基于KJ-AHP-TOPSIS法的兒童空間思維訓練玩具設計研究

摘要：為提升兒童空間思維訓練玩具的訓練效果，提出一種基于KJ-AHP TOPSIS模型的兒童空間思維訓練玩具的設計方法。首先，通過認知發(fā)展理論確定兒童空間思維訓練的最佳時期，并結合用戶和市場調研明確用戶需求和市場缺口；其次，通過KJ法歸納整理出多層次需求指標；然后，運用AHP法構建層次結構模型并計算評價指標的權重，基于高權重指標得出3個設計方案；最后，運用TOPSIS法進行設計方案優(yōu)選。確定兒童空間思維訓練玩具的優(yōu)選設計方案。通過KJ-AHP-TOPSIS法，將定性評價指標定量化，最大程度減少主觀因素影響，本文案例驗證了該方法的有效性，為后續(xù)的設計實踐提供了方法參考。

關鍵詞：空間思維訓練；玩具設計；KJ-AHP-TOPSIS；認知發(fā)展理論；設計優(yōu)選

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2025）11-0032-06

引言

隨著科技的發(fā)展和社會的變革，STEAM教育（科學、技術、工程、藝術和數(shù)學）在全球范圍內迅速興起，因其強調跨學科整合和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，成為各國教育改革的熱點[1]。2016年，中國教育部在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中強調了信息技術在STEAM教育中的重要性[2]。在STEAM教育中，空間思維能力被認為是至關重要的一環(huán)，這不僅是該領域中解決問題、進行創(chuàng)新活動的基礎，還能有效預測學生在其中的教育表現(xiàn)[3]。研究表明，空間思維能力具有高可塑性且兒童時期是其培養(yǎng)、訓練及成型的最佳時期[4-5]，因此，研究如何提升兒童的空間思維能力具有重要意義?？臻g思維訓練產(chǎn)品可分為實物類、虛擬類和虛實結合類。通過具身物理操作進行的空間能力訓練比非操作性訓練更有效[6-7]，且現(xiàn)有實物類玩具在互動性、適用性和多維度性等方面存在不足，因此，本研究將綜合運用KJ-AHP-TOPSIS法進行設計分析，并產(chǎn)出一套科學、合理的空間思維能力訓練玩具。

一、研究背景

（一）空間思維能力

空間思維是一種基于空間概念、空間表征和認知工具的混合體構建的思維類型[8]。學者SarahWithamBednarz[9]將空間思維能力分為空間歸納、空間轉化、空間關系、空間推理、空間決策能力5個維度。學者Linn等[10]認為空間思維能力由空間感知、空間可視化和心理旋轉能力3個維度構成。學者McGee[11]將空間思維能力分為空間可視化和空間定向能力。因此，本文將空間思維能力分為空間想象能力、空間定向能力、空間可視化能力和心理旋轉能力4個維度并圍繞其展開分析。

（二）認知發(fā)展理論

認知發(fā)展理論由發(fā)展心理學家皮亞杰（JeanPiaget）提出，他系統(tǒng)研究兒童認知的發(fā)展并提出4個具體階段的認知發(fā)展框架，該框架與空間認知能力發(fā)展的4個階段相對應[12-13]。其中，具體運算階段（7～11歲），兒童開始運用思維技巧和邏輯推理執(zhí)行簡單的思維活動，但他們仍然難以解決假設性和抽象性的問題，該階段兒童的空間想象能力開始形成，空間思維能力的多個維度開始被激活，標志著其進入全面發(fā)展階段。因此，7～11歲是空間思維能力訓練的最佳時期，后續(xù)的設計分析和實踐將專注于此階段兒童。

