基于体感互动技术下儿童编程类智能玩具创新设计研究

伍 睿，李诗泳，罗 聪

（长沙师范学院，湖南 长沙 410100）

编程学习不断成为各国教育发展的着重点，我国现阶段编程相较于国外仍处于初级阶段，政府、社会、学校及家庭越来越重视儿童的编程教育学习。儿童编程设计工具的开发和程序设计教育研究的目的是培养儿童的思维能力，提高儿童的逻辑能力，促进儿童的认知发展，不同特点的编程工具对促进儿童的各个能力的提升有着不同程度的影响。芬兰的教育部长曾言道：“在未来，如果你的孩子懂编程，他将成为未来世界的创造者，如果他不懂，他只是使用者。”面对人工智能迅速发展的时代，应不仅以编程学习为落脚点，更需通过将不同技术的有机融合发展来使得编程学习带动儿童的身心全面发展以及能力培养，将新兴技术更好地融入到人类长远的发展中。

1 儿童编程类智能玩具创新设计研究现状

根据现阶段调研结果可知，现有编程玩具主要分为纯编程软件学习、软硬件结合、编程构建启蒙等类别，实物类编程玩具的操作方式以手部精细操作为主，且多为静态化进行，有助于儿童培养编程学习以及逻辑思维能力的培养，但同时出现部分局限性。

第一，静态化的编程玩具不利于儿童身心全面发展，现阶段儿童编程玩具大部分以手部操作为主，主要培养儿童逻辑思维、学习能力，以及动手操作能力，但由于儿童大肌肉发展优先于小肌肉发展，长期的桌游实体类编程玩具或虚拟类界面端编程学习对于学龄前儿童学习成本较高，且不适用于产品的普及化。

第二，不利于儿童的专注力的全面培养，在心理认知发展方面，儿童认知由具体到抽象，思维活跃，自控力较差，且情绪不稳定，受外界影响大，譬如儿童在运用编程玩具的过程中途中断将对儿童专注力产生消极影响，如若不中断，儿童长时间静态化进行编程玩具的操作将不利于儿童身体体能的健康发展。

第三，不利于儿童自主学习能力的培养，现阶段大部分编程玩具需要儿童在家长与教师的指导下进行，同时大部分离不开手机端、平板端的界面控制，儿童在学习的进程中依赖性较强，但随着儿童身心发展，游戏水平将逐渐提升，能遵循一定行为规范，需要较为适宜的方式来带领儿童进行编程学习的操作与运用。

儿童编程玩具随着时代的发展和科技的进步而不断进步与发展，面对儿童身心全面发展的长远性建设以及能力的培养，儿童编程智能玩具需要进一步的探讨与研究。

2 体感互动技术在儿童编程玩具的设计应用研究

2.1 儿童编程类智能玩具发展

儿童编程类玩具主要以有形化的编程产品为载体，使用不同类型的编程语言工具来实现命令的转换，完成相关任务而使其各项操作运转，其主要形式是通过文本、图像和物理对象的结合。不同的编程工具对儿童的能力培养有着不同的侧重点和影响，但研发的最终目的仍然是培养儿童的思维能力，提高儿童的逻辑能力，促进儿童的认知发展能力。总体而言，儿童编程学习工具正朝图像化、可视化、实体操作化等方向发展，将编程语言复杂的语法和代码简化，使得更多不同年龄阶段的儿童能接触并了解相关知识，编程玩具的开发使得编程学习加快了普及化、低龄化、多元化的道路进程[1]。

2.2 体感互动技术应用的分类

体感互动设备根据原理和体感方式的不同而主要分为：惯性感测、光学感测和惯性及光学联合感测三大类。惯性感测基于惯性传感器，利用重力传感器、磁传感器和陀螺仪检测用户运动的相关物理数据 (例如加速度、角速度、磁场等)[2]，然后根据相关参数获得用户不同的空间动作。在光学联合感测的应用中，利用光学传感器检测人体影像，通过计算判断出肢体动作，以实现游戏的互动性，例如Kinect利用激光和摄像头获取人体3D图像信息，捕捉三维人体图像的相关信息数据；联合感测则是并用惯性感测与光学感测的技术原理，其中摄像头用于捕捉人体影像，联合感测结合两种传感器来侦测人体手部的动作[2]，以达到精确侦测人体动作和提高体感方面的用户体验感。

