兒童認知能力教育中VR/AR技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用研究述評

趙斌 張瑞靜

【摘 要】本文通過對國內(nèi)外VR/AR技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用與兒童認知能力教育研究的研究綜述，分析了國內(nèi)外的研究動態(tài)與研究特色，并發(fā)現(xiàn)“如何將VR/AR技術(shù)特色和功能優(yōu)勢科學(xué)、合理地應(yīng)用在兒童認知發(fā)展教育中，并形成具有普遍指導(dǎo)意義的應(yīng)用模式”是國內(nèi)該領(lǐng)域尚待解決的重要課題。

【關(guān)鍵詞】VR/AR 兒童認知能力 教育

【基金項目】 本文為浙江省2017年新苗項目《基于博物館導(dǎo)覽與推廣的APP電子書編創(chuàng)》（項目編號：2017R407047）的階段性研究成果。

【中圖分類號】B842.1 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）36-0084-02

兒童認知能力培養(yǎng)是學(xué)前教育和基礎(chǔ)能力培養(yǎng)的核心內(nèi)容，對兒童思維能力和自我管理能力的形成有至關(guān)重要的作用。隨著前沿科技的迅猛發(fā)展，兒童教育相關(guān)領(lǐng)域開展了大量VR/AR技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用探索并形成了一批典型案例，如基于移動互聯(lián)技術(shù)的早教認知訓(xùn)練軟件、基于增強現(xiàn)實技術(shù)的兒童認知繪本、多媒體輔助幼兒課堂教學(xué)系統(tǒng)等。同時學(xué)界也針對VR/AR技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用與兒童認知能力教育研究進行了深入的探討。

一、國外VR/AR技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用與兒童認知能力教育研究概述

國外關(guān)于兒童認知能力發(fā)展以及VR/AR技術(shù)輔助認知教育的研究視角主要集中在以下三方面：

（一）認知能力特征與兒童認知教育研究

國際上普遍認可的兒童年齡是指0～15周歲。按照皮亞杰的“兒童認知能力發(fā)展”理論，兒童時期的認知能力發(fā)展大致經(jīng)歷4個階段：第一階段，0～2歲嬰兒期，是幼兒的感知運算階段。在該階段幼兒通過直觀的感知行為，如視覺觀察、觸摸、嗅覺感知等方式來適應(yīng)外部環(huán)境；第二階段，3～6、7歲，前運算階段，又稱符號學(xué)習(xí)階段。在該階段，兒童有了符號學(xué)習(xí)行為，通過表象思維，在頭腦中建立外界事物與符號的對應(yīng)關(guān)系。第三階段，7～11、12歲，具體運算階段。在該階段，兒童的思維活動必須有具體的事物支撐。第四階段，12～15、16歲，形式運算階段。在該階段，兒童具備從具體事物向抽象概念轉(zhuǎn)換的思維能力，并能夠根據(jù)客觀事實和經(jīng)驗形成并修正自己的看法。通過對大量兒童成長軌跡的長時間跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，上述認知能力形成過程中伴隨著兒童感覺、知覺、注意力以及記憶能力的發(fā)展。

（二）VR/AR功能體現(xiàn)與技術(shù)優(yōu)勢

VR是指利用計算機生成一種模擬環(huán)境，將多通道融合的、交互式的仿真三維動態(tài)視景呈現(xiàn)在用戶眼前，使用戶沉浸到該虛擬空間中；而AR則是指運用計算機技術(shù)將虛擬信息傳遞到現(xiàn)實環(huán)境中并予以應(yīng)用，以達到虛實信息交替疊加的效果。同為沉浸式自然交互信息技術(shù)的VR和AR有以下共同點：（a）兩類技術(shù)都具有豐富互動性和高度沉浸感。相比傳統(tǒng)的二維多媒體界面，三維人機界面帶給用戶更強烈的沉浸感。而且在VR和AR技術(shù)中，用戶通過手勢操作、頭部動作、身體移動都能實現(xiàn)與三維場景的互動，因此具有更豐富的互動性；（b）兩類技術(shù)都能方便地將娛樂性與實用性結(jié)合。VR和AR技術(shù)是伴隨著數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而興起的，因此VR和AR平臺特別適用于游戲、互動視頻等娛樂內(nèi)容的呈現(xiàn)和發(fā)布。再加上兩類技術(shù)在信息呈現(xiàn)、任務(wù)操作和用戶沉浸體驗上的優(yōu)勢，能方便地將娛樂性和實用功能進行結(jié)合；（c）兩類技術(shù)都能多維度、多通道地提供信息展示和“參與式”體驗，因此尤其適合沉浸式的兒童教學(xué)場景。傳統(tǒng)的多媒體工具往往只能在視、聽通道提供信息呈現(xiàn)和反饋，而VR和AR技術(shù)卻能在視覺、聽覺、觸覺乃至嗅覺角度提供全方位的互動體驗。

