基于XR技術(shù)的兒童教育交互產(chǎn)品設(shè)計

摘要：文章聚焦于XR技術(shù)在兒童教育領(lǐng)域的應用，設(shè)計出貼合兒童身心發(fā)展且兼具教育性與趣味性的教育交互產(chǎn)品，推動XR技術(shù)在兒童教育領(lǐng)域的應用與發(fā)展。通過文獻研究剖析XR技術(shù)在兒童教育應用現(xiàn)狀及問題后，針對8～12歲的兒童和他們的家長進行需求調(diào)研，總結(jié)歸納兒童與家長對應的需求并運用AHP獲得需求權(quán)重。確定產(chǎn)品核心功能，借助Unity引擎進行程序設(shè)計，包括構(gòu)建黃鶴樓場景虛擬模型，設(shè)置觸發(fā)點以呈現(xiàn)詩詞內(nèi)容等；硬件設(shè)計充分考量兒童人因因素，優(yōu)化虛擬頭顯外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。最終設(shè)計出兒童虛擬頭顯和黃鶴樓XR兒童教育程序，推動XR技術(shù)在兒童教育領(lǐng)域的普及與深化。

關(guān)鍵詞：XR技術(shù)；兒童教育；產(chǎn)品設(shè)計；虛擬頭顯；AHP

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2025）11-0094-04

引言

在當今數(shù)字化時代，科技的迅猛發(fā)展正深刻改變著各個領(lǐng)域的發(fā)展格局，教育領(lǐng)域亦不例外，人們對教育質(zhì)量和教育方式創(chuàng)新的關(guān)注度不斷提高，新興技術(shù)在教育中的應用成為研究與實踐的熱點。2018年10月，教育部印發(fā)《關(guān)于實施卓越教師培養(yǎng)計劃2.0的意見》，該計劃中明確指出要推動智慧學習、人工智能等新技術(shù)與課程全方位融合，充分利用虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實等，建設(shè)開發(fā)一批交互性、情境化的教師教育課程資源[1]。XR技術(shù)正逐漸嶄露頭角，展現(xiàn)出其在教育領(lǐng)域，尤其是兒童教育方面的巨大潛力。

傳統(tǒng)的兒童教育方式多以課堂講授、書本閱讀和簡單的教具演示為主，雖然這些方式在知識傳授方面有著一定的成效，但在激發(fā)兒童的學習興趣、培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和實踐能力方面存在一定的局限性。兒童作為充滿好奇心和探索欲的群體，對于新奇、直觀、互動性強的學習體驗有著天然的向往。XR技術(shù)的出現(xiàn)，恰好能夠滿足兒童這一學習特性的需求。它能夠突破時間與空間的束縛，將抽象的知識轉(zhuǎn)化為生動逼真的虛擬場景、形象鮮活的角色以及富有創(chuàng)意的交互體驗，這種變革性的教育方式不僅有助于提高兒童的學習效果，更能為他們未來適應數(shù)字化社會奠定堅實的基礎(chǔ)。

一、XR技術(shù)在兒童教育中的應用

（一）XR技術(shù)概述XR（ExtendedReality）

即擴展現(xiàn)實，是指通過計算機技術(shù)和可穿戴設(shè)備產(chǎn)生的一個真實與虛擬組合、可人機交互的環(huán)境，包括虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）、增強現(xiàn)實（AugmentedReality，AR）和混合現(xiàn)實（MixedReality，MR）等多種可視化技術(shù)[2]。VR技術(shù)使用戶完全沉浸于虛擬環(huán)境中，切斷了用戶與真實世界的聯(lián)系，用戶通過頭戴式顯示器、手柄等設(shè)備與虛擬環(huán)境進行交互[3]；AR技術(shù)將虛擬信息疊加在真實世界中，增強用戶對現(xiàn)實世界的感知，用戶可以通過手機、平板電腦、智能眼鏡等設(shè)備觀看[4]；MR技術(shù)則結(jié)合了VR和AR的特點，實現(xiàn)了真實世界與虛擬世界的無縫融合，用戶可以同時看到真實世界和虛擬物體，并與它們進行交互[5]。

