數字技術融合兒童美育教育創新發展研究

李夕雯，趙建府，曾俊華

數字技術融合兒童美育教育創新發展研究

李夕雯1，趙建府1，曾俊華2

（1.電子科技大學成都學院，成都 611731；2.西南民族大學，成都 6 10097）

數字技術是連接科學技術、美學教育的重要紐帶，運用數字技術融合兒童美育教育工作，提出科技與美育相融合的創新發展思路。在科普中注重美育，在美育中探索科學，為前沿數字技術與兒童科普美育教育協同創新發展提供新思路。分析目前兒童科普美育教育的路徑研究；以科普美育教育為主要研究內容，從數字技術的沉浸式、交互性、構想性出發進行分析；探索其對兒童科普美育教育中科學認知、趣味互動、審美素養等的有效影響。數字技術運用在兒童科普美育教育過程中，能夠有效促進兒童建立美學思維和科學意識，提高兒童在科普體驗中的興趣度與參與度，提升科普教育成效。隨著科學技術的不斷深化，數字化教育已經成為兒童科普美育教育發展的重要途徑。運用虛擬現實、增強現實等前沿技術，能夠全方位、多角度、多感官地促進兒童美育教育工作，是對當代兒童科普美育教育工作方式的有效補充，有著長遠的意義和引導作用。

數字技術；兒童美育；科普教育；創新發展

蔡元培作為中國現代美育的開創者與奠基者，最早在《教育大辭書》的美育條目中提到：“美育者，應用美學之理論于教育，以陶養感情為目的者也”。美育以求真、向善、品美為基本理念，引導兒童樹立正確的價值觀，運用美學思維去鑒賞藝術、感悟生活[1]。少年兒童是建立科學思維、培養科學素養的重要階段。“天文學上諸星之軌道與光學，地文學上云霞之色彩與變動，無不于智育作用中含有美育之原素”[2]。在科普中培養美育，在美育中探索科學。“美育”和“科普”就是一對詞，科需要普，美需要育[3]。數字技術是連接科學技術與兒童教育的重要橋梁，本文基于目前兒童科普美育形式的現狀以及VR、AR行業的發展趨勢，提出運用虛擬現實、增強現實等前沿技術賦能兒童科普美育教育，是未來數字化兒童教育的發展方式，總結出運用虛擬視覺體驗驅動兒童建立對科學知識的好奇心，激發創造力，孕育美學思維，從而實現科普與美育的協同創新發展，促進當代兒童全面化、綜合化的發展教育。

1 國內外兒童美育教育發展現狀

1.1 兒童美育教育概述

美育，又稱美感教育或審美教育。即通過培養兒童認識美、體驗美、感受美、欣賞美的能力，從而培養兒童具有美的情操、美的品德、美的心靈與美的素養。在兒童教育中直接關乎兒童品性與創造性的美的教養不可忽視[4]。從多學科角度出發搭建美育教育體系，將美學原則滲透于各科教學之中，是由美的形式教育到美的實質教育的演變，美育教育的目標不是培養藝術家，而是培養孩子發展多樣的興趣，增強動手能力、提高觀察能力、開拓藝術視野、提升綜合實力，見圖1。美育不應限定在藝術教育這一門課程上，而是貫穿自然、社會、科學、文化、生活等多個領域，通過美育建立兒童對自我的認知與世界的理解，擁有更強的自信心，使兒童具有豐富的情感認知、敏銳的觀察能力、清晰的認知思維、生動的創造力以及完整的人格素養。

