學(xué)齡前兒童陪護機器人交互設(shè)計研究

朱婧璇 高娃

摘要：探索和研究面向?qū)W齡前兒童的陪護機器人交互設(shè)計。通過調(diào)查學(xué)齡前兒童的基本行為和心理特征，對兒童操作界面的功能層級、使用場景等進行分析，并進行學(xué)齡前兒童陪護機器人的交互界面和交互行為設(shè)計研究。提出具有可行性的、且易于學(xué)齡前兒童使用的陪護機器人交互設(shè)計方案?？蔀閷W(xué)齡前兒童陪護機器人交互設(shè)計的深入研究提供參考。

關(guān)鍵詞：學(xué)齡前兒童;陪護機器人;交互設(shè)計

中圖分類號：TB472

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）03-0145-03

引言

兒童的成長需要陪護，尤其是3～6歲的學(xué)齡前兒童。他們的自我保護意識較弱，獨自玩耍容易發(fā)生意外。如果缺乏有效的陪伴，兒童容易產(chǎn)生孤獨低落的情緒。隨著信息技術(shù)、機器人技術(shù)等不斷發(fā)展，陪護機器人的出現(xiàn)大幅度地減少了這樣的風(fēng)險。陪護機器人不僅可以幫助兒童消解不良心理與情緒，還可以采用寓教于樂的形式激發(fā)孩子的學(xué)習(xí)興趣，有助于養(yǎng)成良好的生活習(xí)慣。為此，本文著重分析學(xué)齡前兒童、陪護型機器人、使用環(huán)境之間的互動關(guān)系，面向?qū)W齡前兒童進行陪護機器人交互設(shè)計，提出學(xué)齡前兒童陪護機器人人機交互界面方案，可為該類產(chǎn)品的深入研究提供有益參考。

一、設(shè)計調(diào)研

根據(jù)中國教育部對中國兒童的劃分，學(xué)齡前兒童的年齡是3～6歲。這一階段，兒童具有了基本的認(rèn)知行為和行動能力，記憶力由無意識記憶到由興趣培養(yǎng)的有意識記憶，想象力由無意想象到以再造想象[1，2]。學(xué)齡前兒童在家玩耍時，如無人陪護很容易發(fā)生意外傷害。同時，如果家長缺乏時間和精力提供有效陪伴，兒童容易產(chǎn)生焦慮、孤獨和其他負(fù)面情緒[3]。有研究表明，親子情感與游戲的互動是孩子模擬的社會行為，有助于孩子形成正常的社會人格[4]。

人機界面是決定用戶與機器溝通是否良好的關(guān)鍵。易于理解的人機界面必然在尊重用戶個性化追求的基礎(chǔ)上充分貫徹“以人為本”設(shè)計理念，這與后現(xiàn)代設(shè)計風(fēng)格中提出的對個性化的追求有相通性[5，6]。在人機界面的設(shè)計過程中，充分把握認(rèn)知負(fù)荷、合理控制認(rèn)知容量與認(rèn)知次序能夠有效提高用戶學(xué)習(xí)和理解的效率[7，8]。學(xué)齡前兒童識字有限，對聲音、圖像等更為敏感。因此，在面向?qū)W齡前兒童進行人機界面設(shè)計時，要盡量減少文字的使用，以語音、圖像、視頻為主。此外，還要更多地關(guān)注兒童熱衷重復(fù)性行動的習(xí)慣特征，給予他們更多的時間和自我操作機會[2]。

目前市場上的兒童機器人大多以教育、游戲和陪護功能為主。在市場調(diào)查中選擇了六款不同品牌、價格基本相持平的兒童機器人進行分析，分別為艾貓、Luka、好而優(yōu)、智伴、好帥大頭、阿爾法小蛋。

1.外觀設(shè)計與交互方式調(diào)研：對六種兒童機器人的外觀造型均傾向于小巧、可愛的設(shè)計風(fēng)格。從交互方式調(diào)研發(fā)現(xiàn)大部分都需要語音或動作喚醒后才能接受指令，同時，普遍功能鍵設(shè)計使用感較差。對比分析如表1。