（二）XR技術(shù)在兒童教育中的應用場景

XR技術(shù)在兒童教育中的應用場景已成為教育領(lǐng)域研究與實踐的重要關(guān)注點[6][7]。在多學科融合的教育創(chuàng)新探索中，辛婉玉率先將3D打印技術(shù)與VR技術(shù)有機整合于兒童學習內(nèi)容體系，通過故事化情境的精心營造，從多感官維度構(gòu)建了極具沉浸感的虛擬學習空間，為兒童提供了全方位感知與深度理解學習內(nèi)容的新范式[8]；劉歆玥著重針對AR科普繪本在學齡前兒童健康常識識記方面的應用展開深入研究，成功設(shè)計出集趣味性與實用性為一體的AR兒童健康常識科普繪本，有效提升了兒童在健康知識學習中的參與度與記憶效果[9]；劉樹海聚焦特殊教育領(lǐng)域，設(shè)計開發(fā)智力障礙兒童教育干預VR實驗項目，精準定位特殊教育專業(yè)師范生職前教育實踐存在的困境并予以針對性解決，為特殊兒童教育干預提供了創(chuàng)新性的實踐模式與技術(shù)支撐[10]；宋鑫楠以兒童認知理論與互動交互技術(shù)的深度融合為核心研究方向，緊密圍繞兒童科普認知需求，對交互技術(shù)在兒童科普中的應用進行了系統(tǒng)探索，成功總結(jié)出契合兒童認知發(fā)展特點的AR互動科普模式，推動了兒童科普教育的科學化與精準化進程[11]；楊康等則另辟蹊徑，深入探究假裝游戲理論導向下學齡前兒童混合游戲材料的數(shù)字特性，致力于提升兒童假裝游戲體驗，從游戲化學習視角豐富了XR技術(shù)在兒童教育應用中的理論與實踐內(nèi)涵[12]。通過整理發(fā)現(xiàn)，當前大部分學者將研究重心置于XR技術(shù)的程序開發(fā)，對硬件層面兒童的適配性問題關(guān)注不足。兒童與成人在身體特征、認知能力及操作習慣等方面存在顯著差異，但現(xiàn)有XR設(shè)備多以成人為設(shè)計藍本。VR頭戴設(shè)備的重量、尺寸對于兒童相對較小的頭部和頸部可能造成較大負擔，長時間佩戴易引發(fā)不適甚至影響身體發(fā)育。硬件設(shè)備的顯示參數(shù)未充分考慮兒童視覺發(fā)育特點，可能對兒童視力產(chǎn)生潛在危害。

此外，前人研究更多聚焦于科普方向的XR應用，對各學科知識系統(tǒng)性教學的深入研究相對匱乏。在學校教育體系中，學科知識的傳授是核心任務之一，但XR技術(shù)在語文、數(shù)學、物理、化學等學科的教學應用研究尚處于起步階段。這種學科知識教學應用研究的不足，限制了XR技術(shù)在兒童基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的全面推廣與深度應用。

二、基于XR技術(shù)的兒童教育交互產(chǎn)品用戶需求分析

（一）兒童用戶群體特征

兒童用戶群體涵蓋了不同的年齡范圍，從幼兒到青少年，每個年齡段都具有獨特的生理、心理和認知發(fā)展特點，本研究主要針對8～12歲小學階段兒童進行研究。在這個階段，兒童認知能力有了顯著提升。他們開始能夠理解更復雜的概念和邏輯關(guān)系，對世界的認識更加深入和全面。這個年齡段的兒童不再滿足于簡單的知識獲取，而是對更深入、更系統(tǒng)的知識產(chǎn)生了興趣。在學習語文時，能夠欣賞和分析一些文學作品的內(nèi)涵和背景；在學習數(shù)學時，他們能夠理解和運用較為復雜的運算規(guī)則，如小數(shù)、分數(shù)的計算等。同時，他們的觀察力也更加敏銳，能夠注意到事物的細節(jié)和變化，并且能夠進行比較和分類[13][14]。同時，此階段兒童的學習能力會進一步增強。他們逐漸具備了一定的自主學習意識，能夠在家長和老師的引導下，自主使用教育產(chǎn)品進行學習，從而提高他們的動手能力和思維能力。而XR產(chǎn)品的交互性和趣味性也可以激發(fā)他們的學習動力，培養(yǎng)自主學習的習慣。

