基于建构主义和AHP的学科玩教具设计研究

邓卫斌，杨玲*，张凡

基于建构主义和AHP的学科玩教具设计研究

邓卫斌1，杨玲1*，张凡2

（1.湖北工业大学，武汉 430068；2.兰州理工大学，兰州 730050）

面向传统学科玩教具在“玩”“学”双视域的兼容性不均衡问题，结合建构主义教育理论与层次分析法构建一套学科玩教具产品设计方法，使其服务于学科玩教具产品的研发设计。首先，通过分析建构主义教育理论，将学习环境要素归纳为刺激差异、主动活动、合作交流和建构评价；其次，将学习环境要素映射到用户需求中，利用层次分析法筛选影响学科玩教具设计的关键要素；再次，以小学低段语文写话为例进行研究，将学科玩教具设计的关键要素与儿童特征、学科内容相结合，确立学科玩教具设计定位并产出方案；最后，结合建构主义理论与用户需求确立评价指标并对方案进行评估。以建构主义为框架、层次分析法为工具的学科玩教具产品设计方法能够在教育性、趣味性、参与度与合作性方面均优于传统学科教育产品。基于建构主义与层次分析法构建的学科玩教具产品设计方法是可行的，可为学科玩教具创新设计提供一套定性与定量相结合的设计方法和新的研究思路。

产品设计；学科玩教具设计；建构主义；层次分析法

近年来，双减政策所提倡的减“负”提“质”发展理念使得学科类玩教具的需求与日俱增[1-2]。然而市面上现有学科玩教具普遍存在趣味性不足、多主体参与度低和复玩率低等问题，未能有效满足儿童“玩—学”结合的深层次需求。因此，为解决学科玩教具“玩”“学”兼容性不均衡的问题，推动学科玩教具的发展，需要对玩教具进行创新设计，以适应新时期市场的需求。

关于玩教具的设计，已有诸多学者进行研究。在国外，玩教具的设计研究起步较早，且多数以教育理论为设计基础，如，意大利教育家玛丽亚·蒙台梭利（Maria Montessori）[3]根据“蒙氏教学法”为婴幼儿设计能培养感知和智力发育的蒙氏教具；德国“教育之父”福禄贝尔[4]依据“连续发展论”从儿童对空间、形状、色彩等各自组合的关系理解设计出恩物玩教具；在国内，玩教具常出现于学前教育阶段，多数由教师自制而成，但也有部分专家从技术研究层面进行研究，如，张丙辰等[5]构建的RCFBS创新设计模型为玩教具的创新设计提供新思路；胡新明等[6]从触觉补偿的角度为学龄前视障儿童设计系列化玩教具；通过上述研究可知，关于玩教具的设计，国内外学者多数聚焦于学龄前玩教具设计研究，而对学科教育方面的涉及相对较少。本研究将结合建构主义教育理论，根据学科玩教具现存问题，对其进行创新设计。

1 理论概述

1.1 建构主义

建构主义[7]最早由瑞士心理学家让·皮亚杰（Jean Piaget）于1966年提出，是一种基于儿童认知发展的认知建构理论，后衍生出建构主义教育理论。该理论因其以儿童为中心，并以知识学习的底层逻辑让儿童主动地完成意义构建，而被广泛运用于教育学领域的学科研究中。如，Lunenberg[8]将建构主义与现代教育理念相融合，利用建构主义探索教学设计的原则；曹恩国[9]构建交互方法模型，提升在线设计教育的交互体验感。通过以上学者借助建构主义的认知构建特性，扩展了教育学的研究范式。因此，将建构主义引入学科玩教具设计能够有效解决当下学科玩教具学玩不平衡的问题。

皮亚杰认为知识是主体与外部世界不断相互作用并逐步构建的结果。认知发展的构建过程即知识的习得过程，并建立在“刺激—同化—反应”图示（stimulate-assimilate- response，SAR）中[10]。其中，基于SAR图示的认知发展构建过程，见图1。

以认知发展构建为内核的皮亚杰教育理论认为影响认知发展构建的外在环境要素有六个方面：（1）儿童是学习的主体，需引导其自发、主动的学习；（2）学习内容要符合儿童的认知发展规律；（3）儿童要通过动作活动来参与教学实践活动；（4）通过集体合作的形式来辅助知识获取；（5）保留个体对知识加工的差异性；（6）以最终形成的意义构建作为知识习得评判标准。

