基于認知動機分析的兒童智能蔬菜種植裝置設計

韓軍，朱紫君，任夢雷

基于認知動機分析的兒童智能蔬菜種植裝置設計

韓軍，朱紫君，任夢雷

（武漢工程大學，武漢 430205）

隨著我國城鎮化進程的逐步推進，越來越多生活在農村的兒童隨父母進入城市，使生活在城市的兒童數量逐年增長，這一群體普遍存在與自然接觸少、缺乏勞動體驗機會等問題。鑒于此，設計一種適合在城市普通家庭使用，且符合兒童認知特征，能引起其參與興趣的蔬菜種植裝置，以幫助城市兒童去主動認識蔬菜，培養其對土地和勞動的熱愛。以設計心理學為基礎，對兒童認知（包括陳述性知識和程序性知識）和動機（包括原始性動機和社會性動機）特征進行分析，分別從形態和功能結構對兒童蔬菜種植裝置進行設計?；谡J知動機分析的兒童蔬菜種植裝置設計，需要考慮兒童使用裝置的動機，以及使用過程中知識的獲取、樂趣和勞動的體驗，以實現有用、好用和用戶愛用的設計目標。

蔬菜種植；認知；動機；知識；體驗

隨著戶籍限制逐漸放開，以及國家城鎮化進程的推進，大量農村人口脫離了原生環境[1]，向城鎮集中，越來越多的農村孩子遠離了父輩們耕作的土地，與城市孩子一樣，對農業種植倍感陌生，淡化了“土地情結”，無法感知土地的“孕育”之情。

另一方面，我國蔬菜消費量居世界第一[2]，城市“菜籃子”工程——大棚蔬菜，其雖然保障了市民的日常生活需求，豐富了餐桌菜品種類，但弱化了“時令菜”這一昔日婦孺皆知的常識概念，而且大棚內高溫高濕的環境容易誘發病蟲害，使蔬菜需要噴灑更多農藥，也更容易造成農藥殘留[3]?？鬃釉缭? 000多年前就提出“不時，不食”，意思是不合時宜的東西不吃；我國現存最早的中醫理論著作《黃帝內經》中也有“司歲備物”的記載，闡述了違背自然生長規律的植物，徒有其形而無其質的觀點。每個家庭都應主動了解，并盡可能食用天然成熟、營養價值高、口感好的時令菜，兒童更需要從小學習與生活息息相關的時令菜的相關知識，及時培養健康生活理念，這也符合素質教育的要求。

再者，兒童消費市場日趨龐大，相關數據顯示，中國0～12歲兒童數量已經超過1.9億人[4]，并且預計未來5年內，每年將迎來1 800萬左右的新生嬰兒[5]，有益于該群體身心健康的產品越來越受到社會重視。

基于以上背景，設計一款在城市家庭使用、兒童專屬、能讓孩子參與蔬菜種植的裝置，具有極大的必要性。孩子通過自己的努力付出，參與并記錄蔬菜生長的全過程，能夠通過勞動獲得成就感和自豪感，而且還能培養責任心、收獲自信心[6]。

1 蔬菜種植裝置的現狀研究

目前，蔬菜種植裝置可以分為全自動型和手動型。全自動型蔬菜種植裝置通過相關技術支持，比如溫控設備、通風系統、自動澆灌系統、pH值檢測調控系統等，來進行多層次的自動檢測和控制，可以使蔬菜快速生長，且不需要過多的人力干預，以種植的效率為主要評價標準，這類裝置依靠自身所構建的系統進行運作，難以與使用者進行深入交流和互動。手動型蔬菜種植裝置，主要提供蔬菜生長的土壤和空間，以及較為便捷的種植操作環境，沒有特殊的技術支持，讓蔬菜在自然條件下成長，注重的是使用者的勞動體驗及種植知識的獲取。

國內外關于蔬菜種植裝置設計的研究，基本上都是基于無土栽培技術及全自動化控制方式，而且大多數是面向成規模的蔬菜種植，與兒童很難產生交集。雖然，目前也陸續出現了一些中小型的蔬菜種植裝置，但鮮有專門針對兒童種植體驗及學習的設計。