圖1 兒童美育教育的全局性

1.2 兒童美育與科普教育的協同關系

科普教育主要以普及科學知識、科學方法，建立科學思維為導向，讓兒童能夠科學認知世界。美學教育是指通過培養藝術技能、審美素養、藝術修養讓兒童能夠運用美學思維感知世界，見圖2。在實際的美育與科普的教育過程中，科學探索和美學教養往往相互交織、相互影響，美學與科學都是對兒童的啟蒙教育，其根本目的在于創新思維和創造力的啟發，創造力是適應未來各行各業迭代升級的力量源泉。如果不能讓一個孩子認識到星空的美，認識到行星運動和托勒密模型的美，那這個孩子也無法聽懂巴赫的音樂。如果不能讓一個孩子認識到鸚鵡螺的美或是向日葵花盤的美，這個孩子就沒有辦法真正懂得螺旋形防波堤或者塔特林的第三國際紀念塔。今天談及美育，首先需要樹立正確的藝術哲學觀。美不僅是愉悅，美和科學一樣，首先是啟蒙[3]，科普是美育的一種形式。

Fag.2 Relationship between popular science and aesthetic education

1.3 兒童科普教育的發展路徑

2023年4月我國科技部網站發布了《關于公開征求<中華人民共和國科學技術普及法（修改草案）意見的公告>》，此次《科普法》修改草案明確提出，國家把科普放在與科技創新同等重要的位置。科普是國家創新體系的重要組成部分[5]。兒童科普教育水平的提升是我國科技人才建設的基礎。據調查分析可知，目前國內外針對少年兒童進行科學普及的形式層出不窮，最為常見的形式是繪本和動畫，具有低成本、易傳播的特點，但也具有一定的局限性。近幾年科技館也推出了各項科普互動展品，設立了科普展廳，環境的打造能夠帶給兒童更強烈的情景感與參與感。隨著硬件技術的不斷深入，為科普的形式與內容都帶來了更大的發展前景，科技館、博物館也爭先推出了運用VR、AR、MR等前沿科技設計的虛擬展廳，拓展了科普內容的無限遐想空間，多種模式的共同加持能夠為兒童的科普教育發展提供更全面的教育機制。

通過圖文結合的科普讀物進行科學知識的普及是最常見的科普形式，比如廣受兒童喜愛的科普圖書《病菌簡史》《小牛頓科學館第一輯》《大英兒童百科全書》《DK博物大百科》等。科普動畫相對科普繪本來說擁有更直觀的視覺體驗，讓靜止的知識“動態化”，根據豆瓣評分與網絡點擊量的調研結果可知，最受兒童歡迎的科普動畫有《梅西去樂趣島》《微觀小世界》《螺絲釘》《海底小縱隊》等。基于情景體驗式學習理論，融合情境學習理論與體驗式學習理論，將知識與實踐運用在一定的情境中，能夠進一步激發兒童的自我探索能力，因此，科技館、博物館設立科普互動展品與科普展廳，打造具有科學知識氛圍的實地場所，可以讓兒童在實際的探索過程中學習相應的科學知識。比如廣州地鐵博物館通過地鐵模擬駕駛室感受地鐵駕駛的感受，讓兒童在現實情境中建立對軌道交通知識的認知。再比如安徽省黃山環保教育基地，以兒童的環保教育為主，打造情境式體驗讓兒童學習垃圾清理、垃圾焚燒等相關知識[6]。日本地下鐵博物館也運用實地的環境打造地鐵虛擬駕駛空間，可讓兒童體驗地鐵駕駛的樂趣，運用環繞式的音樂模擬真實駕駛地鐵時的音效，以達到身臨其境的感受。再加之日本為地震多發國家，因此在日本博物館中還設立了地震體驗裝置模擬器，能夠真實還原地震時地鐵內的狀態和各項危機。數字技術具有沉浸式、交互式、構想性、直觀性等多個特點，能夠為情境體驗式教學模式帶來更大的發展空間。比如由陳彥穎等[7]設計的“微世界——探秘微生物王國”VR體驗應用設計。通過虛擬場景的構建，讓兒童能夠通過VR設備將日常生活中肉眼看不見卻無處不在的微生物躍然眼前，運用游戲體驗的形式獲取微生物外貌形態、組織結構等特征，實現微生物科普教學虛擬體驗，以互動式教學模式充分調動兒童的感官，讓他們在寓教于樂中探索醫學知識。