（二）兒童需求分析

為了深入了解兒童對教育交互產(chǎn)品的需求，本研究采用了多種調(diào)研方法，包括問卷調(diào)查、用戶訪談、觀察法等，以確保獲取全面且準確的信息。針對兒童發(fā)放問卷，問卷采用了大量生動形象的圖片和簡單易懂的語言，讓他們通過選擇圖片或打鉤的方式回答問題，主要目的是從兒童用戶的視角出發(fā)，深入挖掘他們內(nèi)心真正渴望的教育交互產(chǎn)品形態(tài)，確保產(chǎn)品在趣味性、易用性和吸引力方面能滿足兒童的需求，讓他們在使用過程中既能享受樂趣又能學到知識，從而提高產(chǎn)品在兒童群體中的使用率和喜愛度。調(diào)查期間總共收集到兒童問卷49份，有效問卷43份。通過對問卷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，初步了解了兒童對教育交互產(chǎn)品的整體需求傾向。

用戶訪談則選取了不同性別和背景的兒童作為訪談對象。訪談過程中，引導兒童分享他們在使用教育交互產(chǎn)品過程中的難忘經(jīng)歷，無論是正面的還是負面的，了解他們對產(chǎn)品內(nèi)容、交互設(shè)計、視覺效果等方面的具體感受和改進建議。通過對訪談內(nèi)容的整理和分析，挖掘出了許多問卷難以發(fā)現(xiàn)的深層次需求和個性化需求。同時，觀察兒童在自然的學習和游戲環(huán)境中，使用教育交互產(chǎn)品的行為表現(xiàn)。觀察他們在面對不同產(chǎn)品時的操作熟練程度、注意力集中時間、情緒變化以及與同伴或家長的互動情況等。通過這些觀察結(jié)果，進一步驗證了問卷調(diào)查和用戶訪談所獲取的信息。

（三）家長需求分析

家長作為兒童教育的重要參與者和決策者，對兒童教育交互產(chǎn)品有著獨特的需求與期望。通過問卷調(diào)查和訪談發(fā)現(xiàn)，家長最為關(guān)注的是產(chǎn)品的教育性，期望產(chǎn)品系統(tǒng)傳授學科知識，包括語文、數(shù)學、科學等，幫助兒童提升邏輯思維、創(chuàng)造力等綜合能力。安全性也是家長重點考慮的因素之一。他們擔心長時間使用XR設(shè)備會對兒童的視力和頸部健康產(chǎn)生不良影響，期望產(chǎn)品能夠采用護眼技術(shù)，并且足夠輕便。同時，對產(chǎn)品內(nèi)容的安全性也提出了要求，確保沒有暴力、恐怖、不良價值觀等有害信息，為兒童營造一個健康、安全的學習環(huán)境。

（四）需求整合與優(yōu)先級

綜合兒童和家長的需求，形成多維度的需求列表，并結(jié)合AHP構(gòu)建設(shè)計決策模型形成兒童教育交互產(chǎn)品設(shè)計用戶需求層次模型，見表1。在對設(shè)計要素的評價過程中，為了合理體現(xiàn)要素之間的重要程度，采用層次分析法所提供的1-9判斷矩陣標度值，見表2。

邀請6位XR設(shè)計和工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜疫M行指標評價，對用戶需求層次模型中的需求進行兩兩比較并打分。采用幾何平均法將6位專家處理后導入spsspro軟件，結(jié)合層次分析法構(gòu)造相應判斷矩陣并計算權(quán)重，各項結(jié)果見表3～表7，評價結(jié)果均通過了一致性檢驗（CR≤0.1）。