二、用戶需求及使用場景分析

在上述設(shè)計調(diào)研及分析基礎(chǔ)上，分別從隱性要素和顯性要素探索用戶需求，并分析學(xué)齡前兒童陪護機器人的使用場景。

（一）隱性要素

在學(xué)齡前兒童陪護機器人交互設(shè)計中，隱性要素主要來自于提升兒童認(rèn)知的一些要素。例如，學(xué)齡前兒童具有好奇心強、情緒支配行動、喜歡模仿的心理特性，對于形象記憶的效果優(yōu)于抽象記憶的特點。面向?qū)W齡前兒童的陪護機器人設(shè)計應(yīng)考慮的隱性要素包括：a）交互方式生動有趣;b）操作簡易性;c）安全性;d）事物應(yīng)建立聯(lián)系，有助于形象記憶;e）滿足兒童的感官期望;f）條理分明，邏輯清晰。

（二）顯性要素

學(xué)齡前兒童陪護機器人交互設(shè)計中的顯性元素主要來自于能夠吸引兒童注意力的色彩、形狀等。例如，人機界面設(shè)計中需要考慮形狀特征，通過增大形狀特征及其屬性差異可以增強目標(biāo)形狀的突顯性[9]。程度強的顏色更容易被視覺感知，其視覺感知層次越近，視覺搜索速度越快[10]。面向?qū)W齡前兒童的智能陪護機器人設(shè)計的顯性要素應(yīng)具有如下特點：a）界面視覺效果保持一致;b）仿生造型，情感性、趣味性濃;c）可使用明度高、純度高的顏色;d）外形渾圓可愛、擬人風(fēng)格;e）滿功能層級簡潔、易上手，利用圖片與動畫形式播放，直觀且生動有趣;f）文字信息簡潔，圖文并茂;g）錯誤選擇時有信息提示。

（三）使用場景分析

通過隱性要素和顯性要素的分析，明確了學(xué)齡前兒童陪護機器人的用戶需求。在此基礎(chǔ)上，將學(xué)齡前兒童陪護機器人的典型場景分為陪伴、溝通、學(xué)習(xí)、游戲四個場景。在這些場景下，用戶可以通過界面控制學(xué)齡前兒童陪護機器人，通過語音、動作等交互方式實現(xiàn)人與機器人的交互。在上述四個場景下，用戶的基本使用情況分析如下。

1.陪伴場景。學(xué)齡前兒童獨自玩耍時，陪護機器人應(yīng)保證其能夠安全，遇到危險應(yīng)該發(fā)出警告。例如，兒童在家具的尖角附近玩耍應(yīng)當(dāng)及時制止，用身體擋住兒童的前進路線，以防兒童受傷。機器人無法解決時，先了解孩子狀態(tài)，而后向家長發(fā)送狀態(tài)信息，并啟動報警裝置。

2.溝通場景。學(xué)齡前兒童相較于一般用戶更需要呵護，當(dāng)兒童獨自玩耍產(chǎn)生孤獨甚至悲觀的情緒時，兒童智能陪伴機器人需要及時發(fā)現(xiàn)問題，并立即做出反應(yīng)。例如，通過游戲分散注意力，必要時可以通過視頻或語音電話聯(lián)系家長，進行溝通，消除兒童不良心理。

3.學(xué)習(xí)場景。成長教育對于學(xué)齡前兒童而言至關(guān)重要，機器人要正確有效地引導(dǎo)兒童主動學(xué)習(xí)。由于學(xué)齡前兒童具有強烈的好奇心和模仿欲，兒童機器人在此場景下的言行必須有嚴(yán)格的規(guī)范。在面向?qū)W齡前兒童進行教學(xué)過程中，要注意教學(xué)方法，避免學(xué)齡前兒童對學(xué)習(xí)產(chǎn)生抵觸情緒。

4.游戲場景。游戲寓教于樂的方式能夠吸引學(xué)齡前兒童關(guān)注，讓學(xué)齡前兒童主動學(xué)習(xí)。游戲的獎勵機制也更容易培養(yǎng)學(xué)齡前兒童的生活習(xí)慣。在此情境下，機器人可以通過語音指令和音樂提示為兒童布置游戲任務(wù)，通過獎勵機制，促進和引導(dǎo)兒童形成良好的生活習(xí)慣。