2 數字技術融合兒童科普美育教育的現實依據

2.1 數字技術的概念與發展現狀

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）一詞由美國VPL公司創始人、互聯網理論家J.Lanier于20世紀80年代正式提出[8]。虛擬現實是指創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它運用游戲引擎構建了種模擬環境，通過融合性、交互式的三維場景和實體行為，讓用戶完全沉浸到創造的虛擬環境之中。增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）于20世紀90年代由波音公司的T.Caudell提出[9]。增強現實是一種將虛擬信息和真實世界完美疊加的人機交互技術。其核心在于對現實世界的信息提取，可通過移動終端或PC端呈現裸眼的虛幻畫面。在科技浪潮的強烈推動下，虛擬現實、增強現實、人工智能等數字技術蓬勃發展，為社會生活、科學文化都賦予了新的生命力，將開啟前所未有的生活方式，為世界帶來更多可能性。

自全球進入信息化時代以來，通過計算平臺和信息終端歷經了兩次迭代。第一次是1980年開始的個人電腦；第二次是從2007年發展至今的智能手機；隨著元宇宙、數字孿生等的發展，將迎來第三次信息產業升級，其中VR、AR是主角。VR、AR行業的發展一直受到技術和硬件的限制。雖然近幾年的發展規模快速擴大，但仍然面臨一些挑戰和問題，比如VR頭戴式顯示器的重量、尺寸以及眩暈感，VR技術的硬件發展趨勢主要集中在更輕、更薄、更小巧易用、更舒適的頭戴式顯示器、更強大的計算能力、更低的延遲、更多的交互功能方面，比如手勢識別、眼動識別和語音識別等技術，能夠讓參與者獲得更舒適、更便捷的沉浸式體驗。AR技術具有裸眼3D效果，在未來的發展趨勢中將注重更普及的硬件支持，比如手機、平板、智能眼鏡等硬件設備的普及和低成本；通過更成熟的技術和算法，比如圖形識別、深度學習、計算機視覺等技術來更快速地識別AR的視覺感應。近幾年，虛擬現實與增強現實熱潮接連在全球范圍內引爆，根據華經情報網發布的2017—2022年全球VR/AR行業市場規模情況數據可以得出，VR、AR行業市場規模呈現逐年遞增的趨勢，從2017年的667.5億元增長到2022年的3 589.9億元。隨著我國政策的不斷支持、資本的加大投入，我國VR、AR技術的應用場景需求不斷增長，隨著5G、人工智能、超高清視頻、云計算、大數據等技術的不斷突破，2017—2022年中國VR/AR行業市場規模迅速擴大，截至2022年預計將達到791.9億元，見圖3。從產業鏈分布來看，2021年我國VR、AR行業在教育、頭顯設備、軟件工具等領域的發展最為成熟，其中教育行業占比最高，達到17%[10]，見圖4。

根據以上兩組數據可知，VR、AR行業正進入高速發展的階段，教育行業的發展也將是未來VR、AR行業的重要應用領域。作為兩種前沿的數字技術，它們正在快速改良、創新、優化，以適應更大的市場需求。硬件技術的不斷完善是為了實現更優質的內容創新，讓參與者在體驗的過程中有身臨其境的感受，枯燥的內容也能栩栩如生。