（三）VR/AR系統(tǒng)設(shè)計及其對認知能力發(fā)展的影響效果

得益于近幾年來計算機顯示和各類傳感技術(shù)的更新發(fā)展，VR和AR系統(tǒng)已經(jīng)突破以往的局限，在使用設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計中都趨于成熟，并被越來越普遍地應(yīng)用在教育、體育訓(xùn)練等領(lǐng)域中。特別是在兒童認知能力和行為早教輔助方面，VR和AR產(chǎn)品作為重要的教學(xué)手段，被越來越多地應(yīng)用在各項能力的輔助發(fā)展和教學(xué)中。例如使用VR系統(tǒng)來實現(xiàn)兒童的上肢操作以及認知能力鍛煉、通過VR場景來訓(xùn)練兒童的注意力管理能力，從而實現(xiàn)認知能力發(fā)展訓(xùn)練等。多項研究已經(jīng)證實AR技術(shù)的應(yīng)用有益于兒童認知能力發(fā)展的方方面面，包括學(xué)習(xí)能力、認知負荷管理以及空間視覺能力等。

二、國內(nèi)VR/AR技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用與兒童認知能力教育研究述評

相比國外相關(guān)領(lǐng)域研究情況，國內(nèi)關(guān)于VR和AR技術(shù)在兒童認知能力培養(yǎng)和相關(guān)應(yīng)用模式的研究還比較落后。目前的研究成果主要包括以下三個方面：

（一）兒童認知能力內(nèi)涵與培養(yǎng)方式研究

通過對大量的10～15歲兒童調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，居住地、父母受教育程度、睡眠時間以及父母相處模式等都對兒童認知能力有明顯影響。歸根結(jié)底，認知能力發(fā)展與認知鍛煉以及教育氛圍密切相關(guān)。基于語言能力與兒童認知發(fā)展的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)通過語言訓(xùn)練可以提升兒童整體認知能力。針對兒童“以游戲為中心”的認知特點研究則發(fā)現(xiàn)通過游戲以及互動玩具可以輔助兒童認知教育。此外，從認知能力發(fā)展階段上來講，基于視覺的顏色與形狀感知是所有認知能力的基礎(chǔ)。基于此，研究者提出了通過色彩辨別鍛煉來提升兒童認知能力的教學(xué)方式。

（二）數(shù)字化技術(shù)（手段）在教育中的價值研究與優(yōu)勢分析采用多媒體等數(shù)字化技術(shù)來輔助兒童認知和行為教育是近幾年來教育行業(yè)現(xiàn)代化實踐中的熱點，而通過VR和AR技術(shù)來輔助兒童教育則是熱點中的熱點。就AR技術(shù)而言，研究者們分析了該類技術(shù)在兒童認知教育中的價值和優(yōu)勢：首先，從學(xué)習(xí)動機理論出發(fā)，當(dāng)內(nèi)容呈現(xiàn)能引起兒童的興趣時有利于激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)動機，而AR場景又十分適于創(chuàng)造具有視覺吸引力的學(xué)習(xí)內(nèi)容，因此在兒童認知教育中具備十分重要的優(yōu)勢；其次，從真實性學(xué)習(xí)理論出發(fā)，AR平臺中基于真實場景的人機互動方式有利于構(gòu)建直觀、所見即所得的用戶參與體驗，因此在兒童認知教育中具有重要優(yōu)勢。還有研究者們也驗證了VR、AR等數(shù)字信息技術(shù)通過豐富的影音效果和基于真實感的人機互動方式對于兒童認知能力發(fā)展具有明顯優(yōu)勢。