二、相關理論概述

該部分將系統(tǒng)介紹層次分析法（AHP法）、親和圖法（KJ法）及逼近理想解排序法（TOPSIS法）的概念及應用現(xiàn)狀。

（一）AHP法

其是一種綜合定量與定性分析的多目標決策方法，其通過計算評價指標的權重指導后續(xù)的設計實踐[14-15]。

（二）KJ法

其是東京工業(yè)大學的川喜田二郎（JiroKawakita）教授提出的一種將大量信息分類、歸納的方法。其現(xiàn)已廣泛應用于設計學領域[16]。

（三）TOPSIS法

其通過評估各方案與正、負理想解之間的距離進行綜合排序，進而評選其中的最優(yōu)方案[17]。（四）應用現(xiàn)狀分析。根據(jù)文獻檢索結果，3種方法都是設計學領域中運用較多且科學有效的分析工具。李娜等[18]通過AHP TOPSIS法確定可持續(xù)包裝設計的評價指標權重，得到3種設計方案，并選用了牛皮紙和加厚卡紙設計的泡袋禮盒；胡浩偉等[19]AHP法，通過KJ法確定用戶對家庭種植產(chǎn)品的需求層級，再通過利用KJ AHP法計算指標權重，最終設計出一款智能化的適老化家庭種植產(chǎn)品。蘇晨等[20]利用AHP-TOPSIS法，確定用戶對于海上風電軸承試驗機的關鍵需求，設計了3款概念方案，并選用對安全隱患以及實時狀態(tài)無法在線觀測改善程度最優(yōu)的方案。

KJ法擅長整理歸類復雜的、無結構的信息；AHP法通過層次矩陣確定權重并進行一致性檢驗，減少了主觀偏差，但在處理大量信息時復雜度高；TOPSIS法擅長處理大量數(shù)據(jù)，但評價指標的權重占比易受主觀性影響。3種方法綜合使用可以優(yōu)劣互補，從需求整理、權重分配、方案排序3部分覆蓋整個設計決策過程。目前，國內尚無學者研究3種方法在兒童空間思維玩具領域的應用，將此方法應用于該領域具有可行性和創(chuàng)新性。

三、KJ-AHP-TOPSIS法在兒童空間思維訓練玩具中的應用

本文建立基于KJ-AHP-TOPSIS法的兒童空間思維訓練玩具設計優(yōu)選路徑，首先，通過KJ法整合歸納用戶需求得到多層需求指標；其次，通過AHP法計算評價指標權重，產(chǎn)出多個設計方案；最后，通過TOPSIS法在其中評選最優(yōu)方案，如圖1所示。（一）KJ法提取產(chǎn)品需評價指標

1.市場現(xiàn)狀分析

市場上的兒童空間思維訓練玩具可分為建筑構造、迷宮、拼圖及科技4類，每類中選擇代表性玩具從玩具玩法、訓練項目、劣勢等方面展開分析，并得出以下市場缺口。

（1）多維度訓練

兒童空間思維的發(fā)展由多個維度協(xié)同促成，訓練玩具如果只專注于培養(yǎng)一個或幾個維度，可能導致其他維度發(fā)展緩慢，這將不利于空間思維能力的全面發(fā)展。

（2）互動性提升

高互動性的玩具可以激發(fā)兒童興趣和參與度，提升訓練效果。

（3）適用性設計

玩具設計要符合兒童的生理和認知特點，與目標年齡階段相匹配，例如，可采用從易到難的遞進設置。2.家長訪談分析。訪談法主要通過問答形式調研用戶的真實需求。本次訪談旨在深入了解7～11歲兒童的家長對空間思維訓練玩具的需求，參與者包括心理學、教育學、設計學領域的專家及普通家長，通過錄音和速記，從玩具使用情況、功能和設計等多個方面進行調研。訪談發(fā)現(xiàn)，設計學領域家長傾向于具有多樣化3D搭建任務的玩具，以幫助孩子理解空間物體關系，并希望增加更多的提示和引導功能；心理學領域的家長強調新型玩具和傳統(tǒng)玩具的情感聯(lián)結；教育學領域的家長希望玩具支持親子互動和團隊合作。除此之外，他們普遍認為現(xiàn)有玩具與年齡段不匹配，缺乏循序漸進的難度設置，并且互動性不足。

3.兒童觀察分析

觀察法通過觀察兒童使用產(chǎn)品的行為來識別設計的機會點。本次調研招募10名7～11歲兒童，通過錄像及觀察，從任務完成時間、專注度、興趣點和難點等方面分析兒童需求。

