基于數(shù)理認知的兒童數(shù)理邏輯類益智玩具設(shè)計研究

馬琳

關(guān)鍵詞 ：數(shù)理認知 ;兒童 ;數(shù)理邏輯類 ;益智玩具 ;設(shè)計

兒童數(shù)學(xué)能力的后續(xù)發(fā)展與其早期啟蒙密不可分，對后續(xù)的學(xué)習(xí)與工作有重要影響 [1]。教育部 2001 年 7 月頒布的《幼兒園教育指導(dǎo)綱要（試行）》指出 ：“讓兒童從生活和游戲中感受到事物的數(shù)量關(guān)系，并體驗到數(shù)學(xué)的重要和有趣”[2]。兒童通過玩具認識外部世界，培養(yǎng)自身能力，兒童數(shù)理邏輯類益智玩具對學(xué)齡兒童的數(shù)學(xué)啟蒙及能力培養(yǎng)能起到很好作用。目前國內(nèi)益智玩具市場不夠細分，市面上的許多產(chǎn)品適用年齡界限模糊。基于上述情況，設(shè)計適合兒童數(shù)學(xué)能力需求的兒童數(shù)理邏輯類益智玩具顯得尤其重要。

1 兒童數(shù)理認知概述

1.1 兒童數(shù)理認知概念

數(shù)理認知是人類認知能力的重要組成部分，兒童數(shù)理認知是指兒童能夠有效地運用數(shù)字和推理來看清事物的全貌，并有了解事物之間關(guān)系的能力。在兒童身上反映出的具體特征為 ：樂于認識數(shù)字及參與數(shù)學(xué)計算活動 ;可掌握因果、時間關(guān)系 ;能快速分辨事物之間的聯(lián)系 ;遇到復(fù)雜事件能夠合理安排等。2021 年《義務(wù)教育數(shù)學(xué)新課程標準》將兒童數(shù)學(xué)能力分為 ：數(shù)感、符號意識、空間觀念、幾何直觀、數(shù)據(jù)分析觀念、運算能力、推理能力、模型思維、應(yīng)用意識、創(chuàng)新意識、數(shù)學(xué)探索能力及選擇判斷能力。研究表明，兒童解決數(shù)學(xué)問題的過程可以概括為符號化表達、數(shù)學(xué)化運算和關(guān)系化建模三個主要認知環(huán)節(jié) [3]。各認知環(huán)節(jié)與兒童數(shù)學(xué)能力的關(guān)系如圖 1 所示。

1.2 兒童成長發(fā)展及數(shù)理認知特征

兒童在成長過程中，生理、心理及認知均隨著年齡的增長而變化，設(shè)計兒童數(shù)理邏輯類益智玩具，必須關(guān)注兒童成長發(fā)展與數(shù)理認知特征。基于認知發(fā)展理論和中國兒童學(xué)段規(guī)定，文章將0—11 歲兒童分為如下四個階段 ：0—3 歲嬰幼兒期、3—6 歲學(xué)前期、6—8 歲學(xué)齡前期以及 8—11 歲學(xué)齡中期。如表 1 所示對四個階段兒童的心理特征、生理特征及數(shù)理特征進行歸納，為兒童數(shù)理邏輯類益智玩具需求分析提供理論依據(jù)。

2 兒童數(shù)理邏輯類益智玩具設(shè)計現(xiàn)狀

兒童數(shù)理邏輯類益智玩具是指能夠使兒童在玩耍過程中培養(yǎng)數(shù)學(xué)認知、數(shù)理邏輯、開發(fā)智力的兒童玩具。將數(shù)學(xué)與玩具結(jié)合，既可以培養(yǎng)兒童的數(shù)學(xué)能力，也可以增強其對數(shù)學(xué)的興趣。兒童數(shù)理邏輯類益智玩具按使用形式，可分為積木類、卡片類、棋牌類與串珠類等 ;按培養(yǎng)能力，可分為數(shù)字及符號認知類、邏輯運算類、幾何空間能力培養(yǎng)類等。目前市場上的兒童數(shù)理邏輯類益智玩具種類繁多，但質(zhì)量參差不齊。從設(shè)計的角度分析，其問題表現(xiàn)為：不符合兒童真實需求、可用性不佳、使用壽命短三個方面。

