基于光學教育的兒童科教玩具設計研究

鄧衛斌 卓韻荊

摘要：光學是一門古老而神秘的學科，至今仍活躍在科學探索的前沿。隨著人們對光學的探索，光學儀器應運而生，但目前的光學儀器專業性較強，對兒童的普及程度不高，且造型和功能同質化嚴重，并不能達到科學教育的目的。文章以光學基本原理和兒童認知發展為指導，分析現有的光學科教玩具，總結兒童光學科教玩具的設計原則，以期兒童通過寓教于樂的方式了解和掌握光學相關知識，挖掘光學原理與科教玩具相結合的更多可能性，為同類兒童科教玩具的設計開發提供借鑒。

關鍵詞：光學原理；學齡前兒童；科教玩具；產品設計

中圖分類號：O43；TS958.02 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2022）16-00-03

我國兒童數量龐大，科教玩具作為兼具玩樂和教育作用的載體，受到家長的青睞，購買和使用科教玩具的家庭和教育機構逐漸增多［1］。“雙減”政策的實施，打開了兒童科教玩具發展的新空間，現有的教學條件和教學儀器往往無法滿足不斷發展的課程需求，對兒童的科學探索和創新意識培育不足，是兒童學習積極性不高等問題的重要原因。兒童的主要教學內容是通過游戲傳遞，其主要的學習方式是玩具的操作性學習。玩具能增強兒童的思維能力和動手能力。因此，可將光學的基礎知識與玩具結合，使兒童在玩樂的過程中學習和掌握光學知識，從而達到科學啟蒙的效果，激發兒童的學習興趣，使其更直觀地理解抽象、復雜的概念，對我國玩具產業的發展以及科學教育工作的開展具有重要意義。

1 光學教育概述

1.1 光學原理的定義

光的本質是一種自然現象，人之所以能看到這萬千世界，是因為人眼接收到了來自周圍物體發射和反射的光線。據統計，在人體所接收的來自外界的感官信號中，有90%以上的信息來源于人的眼睛。光學與人類生活具有緊密的聯系，生活中的許多自然現象都可以通過光學原理作出合理的解釋，如人們在物理實驗中所使用到的顯微鏡、放大鏡等，應用了物理光學的基本原理，如汽車的反光鏡屬于特殊成像原理，而海市蜃樓現象的產生則體現了光的折射規律。

光學是當代物理學領域的重要分支，也是物理學中最古老神秘的學科，在當前的科學研究探索中一直是活躍的存在，推動著人類對自然的探索。光學的主要研究范圍包括光的表現形式、具體性質、應用場所，其中，光、物質和光學儀器的設計制作涉及設計和生產之間的相互作用。在光學原理中，光所在的領域被稱為光學，也被稱為光學工程，其中照明系統屬于光學工程的一部分，被稱為照明工程。從光的分布路徑來看，主要分為線性分布、反射和折射、色散、干涉和衍射等，不同的分布路徑會產生不同的光學現象。光學涉及許多學科主題，如電子、物理、驗光學等。光學研究成果可以在許多重要技術中找到，如鏡子、透鏡、望遠鏡、顯微鏡、膠片回放、相機圖像透鏡、光纖傳感器等。光學在現實生活中的應用不僅可以從科學的角度解讀光學現象，而且可以促進社會科學的進步和發展。當前，物理光學已成為全球科學研究的一個重要課題，在世界發展潮流中，將取得進一步的創新。

1.2 光學教育的必要性

人從降生開始，光就伴隨其一生。宇宙的發展也與光的發展緊密聯系在一起［2］。兒童用眼認識世界，眼睛所能看見的物體，都是通過物體發出或反射的光線進入眼睛，再通過視神經傳遞到大腦而形成的像。光學現象是在日常生活中能接觸到的最普遍的物理現象，是人類最早研究的物理現象之一，是物理的起源。

1.2.1 光學應用發展迅速

現代光學的應用，已經不再局限于照明和成像的基礎功能實現，而是更深層地挖掘光的性質，在醫療、建筑、通信等方面也有廣泛的應用。手機、激光、通信已經成為人們生活中不可或缺的一部分，直接影響著人們的生活質量。

1.2.2 現代光學是科學前沿的重要領域

近30年來，由于激光的問世，對光學的研究內容從傳統的光學迅速擴展到光學與其他學科的綜合研究，如激光治療近視、激光切割等。將光直接作為材料與現代技術結合起來的設計理念，已經成為現代設計的一種新趨勢。設計師的設計活動不再局限于單一材料的使用，而是尋求在全方位、多層次的綜合領域開發或利用新材料、新媒體、新技術、新藝術形式和設計方法的途徑，以更好地傳達時代精神［3］。