根據(jù)觀察結果，7～8歲兒童搭建用時多久，專注度易被吸引，無法解決復雜的空間變換任務；9～11歲兒童搭建用時較接近，11歲兒童能保持更持久的專注度。他們普遍認為缺乏有效反饋的訓練任務難以堅持，他們喜歡具有趣味性及創(chuàng)新性的任務。

4.KJ法提取評價指標

根據(jù)市場和用戶調研結果，運用KJ法整理和歸納用戶需求，其步驟如下：

（1）以兒童空間思維訓練玩具需求為關鍵詞，將用戶需求通過剔除無用信息，整體相同及相近信息的方法，制定需求卡片，得到二級需求指標22個。

（2）將二級需求指標按照關聯(lián)度進行歸類，得到一級需求指標6個，如圖2所示。

（二）AHP法計算評價指標權重

1.構建層次結構模型

根據(jù)研究目的，將目標層定為兒童空間思維訓練玩具需求E，準則層定為F1～F6，子準則層定為M1～M22，并構建層次結構模型，如圖3所示。

2.構建判斷矩陣并計算權重

根據(jù)圖3構建兩兩比較的判斷矩陣B=（aij）n×n，其中aij表示每一層次中i比j的重要程度，n表示層次中的指標個數(shù)。為了使權重結果更具客觀性，參照判斷矩陣標度的定義原則構造矩陣，邀請14名設計學、3名心理學及3名教育學領域的從業(yè)者打分，并采用幾何平均法整合數(shù)據(jù)，得到判斷矩陣E，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6如表1～7所示。

4.綜合分析評價指標

根據(jù)表8中評價指標的權重占比，得到準則層中各評價指標的優(yōu)先級排序依次為：安全性、適用性、互動性、多維度性、情感性和美觀性。本設計實踐聚焦于排名前四位的重要指標，并分別分析其排序前三位的子指標，情感性與美觀性權重相對較低，在不影響重要指標的前提下，在設計中可適當考量。

（1）安全性是兒童空間思維訓練能否開展的基礎指標

首先，材料無毒環(huán)保M5，在玩具材料選擇上，可采用食品級硅膠、ABS塑料等綠色材料；在玩具說明上，可以突出綠色認證標識。其次，無尖銳邊緣和過小零件M6，在造型上，可以采用圓角化處理，避免尖銳邊緣；在部件組成上，要確保每個部件均符合國際規(guī)定的最小零件規(guī)范。最后，玩具方便清潔M7，在結構上，簡化結構，減少縫隙和死角。

（2）適用性是兒童空間思維訓練有序推進的關鍵指標

玩具方便孩子理解和使用M9和玩具與設定的年齡階段相匹配M10兩個子指標是可以提高空間思維M11實現(xiàn)的基礎，故玩具的適用性可考慮這兩個指標。首先，M9，在玩法說明上，可以采用圖片、視頻、符號等對訓練進行可視化的指導；在造型上，可以采用兒童熟悉的積木、拼圖類造型，減少抵觸感。在技術上，可以利用傳感器、串口屏等實現(xiàn)玩具與界面間的信息傳遞。其次，M10，要考慮7～11歲兒童的認知水平和興趣偏好，該年齡段兒童傾向于趣味化和探索性的訓練方式，可融入游戲化設計、遞進式和引導式訓練策略，即通過通關獎勵機制、難度遞增的關卡、圖文提示等實現(xiàn)。

（3）互動性是兒童空間思維訓練效果提升的主要指標

首先，玩具的及時反饋和指導M1和多感官玩具體驗M2可以通過融合視、聽、觸覺多感官的空間信息來實現(xiàn)，在視覺上，可采用明亮豐富的色彩、圖文提示；在聽覺上，可設置通關音效反饋、背景音樂；在觸覺務M4，可以采用模塊化設計，增加訓練的靈活性和多樣性，通過多樣的空間組合訓練兒童的空間能力。

