基于光学教育的儿童科教玩具设计研究

邓卫斌 卓韵荆

摘要：光学是一门古老而神秘的学科，至今仍活跃在科学探索的前沿。随着人们对光学的探索，光学仪器应运而生，但目前的光学仪器专业性较强，对儿童的普及程度不高，且造型和功能同质化严重，并不能达到科学教育的目的。文章以光学基本原理和儿童认知发展为指导，分析现有的光学科教玩具，总结儿童光学科教玩具的设计原则，以期儿童通过寓教于乐的方式了解和掌握光学相关知识，挖掘光学原理与科教玩具相结合的更多可能性，为同类儿童科教玩具的设计开发提供借鉴。

关键词：光学原理；学龄前儿童；科教玩具；产品设计

中图分类号：O43；TS958.02 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2022）16-00-03

我国儿童数量庞大，科教玩具作为兼具玩乐和教育作用的载体，受到家长的青睐，购买和使用科教玩具的家庭和教育机构逐渐增多［1］。“双减”政策的实施，打开了儿童科教玩具发展的新空间，现有的教学条件和教学仪器往往无法满足不断发展的课程需求，对儿童的科学探索和创新意识培育不足，是儿童学习积极性不高等问题的重要原因。儿童的主要教学内容是通过游戏传递，其主要的学习方式是玩具的操作性学习。玩具能增强儿童的思维能力和动手能力。因此，可将光学的基础知识与玩具结合，使儿童在玩乐的过程中学习和掌握光学知识，从而达到科学启蒙的效果，激发儿童的学习兴趣，使其更直观地理解抽象、复杂的概念，对我国玩具产业的发展以及科学教育工作的开展具有重要意义。

1 光学教育概述

1.1 光学原理的定义

光的本质是一种自然现象，人之所以能看到这万千世界，是因为人眼接收到了来自周围物体发射和反射的光线。据统计，在人体所接收的来自外界的感官信号中，有90%以上的信息来源于人的眼睛。光学与人类生活具有紧密的联系，生活中的许多自然现象都可以通过光学原理作出合理的解释，如人们在物理实验中所使用到的显微镜、放大镜等，应用了物理光学的基本原理，如汽车的反光镜属于特殊成像原理，而海市蜃楼现象的产生则体现了光的折射规律。

光学是当代物理学领域的重要分支，也是物理学中最古老神秘的学科，在当前的科学研究探索中一直是活跃的存在，推动着人类对自然的探索。光学的主要研究范围包括光的表现形式、具体性质、应用场所，其中，光、物质和光学仪器的设计制作涉及设计和生产之间的相互作用。在光学原理中，光所在的领域被称为光学，也被称为光学工程，其中照明系统属于光学工程的一部分，被称为照明工程。从光的分布路径来看，主要分为线性分布、反射和折射、色散、干涉和衍射等，不同的分布路径会产生不同的光学现象。光学涉及许多学科主题，如电子、物理、验光学等。光学研究成果可以在许多重要技术中找到，如镜子、透镜、望远镜、显微镜、胶片回放、相机图像透镜、光纤传感器等。光学在现实生活中的应用不仅可以从科学的角度解读光学现象，而且可以促进社会科学的进步和发展。当前，物理光学已成为全球科学研究的一个重要课题，在世界发展潮流中，将取得进一步的创新。

1.2 光学教育的必要性

人从降生开始，光就伴随其一生。宇宙的发展也与光的发展紧密联系在一起［2］。儿童用眼认识世界，眼睛所能看见的物体，都是通过物体发出或反射的光线进入眼睛，再通过视神经传递到大脑而形成的像。光学现象是在日常生活中能接触到的最普遍的物理现象，是人类最早研究的物理现象之一，是物理的起源。

1.2.1 光学应用发展迅速

现代光学的应用，已经不再局限于照明和成像的基础功能实现，而是更深层地挖掘光的性质，在医疗、建筑、通信等方面也有广泛的应用。手机、激光、通信已经成为人们生活中不可或缺的一部分，直接影响着人们的生活质量。

1.2.2 现代光学是科学前沿的重要领域

近30年来，由于激光的问世，对光学的研究内容从传统的光学迅速扩展到光学与其他学科的综合研究，如激光治疗近视、激光切割等。将光直接作为材料与现代技术结合起来的设计理念，已经成为现代设计的一种新趋势。设计师的设计活动不再局限于单一材料的使用，而是寻求在全方位、多层次的综合领域开发或利用新材料、新媒体、新技术、新艺术形式和设计方法的途径，以更好地传达时代精神［3］。

