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

趙斌 張瑞靜

【摘 要】本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外VR/AR技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用與兒童認(rèn)知能力教育研究的研究綜述，分析了國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)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(shì)科學(xué)、合理地應(yīng)用在兒童認(rèn)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(guó)內(nèi)該領(lǐng)域尚待解決的重要課題。

【關(guān)鍵詞】VR/AR 兒童認(rèn)知能力 教育

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

【中圖分類(lèi)號(hào)】B842.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）36-0084-02

兒童認(rèn)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(duì)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(kāi)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(dòng)互聯(lián)技術(shù)的早教認(rèn)知訓(xùn)練軟件、基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的兒童認(rèn)知繪本、多媒體輔助幼兒課堂教學(xué)系統(tǒng)等。同時(shí)學(xué)界也針對(duì)VR/AR技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用與兒童認(rèn)知能力教育研究進(jìn)行了深入的探討。

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

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

（一）認(rèn)知能力特征與兒童認(rèn)知教育研究

國(guó)際上普遍認(rèn)可的兒童年齡是指0～15周歲。按照皮亞杰的“兒童認(rèn)知能力發(fā)展”理論，兒童時(shí)期的認(rèn)知能力發(fā)展大致經(jīng)歷4個(gè)階段：第一階段，0～2歲嬰兒期，是幼兒的感知運(yùn)算階段。在該階段幼兒通過(guò)直觀的感知行為，如視覺(jué)觀察、觸摸、嗅覺(jué)感知等方式來(lái)適應(yīng)外部環(huán)境；第二階段，3～6、7歲，前運(yùn)算階段，又稱(chēng)符號(hào)學(xué)習(xí)階段。在該階段，兒童有了符號(hào)學(xué)習(xí)行為，通過(guò)表象思維，在頭腦中建立外界事物與符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。第三階段，7～11、12歲，具體運(yùn)算階段。在該階段，兒童的思維活動(dòng)必須有具體的事物支撐。第四階段，12～15、16歲，形式運(yùn)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)形成并修正自己的看法。通過(guò)對(duì)大量?jī)和砷L(zhǎng)軌跡的長(zhǎng)時(shí)間跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，上述認(rèn)知能力形成過(guò)程中伴隨著兒童感覺(jué)、知覺(jué)、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(shì)

VR是指利用計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)視景呈現(xiàn)在用戶(hù)眼前，使用戶(hù)沉浸到該虛擬空間中；而AR則是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將虛擬信息傳遞到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中并予以應(yīng)用，以達(dá)到虛實(shí)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(diǎn)：（a）兩類(lèi)技術(shù)都具有豐富互動(dòng)性和高度沉浸感。相比傳統(tǒng)的二維多媒體界面，三維人機(jī)界面帶給用戶(hù)更強(qiáng)烈的沉浸感。而且在VR和AR技術(shù)中，用戶(hù)通過(guò)手勢(shì)操作、頭部動(dòng)作、身體移動(dòng)都能實(shí)現(xiàn)與三維場(chǎng)景的互動(dòng)，因此具有更豐富的互動(dòng)性；（b）兩類(lèi)技術(shù)都能方便地將娛樂(lè)性與實(shí)用性結(jié)合。VR和AR技術(shù)是伴隨著數(shù)字娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而興起的，因此VR和AR平臺(tái)特別適用于游戲、互動(dòng)視頻等娛樂(lè)內(nèi)容的呈現(xiàn)和發(fā)布。再加上兩類(lèi)技術(shù)在信息呈現(xiàn)、任務(wù)操作和用戶(hù)沉浸體驗(yàn)上的優(yōu)勢(shì)，能方便地將娛樂(lè)性和實(shí)用功能進(jìn)行結(jié)合；（c）兩類(lèi)技術(shù)都能多維度、多通道地提供信息展示和“參與式”體驗(yàn)，因此尤其適合沉浸式的兒童教學(xué)場(chǎng)景。傳統(tǒng)的多媒體工具往往只能在視、聽(tīng)通道提供信息呈現(xiàn)和反饋，而VR和AR技術(shù)卻能在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)乃至嗅覺(jué)角度提供全方位的互動(dòng)體驗(yàn)。

（三）VR/AR系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其對(duì)認(rèn)知能力發(fā)展的影響效果

得益于近幾年來(lái)計(jì)算機(jī)顯示和各類(lèi)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(jì)中都趨于成熟，并被越來(lái)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(rèn)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(lái)越多地應(yīng)用在各項(xiàng)能力的輔助發(fā)展和教學(xué)中。例如使用VR系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)兒童的上肢操作以及認(rèn)知能力鍛煉、通過(guò)VR場(chǎng)景來(lái)訓(xùn)練兒童的注意力管理能力，從而實(shí)現(xiàn)認(rèn)知能力發(fā)展訓(xùn)練等。多項(xiàng)研究已經(jīng)證實(shí)AR技術(shù)的應(yīng)用有益于兒童認(rèn)知能力發(fā)展的方方面面，包括學(xué)習(xí)能力、認(rèn)知負(fù)荷管理以及空間視覺(jué)能力等。

