基于人脸识别的儿童英语单词互动学习系统的设计研究

曾晨

摘要：随着信息技术的创新与发展，信息化教育成为教育领域研究的热点并受到教育人士及家长的广泛关注。本文通过对儿童学习心理与行为特征进行分析，提出面向儿童的互动学习系统的设计原则和设计方法，开发以儿童为中心的多感官参与的互动学习系统。本系统利用人脸识别技术，通过摄像头检测追踪人脸并与系统中的元素相碰撞来获取反馈的非接触式交互方式，借助游戏娱乐的学习形式让儿童轻松愉快地完成学习任务，达到寓教于乐的目的。

关键词：系统设计；人脸识别；交互设计；界面设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018）02-0108-02

传统教育软件的交互方式一直倍受键盘、鼠标等设备的束缚，越来越难以调动儿童学习的主动性与积极性。因此，如何设计一种更形象、更具吸引力、更符合儿童认知心理的交互方式，是儿童教育领域中一个值得研究的课题。人脸识别，是利用摄像头对人的面部进行追踪和检测的生物技术，其最典型的特征是将屏幕中的虚拟世界同现实世界相结合，并为用户提供基于自身面貌的互动，从而创造极具沉浸感和新鲜感的互动环境。人脸识别对儿童用户而言，具有自然性、非强制性和非接触性的优势，完全契合了儿童教育所要求的顺应天性、启迪心智和操作简单的要求，能充分调动儿童的多感官学习通道，增加儿童学习过程中的沉浸感，提高儿童学习效率。

1 儿童学习的基本特征分析

1.1 儿童的心理特征分析

儿童的认知活动具有具体形象性，事物的表象与具体形象影响着儿童的整个认知过程。因此，与儿童生活有直接联系的、直观生动的形象更容易引起儿童的注意，更容易在儿童的脑海里留下深刻印象。儿童生性好动，其心理活动具有很大的无意性，很容易受到外部环境的影响而脱离自己原本的行动方向。强制记忆这一行为本身便超出了儿童一般性的认知能力，更不符合儿童心理活动规律。因此，在儿童学习系统的设计中，要尽量避免强制记忆行为的出现，应积极建立儿童与直观事物之间的具体联系，才能加深儿童对知识的记忆。

1.2 儿童行为特征的分析

好动，是儿童时期时最典型的行为特征，而“操作体验”的学习方式最契合儿童的这一特征。研究表明，独特、新颖的学习方式更容易激发儿童的学习兴趣，调动儿童学习积极性。游戏做为儿童操作学习方式中最具有代表性的学习方式之一，其本身包含了丰富的认知成份，而互动游戏更能将学习内容以具体.形象的表现方式呈现给儿童，从视觉、听觉等多感官通道给予儿童即时的互动反馈，反复强化儿童对知识的记忆。4岁以上的儿童行为能力有了一定的发展，已经能够利用简单的肢体动作独立完成简单的游戏互动，这也为学习系统更多应用形式的设计提供了科学保障。

2 面向儿童的互动学习系统设计的基本原则

儿童互动学习系统的本质在于引导儿童的大脑和身体进行有效配合、在娱乐中获取知识的互动行为。儿童群体的自控能力和抽象思维都较弱，这就决定了面向儿童互动学习系统需要具有一定的特殊性。通过对儿童心理和行为特征的研究，提出针对儿童互动学习系统的几大基本设计原则：

2.1 益智性原则

益智性是儿童应用产品中不容忽视的最基本原则。面向儿童的互动学习系统应当充分注重儿童心理特征与行为特征，使儿童身心能够同步发展。

2.2 自然简洁的易用性原则

儿童往往跟随表象思维行事，难以理解复杂性环境，因而，面向儿童的互动学习系统设计中应充分考虑这一心理特征，可采用手势控制、实物操作等直观的交互方式，尽量减少儿童的学习时间与认知负荷。

2.3 个性化交互原则

儿童生性好动，注意力易分散。为集中儿童注意力延长其学习时间，在互动方式的设计中，应显著突出和顺应儿童群体本身的兴趣和喜好。

2.4 正向体验性原则

儿童群体正处于极佳的性格塑造期，其在学习的过程中都渴望积极的互动反馈与鼓励。因此，在儿童的互动学习系统设计中，应抓住儿童这一心理，利用积极的互动反馈正向鼓励儿童，形成良好的学习体验。