1.2.3 激发儿童对科学的求知欲望

光在儿童的成长中是不可或缺的部分，能帮助儿童感知世界。儿童可以在接触和熟悉光学的过程中，学习日常生活中的光学知识，体验光带给感官及周边环境的变化，培养儿童对周边事物的注意力和观察力，从而激发儿童对物理光学知识学习的兴趣及对科学探索的好奇心。

2 儿童光学科教玩具设计应用现状

近年來，不少玩具企业为适应玩具市场的发展，创造了许多全新的科教玩具品种，并采用直接生动的方式传达其中蕴含的科学知识，科学变得更平易近人、贴近生活，激发了儿童的好奇心、求知欲、学习兴趣。科教玩具的发展，离不开科学技术的发展及科学知识的应用，将玩具作为载体，将复杂的科学知识和科学现象更具象地表现出来，可以通过生动有趣的表现方式帮助儿童学习知识。在我国的幼儿教育事业中，始终提倡一个宗旨，便是期望用寓教于乐的教育方法潜移默化地达成传授科学知识的目的。而科教玩具在不知不觉中充当了这样一个角色，帮助儿童在玩乐的过程中获得新知识和体验。

目前，市场上流通的光学玩具可以分为以下几款：声光陪伴类、成像镜观察类、光现象实验类。产品多是智能、手工的形式。其中，声光陪伴类玩具不利于儿童的身心发展，声音和光线的结合，会同时发出两种信号，对儿童的感官具有较强烈的刺激，使儿童无法专注在一件事情上，长此以往，不利于专注力的培养。成像镜观察类玩具玩法单一，趣味性不足，不能满足儿童的娱乐需求，不能提高玩具的玩耍频率。光现象实验类玩具需要儿童具有一定的光学知识储备，且操作这些光学仪器，考验儿童的动手能力和耐心，需要细致地讲解和说明实验步骤，纠正实验操作中的不合理行为，此类产品在造型上有待提升，现有产品同质化严重。

3 儿童用户特征分析

本文以3～6岁的学龄前儿童为目标，从儿童的生理发展特征、心理发展特征、视力发展特征这三个方面展开用户研究。这一时期的儿童的认知能力处于快速发展阶段，在不断成长之后，其生理和心理也发生了一定的变化。

3.1 儿童的生理发展特征

3～6岁是儿童生长发育的黄金期，其身体的肌肉发展较快，体型逐渐结实，精力充沛，对身边的事物感到好奇，看到有趣的事物会产生模仿的行为。但这一阶段儿童对动作的合理性没有明确的辨别能力，需要家长从侧面进行纠正指导。这一阶段的儿童对肢体具有较强的支配能力，可以做一些精细的抓握动作，可以独立完成拼图、吃饭、穿衣等具有一定难度的动作，且对物体的触感和重量有一定的认识，如衣服是软的、积木是硬的。

3.2 儿童的心理发展特征

这一阶段的儿童进入幼儿园学习，生活范围扩大，生活环境发生变化，部分儿童会在环境的变化下产生不稳定的情绪，会感到害怕、焦虑。在接触到更多人后，会在集体中寻找认同感和存在感，具有竞争意识，开始形成责任感和道德感，对自我有一定的约束能力，能与周围的人共情，形成合作意识，进行有效沟通，表达想法。

3.3 儿童的视力发展特征

3～6岁是儿童视力发育的关键阶段，即将达到成年人的视力水平，对光线和事物的感知也越来越敏感。这一阶段的儿童伴随着视力的增强，反应速度也变得更快，能看得更远、更清晰，在夜晚也能慢慢适应，对周围的人和事会有观察注视的行为。且这一阶段的儿童开始接受各种知识，对知识的掌握能力较强。

4 基于光学教育的儿童科教玩具设计原则

4.1 科学教育性原则

儿童科教玩具设计的决定性因素是玩具内容的教育性和操作的科学性。供儿童娱乐仅仅是最基本的需求，使儿童在使用玩具的过程中产生思考的行为，且获得使用后的经验才是科教玩具的真实需求。儿童首先被玩具本身的娱乐价值所吸引，从而对玩具的内容产生兴趣，循序渐进，可以激发儿童的求知欲望。在这样一个轻松愉悦的氛围中，儿童可以更自然地学习和掌握一些科学知识，将晦涩难懂的科学知识由抽象变得具象，帮助儿童理解。

4.2 安全性原则

光学玩具应在遵循儿童科教玩具的国家安全卫生标准的前提下坚持安全性原则，以保证儿童在使用的过程中不会因为玩具本身的质量安全问题而对身体和心理造成伤害，在发生误操作情况时也能将伤害最小化。并且光学科教玩具的设计应从儿童真实的认知水平和学习能力出发，如果设计的玩具超出或低于儿童当前的认知和学习能力，则会使儿童在游戏过程中感受到挫败和松懈，从而给儿童带来消极的影响。基于以上考虑，将光学玩具设计的安全性原则分为以下几点。