二、國(guó)內(nèi)VR/AR技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用與兒童認(rèn)知能力教育研究述評(píng)

相比國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域研究情況，國(guó)內(nèi)關(guān)于VR和AR技術(shù)在兒童認(rèn)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(gè)方面：

（一）兒童認(rèn)知能力內(nèi)涵與培養(yǎng)方式研究

通過(guò)對(duì)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(shí)間以及父母相處模式等都對(duì)兒童認(rèn)知能力有明顯影響。歸根結(jié)底，認(rèn)知能力發(fā)展與認(rèn)知鍛煉以及教育氛圍密切相關(guān)?；谡Z(yǔ)言能力與兒童認(rèn)知發(fā)展的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)語(yǔ)言訓(xùn)練可以提升兒童整體認(rèn)知能力。針對(duì)兒童“以游戲?yàn)橹行摹钡恼J(rèn)知特點(diǎn)研究則發(fā)現(xiàn)通過(guò)游戲以及互動(dòng)玩具可以輔助兒童認(rèn)知教育。此外，從認(rèn)知能力發(fā)展階段上來(lái)講，基于視覺(jué)的顏色與形狀感知是所有認(rèn)知能力的基礎(chǔ)?；诖耍芯空咛岢隽送ㄟ^(guò)色彩辨別鍛煉來(lái)提升兒童認(rèn)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(jià)值研究與優(yōu)勢(shì)分析采用多媒體等數(shù)字化技術(shù)來(lái)輔助兒童認(rèn)知和行為教育是近幾年來(lái)教育行業(yè)現(xiàn)代化實(shí)踐中的熱點(diǎn)，而通過(guò)VR和AR技術(shù)來(lái)輔助兒童教育則是熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。就AR技術(shù)而言，研究者們分析了該類(lèi)技術(shù)在兒童認(rèn)知教育中的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)：首先，從學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)理論出發(fā)，當(dāng)內(nèi)容呈現(xiàn)能引起兒童的興趣時(shí)有利于激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，而AR場(chǎng)景又十分適于創(chuàng)造具有視覺(jué)吸引力的學(xué)習(xí)內(nèi)容，因此在兒童認(rèn)知教育中具備十分重要的優(yōu)勢(shì)；其次，從真實(shí)性學(xué)習(xí)理論出發(fā)，AR平臺(tái)中基于真實(shí)場(chǎng)景的人機(jī)互動(dòng)方式有利于構(gòu)建直觀、所見(jiàn)即所得的用戶(hù)參與體驗(yàn)，因此在兒童認(rèn)知教育中具有重要優(yōu)勢(shì)。還有研究者們也驗(yàn)證了VR、AR等數(shù)字信息技術(shù)通過(guò)豐富的影音效果和基于真實(shí)感的人機(jī)互動(dòng)方式對(duì)于兒童認(rèn)知能力發(fā)展具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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

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

通過(guò)上述國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的分析，可以發(fā)現(xiàn)，首先，國(guó)外學(xué)術(shù)界對(duì)于VR/AR技術(shù)和兒童認(rèn)知能力發(fā)展理論的研究是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域，而對(duì)于VR/AR技術(shù)在兒童認(rèn)知能力教學(xué)中的應(yīng)用模式研究則相對(duì)匱乏，研究結(jié)果并未形成系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)思想應(yīng)用于該領(lǐng)域。第二，相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)于VR/AR技術(shù)和兒童認(rèn)知能力發(fā)展理論的研究都起步較晚。一方面，對(duì)于兒童認(rèn)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(duì)于合理、科學(xué)地提高中國(guó)兒童認(rèn)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(lái)VR/AR技術(shù)的成熟和普及，各類(lèi)VR/AR技術(shù)結(jié)合認(rèn)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(shì)科學(xué)、合理地應(yīng)用在兒童認(rèn)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(guó)內(nèi)該領(lǐng)域尚待解決的重要課題。

由于兒童認(rèn)知能力發(fā)展涉及視聽(tīng)覺(jué)感知、空間感知與注意力管理、記憶與思維訓(xùn)練以及語(yǔ)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(tīng)覺(jué)等單一通道提供內(nèi)容而且在與兒童的互動(dòng)中缺少合理反饋、趣味性和用戶(hù)沉浸感低，因此很難保證訓(xùn)練效果和兒童的使用體驗(yàn)。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(rèn)知能力培養(yǎng)和教育方式中，探索兩類(lèi)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(yàn)環(huán)境在認(rèn)知能力培養(yǎng)中的優(yōu)勢(shì)，是兒童認(rèn)知教育領(lǐng)域亟待解決的重大問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)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(jì)學(xué)院數(shù)字媒體技術(shù)2015級(jí)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(jì)學(xué)院講師。