以飛利浦“led種植園”設備為代表的大型蔬菜種植裝備，運用led模擬陽光，設備能智能控制溫度和濕度，采用大面積、集中的無土栽培，可以快捷、批量地種植各種各樣的蔬菜，并主要滿足商業需求。加拿大一款名為grobo的蔬菜種植裝置，與眾多中型蔬菜種植設備功能相似，采用無土栽培方式，具有全封閉式結構，能模擬各種蔬菜的生長條件，接近家用單門冰箱的大小，基本能滿足一個小家庭對蔬菜的一般需求。海爾推出的一款名為“菜多多”的小型蔬菜種植裝置，其體量小、操作方便，種植的蔬菜可以滿足品嘗的需要，人們還可以觀察蔬菜的生長狀況，在一定程度上參與了兒童的認知教育，有一定的現實意義。然而，其完全依賴自動控制方式，且僅限于觀察，無法與兒童進行深入的互動，因此教育的效果有非常大的局限性。

鑒于此，基于城市家庭居住環境和空間限制的現狀，此次兒童蔬菜種植裝置設計研究，以兒童的認知和體驗為目標，側重于手動模式，并適當添加智能化的輔助功能。

2 兒童蔬菜種植產品設計的基本原則

為兒童設計蔬菜種植裝置時，設計師需要特別注重對兒童成長產生何種幫助、兒童會不會用、愿不愿意用、安全與否等因素，需要把握知識性、審美性、易用性、趣味性和安全性等五大原則。

2.1 知識性

蔬菜種植裝置對兒童而言，最大的價值在于可以學習基本的蔬菜種植方法、蔬菜生長規律、蔬菜生物特征等知識。如何將這些知識點在蔬菜種植裝置中合理、巧妙地展現出來，是設計該產品的重中之重。讓孩子從播種蔬菜種子開始，逐步完成施肥、定期澆水、定期測量、定期記錄等任務，全程參與蔬菜的生長過程，并系統地學習相關知識。

2.2 審美性

兒童正處于審美觀的塑造階段，逐漸形成了獨立思考和判斷的能力，生活中經常接觸的產品對這些能力的塑造起到了非常重要的、潛移默化的作用。對定位于陪伴兒童成長的蔬菜種植裝置來說，必須以美觀、大方、藝術感等有利于兒童審美意識培養的風格去設計，使之成為兒童審美能力提升的助推劑。

2.3 易用性

兒童的生活經驗還未系統地構建起來，動手能力也還處于較為薄弱的狀態，復雜煩瑣的操作過程會直接打消其使用的積極性，甚至放棄使用。因此，兒童蔬菜種植裝置的整體設計風格應盡可能簡潔，且結構清晰、功能明確、操作簡便，需要減少認知的信息容量及不符合目標的視覺信息，并減小視覺的思維難度[7]，讓兒童通過簡單的學習和摸索就能熟練操作，以確保使用順暢。

2.4 趣味性

蔬菜種植是一個比較漫長的過程，種植設備的方便、好用只是讓兒童愿意體驗的前提條件，無法保證兒童在整個過程中的一貫性，還需要更積極的因素去促使其產生使用黏性，并提供持續的吸引力。在蔬菜種植裝置中設計一些趣味性的體驗功能，可以增加其感性內涵，使兒童覺得面前的裝置富有生命，付出的勞動會以一定的形式予以回報，將會更愿意、更期待去使用。

2.5 安全性

對家長來說，孩子的健康和安全是其關注的焦點。在兒童蔬菜種植裝置設計中，應全面考慮設備的安全性，具體包括材質的安全性，采用安全無毒的綠色材質是基本要求；形態構造的安全性，在造型上應保持圓滑的設計，杜絕因尖銳棱角產生誤傷事件的可能性[8]；結構功能的安全性，整體結構穩定性高，電路、電機、風扇等結構密封性好，兒童無法觸及。

3 基于認知動機的兒童蔬菜種植裝置設計分析

認知指人們獲得或應用知識的過程，以及信息加工的過程，是人的最基本的心理過程，分析兒童認知特征，可以明確兒童掌握知識的規律。動機是促使個體發生行為的內在力量，泰勒等認為，動機是一個或一系列過程，是通過某種方式引發、促進、保持，并終止一連串導向目標的行為。通過分析兒童的動機特點，可以明確激發兒童興趣的方法?；凇罢J知”和“動機“的分析，能確保兒童蔬菜種植裝置的益智性和吸引力。