三、交互行為分析

（一）功能菜單設(shè)計

1.主界面功能層級設(shè)計：學(xué)齡前兒童陪護型機器人主界面分為注冊登錄界面與功能操作界面。功能操作界面從智能場景和交互方式展開。其中，智能場景界面是在不同場景下，為了滿足用戶需求，對功能進行的細(xì)分并完善;交互方式則是針對不同智能場景，完成多種交互方式結(jié)合的交互過程。學(xué)齡前兒童陪護型機器人的基本功能層級如圖1所示。

2.智能場景菜單設(shè)計：陪伴和培養(yǎng)習(xí)慣是學(xué)齡前兒童陪護型機器人智能場景菜單設(shè)計的重要目標(biāo)。由于學(xué)齡前兒童正處于對事物充滿好奇、模仿心理強烈這一成長階段，學(xué)齡前兒童陪護型機器人通過陪伴時刻保持監(jiān)控，關(guān)注孩子的言行，規(guī)避風(fēng)險，并對孩子的言行進行有益疏導(dǎo)，對學(xué)齡前兒童的身心健康具有重要作用。與此同時，通過游戲制定目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)齡前兒童主動學(xué)習(xí)，也能夠促進學(xué)齡前兒童養(yǎng)成良好習(xí)慣的養(yǎng)成。學(xué)齡前兒童陪護型機器人的智能場景菜單設(shè)計如圖2所示。

（二）不同使用場景下的交互行為設(shè)計

1.陪伴場景：學(xué)齡前兒童陪護型機器人通過攝像頭實時觀察兒童行動，陪伴兒童的場景下的產(chǎn)品行為如圖3所示。該機器人觀察兒童狀態(tài)，如果兒童狀態(tài)良好，開心玩耍、亦或是認(rèn)真看書、學(xué)習(xí)，機器人處于待機狀態(tài)，安靜陪伴兒童。如果兒童表現(xiàn)出不安情緒，例如，喪失耐心、煩躁、哭泣，該機器人嘗試用講故事、與兒童對話、播放音樂或視頻、切入游戲場景等方式分散兒童注意力從而緩解學(xué)齡前兒童的不安情緒。

2.游戲場景：在游戲過程中，通過游戲規(guī)則潛移默化影響兒童能夠有效促進兒童良好習(xí)慣養(yǎng)成。在游戲場景下該機器人人機界面的信息架構(gòu)如圖4所示。在游戲場景下，為學(xué)齡前兒童設(shè)計三種游戲方式，包括倒垃圾、喂食小動物和刷牙。這三種游戲方式的設(shè)計目的在于讓兒童逐漸產(chǎn)生環(huán)境保護、愛護動物、健康衛(wèi)生等意識。

大多數(shù)兒童在游戲過程中并不會對游戲結(jié)果有預(yù)判，而是在了解游戲規(guī)則后直接開始游戲。這是學(xué)前兒童特有的直覺性游戲行為。根據(jù)這一特征，可將游戲場景由全展示改變?yōu)槟K化展示[11]。每完成一個階段分類后，當(dāng)前情境切換為下一個新的場景，最終拼成完整地圖。以倒垃圾游戲模式為例，這種模塊化展示既能夠提高游戲場景的規(guī)模，也能夠打破屏幕的局限，同時還能夠鍛煉兒童的記憶里，以及測試兒童對垃圾分類的了解程度。

四、界面設(shè)計

界面卡片分為三種類型，一是圖片卡片、二是視頻卡片、三是計劃表卡片。采用卡片化的形式，分步學(xué)習(xí)。將大的知識點拆分成塊，由易到難，逐個擊破，并一一掌握，最終串聯(lián)到一起，融會貫通。

圖片與視頻都是兒童喜歡并易于掌握的教學(xué)形式，音頻可以根據(jù)用戶需要，無限次數(shù)播放。采取計劃表的方式，每次完成一項內(nèi)容，就會在其所對應(yīng)的計劃后打鉤。通過記錄所用時間，對每次完成情況有所掌握，并根據(jù)完成情況及時合理地調(diào)整規(guī)劃。有利于兒童更好地掌握知識點，培養(yǎng)兒童有意識的養(yǎng)成做事有計劃的良好習(xí)慣。中、英文學(xué)習(xí)的低保真界面如圖5a）所示。