產(chǎn)品核心功能圍繞兒童和家長的需求并參考AHP分析出的需求優(yōu)先級（表8）構(gòu)建，致力于打造一個集學科知識學習、趣味互動體驗與個性化學習路徑于一體的綜合性教育交互平臺。以語文學習中黃鶴樓詩詞相關(guān)內(nèi)容為例，通過創(chuàng)建虛擬情境，讓兒童角色扮演深入古人生活，加深對文學作品的理解記憶，展現(xiàn)產(chǎn)品功能特色。在硬件功能方面，著重設(shè)計符合兒童需求的頭顯產(chǎn)品。頭顯集成先進語音識別技術(shù)，便于兒童與虛擬角色或?qū)W習系統(tǒng)進行語音對話，契合兒童自然交互習慣。整體硬件設(shè)計充分考慮兒童人體工程學因素，從尺寸適配、重量控制到材質(zhì)選用均精心優(yōu)化，確保為兒童帶來安全、舒適且高效的使用體驗，有效支撐產(chǎn)品核心功能的實現(xiàn)，促進兒童在沉浸式學習環(huán)境中的知識獲取與能力發(fā)展。

三、基于XR技術(shù)的兒童教育交互產(chǎn)品設(shè)計

（一）需求確認與功能規(guī)劃

XR兒童教育交互產(chǎn)品由程序設(shè)計開發(fā)與硬件產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)成。程序開發(fā)需構(gòu)建場景、完善交互設(shè)計、制作教育功能模塊等，注重易用性與趣味性。硬件設(shè)計則兼顧外形與性能、考慮兒童人因因素、探索外形設(shè)計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局。通過軟硬件的有機結(jié)合，并深度結(jié)合兒童與家長的需求，打造一款貼合兒童身心發(fā)展特點、兼具教育性與趣味性的XR兒童教育交互產(chǎn)品。

（二）程序模塊設(shè)計與開發(fā)

軟件程序的開發(fā)主要依托于Unity引擎來予以實現(xiàn)。Unity3D作為實時3D內(nèi)容創(chuàng)作平臺，在工業(yè)、教育等諸多行業(yè)領(lǐng)域被廣泛應用[15][16]。其具備豐富的開發(fā)工具集、廣泛的插件支持能夠高效地創(chuàng)建出高質(zhì)量的XR體驗場景和交互功能。

此外，Unity引擎成熟的跨平臺能力也是其在兒童教育交互產(chǎn)品開發(fā)中的一大顯著優(yōu)勢，能夠確保所創(chuàng)建的產(chǎn)品可以在不同操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備上穩(wěn)定運行，特別是各種XR專用設(shè)備，如VR頭盔、AR眼鏡等，均能實現(xiàn)無縫適配，這不僅顯著提高了兒童教育交互產(chǎn)品的可及性與普及范圍，還為產(chǎn)品的市場推廣與應用提供了堅實的技術(shù)保障。

1.虛擬場景構(gòu)建與優(yōu)化

在黃鶴樓及周邊場景虛擬模型的構(gòu)建過程中，采用了資產(chǎn)整合、掃描技術(shù)與手動建模相結(jié)合的方法。通過掃描獲取大量的點云數(shù)據(jù)，確保能夠完整地獲取掃描對象的幾何形狀信息以及表面紋理細節(jié)，并在blender中針對模型進行調(diào)整，從外觀的整體造型到建筑細節(jié)進行了高度還原，使其在視覺上極具真實感與觀賞性。模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與布局也依照真實黃鶴樓進行復刻，包括各樓層的空間分布、樓梯的位置與走向等，以便兒童在游覽過程中能夠自然流暢地穿梭于不同區(qū)域，為兒童提供一個逼真的虛擬游覽環(huán)境，見圖1。同時，優(yōu)化光照與陰影效果，模擬不同時間下黃鶴樓的光影變化，使兒童能全方位感受黃鶴樓在不同環(huán)境下的獨特魅力。