3.1 兒童蔬菜種植裝置的認知性分析

認知是一種行為過程，主要表現為感覺、知覺、記憶、思維、想象和語言等，可以經過頭腦的加工處理，轉換成內在的心理活動，進而支配人的行為。認知過程見圖1，認知的結果表現為知識。鑒于目前的神經科學領域對認知功能的研究尚不深入，從認知的結果——知識入手，研究兒童認知特征對相關產品的影響，能夠更好地把握設計方向。對于知識，認知心理學將其主要分為陳述性知識和程序性知識2種類型。

圖1 人的認知過程

陳述性知識是靜態、不變的信息，需要人們進行主動思考與學習，在認知心理的過程中表現為記憶[9]。

在兒童蔬菜種植裝置中，陳述性知識可以通過觀察的現象、記錄的數據、顯示的信息、操作的方式等形式體現出來，這些知識由兒童在勞動中獲取的直接經驗轉化而來，在頭腦中的記憶會更加深刻、穩定，可以進一步豐富兒童對自然和科學的認知。

程序性知識作為技巧性的基礎知識，在某種程度上是動態的、變化的、不穩定的，是個體在下意識情況下獲取的，是通過類似作業形式間接推論其存在的知識[9]。

在兒童蔬菜種植裝置中，程序性知識表現為蔬菜生長狀態的變化規律、操作（澆水、施肥等）程序在蔬菜生長不同時期的要求（澆水、施肥的頻率、分量等）、勞動效率的經驗等的歸納和總結。程序性知識是對獲取的陳述性知識的升華，更具普適性，通過種植特定的蔬菜，可以掌握相似類別蔬菜的生物特征、相似操作方式的勞動要領，從而培養兒童的主觀能動性。

智能蔬菜種植裝置所涉及的陳述性知識與程序性知識對比，見表2。

表2 兒童認知分析

Tab.2 Children's cognitive analysis

3.2 兒童蔬菜種植裝置的動機性分析

對兒童蔬菜種植裝置而言，滿足認知性的需求只是使設計有價值的必要條件，體現了該裝置存在的必要性。動機性需求，即兒童愿不愿意按照設計的初衷去使用，決定了認知能否實現，體現了該裝置應用的可行性。動機是促使個體發生行為的內在力量，根據馬斯洛需求層次論，可以將這種內在力量對特定生理過程的依賴程度，劃分為原始性動機和社會心理動機。為解決兒童參與蔬菜種植活動的主動性問題，可以從好奇驅動和成就激勵2個方面入手，來進行兒童蔬菜種植裝置的創新設計[10]。

好奇是人對新鮮事物、新環境的注意和操作性行為，是人的生理本能反應，屬于原始性動機。隨著年齡增長，個體對事物的好奇心會相應淡化，好奇心與探究活動是密切聯系在一起的，好奇既是兒童探究的動機，也是兒童探究的目的——對好奇心的滿足[11]。通過設計引發兒童的好奇心，可以促使他們主動認識新事物。在兒童蔬菜種植裝置的設計中，從觀察和交互的角度，未知的結果和反饋對兒童而言，都是好奇的來源，播種后土壤中便埋下了希望：發芽是怎么回事？菜芽是什么顏色？菜芽能否有力量沖破土壤？菜會否開花或結果？水澆多或少有無影響等。帶著諸多疑問和憧憬，兒童產生了堅持種植蔬菜的探索性動機。

成就感是愿望與現實達到平衡時產生的一種愉快或成功的心理感受，是個體工作動機的決定因素，屬于社會心理動機。好奇心是兒童進行蔬菜種植的起因，作為結果，必須具備能讓其持續種植的動機，這就需要運用一定的形式給予兒童成就感。好奇心僅對未知的事物起作用，而成就感可促使個體對已知和未知事物均產生興趣，對兒童種植蔬菜行為而言，能更有力地確保其可以持之以恒地堅持下去。在進行兒童蔬菜種植裝置設計時，可以充分利用蔬菜每一次的階段性變化、果實的成熟景象、采摘后的品嘗或烹飪、種植的過程評價等，來激勵兒童付出勞動、揮灑汗水并耐心等待，最終讓他們體驗到“經過勞動和時間醞釀的果實才是最甜的”，并產生可持續的體驗性動機。