1.2.3 激發兒童對科學的求知欲望

光在兒童的成長中是不可或缺的部分，能幫助兒童感知世界。兒童可以在接觸和熟悉光學的過程中，學習日常生活中的光學知識，體驗光帶給感官及周邊環境的變化，培養兒童對周邊事物的注意力和觀察力，從而激發兒童對物理光學知識學習的興趣及對科學探索的好奇心。

2 兒童光學科教玩具設計應用現狀

近年來，不少玩具企業為適應玩具市場的發展，創造了許多全新的科教玩具品種，并采用直接生動的方式傳達其中蘊含的科學知識，科學變得更平易近人、貼近生活，激發了兒童的好奇心、求知欲、學習興趣。科教玩具的發展，離不開科學技術的發展及科學知識的應用，將玩具作為載體，將復雜的科學知識和科學現象更具象地表現出來，可以通過生動有趣的表現方式幫助兒童學習知識。在我國的幼兒教育事業中，始終提倡一個宗旨，便是期望用寓教于樂的教育方法潛移默化地達成傳授科學知識的目的。而科教玩具在不知不覺中充當了這樣一個角色，幫助兒童在玩樂的過程中獲得新知識和體驗。

目前，市場上流通的光學玩具可以分為以下幾款：聲光陪伴類、成像鏡觀察類、光現象實驗類。產品多是智能、手工的形式。其中，聲光陪伴類玩具不利于兒童的身心發展，聲音和光線的結合，會同時發出兩種信號，對兒童的感官具有較強烈的刺激，使兒童無法專注在一件事情上，長此以往，不利于專注力的培養。成像鏡觀察類玩具玩法單一，趣味性不足，不能滿足兒童的娛樂需求，不能提高玩具的玩耍頻率。光現象實驗類玩具需要兒童具有一定的光學知識儲備，且操作這些光學儀器，考驗兒童的動手能力和耐心，需要細致地講解和說明實驗步驟，糾正實驗操作中的不合理行為，此類產品在造型上有待提升，現有產品同質化嚴重。

3 兒童用戶特征分析

本文以3～6歲的學齡前兒童為目標，從兒童的生理發展特征、心理發展特征、視力發展特征這三個方面展開用戶研究。這一時期的兒童的認知能力處于快速發展階段，在不斷成長之后，其生理和心理也發生了一定的變化。

3.1 兒童的生理發展特征

3～6歲是兒童生長發育的黃金期，其身體的肌肉發展較快，體型逐漸結實，精力充沛，對身邊的事物感到好奇，看到有趣的事物會產生模仿的行為。但這一階段兒童對動作的合理性沒有明確的辨別能力，需要家長從側面進行糾正指導。這一階段的兒童對肢體具有較強的支配能力，可以做一些精細的抓握動作，可以獨立完成拼圖、吃飯、穿衣等具有一定難度的動作，且對物體的觸感和重量有一定的認識，如衣服是軟的、積木是硬的。

3.2 兒童的心理發展特征

這一階段的兒童進入幼兒園學習，生活范圍擴大，生活環境發生變化，部分兒童會在環境的變化下產生不穩定的情緒，會感到害怕、焦慮。在接觸到更多人后，會在集體中尋找認同感和存在感，具有競爭意識，開始形成責任感和道德感，對自我有一定的約束能力，能與周圍的人共情，形成合作意識，進行有效溝通，表達想法。

3.3 兒童的視力發展特征

3～6歲是兒童視力發育的關鍵階段，即將達到成年人的視力水平，對光線和事物的感知也越來越敏感。這一階段的兒童伴隨著視力的增強，反應速度也變得更快，能看得更遠、更清晰，在夜晚也能慢慢適應，對周圍的人和事會有觀察注視的行為。且這一階段的兒童開始接受各種知識，對知識的掌握能力較強。

4 基于光學教育的兒童科教玩具設計原則

4.1 科學教育性原則

兒童科教玩具設計的決定性因素是玩具內容的教育性和操作的科學性。供兒童娛樂僅僅是最基本的需求，使兒童在使用玩具的過程中產生思考的行為，且獲得使用后的經驗才是科教玩具的真實需求。兒童首先被玩具本身的娛樂價值所吸引，從而對玩具的內容產生興趣，循序漸進，可以激發兒童的求知欲望。在這樣一個輕松愉悅的氛圍中，兒童可以更自然地學習和掌握一些科學知識，將晦澀難懂的科學知識由抽象變得具象，幫助兒童理解。

4.2 安全性原則

光學玩具應在遵循兒童科教玩具的國家安全衛生標準的前提下堅持安全性原則，以保證兒童在使用的過程中不會因為玩具本身的質量安全問題而對身體和心理造成傷害，在發生誤操作情況時也能將傷害最小化。并且光學科教玩具的設計應從兒童真實的認知水平和學習能力出發，如果設計的玩具超出或低于兒童當前的認知和學習能力，則會使兒童在游戲過程中感受到挫敗和松懈，從而給兒童帶來消極的影響。基于以上考慮，將光學玩具設計的安全性原則分為以下幾點。