2.交互設(shè)計

交互設(shè)計充分考慮8～12歲兒童的操作特點與認知能力。主界面以黃鶴樓為主題背景，采用簡潔直觀的布局，以大圖標、大字體的形式展示主要功能模塊，方便兒童快速找到自己想要操作的功能。操作方式上，手柄操作作為主要手段。搖桿控制兒童虛擬角色在黃鶴樓場景中的移動，按鍵用于觸發(fā)各種功能，如靠近景點觸發(fā)詳細介紹、點擊互動元素開啟小游戲等。在特定情境下，產(chǎn)品支持語音交互功能，兒童可與場景中的NPC展開語音對話。語音交互功能的引入，進一步豐富了交互形式，使其更貼合兒童自然的交流習慣。

3.VR模塊設(shè)計和開發(fā)

VR模塊旨在為兒童打造身臨黃鶴樓的沉浸式體驗。構(gòu)建的虛擬場景完全環(huán)繞兒童視角，使其仿佛置身于古代黃鶴樓周邊環(huán)境之中。在交互設(shè)計上，增加豐富的體感交互元素。通過觸發(fā)這些交互元素與詩詞的展示情境緊密相連。例如，在黃鶴樓的入口設(shè)置觸發(fā)點，當兒童到達此處時，屏幕上會自動呈現(xiàn)出描寫黃鶴樓壯麗景色的詩詞，如崔顥所作七言律詩《黃鶴樓》，讓兒童在領(lǐng)略風光的同時，深入體會古人的所思所想，見圖2。為防止兒童在VR體驗中產(chǎn)生眩暈不適，優(yōu)化場景的動態(tài)模糊效果與視野范圍，使兒童在沉浸體驗的同時保持視覺舒適。

4.MR模塊設(shè)計和開發(fā)

MR模塊重點實現(xiàn)黃鶴樓虛擬與現(xiàn)實的深度融合與創(chuàng)新互動。通過設(shè)備攝像頭精準捕捉兒童所處的現(xiàn)實環(huán)境，利用圖像識別與空間映射技術(shù)，將虛擬的黃鶴樓建筑及相關(guān)文化元素巧妙地疊加在現(xiàn)實空間中。例如在學習場景中，虛擬黃鶴樓與現(xiàn)實中的書桌、房間布置相結(jié)合，兒童可觸摸建筑結(jié)構(gòu)、與虛擬詩人交流，增強學習的生動性和直觀性。

（三）硬件產(chǎn)品設(shè)計

在基于XR技術(shù)的兒童教育交互產(chǎn)品中，硬件設(shè)計起著至關(guān)重要的基石作用。不僅是實現(xiàn)軟件功能的物理載體，更是直接影響兒童使用體驗，舒適度和安全性的關(guān)鍵。因此需要充分考慮多方面因素，以實現(xiàn)教育內(nèi)容的有效傳遞以及為兒童提供安全、有趣且易于操作的使用體驗。

1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局

內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化是提升產(chǎn)品性能、穩(wěn)定性以及用戶體驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)產(chǎn)品的功能架構(gòu)，規(guī)劃內(nèi)部空間，提升系統(tǒng)整體響應速度；優(yōu)化風道，通過小型風扇輔助散熱，保證設(shè)備在長時間使用過程中性能穩(wěn)定，同時避免因過熱對兒童皮膚造成不適；各個功能模塊相對獨立，方便維修人員快速定位和更換故障模塊，降低維修成本和時間，提高產(chǎn)品的可用性和生命周期；關(guān)鍵部件固定在框架內(nèi)部，通過橡膠墊、海綿等緩沖材料進行隔離，減少外界沖擊對精密組件的影響。從而支撐產(chǎn)品在兒童教育場景中的優(yōu)質(zhì)應用與長期穩(wěn)定運行，保障兒童的學習體驗與教育效果。