2.3 体感互动技术下玩具互动性的研究

现阶段玩具主要是以儿童智力开发、愉悦身心方面为目标需求，较少系统针对不同年龄段的儿童行为特征进行科学设计，对儿童学习能力、社会性发展方面涉及较少，需要通过不断的设计与改进来促使儿童全面成长，真正实现以人为本的设计理念。美国著名心理学家马洛斯（Marlows）提出了需求层次论，其中，人类的需求是根据生理-安全归属和爱-尊重-自我实现五个层次依次发展的。随着社会的不断进步与发展，用户对于当前产品的要求不会仅停步于生理与安全的基本层次需求，儿童玩具在满足生理与安全这两个基本层次后，更应向着下一阶段发展[3]。儿童玩具的互动性符合满足归属与爱层次，同时通过加入儿童的自行设计可以使互动式儿童玩具能够满足下一阶段层次的需求，例如可在编程玩具中加入儿童可自行编制的代码而产生不同的运转结果，其中代码输入的形式可以通过有效的体感互动来进行识别与分析，使体感互动技术不仅仅停留于技术创新的阶段，应使其加强玩具的互动性与可持续性。未来儿童玩具的发展趋势应该是培养儿童的良好习惯和全面发展的能力，互动性设计的设计理念将逐渐被融入玩具设计中。

2.4 体感互动技术的运用

2.4.1 历史发展

体感技术于2004年就已出现在大众的视野当中，此时索尼公司发布了Ps2的一个配件EyeToy，如图1所示(左)，提供了一种新颖的人机交互模式。在游戏过程中，EyeToy上的摄像头可扫描电视机前的用户并将其投射于游戏的画面之中。而Nintendo旗下的游戏机Wii上配备的Wiimote手柄，如图1（右）所示，它可通过捕获用户的动作行为来实现相关功能[2]。Wiimote内设置了三轴加速度传感器，能感知加速度通过不同方向维度，并通过模拟方式来输出结果。而Kinect是微软于2012年发布游戏主机Xbox中的体感配件，其结合了图像、视频、语音等多种技术于一体，使得用户可通过自然方式进行互动，如手势，肢体动作以及语音等，以增强体感互动设备中的沉浸感和娱乐性[2]。

图1 提及的体感设备：EyeToy（左）Wiimote（右）

随着技术的发展与进步，体感技术同时开始在其他人机交互的场合下逐渐推广。例如多媒体互动装置、智能家居产品等，使操作更加现代化、易操作化、简洁化。

2.4.2 多元化技术创新融合

随着新兴技术的发展，技术的融合与创新将在不同领域带来开拓与创新的发展。对于体感技术，将适应多元化技术的发展路线，与儿童编程玩具有机结合，将两者融合成对儿童编程学习、逻辑思维能力、沟通交往能力以及身心全面发展方面有益的产品。通过对体感互动技术的研究和编程类智能玩具设计的有机结合，增加交互式编程智能玩具对儿童体感互动的积极作用，利用体感设备的识别与沉浸技术，将相关操作汇集归纳成相应语法与代码，将编程语言具体化、形象化，并通过互动式游戏设计贯穿始终，力求寓教于乐，达到儿童能力培养的目标，让编程玩具不仅仅停留在桌面上，使其真正与儿童进行有效的互动行为以及学习发展。

3 结语

新时代的儿童智能玩具以编程类为主导的发展道路已开启，各国不断加强对本国编程教育的培养，部分国家已开启小学阶段的编程必修课程，且纳入教育的重点培养方向，而我国相较于他国仍处于初级发展阶段，且人口基数之大并不能满足资源的合理分配；同时编程学习的研究热度持续不减，在未来人工智能化时代的引领下，技术的融合对于教育领域也尤为重要。希望通过对体感互动技术的研究，将新兴技术的有机融合作为整体的出发点，创造智能玩具新的编程方式与游戏体验，使儿童在愉悦中学习、体验生活，真正达到寓教于乐的目标与需求。