（4）多維度性是衡量兒童空間思維訓練系統(tǒng)性的核心指標

首先，培養(yǎng)空間可視化能力M16需要訓練在大腦里想象物體不同視角下的樣子以及構建、重組或操縱二維和三維物體的能力。其次，理解物體旋轉變換后的樣子M17要訓練在大腦里想象二維和三維物體旋轉前后狀態(tài)的能力。二者實現(xiàn)都需要鍛煉空間想象能力M18，可通過三視圖搭建立體圖、積木模塊拼插組合、空間曲線、面的折疊與展開等任務來訓練空間能力的多個方面。

（三）設計方案

1.方案

1.空間積木三視圖

該產(chǎn)品是為7～11歲兒童設計的一款通過積木三視圖和空間軌跡線搭建立體圖，從而訓練空間思維的玩具，如圖4～6所示。

（1）在產(chǎn)品組成模塊設計上，該玩具由智能交互屏幕、玩具盤（6×6）、墊高塊（共40個）和9類積木組共37個基本模塊（每個模塊各包含10個）組成，各模塊以及模塊和玩具盤間通過凹凸的拼插結構連接在一起。材料選用ABS塑料，滿足安全性需求；造型采用兒童熟悉的積木，實現(xiàn)與傳統(tǒng)玩具的情感聯(lián)結，滿足情感性需求；色彩采用馬克龍色系，滿足美觀性需求。

（2）在任務設計上，該空間思維訓練玩具分為初級、中級、高級三大難度等級，每級包含10個逐漸變難的關卡，共30個關卡，難度提升主要通過增加立體圖的高度和寬度來實現(xiàn)。初級訓練關卡使用不超過兩層積木，難度遞增時從單層過渡到雙層，軌跡線由簡單的曲線過渡到復雜的曲線；中級訓練關卡使用不超過4層積木，難度遞增時從雙層過渡到4層，軌跡線由簡單的曲線過渡到復雜的曲線；高級訓練關卡使用不超過6層積木，難度遞增時從4層過渡到6層，軌跡線也由簡單的曲線過渡到復雜的曲線，這樣的設計確保難度的逐步提升，適合7～11歲兒童，防止難度驟增導致的挫敗感。兒童根據(jù)顯示屏上展示的三視圖和一維曲線在玩具盤上構建空間立體圖，點擊界面上的提示按鈕可查看4個視角的答案圖和搭建視頻，幫助孩子理解和操作。

（3）在交互設計上，玩具融合視覺、聽覺、觸覺交互以及游戲化元素，提高空間思維能力的訓練效果。首先，界面通過圖片、文字和視頻等視覺形式提供訓練任務及答案；訓練過程中會有背景音樂、通過音效等聽覺反饋；通過具身實物模塊拼接和界面操作實現(xiàn)觸覺反饋，三者融合提供多感官玩具體驗和多樣的信息反饋。其次，設置通關積分獎勵，提升訓練過程的參與感和趣味性。

（4）在多維度訓練上，首先，兒童通過三視圖搭建立體圖，需要從3個視角觀察和想象各模塊間的空間關系，從空間視角轉換和空間構形層面訓練空間可視化、想象及定向能力。其次，在搭建過程中，兒童根據(jù)三視圖和一維曲線在大腦里旋轉模塊并動手驗證以確定模塊正確的搭建位置，從三維旋轉層面訓練空間想象能力和心理旋轉能力。

2.方案

2.空間磁力搭建塊

該產(chǎn)品是為7～11歲兒童設計的一款通過單一模塊搭建物體進行空間思維訓練的玩具。如圖7所示。

（1）在產(chǎn)品組成模塊設計上，該玩具由12面體模塊組成，其為兒童提供12個搭建方向，滿足多樣化的任務搭建需求；色彩采用馬卡龍色系，滿足美觀性需求；材料選用硅膠，滿足安全性需求。

（2）在任務設計上，該訓練玩具未設置明顯的難度區(qū)分，兒童根據(jù)給定的圖紙或者自己的想象力完成不同難度物體的自主搭建，從自主探索和構建過程中訓練空間能力。