由于卡片在圖5a）界面中過于狹小，因此圖5b）將圖片、視頻的內(nèi)容展開，滿足了屏幕的局限性，使用戶更好地使用跟讀模式。跟讀的低保真界面如圖5b）所示，在圖5a）點擊圖片或視頻，進入圖5b）跟讀模式。

兩種方法均可以完成跟讀訓(xùn)練，兒童可以根據(jù)需要進行選擇。一種是圖片法，首先觀察圖片，接著播放錄音，最后讓兒童跟讀所聽得到單詞。另一種是視頻法，兒童先播放視頻，在認(rèn)真觀看視頻后，回答視頻最后所提出的問題，回答完畢后，系統(tǒng)會對兒童的回答內(nèi)容進行判定并打分。同時，與歷史記錄分?jǐn)?shù)作對照，對比前后兩次的成績，透明直觀地了解兒童的真實情況。采用識圖與視頻相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，使兒童更好地掌握知識點。且每次學(xué)習(xí)成績有記錄，更能督促孩子學(xué)習(xí)。

根據(jù)保留的歷史數(shù)據(jù)，通過智能算法及時調(diào)整學(xué)習(xí)計劃，針對艾賓斯浩曲線記憶法，在特定時間節(jié)點進行復(fù)習(xí)，讓兒童對知識點的掌握更加牢固。學(xué)齡前兒童對于圖片、視頻的認(rèn)知遠高于文字，因此，在跟讀時，把文字轉(zhuǎn)化成圖片、視頻，更有利于兒童學(xué)習(xí)掌握。

為了讓視頻觀看有更好的用戶體驗，設(shè)計的界面尺寸為長30.5cm、寬25.4cm的12.1英寸屏幕。界面的設(shè)計是扁平化風(fēng)格，左右滑動進行界面切換，簡單易操作。由于兒童對文字辨識有限，以動作結(jié)合語音交互方式為主，設(shè)計出生動形象的圖片更有利于識別。主界面的高保真界面如圖6所示。

明艷、跳躍的色彩對于兒童而言更具吸引力，同時，科學(xué)研究表明：程度強的顏色更容易被視覺感知。因而主色調(diào)采用黃色，活潑而充滿朝氣。復(fù)雜的界面并不適合兒童，且容易誤操作，因此，主界面的設(shè)計布局簡單明了，功能包括狀態(tài)欄、圖標(biāo)和幫助。

傳統(tǒng)的界面設(shè)計過于方正，且圖標(biāo)中規(guī)中矩過于呆板。所以，從兒童角度考慮，界面圖標(biāo)的外輪廓采用圓圈形狀，俏皮可愛。圖標(biāo)造型是夏日主題，有冰激凌、花朵、貓咪等造型，貓咪造型根據(jù)不同圖標(biāo)有不同的造型，生動有趣，深得兒童喜愛，從外觀、操作等多方面讓兒童愿意主動使用兒童智能陪護機器人。

結(jié)論

通過調(diào)查學(xué)齡前兒童的基本行為和心理特征，對學(xué)齡前兒童陪護機器人進行交互設(shè)計，對兒童操作界面的功能層級、使用場景等進行分析，并進行學(xué)齡前兒童陪護機器人的交互界面和交互行為設(shè)計研究。

兒童陪護型機器人作為陪伴兒童成長的伙伴，很大程度上解決了家長因工作繁忙無法陪伴孩子的難題。同時保護了學(xué)齡前兒童的身心健康，看護兒童使他們遠離危險，關(guān)心兒童心理健康，遠離孤獨、憂郁、焦躁等不良情緒。

隨著現(xiàn)代人對心理問題的重視，陪伴型兒童智能機器人將逐漸普及到每個家庭中。為了讓兒童更好地使用交互界面，需要設(shè)身處地從兒童考慮，設(shè)計每個場景下的兒童行為流程設(shè)計圖，并通過實地調(diào)研不斷完善。構(gòu)建學(xué)齡前兒童機器人的交互界面系統(tǒng)，并通過評估與設(shè)計實踐驗證，對學(xué)齡前兒童陪護型機器人的界面設(shè)計具有一定的指導(dǎo)性。

基金項目：江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項目（PPZY2015B150“木材科學(xué)與工程”）。

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