4.2.1 色彩安全性原則

不同的色彩具有不同的感官體驗，給人的心理暗示也各不相同，兒童的年齡和喜好決定了相應的色彩選擇，這些心理暗示也會使兒童的心理感知和感受存在一定的差異。如年齡稍小的兒童，視覺神經還處于發育階段，對顏色的感知還沒有形成，紅、橙、綠等飽和度更高的顏色對他們的視覺神經刺激會更大。而兒童對于暗沉、暗淡的顏色，如黑色、棕色、灰色的視覺反應則更遲鈍，悲傷和抑郁的感覺對智力的發展具有負面影響。因此，應適當選擇相對溫和的色彩，更好地刺激兒童的大腦發育，有利于提高兒童在玩玩具時的專注程度。

4.2.2 造型安全性原則

科教玩具產品的造型設計極其重要，承載著產品的功能。兒童的情緒會受到產品造型的影響，如兒童看見尖銳的物體時會下意識地躲避，會與生活中的常見物品產生聯想，知道該事物可能對自己造成傷害。因此，在造型設計中，應盡量選用曲線和圓弧形狀過渡，避免硬朗的棱角，突出產品的溫暖安全屬性，使兒童感到安全舒適。科教玩具在保證造型安全的情況下，也應注重將科技與知識相結合。

4.2.3 材料安全性原則

3～6歲的兒童處于發育階段，在環境的作用下，他們對外界的抵抗力會降低，免疫力也會弱化。因此，在玩具的選擇上，應注意其觸感是否引起兒童的不適。科教玩具是對兒童具有教育意義的玩具，也是與兒童產生零距離互動的工具。在材料上，應首選舒適、柔軟、易觸摸的材料，避免尖銳、有重量感的金屬材料，如ABS材料，穩定性良好，硬度高，制造出的模型能抵抗強烈撞擊，不易損壞，且塑料、橡膠的材料不會傷害孩子的手和皮膚。因此，處于意識和自我保護能力低下時期的兒童，對其科教玩具的設計應從材質入手，在做到還原模型形態的同時，保障兒童的身心健康。在產品制作上，不僅要使用不含有毒物質和損壞表面的材料，還要確保產品的耐用性和易儲存性。

4.3 互動性原則

兒童在使用玩具時，會不斷與玩具產生交流和互動。互動體驗性原則的本質就是兒童在玩耍和操作玩具的過程中，能得到積極的信息反饋，通過與玩具的交互體驗、娛樂、玩耍，兒童可以獲得樂趣和滿足感。在兒童的認知發展過程中，興趣的培養和產生是非常關鍵的因素，也是兒童參與玩耍行為的動力。互動指兒童在玩耍的過程中，兩者相互反饋對方的行為，兒童在操作玩具時能及時獲得信息反饋，能從中體驗到玩耍過程的趣味性。

4.4 可玩性原則

當前，家長在選擇兒童玩具時，通常看重玩具的可玩性和內容，因此在設計玩具時更須思考玩具的挑戰性和可操作性。相較于其他種類的玩具，光學科教玩具更應注重光學實驗儀器的特殊屬性以及兒童的行為和認知發展。當兒童在沒有家長陪伴的情況下獨自使用科教玩具時，玩具的內容和操作方式應符合該階段兒童的認知發展，盡可能避免操作不當和內容超前的現象，滿足兒童獨自玩耍的需求，從而增強兒童的獨立思考能力和動手能力。

玩具是兒童認識世界最便捷的途徑，將玩具與科學教育結合起來，可以起到寓教于樂的作用，在玩中學，在操作的過程中培養兒童的動手實踐能力。并在玩樂的同時賦予玩具娛樂性和教育性，用玩具展現科學知識，闡明科學道理，解釋科學本質。

5 結語

本文提出了基于光學教育的兒童科教玩具設計原則，包括科學教育性原則、安全性原則、互動性原則、可玩性原則，為兒童科教玩具設計提供了新思路。光學是一門深奧的學科，人類對光的追求從未停止。目前，光學與玩具設計還有更多的結合方式，值得被更深入地挖掘。

參考文獻：

［1］ 馬玥.國潮風吹拂玩具業［J］.中外玩具制造，2019（12）：30-32.

［2］ 楊宏，李洪云，龔旗煌.光學發展與社會進步［J］.現代物理知識，2019，31（3）：28-34.

［3］ 任世忠.光構成及其在現代設計中的運用［J］.山東大學學報（哲學社會科學版），2010（1）：157-158.

作者簡介：鄧衛斌（1970—），男，湖北大冶人，碩士，教授，研究方向：娛樂產品設計、工業產品設計。

卓韻荊（1997—），女，湖北襄陽人，碩士在讀，研究方向：娛樂產品設計、玩具設計。