4.2.1 色彩安全性原则

不同的色彩具有不同的感官体验，给人的心理暗示也各不相同，儿童的年龄和喜好决定了相应的色彩选择，这些心理暗示也会使儿童的心理感知和感受存在一定的差异。如年龄稍小的儿童，视觉神经还处于发育阶段，对颜色的感知还没有形成，红、橙、绿等饱和度更高的颜色对他们的视觉神经刺激会更大。而儿童对于暗沉、暗淡的颜色，如黑色、棕色、灰色的视觉反应则更迟钝，悲伤和抑郁的感觉对智力的发展具有负面影响。因此，应适当选择相对温和的色彩，更好地刺激儿童的大脑发育，有利于提高儿童在玩玩具时的专注程度。

4.2.2 造型安全性原则

科教玩具产品的造型设计极其重要，承载着产品的功能。儿童的情绪会受到产品造型的影响，如儿童看见尖锐的物体时会下意识地躲避，会与生活中的常见物品产生联想，知道该事物可能对自己造成伤害。因此，在造型设计中，应尽量选用曲线和圆弧形状过渡，避免硬朗的棱角，突出产品的温暖安全属性，使儿童感到安全舒适。科教玩具在保证造型安全的情况下，也应注重将科技与知识相结合。

4.2.3 材料安全性原则

3～6岁的儿童处于发育阶段，在环境的作用下，他们对外界的抵抗力会降低，免疫力也会弱化。因此，在玩具的选择上，应注意其触感是否引起儿童的不适。科教玩具是对儿童具有教育意义的玩具，也是与儿童产生零距离互动的工具。在材料上，应首选舒适、柔软、易触摸的材料，避免尖锐、有重量感的金属材料，如ABS材料，稳定性良好，硬度高，制造出的模型能抵抗強烈撞击，不易损坏，且塑料、橡胶的材料不会伤害孩子的手和皮肤。因此，处于意识和自我保护能力低下时期的儿童，对其科教玩具的设计应从材质入手，在做到还原模型形态的同时，保障儿童的身心健康。在产品制作上，不仅要使用不含有毒物质和损坏表面的材料，还要确保产品的耐用性和易储存性。

4.3 互动性原则

儿童在使用玩具时，会不断与玩具产生交流和互动。互动体验性原则的本质就是儿童在玩耍和操作玩具的过程中，能得到积极的信息反馈，通过与玩具的交互体验、娱乐、玩耍，儿童可以获得乐趣和满足感。在儿童的认知发展过程中，兴趣的培养和产生是非常关键的因素，也是儿童参与玩耍行为的动力。互动指儿童在玩耍的过程中，两者相互反馈对方的行为，儿童在操作玩具时能及时获得信息反馈，能从中体验到玩耍过程的趣味性。

4.4 可玩性原则

当前，家长在选择儿童玩具时，通常看重玩具的可玩性和内容，因此在设计玩具时更须思考玩具的挑战性和可操作性。相较于其他种类的玩具，光学科教玩具更应注重光学实验仪器的特殊属性以及儿童的行为和认知发展。当儿童在没有家长陪伴的情况下独自使用科教玩具时，玩具的内容和操作方式应符合该阶段儿童的认知发展，尽可能避免操作不当和内容超前的现象，满足儿童独自玩耍的需求，从而增强儿童的独立思考能力和动手能力。

玩具是儿童认识世界最便捷的途径，将玩具与科学教育结合起来，可以起到寓教于乐的作用，在玩中学，在操作的过程中培养儿童的动手实践能力。并在玩乐的同时赋予玩具娱乐性和教育性，用玩具展现科学知识，阐明科学道理，解释科学本质。

5 结语

本文提出了基于光学教育的儿童科教玩具设计原则，包括科学教育性原则、安全性原则、互动性原则、可玩性原则，为儿童科教玩具设计提供了新思路。光学是一门深奥的学科，人类对光的追求从未停止。目前，光学与玩具设计还有更多的结合方式，值得被更深入地挖掘。

参考文献：

［1］ 马玥.国潮风吹拂玩具业［J］.中外玩具制造，2019（12）：30-32.

［2］ 杨宏，李洪云，龚旗煌.光学发展与社会进步［J］.现代物理知识，2019，31（3）：28-34.

［3］ 任世忠.光构成及其在现代设计中的运用［J］.山东大学学报（哲学社会科学版），2010（1）：157-158.

作者简介：邓卫斌（1970—），男，湖北大冶人，硕士，教授，研究方向：娱乐产品设计、工业产品设计。

卓韵荆（1997—），女，湖北襄阳人，硕士在读，研究方向：娱乐产品设计、玩具设计。