（3）在交互設計上，模塊表面采用磨砂紋理以及磁吸拼接方式，提供豐富的觸覺反饋；豐富的色彩搭配及獨特的造型增強視覺反饋。二者結合可以提高兒童的參與感和互動體驗，進而提升訓練效果。

（4）在多維度訓練上，12面體的造型允許兒童從三維空間中的多個方位拼接實物模塊，從而搭建豐富的造型，通過三維空間構形和三維物體旋轉訓練空間定向、想象及可視化能力和心理旋轉能力。

3.方案

3.空間磁力曲線三視圖

該產(chǎn)品是為7～11歲兒童設計的一款通過空間曲線三視圖和磁力模塊訓練空間思維的玩具。如圖8～10所示。

（1）在產(chǎn)品組成模塊設計上，該玩具由磁力盤（15×15的方格）、曲線題卡（15個）、2類曲線模塊（各包含20個）、增寬塊（30個）及2類增高塊（各包含10個）組成，題卡插入磁力盤使用，豐富的模塊類型滿足多樣的空間訓練任務。材料選用ABS塑料，造型采用大圓角且模塊尺寸符合最小零件規(guī)范，滿足安全性需求；色彩采用馬卡龍色系，滿足美觀性需求。

（2）在任務設計上，玩具題卡設置有初、中、高三大難度等級，每級設有難度遞增的5個關卡，共計15個關卡，初級任務限定在5×5的磁力盤空間內，中級任務限定在10×10的磁力盤空間內，高級任務限定在15×15的磁力盤空間內，其關卡難度的提升均通過增加x、y、z三方向任務的復雜度來實現(xiàn)，滿足各年齡段兒童的訓練需求，增強適用性。兒童根據(jù)題卡上給出的三視圖，利用5類磁力模塊在磁力盤上玩成空間曲線的搭建；題卡正面設置題目，背面設置4個視角的答案，便于多個角度自檢，方便兒童理解和使用。

（3）在交互設計上，通過題卡上圖文的設計以及模塊間顏色的高對比實現(xiàn)視覺反饋，便于兒童在搭建過程中快速確定模塊間的空間位置關系；通過模塊間的磁吸拼合實現(xiàn)觸覺反饋；提升訓練過程的參與感。

（4）在多維度訓練上，玩具有5個不同的玩具模塊，通過曲線塊的三維旋轉訓練心理旋轉和空間想象能力；通過模塊間的空間拼接及三視圖對應的空間視角轉換訓練空間可視化、想象及定向能力。

（四）TOPSIS法確定優(yōu)選設計方案

為確定兒童空間思維訓練玩具的最優(yōu)方案，將上述3個方案作為評價對象，將AHP確定的22個設計參考要素作為正向評價指標，具體實施步驟如下。

1.構造正向化決策矩陣

邀請前面的20名專家并采用李克特5分制量表對3個設計方案中的正向評價指標進行打分，將所有數(shù)據(jù)進行算數(shù)平均化處理，得到初始評價矩陣A=（Aij）m×n，其中m為評價指標個數(shù)，n為設計方案個數(shù)。

2.正向化決策矩陣加權標準化

首先，通過式（4）對矩陣A進行標準化處理得到標準化矩陣B，其次，結合表8得到的權重值W，利用式（5）對矩陣B進行加權標準化處理得到矩陣C，見表9。

根據(jù)上述得到的E，D+，D-，0≤E≤1，E值越大，說明設計方案案越優(yōu)；E值越小，說明設計方案越劣。（5）方法總結。根據(jù)KJ法歸納出準則層6個評價指標，根據(jù)AHP法確定其前4個重要指標：安全性、適用性、互動性、多維度性，方案一在4個指標上的實現(xiàn)程度明顯高于其他方案，故通過TOPSIS法計算出的得分最高。

結語

空間思維能力的培養(yǎng)對于兒童的日常生活和STEAM教育至關重要，針對這一能力的訓練，要充分考慮兒童的認知水平和生理特點，從安全性、適用性、互動性、多維度性等方面綜合設計玩具。本研究在空間思維玩具設計中首次引入KJ-AHP-TOPSIS法，首先，根據(jù)皮亞杰的空間認知理論確定了兒童空間思維能力訓練的最佳時期——7～11歲；其次，通過市場和用戶調研，并采用KJ法歸納整理出多層次評價指標；接著，利用AHP法確定各評價指標的權重，設計出3個方案；最后，通過TOPSIS法確定方案1為最佳設計方案。

