儿童认知能力教育中VR/AR技术创新应用研究述评

赵斌 张瑞静

【摘 要】本文通过对国内外VR/AR技术创新应用与儿童认知能力教育研究的研究综述，分析了国内外的研究动态与研究特色，并发现“如何将VR/AR技术特色和功能优势科学、合理地应用在儿童认知发展教育中，并形成具有普遍指导意义的应用模式”是国内该领域尚待解决的重要课题。

【关键词】VR/AR 儿童认知能力 教育

【基金项目】 本文为浙江省2017年新苗项目《基于博物馆导览与推广的APP电子书编创》（项目编号：2017R407047）的阶段性研究成果。

【中图分类号】B842.1 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）36-0084-02

儿童认知能力培养是学前教育和基础能力培养的核心内容，對儿童思维能力和自我管理能力的形成有至关重要的作用。随着前沿科技的迅猛发展，儿童教育相关领域开展了大量VR/AR技术创新应用探索并形成了一批典型案例，如基于移动互联技术的早教认知训练软件、基于增强现实技术的儿童认知绘本、多媒体辅助幼儿课堂教学系统等。同时学界也针对VR/AR技术创新应用与儿童认知能力教育研究进行了深入的探讨。

一、国外VR/AR技术创新应用与儿童认知能力教育研究概述

国外关于儿童认知能力发展以及VR/AR技术辅助认知教育的研究视角主要集中在以下三方面：

（一）认知能力特征与儿童认知教育研究

国际上普遍认可的儿童年龄是指0～15周岁。按照皮亚杰的“儿童认知能力发展”理论，儿童时期的认知能力发展大致经历4个阶段：第一阶段，0～2岁婴儿期，是幼儿的感知运算阶段。在该阶段幼儿通过直观的感知行为，如视觉观察、触摸、嗅觉感知等方式来适应外部环境；第二阶段，3～6、7岁，前运算阶段，又称符号学习阶段。在该阶段，儿童有了符号学习行为，通过表象思维，在头脑中建立外界事物与符号的对应关系。第三阶段，7～11、12岁，具体运算阶段。在该阶段，儿童的思维活动必须有具体的事物支撑。第四阶段，12～15、16岁，形式运算阶段。在该阶段，儿童具备从具体事物向抽象概念转换的思维能力，并能够根据客观事实和经验形成并修正自己的看法。通过对大量儿童成长轨迹的长时间跟踪研究发现，上述认知能力形成过程中伴随着儿童感觉、知觉、注意力以及记忆能力的发展。

（二）VR/AR功能体现与技术优势

VR是指利用计算机生成一种模拟环境，将多通道融合的、交互式的仿真三维动态视景呈现在用户眼前，使用户沉浸到该虚拟空间中；而AR则是指运用计算机技术将虚拟信息传递到现实环境中并予以应用，以达到虚实信息交替叠加的效果。同为沉浸式自然交互信息技术的VR和AR有以下共同点：（a）两类技术都具有丰富互动性和高度沉浸感。相比传统的二维多媒体界面，三维人机界面带给用户更强烈的沉浸感。而且在VR和AR技术中，用户通过手势操作、头部动作、身体移动都能实现与三维场景的互动，因此具有更丰富的互动性；（b）两类技术都能方便地将娱乐性与实用性结合。VR和AR技术是伴随着数字娱乐产业的发展而兴起的，因此VR和AR平台特别适用于游戏、互动视频等娱乐内容的呈现和发布。再加上两类技术在信息呈现、任务操作和用户沉浸体验上的优势，能方便地将娱乐性和实用功能进行结合；（c）两类技术都能多维度、多通道地提供信息展示和“参与式”体验，因此尤其适合沉浸式的儿童教学场景。传统的多媒体工具往往只能在视、听通道提供信息呈现和反馈，而VR和AR技术却能在视觉、听觉、触觉乃至嗅觉角度提供全方位的互动体验。

（三）VR/AR系统设计及其对认知能力发展的影响效果

得益于近几年来计算机显示和各类传感技术的更新发展，VR和AR系统已经突破以往的局限，在使用设备和系统设计中都趋于成熟，并被越来越普遍地应用在教育、体育训练等领域中。特别是在儿童认知能力和行为早教辅助方面，VR和AR产品作为重要的教学手段，被越来越多地应用在各项能力的辅助发展和教学中。例如使用VR系统来实现儿童的上肢操作以及认知能力锻炼、通过VR场景来训练儿童的注意力管理能力，从而实现认知能力发展训练等。多项研究已经证实AR技术的应用有益于儿童认知能力发展的方方面面，包括学习能力、认知负荷管理以及空间视觉能力等。