2.1 不符合兒童真實需求

目前市面常見的兒童數(shù)理邏輯類益智玩具一味迎合家長與市場的需要而設(shè)計，未充分考慮兒童的真實需求，因此存在功能不適齡以及產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重的問題[4]。例如部分產(chǎn)品為符合家長過高的數(shù)學(xué)培養(yǎng)要求，降低了玩具的適用年齡，或設(shè)置過于復(fù)雜的玩法，使兒童很難掌握，因此無法通過這類玩具來提升兒童的數(shù)學(xué)能力;還有部分產(chǎn)品未充分考慮兒童對綜合數(shù)學(xué)能力的培養(yǎng)需求，僅針對性地培養(yǎng)某個單一的數(shù)學(xué)能力，缺乏對全年齡段兒童多層面數(shù)學(xué)能力的培養(yǎng)研究[5]。

2.2 可用性不佳

產(chǎn)品的外觀設(shè)計與交互設(shè)計均會影響可用性。在外觀設(shè)計中，產(chǎn)品的部件、材料、造型設(shè)計都會對可用性產(chǎn)生影響，若未綜合考慮，會降低兒童的喜愛度，甚至威脅兒童安全。例如，部分為幼童設(shè)計的數(shù)感培養(yǎng)玩具部件細小，易造成兒童誤食;還有部分產(chǎn)品為追求造型變化，采用尖銳的外觀形態(tài)，易劃傷兒童。在交互設(shè)計中，產(chǎn)品的操作與反饋同樣會對可用性造成影響。例如，部分產(chǎn)品交互操作復(fù)雜，易導(dǎo)致兒童出現(xiàn)不耐煩的心理;還有的產(chǎn)品負反饋信息過重，會導(dǎo)致兒童產(chǎn)生負面情緒。

2.3 使用壽命短

目前市場上的兒童玩具種類繁多，但能夠伴隨兒童成長不斷使用的產(chǎn)品卻很少。多數(shù)兒童玩具在設(shè)計時沒有考慮到兒童的成長性特征，產(chǎn)品的可變性不強，僅能作為消耗品短期使用[6]。兒童數(shù)學(xué)能力的培養(yǎng)是隨年齡增長而持續(xù)進行的，市面上大多數(shù)產(chǎn)品僅滿足兒童某一成長階段對數(shù)學(xué)能力培養(yǎng)的需求，未考慮長期對數(shù)學(xué)綜合能力構(gòu)建的需求。

3 基于數(shù)理認知的兒童數(shù)理邏輯類益智玩具設(shè)計意義

基于數(shù)理認知的研究，將兒童不同階段的認知特征與數(shù)理邏輯能力的外在表現(xiàn)有效結(jié)合[7]，為兒童數(shù)理邏輯類益智玩具設(shè)計提供新的切入點，具有重要意義。從設(shè)計師角度看，能夠幫助其充分了解兒童特征，系統(tǒng)性地發(fā)掘各階段兒童數(shù)學(xué)能力培養(yǎng)的痛點與需求，設(shè)計出用戶滿意的產(chǎn)品;從兒童角度看，符合自身數(shù)理認知階段的玩具更具有可用性，在使用上更符合自身的能力與習(xí)慣，能夠在愉快的玩耍中提升數(shù)學(xué)能力;從家長角度看，基于數(shù)理認知設(shè)計的兒童數(shù)理邏輯類益智玩具，更易看到培養(yǎng)成效。總之，基于數(shù)理認知的兒童數(shù)理邏輯類益智玩具的設(shè)計，體現(xiàn)了以兒童為中心的理念，能夠為兒童健康成長與數(shù)學(xué)能力發(fā)展提供有力保障，并以科學(xué)的方式讓兒童在玩耍中學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。

4 基于數(shù)理認知的兒童數(shù)理邏輯類益智玩具設(shè)計原則

4.1 適配性原則

兒童的自身成長與所處的社會環(huán)境都是動態(tài)發(fā)展的，因此兒童數(shù)理邏輯類益智玩具應(yīng)適配兒童年齡特征與時代發(fā)展特征兩個方面。適配兒童年齡特征是指，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮兒童的成長發(fā)展特征與數(shù)理認知特征。例如3—6 歲兒童的數(shù)學(xué)能力培養(yǎng)需求為認識數(shù)學(xué)符號與數(shù)量關(guān)系，其數(shù)理認知水平處于實物操作階段。因此通過實物操作使兒童認識數(shù)量關(guān)系的產(chǎn)品，如蒙氏教具，更適配這一階段兒童。在此類產(chǎn)品部件的設(shè)計中，還應(yīng)考慮3—6 歲兒童精細動作技能還未發(fā)展完善的特點，產(chǎn)品部件設(shè)計不宜過于細小，結(jié)構(gòu)設(shè)計不宜復(fù)雜;此外，適配時代發(fā)展特征是指，在設(shè)計時需考慮時代大背景對于兒童數(shù)學(xué)能力的具體要求。例如設(shè)計鍛煉兒童編程能力的產(chǎn)品，來培養(yǎng)兒童適應(yīng)當(dāng)下時代要求的能力。