2.佩戴舒適度優(yōu)化

兒童的身體結(jié)構(gòu)與成人有顯著差異，因此在虛擬頭顯的設(shè)計中，充分考慮兒童人因因素至關(guān)重要。頭顯的整體尺寸需適配兒童的頭部大小與形狀，確定頭顯的周長調(diào)節(jié)范圍應在合理區(qū)間內(nèi)，以確保從幼兒到青少年都能舒適佩戴。頭顯的面部接觸部分采用柔軟、親膚且透氣的硅膠材質(zhì)，其形狀依據(jù)兒童面部輪廓進行優(yōu)化，避免對兒童的臉部造成壓迫，尤其是在眼睛和鼻子周圍，預留足夠的空間，確保佩戴舒適且不會影響兒童的視覺和呼吸。最后，頭顯的重量也是關(guān)鍵考量因素。過重的頭顯可能會對兒童的頸部造成負擔，影響使用體驗甚至危害身體健康，產(chǎn)品主體采用輕質(zhì)但堅固的工程塑料，盡量減輕頭顯的重量。

3.音頻系統(tǒng)集成

耳朵附近布置指向性耳機，耳機與頭顯整體造型融合，不影響美觀。為兒童提供清晰音頻的同時，充分考慮到兒童聽力保護這一關(guān)鍵因素。指向性耳機能夠?qū)⒙曇艟珳实鼐劢乖谔囟▍^(qū)域，相較于傳統(tǒng)耳機，可以有效防止因為長時間或高強度的音頻刺激，對兒童尚未發(fā)育完全的聽力系統(tǒng)造成損傷。麥克風同樣是音頻系統(tǒng)的重要組成部分。使用指向型的駐極體麥克風，方便聚焦于佩戴頭顯的兒童的聲音，極大提高了語音識別的準確率和穩(wěn)定性，為語音交互功能提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.外觀造型與色彩搭配

頭顯的頭頂部設(shè)計了一對柔軟的動物耳朵。耳朵造型立體豐滿，可頭顯整體造型設(shè)計以兒童接受度比較高的動物形象為藍本，在以吸引兒童的注意力，激發(fā)他們佩戴的興趣。色彩上以中性色為基礎(chǔ)，融合了橘色和黃色，營造出活潑童趣的視覺效果，契合兒童對色彩的敏銳感知和喜好傾向。同時，產(chǎn)品大面積采用柔軟且耐用的布面皮革材質(zhì)，使產(chǎn)品觸感舒適，并且增加了產(chǎn)品的溫馨感。

5.眼部顯示與互動設(shè)計

頭顯正前方通過顯示屏，實現(xiàn)了動物眼睛的獨特顯示效果。當用戶佩戴頭顯時，其自身眼睛的動向能夠?qū)崟r映射到屏幕中的動物眼睛上，和頭顯的耳朵造型搭配，賦予了產(chǎn)品鮮活的生命力，見圖3。特別是在使用MR功能時，第三者可以透過屏幕看到用戶眼睛和現(xiàn)實世界的交互，使學習過程變得更加有趣現(xiàn)實世界的交互，使學習過程變得更加有趣。

結(jié)語

本研究致力于XR兒童教育交互產(chǎn)品的設(shè)計與探索，旨在填補當前市場中兒童教育產(chǎn)品與XR技術(shù)深度融合的部分空白，為兒童教育方式的創(chuàng)新提供新的思路與實踐路徑。針對兒童及家長需求進行全面調(diào)研，整理需求關(guān)鍵詞并運用AHP獲得需求權(quán)重，最后設(shè)計并開發(fā)出具有一定創(chuàng)新性的產(chǎn)品原型，包括構(gòu)建虛擬場景、優(yōu)化交互設(shè)計及硬件適配等工作。然而，研究過程中也不可避免地存在一些局限性。期待后續(xù)研究能夠在本研究的基礎(chǔ)上，進一步拓展研究范圍，優(yōu)化研究方法，完善產(chǎn)品設(shè)計，充分挖掘XR技術(shù)在兒童教育中的更多可能性，為兒童教育帶來更具創(chuàng)新性和實效性的解決方案，助力兒童在數(shù)字化時代的教育旅程中獲取更優(yōu)質(zhì)、更豐富的學習體驗。

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