圖3 2017—2022年全球、中國VR/AR行業市場規模情況

Fag.3 Global and China VR/AR industry market size from 2017 to 2022

圖4 2021年中國VR/AR行業產業鏈分布情況

Fag.4 Distribution of VR/AR industry chain in China in 2021

2.2 VR、AR技術在兒童科普美育教育中的實際運用

VR、AR技術因其沉浸式、交互性、構想性的特點在兒童教育方面展示出巨大的潛力，也帶來了新的發展機會。比如創設虛擬學習情境、增強動感學習體驗、感受跨越時空界限的教學環境，從而激發兒童的學習動機，提升學習效果。例如利用VR技術進行的橋梁工程模擬體驗，通過三維軟件構建橋梁建造現場，讓兒童能夠親臨現場了解工程建設的科學原理、橋梁建構的美學理論，切身感受力學與美學、科技與藝術的深度交融。英國廣播公司拍攝的紀錄片《地球》，借助VR技術帶領觀眾觀察已經滅絕的生物——恐龍；AR技術也在國內外的兒童教育中被廣泛應用，例如國家博物館推出的科幻巨制大片《國博“奇妙夜”》，運用AR技術讓沉睡千年的國寶“復活”，使唐朝的鎏金銀香囊、明朝的孝端皇后鳳冠與清朝的粉彩鏤夔龍紋轉心瓶跨越時空的界限同時映入眼簾，讓兒童在與文物虛擬互動的體驗中感受歷史質感、感受文化底蘊、感受藝術精品所帶來的視覺盛宴，見圖5；再比如AR動物圖鑒，能夠基于AR技術通過手機或平板電腦的攝像頭，對準指定的圖片，從而讓圖片中的動物跳到真實的畫面中，讓兒童能夠近距離觀察動物的外貌形態、行為特征等，建立他們對動物的立體認知；再比如AR地球儀，通過對地球儀或地圖的信息識別，將寫實的地球模型呈現在兒童眼前，還可以通過手指與虛擬地球模型互動，看到地球上各個國家、地區的地理形態，以及海洋與陸地的分布情況，并了解世界各地的地理環境等知識。在兒童科普美育教育中目前運用VR、AR技術的案例層出不窮，見表1，能夠讓兒童在科普美育教育的過程中，多角度、全方位地感知科技的魅力和美學的熏陶。

2.3 從心理學角度探析兒童科普美育教育的發展路徑

從心理學角度分析，游戲互動是兒童體驗并感知世界最有效的途徑。著名的瑞士心理學家讓·皮亞杰認為：讓游戲參與到兒童的認知發展中，通過富于想象的自發式游戲，學會管理自己和身邊的環境。在實際的兒童科普美育教育過程中，也應加強兒童的自主學習性，讓兒童更多地參與到各項互動體驗中。通過觀察、觸摸、傾聽等方式，能夠有效激發兒童的好奇心，調動他們的感官系統，開啟信息通道，激發兒童的想象力和創造力，實現兒童認知能力、審美能力、自主能力的培養。據心理學研究表明，在大眾對陌生事物的接受程度中，聽覺接受度為15%，視覺接受度大于聽覺約25%，兩者相結合后接受率可達到65%，呈現1+1>2的效果。另外，觸覺接觸到的信息的暫存時間是視覺的20倍，是聽覺的10倍[11]。VR、AR技術恰好能夠很好地促進聽覺與視覺的結合，兒童可以在虛擬的世界中自由、靈動地探索，使教與學更加緊密、生動、有趣，以符合兒童的認知習慣，是對傳統教學形式的一種新的突破與挑戰。

圖5 《國博“奇妙夜”》AR視覺虛擬效果

Fag.5 AR visual virtual effects for "'Wonderful Night'at the National Museum"

表1 數字技術在科普、美育中的實際應用

Tab.1 Practical application of digital technology in popular science and aesthetic education

3 數字技術協同兒童科普美育教育創新發展

3.1 數字技術的運用特點與使用原則

3.1.1 沉浸式

虛擬現實與增強現實都具有沉浸式的特點。沉浸理論又稱為“流體驗理論”，是指當個體全身心投入一件事并獲得愉悅感，從而達到忘我的境地，這種心流狀態就是學習體驗的最佳狀態。沉浸式體驗可以有效增強兒童的參與感，激發學習動力，提高學習效能和效果。運用沉浸式的設計特點能夠帶領兒童遨游海洋世界、探索宇宙太空、品味藝術精品、復原歷史遺跡，甚至可以為特殊教育兒童提供遠程教育協助。VR、AR技術兼具娛樂性與教育性，將學習模式提升到一個新的高度。在內容設計過程中，應以普及科學知識、培養美學素養為目標，運用奇幻的視覺效果、強烈的臨場體驗感讓兒童獲得更好的教學成效，這也是數字技術運用到兒童科普美育教育中的重要考核指標。