4.2 安全性原則

安全是兒童玩具設(shè)計的基本準則，安全性是保障兒童數(shù)理邏輯類益智玩具可用性的基礎(chǔ)。2007 年6 月1 日，我國就童車、電動玩具、塑膠玩具等玩具產(chǎn)品，專門宣布了強制執(zhí)行的 3C 認證制度，使兒童玩具的設(shè)計、生產(chǎn)和銷售有了安全性生產(chǎn)的法制規(guī)范[8]。根據(jù)規(guī)范要求，兒童數(shù)理邏輯類益智玩具設(shè)計的安全性體現(xiàn)在：（1） 材料及造型安全。產(chǎn)品造型設(shè)計須符合兒童的人機尺寸，保證兒童玩耍過程中的安全性及舒適性;材料應(yīng)盡量選擇天然材料或無毒無害材料;（2） 部件及結(jié)構(gòu)安全。產(chǎn)品每個單獨使用的部件結(jié)構(gòu)及尺寸都要考慮其安全性，防止發(fā)生誤吞或卡住手指等安全隱患;各部件之間的連接結(jié)構(gòu)要穩(wěn)固，不可出現(xiàn)尖銳的連接件，以防劃傷;（3） 交互安全。在產(chǎn)品本身及其交互系統(tǒng)中，應(yīng)采取相應(yīng)的保護措施，防止誤操作帶來的損失和傷害。

4.3 延續(xù)性原則

延續(xù)性原則是兒童玩具的探索方向，基本出發(fā)點是在滿足產(chǎn)品本質(zhì)屬性的同時，延伸出更多功能，以達到提升使用年限、伴隨兒童成長的目標。通過運用兒童數(shù)理認知與數(shù)學(xué)能力的發(fā)展規(guī)律來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，多元構(gòu)建產(chǎn)品功能，以培養(yǎng)兒童多種數(shù)學(xué)能力。產(chǎn)品功能不再以單一的功能點呈現(xiàn)，可隨著兒童成長豐富可變，在使用過程中也能夠為兒童營造進階感，提升兒童的學(xué)習(xí)興趣。通過產(chǎn)品的多功能設(shè)計適配不同階段兒童，可陪伴兒童成長，為玩具注入情感化因素，也符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與綠色設(shè)計理念。

5 基于數(shù)理認知的兒童數(shù)理邏輯類益智玩具設(shè)計策略

5.1 立足于兒童需求

兒童數(shù)理邏輯類益智玩具的設(shè)計應(yīng)立足于兒童需求，將兒童數(shù)學(xué)能力培養(yǎng)與自身發(fā)展相結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)0—3 歲兒童的主要培養(yǎng)方向應(yīng)為完成精細動作，過早對此階段兒童灌輸數(shù)學(xué)知識反而會適得其反，因此對于需求的研究主要聚焦于 3—11 歲兒童。如表 2 所示，通過兒童數(shù)理認知特征與國家標準《玩具適用年齡判定指南》展開調(diào)研，分別總結(jié)出兒童學(xué)前期、學(xué)齡前期以及學(xué)齡中期對于兒童數(shù)理邏輯類益智玩具的數(shù)學(xué)能力需求與玩具設(shè)計需求。

從上述需求出發(fā)，可以對市場反饋較好的數(shù)理邏輯類益智玩具進行分析，在表 3 中總結(jié)出適配各階段兒童的玩具形式與應(yīng)培養(yǎng)的數(shù)學(xué)能力，并給出產(chǎn)品舉例，以期為兒童數(shù)理邏輯類益智玩具提供優(yōu)秀設(shè)計案例參考。

