認知模型的閱讀過程應當基于兒童的認知經驗，因此在動畫知識點觸發處設置科普知識講解，用于配合動畫和操作，結合兒童經驗給兒童解釋摩擦力原理，并圍繞同一知識點設置多種對比項，給兒童反復嘗試試錯的機會，幫助兒童理解摩擦力的壞處。結語

具身認知是兒童認知和理解世界知識的重要途徑，將具身認知理論引入兒童科普閱讀產品設計的研究，聚焦兒童對抽象科普內容的理解性問題，討論身體認知視角下兒童教育教學可能性的同時也是在探討新時代產品設計發展道路。研究認為基于具身認知的兒童抽象科普閱讀產品的設計需要基于兒童閱讀理解模式，采用多通道設計策略，運用情境化手段對內容進行整合，同時還應注意引入他人經驗，以彌補兒童自身認知經驗的不足。將具身理論引入設計學研究有助于提升多元交互方式創新的有效性，本研究是基于理論分析和用戶研究的設計實踐，研究內容尚存未能覆蓋兒童科普知識全部類型，下一步將擴大內容范圍，進一步探索兒童科普閱讀的更多交互設計創新。

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