3.1.2 交互性

VR的交互方式大多需要使用VR手柄，通過手部操控實現虛擬交互。AR的交互通過語音、動作和輔助按鍵等方式完成。互動性應包括內容傳播者與參與者的雙向互動。“雙向互動”的認知基礎為：科普不是單純地講授科學知識，而是需要與受眾進行充分對話[12]。建構主義學習理論認為學習不只是教師把知識傳遞給學生，而是由學生自己構建知識的過程。基于建構主義理論來調動兒童的自主學習能力和自我探索能力，兒童在虛擬世界中的強交互性，能夠通過身心體驗加深對科學知識的理解，提高認知、感受、欣賞美的能力，激發想象力與創造力，建立自我與環境的關系，是新時代促進兒童科普美育教育的有效形式。

3.1.3 構想性

虛擬內容能夠打破時間、空間、地域的限制，最大化實現科普美育知識的呈現。在滿足硬件設備的基礎條件下，設計者深耕科普美育內容的創新研發，并根據實際需求進行內容更新，打破現實環境的局限性。數字技術將知識融入創設的“真實”情境中，充分發揮環境所帶來的“刺激”作用，從而引導兒童產生正確的機體反應。情境體驗式學習理論認為，知識的學習、運用與實踐都是在一定的情境中進行的，才能培養學習者建立對多樣化問題的解決能力。VR、AR技術可以構建無限的虛擬情境空間，還能夠有效運用于高危的、高難度的、不可逆轉的、不可實現的教育學科領域，大大降低安全隱患，提升教育的可行性。在設計內容立足科學知識與美學教育的前提下，深入拓展科普美育內容的廣度與深度。

3.2 數字技術助力兒童科普美育教育的核心驅動力

在數字中國與中小學生“雙減政策”雙重背景的驅動下，學校鼓勵減少兒童課外培訓，加強兒童科普與美學教育，從而促進兒童德智體美勞的全面發展。2022年9月，國家發布的《關于新時代進一步加強科學技術普及工作的意見》提出要促進科普與科技創新協同發展，發揮科技創新對科普工作的引領作用[13]。隨著經濟的發展和人民文化需求的提高，家長、社會的關注焦點也從滿足孩子物質需求轉移到引導孩子的身心發展。兒童科普美育教育作為新時代科技興國人才培養的重要基石，即將迎來更廣闊的空間和機遇，同時也為兒童科普美育建設帶來新的要求和發展契機。蔡元培先生曾大力倡導美育。美育能夠培育兒童發展多樣性，培養兒童擁有更加文明、和平、自由、平等的思維方式，培養其具有更加堅強、自信的個人美德[14]。審美教育歸根到底是培養完整人格的教育。

3.3 數字技術對兒童科普美育教育的有效促進

數字內容能夠帶給兒童更深刻、更形象、更直觀的視覺體驗，在科學探知的過程中孕育美學素養，科技賦能兒童科普美育能夠拓展科普形式，深度挖掘科普內容。

1）加強科學認知：將科學知識“動態化”，對放置在展覽館中的文物“賦予生命”，讓航空母艦“開口說話”，運用開放式的學習方法刺激感官，打開獲取知識的信息通道。

2）增強趣味互動：傳統形式的科普可以通過圖文講述神秘海洋、歷史文化，卻無法實現讓兒童720°完全沉浸式的虛擬感受，通過VR、AR技術可以讓科普的形式獲得廣闊的發展空間，可以跨越歷史的長河、時代的交替、知識的融合，來到清明上河圖、千里江山圖的藝術畫卷中，與古人、畫家暢談，讓美育教育的形式變得鮮活。