（三）VR/AR沉浸式技術(shù)在早教產(chǎn)品中的應(yīng)用方法研究

縱觀國內(nèi)在通過VR、AR技術(shù)輔助兒童認知教育的相關(guān)應(yīng)用主要分為以下幾類：（a）基于認知缺陷治療和輔助訓(xùn)練的VR內(nèi)容；（b）基于多通道人機互動方式的認知操作訓(xùn)練方法；（c）基于AR多層次交互技術(shù)的童書繪本。該模式是目前該領(lǐng)域中使用AR技術(shù)輔助兒童認知能力發(fā)展最普遍的應(yīng)用模式，；（d）基于虛擬場景感知與真實運動結(jié)合的能力訓(xùn)練方法；（e）基于科學(xué)知識學(xué)習(xí)過程引導(dǎo)和改良的認知訓(xùn)練方法。VR和AR技術(shù)所提供的實境感使認知學(xué)習(xí)更具體，且能融入更多的場景引導(dǎo)和過程改良，因此有利于將原本枯燥的認知訓(xùn)練轉(zhuǎn)變?yōu)閿M人化、趣味性的學(xué)習(xí)過程。

三、VR/AR技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用與兒童認知能力教育研究綜述

通過上述國內(nèi)外相關(guān)研究成果的分析，可以發(fā)現(xiàn)，首先，國外學(xué)術(shù)界對于VR/AR技術(shù)和兒童認知能力發(fā)展理論的研究是兩個相對獨立的領(lǐng)域，而對于VR/AR技術(shù)在兒童認知能力教學(xué)中的應(yīng)用模式研究則相對匱乏，研究結(jié)果并未形成系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準和指導(dǎo)思想應(yīng)用于該領(lǐng)域。第二，相較于國外，國內(nèi)對于VR/AR技術(shù)和兒童認知能力發(fā)展理論的研究都起步較晚。一方面，對于兒童認知能力特征、發(fā)展規(guī)律以及培養(yǎng)方式的研究還處在探索階段，特別是對于合理、科學(xué)地提高中國兒童認知能力的教學(xué)措施的研究還缺少科學(xué)合理的結(jié)論；另一方面，隨著近幾年來VR/AR技術(shù)的成熟和普及，各類VR/AR技術(shù)結(jié)合認知教育內(nèi)容的應(yīng)用層出不窮，但是內(nèi)容良莠不齊，“如何將VR/AR技術(shù)特色和功能優(yōu)勢科學(xué)、合理地應(yīng)用在兒童認知發(fā)展教育中，并形成具有普遍指導(dǎo)意義的應(yīng)用模式”是國內(nèi)該領(lǐng)域尚待解決的重要課題。

由于兒童認知能力發(fā)展涉及視聽覺感知、空間感知與注意力管理、記憶與思維訓(xùn)練以及語言能力發(fā)展等多方面內(nèi)容，而依托于傳統(tǒng)信息技術(shù)的訓(xùn)練方法往往局限于在視、聽覺等單一通道提供內(nèi)容而且在與兒童的互動中缺少合理反饋、趣味性和用戶沉浸感低，因此很難保證訓(xùn)練效果和兒童的使用體驗。從最新的數(shù)字媒體信息技術(shù)出發(fā)，將VR與AR技術(shù)應(yīng)用在兒童認知能力培養(yǎng)和教育方式中，探索兩類信息技術(shù)所提供的多維度信息呈現(xiàn)以及沉浸式的體驗環(huán)境在認知能力培養(yǎng)中的優(yōu)勢，是兒童認知教育領(lǐng)域亟待解決的重大問題。

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作者簡介：

趙斌（1996-），男，杭州電子科技大學(xué)數(shù)字媒體與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院數(shù)字媒體技術(shù)2015級本科生；張瑞靜（1981- ），女，博士，杭州電子科技大學(xué)數(shù)字媒體與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院講師。