該研究不僅產(chǎn)出了有效的兒童空間思維訓練玩具，還減少了分散因素的干擾，提高了設計效率，為后續(xù)在空間思維領域的研究和實踐提供了方法參考。

參考文獻

[1]于曉雅，段訓樂.國外STEM教育政策與發(fā)展趨勢分析[J].創(chuàng)新人才教育，2023（01）：62-66.

[2]許海瑩.我國香港地區(qū)STEM教育：現(xiàn)狀、舉措及啟示[J].天津市教科院學報，2020（05）：76-83.

[3]TAYLORHA，BURTEH，RENSHAWKT.ConnectingspatialthinkingtoSTEMlearningthroughvisualizations[J].NatureReviewsPsychology，2023，2（10）：637-653.

[4]JJHECKMAN，DVMASTEROV.TheProductivityArgumentforInvestinginYoungChildren.ReviewofAgriculturalEconomics，2007，29（3）：446-493.

[5]UTTALDH，etal.Themalleabilityofspatialskills：ameta-analysisoftrainingstudies.PsychologicalBulletin，2013，139（2）：352-402.

[6]GILLIGAN‐LEEKA，etal.Hands-On：InvestigatingtheRoleofPhysicalManipulativesinSpatialTraining.ChildDevelopment，2023：1205-1221.

[7]LOWRIET，LOGANT，RAMFULA.Visuospatialtrainingimproveselementarystudents’mathematicsperformance.BritishJournalofEducationalPsychology，2017，87（2）：170-186.

[8]SORBYSA，BAARTMANSBJ.TheDevelopmentandAssessmentofaCourseforEnhancingthe3-DSpatialVisualizationSkillsofFirstYearEngineeringStudents[J].JournalofEngineeringEducation，2000：423-234

[9]CASTELLARSMV，JORD?OBGF.SpatialThinkinginCartographyTeachingforSchoolchildren[J].InternationalJournalofCartography，2021，7（3）：304-316.

[10]LINNMC，PETERSENAC.EmergenceandCharacterizationofSexDifferencesinSpatialAbility：AMeta Analysis[J].ChildDevelopment，1985，56（6）：1479-1498.

[11]MCGEEMG.HumanSpatialAbilities：PsychometricStudiesandEnvironmental，Genetic，Hormonal，andNeurologicalInfluences[J].PsychologicalBulletin，1979，86（5）：889-918.

[12]李洪玉，林崇德.中學生空間認知能力結構的研究[J].心理科學，2005，28（2）：269-271.

[13]陳朝杰，蘆原，鄭康杰，等.基于空間認知理論的兒童玩具屋設計研究[J].包裝工程，2021，42（10）：130-137.

[14]鄒濤，時昀.層次分析法在兒童自行車設計中的應用[J].包裝工程，2019，40（02）：161-166.

[15]周啟迪.柴油機噪聲源識別及聲品質評價方法研究[D].天津大學，2022，45-47.

[16]馬雪寒，劉文良.基于KJ-KANO模型的“一站式”水果APP設計[J].包裝工程.2024，45（24）：192-203.

[17]劉穎，易西多.基于AHP-CRITIC-TOPSIS的智能養(yǎng)老輔助產(chǎn)品設計研究[J].包裝工程，2023，44（20）：251-260.

[18]李娜，李小東，唐東芳.基于AHP-TOPSIS的可持續(xù)包裝設計最優(yōu)方案的篩選[J].包裝工程，2020，41（23）：242-248.

[19]胡浩偉，胡俊.基于KJ-AHP模型的適老化家庭種植產(chǎn)品設計研究[J].包裝工程，2024，45（S1）：264-270.[20]蘇晨，王斯涵，許德驊.基于AHP和TOPSIS的海上風電軸承試驗機設計研究[J].設計，2023，36（19）：120-123.