3）提升審美素養：VR、AR技術能夠打造浩瀚的宇宙空間、奇幻的海底世界、刺激的火山爆發等情境，可以帶領兒童回到恐龍時代、遠古時期，探秘古人的智慧與結晶，天文地理、自然景觀無不包含著美育的元素，這些虛擬體驗能夠喚起兒童美的感知。

3.4 數字技術融合兒童科普美育項目實踐

四川省科技廳的科普項目《蛟龍號探險記》，利用模型構建蛟龍號潛水艇，打造深海環境，通過游戲引擎UE4設計VR深海體驗。蛟龍號是我國首臺自主設計的載人深潛器，對我國開發利用深海的資源有著重要的意義。兒童可以在《蛟龍號探險記》VR游戲體驗中了解蛟龍號潛水艇的外部造型、內部空間結構、下潛規則與操作方法、機械手臂的控制等，在探索深海世界的美麗景觀時學習相關海洋知識，見圖6。

圖6 《蛟龍號探險記》VR視覺虛擬效果

Fag.6 VR visual virtual effects of "Jiaolong Adventure"

4 結語

在兒童美育啟蒙時，不僅要改變單一化的美育認識，更應關注美育的人文內涵以及背后心靈成長的需要[15]。隨著網絡通信與多媒體技術的快速發展，使科普美育教育活動的形式更加多樣化。數字技術為兒童美育教育的創新協同發展提供了很好的發展空間，對科學知識的傳播、美學素養的培養、自我探索式的創造性思維都起到了良好的促進作用。如果沒有前沿技術的開發，將無法穿越時空現身古代飽覽中國的藝術精品、無法進入人體器官中遨游探知人體結構、無法重現已經消失的歷史遺跡和文化遺產。數字技術帶給來的是超越、是引領、是突破、是更具超脫的想象力。數字技術是連接古代與現代的時空橋梁，是藝術與科技的深度融合，數字技術賦能兒童科普美育的教育發展，是未來數字化教育時代的發展方向，立足時代需求，如何開發出更優質的科普美育內容，設計出更舒適便捷的虛擬設備，由此獲得更好的虛擬體驗是未來需要重點研發的方向。

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Innovation and Development of Children's Aesthetic Education Integrated with Digital Technology

LI Xi-wen1, ZHAO Jian-fu1, ZENG Jun-hua2

(1.Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China; 2.Southwest Minzu University, Chengdu 610097, China)

Digital technology is an important link between science and technology and aesthetic education. The work aims to integrate digital technology into children's aesthetic education and put forward innovative development ideas of integrating science and technology with aesthetic education. It is required to pay attention to aesthetic education in popular science, explore science in aesthetic education, and provide new ideas for the collaborative innovation and development of frontier digital technology and children's popular science and aesthetic education. Firstly, the research on the current path of children's aesthetic education was analyzed. Secondly, the popular science and aesthetic education was taken as the main research content to analyze the three characteristics of digital technology: immersion, interaction and conception. Finally, its effective influence on scientific cognition, fun interaction and aesthetic quality in children's popular science aesthetic education was explored. The exploration of integrating digital technology into children's popular science aesthetic education can effectively promote children to establish aesthetic thinking and scientific awareness, improve their interest and participation in popular science experience, and improve the effect of popular science education. With the deepening of science and technology, digital education has become an important way for the development of children's popular science and aesthetic education. The application of frontier technologies such as virtual reality and augmented reality can promote children's aesthetic education in an all-round, multi-angle and multi-sensory way. It is an effective supplement to the contemporary aesthetic education mode of popular science for children and has long-term significance and guiding role.

digital technology; children's aesthetic education; popular science education; innovative development

TB472

A

1001-3563(2023)10-0444-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.10.051

2023–04–23

四川省科學技術廳科普作品創作項目（2021JDKP0077）

李夕雯（1991—），女，碩士，講師，主要研究方向為科普教育、兒童美育。

趙建府（1985—），男，碩士，副教授，主要研究方向為數字媒體、影視動畫。

責任編輯：馬夢遙