二、国内VR/AR技术创新应用与儿童认知能力教育研究述评

相比国外相关领域研究情况，国内关于VR和AR技术在儿童认知能力培养和相关应用模式的研究还比较落后。目前的研究成果主要包括以下三个方面：

（一）儿童认知能力内涵与培养方式研究

通过对大量的10～15岁儿童调查研究发现，居住地、父母受教育程度、睡眠时间以及父母相处模式等都对儿童认知能力有明显影响。归根结底，认知能力发展与认知锻炼以及教育氛围密切相关。基于语言能力与儿童认知发展的关系研究发现通过语言训练可以提升儿童整体认知能力。针对儿童“以游戏为中心”的认知特点研究则发现通过游戏以及互动玩具可以辅助儿童认知教育。此外，从认知能力发展阶段上来讲，基于视觉的颜色与形状感知是所有认知能力的基础。基于此，研究者提出了通过色彩辨别锻炼来提升儿童认知能力的教学方式。

（二）数字化技术（手段）在教育中的价值研究与优势分析采用多媒体等数字化技术来辅助儿童认知和行为教育是近几年来教育行业现代化实践中的热点，而通过VR和AR技术来辅助儿童教育则是热点中的热点。就AR技术而言，研究者们分析了该类技术在儿童认知教育中的价值和优势：首先，从学习动机理论出发，当内容呈现能引起儿童的兴趣时有利于激发儿童的学习动机，而AR场景又十分适于创造具有视觉吸引力的学习内容，因此在儿童认知教育中具备十分重要的优势；其次，从真实性学习理论出发，AR平台中基于真实场景的人机互动方式有利于构建直观、所见即所得的用户参与体验，因此在儿童认知教育中具有重要优势。还有研究者们也验证了VR、AR等数字信息技术通过丰富的影音效果和基于真实感的人机互动方式对于儿童认知能力发展具有明显优势。

（三）VR/AR沉浸式技术在早教产品中的应用方法研究

纵观国内在通过VR、AR技术辅助儿童认知教育的相关应用主要分为以下几类：（a）基于认知缺陷治疗和辅助训练的VR内容；（b）基于多通道人机互动方式的认知操作训练方法；（c）基于AR多层次交互技术的童书绘本。该模式是目前该领域中使用AR技术辅助儿童认知能力发展最普遍的应用模式，；（d）基于虚拟场景感知与真实运动结合的能力训练方法；（e）基于科学知识学习过程引导和改良的认知训练方法。VR和AR技术所提供的實境感使认知学习更具体，且能融入更多的场景引导和过程改良，因此有利于将原本枯燥的认知训练转变为拟人化、趣味性的学习过程。

三、VR/AR技术创新应用与儿童认知能力教育研究综述

通过上述国内外相关研究成果的分析，可以发现，首先，国外学术界对于VR/AR技术和儿童认知能力发展理论的研究是两个相对独立的领域，而对于VR/AR技术在儿童认知能力教学中的应用模式研究则相对匮乏，研究结果并未形成系统的行业标准和指导思想应用于该领域。第二，相较于国外，国内对于VR/AR技术和儿童认知能力发展理论的研究都起步较晚。一方面，对于儿童认知能力特征、发展规律以及培养方式的研究还处在探索阶段，特别是对于合理、科学地提高中国儿童认知能力的教学措施的研究还缺少科学合理的结论；另一方面，随着近几年来VR/AR技术的成熟和普及，各类VR/AR技术结合认知教育内容的应用层出不穷，但是内容良莠不齐，“如何将VR/AR技术特色和功能优势科学、合理地应用在儿童认知发展教育中，并形成具有普遍指导意义的应用模式”是国内该领域尚待解决的重要课题。

由于儿童认知能力发展涉及视听觉感知、空间感知与注意力管理、记忆与思维训练以及语言能力发展等多方面内容，而依托于传统信息技术的训练方法往往局限于在视、听觉等单一通道提供内容而且在与儿童的互动中缺少合理反馈、趣味性和用户沉浸感低，因此很难保证训练效果和儿童的使用体验。从最新的数字媒体信息技术出发，将VR与AR技术应用在儿童认知能力培养和教育方式中，探索两类信息技术所提供的多维度信息呈现以及沉浸式的体验环境在认知能力培养中的优势，是儿童认知教育领域亟待解决的重大问题。

参考文献：

[1]李金阳.视觉虚拟环境下运动对认知能力影响的ERP研究[D]. 山东师范大学， 2017.

[2]魏小东.面向教育应用的增强现实系统关键问题研究[D]. 北京理工大学， 2015.

[3]张超.面向儿童读物增强现实软件系统设计与研究[D]. 电子科技大学， 2013.

[4]牟奇春，徐文彦，沈西南等.增强现实技术在儿童教育中的应用[J]. 电子世界， 2017， 7： 39-39.

[5] Radu I.， Macintyre B. Using children's developmental psychology to guide augmented-reality design and usability [C]// In Proceedings of the IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality， 2013： 227-236.

[6] Kovács P.T.， Murray N.， Rozinaj G.， et al. Application of immersive technologies for education： State of the art [C]// In： Proceedings of the International Conference on Interactive Mobile Communication Technologies and Learning. IEEE， 2015： 283-288.

作者简介：

赵斌（1996-），男，杭州电子科技大学数字媒体与艺术设计学院数字媒体技术2015级本科生；张瑞静（1981- ），女，博士，杭州电子科技大学数字媒体与艺术设计学院讲师。