4 基于認知動機分析的兒童蔬菜種植裝置設計實踐

該兒童蔬菜種植裝置設置有2種模式：普通模式和輔助模式，普通模式需要兒童按照自己的規劃進行澆水、施肥、通風、記錄等操作，依賴于個體的主觀判斷；在輔助模式下，裝置可通過程序設置，自行進行澆水、通風、記錄等操作，是掌握相關蔬菜生長規律后，個體認知轉化為智能程序輸出的一種表現，適應于用戶短期外出無法照顧蔬菜的情況。

4.1 適用于兒童認知動機的智能種植裝置形態設計

兒童對產品形態的認知來源于自然和身邊熟悉的事物，圓潤、自然且熟悉的形態更能讓其感到安全和興奮。兒童對高純度、高明度的色彩更加青睞[12]，也可以產生更大的好奇心，為呼應多數蔬菜的生物特征，參考常見蔬菜顏色進行色彩提取[13]，得到以R：133、G：165、B：70的葉綠色為主、白色為輔的搭配方式，以此對裝置進行色彩設計，整體效果明快且協調。

兒童蔬菜種植裝置采用擬物化設計方式，造型以簡潔、自然、大轉角為特征，采用兒童易于理解的基礎性形狀——圓形和長方形進行切割并組合，盡量減少銳利的棱角，使裝置更有親和力，給兒童親近感[14]，符合兒童的審美心理，并符合兒童產品的安全性設計原則。

在細節方面，以豐富形態效果、方便兒童識別為前提，其認知類型以陳述性知識為主。旋轉按鈕設置了紋理，使操作更便捷、省力；水箱部分設置了把手，暗示該部分可以單獨脫離出來，可以當做小水桶用來接水并儲存；主體中下部位的圓孔凹槽是為應對特定的室內條件或天氣狀況而設計的，可以增加空氣流通；在土培裝置處設置了半扣孔，有利于土培裝置的抽出和扣合，見圖3。

總之，各類型圖書館由于用戶需求、政策的不同進行了不同程度的業務調整。高職高專院校圖書館和中小學圖書館處在復合圖書館初級階段；科研院所圖書館在嵌入式服務方面已經開展大數據分析等新業務，開始注重科研數據的收集工作；公共圖書館側重于閱讀推廣；本科院校圖書館側重于學科服務。科研院所圖書館、公共圖書館、本科院校圖書館的共同點在于，都注重數字資源的開發建設。各類型圖書館的崗位需求出現了多元化的發展方向。

圖3 效果圖

4.2 適用于兒童認知動機的智能種植裝置功能、結構設計

功能設計是整個裝置的核心，基于滿足兒童的認知動機需求，應該體現出裝置的趣味性、易用性、知識性等方面的特征，其結構見圖4—5。

圖4 爆炸圖

圖5 原理圖

4.2.1 蔬菜種植土培裝置

土培裝置主體為一個內空柱狀容器，里面放置適量土壤，用于播種或種植菜苗。土培裝置外邊緣還設有伸縮式輔助圍擋，可以增加圍擋高度，便于種植對土壤厚度要求比較高的蔬菜。以大白菜為例進行尺度設置，可滿足大多數常見蔬菜的種植要求。大白菜根系發達，主要分布在地面下大約25 cm的土壤中[15]，設置土培裝置的可擴展高度為30 cm，其葉球直徑20 cm左右，為預留足夠的生長空間，設置土培裝置直徑為30 cm。土培裝置下方設有管道，包含輸水和氣流管道，輸水管道可直接對蔬菜根部進行噴灑，氣流管道可在必要時對土壤輸送氧氣。這是整個蔬菜種植裝置最基礎的部分，也是兒童對土壤、蔬菜種植最直接、最直觀的認知區域，體現了操作和體驗的便捷性。土培裝置見圖6。

圖6 土培裝置

4.2.2 分離式水箱裝置

水箱的設計采用蔬菜根部澆灌方式，在手動模式下，底部的活塞處于閉合狀態，由手動開關進行控制；在輔助模式下，使用負壓灌溉系統，活塞開關根據土壤濕度檢測結果自動開啟，依靠土壤的基質吸力主動吸收水分，灌水量依據土壤缺水狀態進行改變，從而實現自我調節[16]。水箱與主體可分離，便于取出注水或清洗。對于澆水方式，可選擇傳統的直接在土壤上澆灌的方式，也可選擇從根部進行澆灌，該方式效率更高。兒童通過對各種澆灌方式及模式進行體驗和對比，可以形成程序性知識的認知模式，并培養思考問題及邏輯判斷的能力。水箱見圖7。