2.5 趣味性原则

在儿童互动学习系统的设计中，应从内容、呈现方式等多方面考虑其与儿童身心发展的适配性。富有趣味性的教学内容、视觉表现和新颖的交互方式能达到更好的教学效果。

3 基于人脸识别的儿童英语单词学习系统的整体设计

3.1 系统设计目标

在该学习系统中，囊括了符合儿童认知的具象化教育内容，利用了人脸识别技术将视觉刺激与肢体动作相结合的交互方式，选用能够调动儿童学习积极性的活泼音乐和明麗图片等多重元素，用以达到让儿童多感官、全身心参与学习的目的。

3.2 系统交互设计

基于人脸识别的儿童英语单词互动学习系统交互立足于卡通式的故事情境，利用人脸识别检测方法与碰撞检测方法识别追踪儿童脸部与应用中字母元素的碰撞，从而形成相应的操作指令并驱动应用产生相应的反馈。该系统主要分为四大模块：预习模块、拼写模块、填空模块、默写模块，其基本交互流程如下：

3.2.1 学习模块

预习子模块：学习前，儿童通过对单词的跟读预习，对学习内容有一个提前性了解和热身。

3.2.2 拼写模块

此模块为儿童提供可组成完整单词的两种字母：实心字母和空心字母。其中，空心字母拼合成的单词作为学习内容已经完整显示于屏幕上方；实心字母则作为填充空心字母的“学习道具”。游戏开始后，空心字母会由屏幕上方缓缓落下，儿童需要适配好面部的卡通面具按顺序触碰落下的正确的实心字母，填充屏幕上方的空心字母，完成单词的最终拼写。整个游戏场景设计均为卡通形象，配以脸部触碰的、符合儿童认知的交互方式，有效的减少了儿童的学习成本。

3.2.3 填空模块

此模块中，会将拼写模块中的某个已学单词内的某一个或几个字母随机设置成空格，并在空格下方提供数个漂浮卡通形象的字母。儿童根据记忆用脸部触碰正确的字母，将单词补充完整，不断加深对知识的记忆。

3.2.4 默写模块

为儿童提供单词读音和数个漂浮的卡通形象字母。儿童凭借读音和前三轮的学习记忆，依次人脸映射到屏幕上的面具触碰正确的字母，完成单词默写。此模块不仅可以检验儿童对知识的掌握程度，其测试数据也将录入系统数据库，为教学者提供儿童学习效果的参考数据。同时，儿童拼写错误次数较多的单词会被系统自动安排到下一次的学习内容中，增加高频错误单词的出现频次。

3.3 系统界面设计

交互界面是儿童与系统沟通的重要平台。界面设计的目的在于解决儿童与系统间存在的问题，从而优化系统交互行为，达到最佳的互动学习效果。研究表明：在色彩丰富的学习氛围下，更有益于儿童的逻辑思维能力、观察力与记忆力的发展，符合儿童认知的直观形象的视觉化学习内容则更容易让儿童迅速地接收信息。

本系统使用了二维卡通风格的界面设计，运用多图形组合、形象的卡通化元素以及语音与动画相结合的界面交互方式，充分满足了儿童学习过程中的情感化需求。系统所有界面都以虚拟场景与现实场景叠加的方式呈现，为儿童营造极具沉浸感的学习氛围。同时，在界面设计中贯彻了交互活动区域一致性的原则，可交互元素均按照儿童互动区域均匀分布，保证了儿童移动过程中的安全状态，降低学习成本。

4总结

儿童处于一个特殊的年龄阶段，其认知能力和行为能力都有其独特的特点。本文所设计的基于人脸识别的儿童英语单词互动学习系统从儿童的心理特征和行为特征两方面出发，通过认知教育和行为能力训练相结合的非接触式交互方式，在满足儿童学习需求的同时又促进其身体健康的发展，达到寓教于乐的目的。

参考文献

[1]杨军.从“认知心理学”的观点谈儿童游戏的心理机制[J].杭州师范学院学报，1998，7

[2]蒋健勋.面向儿童的人机交互设计研究[D].浙江大学，2011，02