5.2 提升產(chǎn)品可用性

產(chǎn)品作為用戶感知和使用的直接對象，包含多種影響可用性表現(xiàn)優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，如產(chǎn)品外觀、交互機制等。以滿足用戶需求為基礎(chǔ)，提升產(chǎn)品外觀及交互的可用性，能夠為用戶帶來更好的體驗。兒童數(shù)理邏輯類益智玩具外觀可用性可以從符合用戶感官特征的色彩、具有質(zhì)感的材料與符合兒童心理特點的造型設(shè)計三方面提升，設(shè)計出符合兒童審美且具有滿意度的產(chǎn)品外觀。兒童數(shù)理邏輯類益智玩具的交互可用性可以從合理地引導(dǎo)、恰當(dāng)?shù)胤答伵c簡單地操作三方面提升，降低產(chǎn)品的使用門檻，讓兒童易理解，不但能夠提升產(chǎn)品的效率，同時也保證了操作的有效性。

5.3 延長產(chǎn)品的使用年齡

在滿足用戶需求、保證良好體驗的基礎(chǔ)上，可以考慮讓兒童數(shù)理邏輯類益智玩具更具有延續(xù)性，以此延長產(chǎn)品的使用年限。例如基于兒童數(shù)理認知特點的發(fā)展規(guī)律，融入一物多用的設(shè)計理念。采用功能集成、組合變換等方式實現(xiàn)產(chǎn)品的多元使用，使同一款產(chǎn)品既能夠作為數(shù)學(xué)符號玩具培養(yǎng)兒童的數(shù)感，也能夠作為基礎(chǔ)的加減運算工具，培養(yǎng)兒童的運算能力，以實現(xiàn)學(xué)前期與學(xué)齡前期的持續(xù)使用，拓寬產(chǎn)品的使用年限 ;亦或采用無限玩法的形式，產(chǎn)品的初始呈現(xiàn)與形態(tài)只是單一的若干個體 [9]，使兒童在探索過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)規(guī)律，這樣的產(chǎn)品既能夠激發(fā)兒童的好奇心，也能開發(fā)更多的產(chǎn)品使用場景，達到延長使用年限的目標。

6 基于數(shù)理認知的兒童數(shù)理邏輯類益智玩具設(shè)計實踐

6.1 方案構(gòu)建

成長型智能數(shù)字積木（見圖 2）的設(shè)計立足于兒童數(shù)理認知特征與兒童用戶需求。對兒童數(shù)理邏輯類益智玩具產(chǎn)品的外觀及交互形式展開分析，采用系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法生成方案。

6.2 設(shè)計說明

成長型智能數(shù)字積木的目標用戶是 3—8 歲兒童，通過不同的使用方式實現(xiàn)伴隨兒童成長的目標。產(chǎn)品使用模式分為兩種，第一種模式的目標用戶為 3—6 歲兒童，主要培養(yǎng)空間幾何能力與數(shù)感。通過搭建積木可培養(yǎng)兒童的空間幾何能力，單體積木上有數(shù)字且內(nèi)嵌 RFID 模塊，靠近主機感應(yīng)區(qū)會朗讀對應(yīng)數(shù)字的讀音，可在玩耍中培養(yǎng)兒童數(shù)感 ;第二種模式的目標用戶為 6—8歲兒童，主要培養(yǎng)數(shù)學(xué)運算能力及動手能力。兒童將數(shù)字填入對應(yīng)位置做運算，主機通過聲光等形式反饋兒童運算的結(jié)果，以此培養(yǎng)兒童的數(shù)學(xué)運算能力。此階段兒童手部動作精細化，可將單體數(shù)字積木拆分為更細小的零部件自行拼接，以此鍛煉動手能力。

7 結(jié)語

數(shù)學(xué)能力對兒童未來發(fā)展具有重要作用。兒童數(shù)理邏輯類益智玩具作為兒童接觸數(shù)學(xué)、培養(yǎng)數(shù)學(xué)能力的主要方式，對兒童成長發(fā)展具有重要意義。數(shù)理認知特征是設(shè)計兒童數(shù)理邏輯類益智玩具必須考慮的因素。文章通過分析兒童成長發(fā)展情況與數(shù)理認知特征，為兒童數(shù)理邏輯類益智玩具設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，并總結(jié)出兒童數(shù)理邏輯類益智玩具應(yīng)具有適配性、安全性與延續(xù)性原則，提出從用戶需求出發(fā)、提升產(chǎn)品的可用性、延長產(chǎn)品使用年限的設(shè)計策略。旨在讓兒童數(shù)理邏輯類益智玩具能夠真正達到科學(xué)培養(yǎng)兒童數(shù)學(xué)能力的目的，為兒童數(shù)理邏輯類益智玩具設(shè)計提供參考。