圖7 水箱

4.2.3 種植信息打印裝置

打印裝置是一種在蔬菜種植過程完成后，對整個環節進行總結和評價的陳述性知識輸出系統，包括蔬菜在整個生長周期中的重要節點所表現的現象、蔬菜成品的高度及重量數據、蔬菜的營養成分及對身體的價值、兒童對蔬菜進行培育的過程記錄、其他兒童利用同類產品種植蔬菜的情況等信息。將結果打印成一份內容豐富、形式美觀、數據直觀的課外素質實踐報告，可以有效地提高兒童識別的準確度[17]，方便其掌握各種知識，還可以激勵兒童繼續進行下一輪種植計劃，以獲得更高的或不同的評價，形成持續的社會心理動機。打印裝置與目前市面上樣式眾多的微型錯題打印機相似，內置于蔬菜種植裝置殼體內，見圖8。

圖8 打印裝置

從趣味性、激勵性和動手能力培養等角度進行手搖式發電裝置設計，兒童通過搖動發電手柄，可以產生微量的電量并進行儲存，以補充整個種植裝置在智能控制、屏幕信息顯示、趣味打印等環節的用電需求。通過手搖手柄進行發電更像是一種游戲行為，操作后設備會給予反饋，制造電量的過程會以動態的符號進行展示，這是對兒童勞動付出的一種認可和激勵[18]。以WE（唯阿）裝備庫的微型應急救援產品中的手搖式發電機為參考，其輸出功率為6 W，轉矩為0.478 N.m，得其轉速為120 轉/min，兒童旋轉手柄1 min，旋轉120轉左右，即可產生約0.000 1 kW.h電量，將其用于5 W的微型打印機上，可使用1.2 min左右，能基本滿足實踐報告的打印需求。這種自給自足的用電方式，可以幫助兒童建立其“系統”的概念，獲取程序性知識，并能喚起他們對物理現象認知的興趣。發電手柄見圖9。

圖9 發電手柄

5 結語

兒童蔬菜種植裝置的設計從始至終著眼于認知教育屬性的挖掘，以及如何有效地讓這種認知教育效果得以實現，從兒童認知性及動機性特征分析入手，讓兒童在使用該裝置的過程中能真正獲取知識、體驗勞動、啟發思維，并樂于使用。兒童蔬菜種植裝置以一種微縮的場景，實現了兒童參與類似設施農業的體驗需求，雖然他們面對的只是小小的一棵蔬菜，但其折射出的人與土地、勞動與成果、自然與法則等深層次的辯證關系，會潛移默化地影響他們的成長。

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Design of Intelligent Vegetable Planting Device for Children Based on Cognitive Motivation Analysis

HAN Jun, ZHU Zi-jun, REN Meng-lei

(Wuhan University of Engineering, Wuhan 430205, China)

With the gradual progress of urbanization in china, more and more children who used to live in rural areas enter the city with their parents, resulting in the increasing number of children living in the city year by year. this group generally has little contact with nature and lack of opportunities for labor experience. In view of this, the paper aims to a vegetable planting device suitable for the use of ordinary families in the city, which conforms to the cognitive characteristics of children and can arouse their interest in participation, is designed to help urban children to actively recognize vegetables and cultivate their love for land and labor. Based on design psychology, the characteristics of children's cognition (including declarative knowledge and procedural knowledge) and motivation (including primitive motivation and social motivation) were analyzed, and the vegetable planting devices for children were designed from morphological and functional structure respectively. The design of children vegetable planting device based on cognitive motivation analysis takes into account the motivation of children to use the device, as well as the experience of knowledge acquisition, fun and labor in the process of using the device, so that the design object can achieve the goal of being useful, easy to use and user-friendly.

vegetable planting; cognition; motivation; knowledge; experience

TB472

A

1001-3563(2022)10-0177-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.10.021

2021-12-11

2020教育部中國高校產學研創新基金（2020ITA02056）；2021武漢工程大學教學研究項目（X2021054）；2020年湖北高校省級教學改革研究項目

韓軍（1978—），男，碩士，副教授，主要研究方向為工業設計。

責任編輯：馬夢遙