1.2 层次分析法

层次分析法[11]（The Analytic Hierarchy Process，AHP）最早是由美国学者Saaty教授于20世纪70年代首次提出，是一种将繁杂的决策问题分解为若干层级，通过分级评价的方式来挖掘任务中关键需求的方法。层次分析法作为一种分析决策方法，被广泛应用于产品创新设计中，如：王辞晓等[12]将层次分析法融入教学表现评价中，总结了在线教育评价框架；杜鹤民等[13]使用层次分析法建立主题基因分析模型，并将其应用于高校文化基因提取，提升了录取通知书的情感温度。本研究将通过层次分析法筛选建构主义环境要素中对学科玩教具产生显著性影响的要素。并以主客观相结合的方式获得更加精准的设计要素，进而指导玩教具产品设计。层次分析法计算设计指标主观权重的主要步骤如下。

1）构建指标体系，通过问卷调查和专家访谈等方法进行调研，并将调研结果转译为各项设计指标，即目标层、准则层和子准则层。

图1 基于SAR图示的认知发展构建过程

2）构建判断矩阵，通过问卷进行指标相对重要度打分，并构建判断矩阵，见表1。根据二元对比法对同层级设计指标进行两两重要度比较，其中，受试者判断矩阵标度见表2。

3）权重计算与一致性检验

通过特征向量法对各个设计指标的相对权重进行计算，见式（1）[14]。

表1 判断矩阵构建方式

Tab.1 Construction method of judgement matrix

表2 判断矩阵标度

Tab.2 Judgment matrix scale

=λɷ(1)

将特征向量进行归一化处理，得到判断矩阵的最大特征值λ及与其对应的特征向量，进行各设计指标的权重计算。

考虑到受试者人群普遍存在认知差异，为减小认知差异产生的误差，需对判断矩阵进行一致性检验。若一致性比率C<0.1，则通过一致性检验[15]。一致性比率C的计算见式（2）。

式中：C为判断矩阵一致性指标；R为一致性指数。

式中：max为最大特征值；为判断矩阵的阶数。

平均随机一致性指数R见表3[16]。

表3 平均随机一致性指数表

Tab.3 Average random consistency index

2 基于建构主义和AHP的学科玩教具设计研究

本研究基于建构主义和AHP的学科玩教具设计研究流程，见图2。根据SAR图示、认知构建原理和学习外在环境要素，提取建构主义教育理论中适用于玩教具设计的教育观点，并确立学科玩教具的学习环境要素。通过用户调研得到学科玩教具设计内容，并结合学习环境要素利用SD法筛选出影响各环境要素的学科玩教具设计指标，以确立层次分析模型的准则层；通过用户调研细分学科玩教具设计指标得到子准则层。利用AHP法计算各子准则层对建构主义环境要素的重要程度，得出影响基于建构主义的学科玩教具设计的关键要素。将其与用户特征、具体学科相结合，以好奇心理论、心流理论、SOLO分类法作为各要素实践的理论依据，结合用户需求确定设计方向，并应用于方案设计中。最后，通过方案评价验证设计方案的合理性。

图2 研究流程框架

2.1 基于建构主义的学习环境要素提取

根据1.1节的SAR图示、认知发展构建原理和外在环境分析，提出适用于玩教具设计的4个学习环境要素：刺激差异、主动活动、合作交流、构建评价。各要素所涉及的内容如下：（1）刺激差异，即SAR图示的刺激和学习中注重个体差异性；（2）主动活动，即学习中儿童主动探索知识，通过动手形成持久的学习过程；（3）合作交流，即以合作的形式对主动活动阶段形成的初步构建体系进行补充和完善；（4）构建评价，即验证知识构建形成的评判标准。其中，4个学习环境要素存在先后的逻辑关系，贯穿整个学习过程。建构的体系随着每个环境要素的实现而扩充边界，其关系见图3。

图3 建构主义学习环境要素的搭建

2.2 基于层次分析法的关键要素筛选

对相关人群进行线上问卷调研、实地观察以及访谈，通过语义转化法和KJ法将结果进行转译，并分类筛选出关键词数量前三的类别（见表4）得到规则设计、辅助学习和功能外观，并与建构主义的学习环境形成映射关系。其中最佳映射关系可总结为：“刺激差异—功能外观”“主动活动—规则设计”“合作交流—辅助学习内容”“评价因素—辅助学习内容及规则设计”。将上述结果确立为后续层次分析法的准则层。

表4 调研内容统计结果

Tab.4 Statistical results of survey content

为保证设计指标的可用性，采用文献分析法和用户访谈法获取玩教具的设计指标。将相同词义的设计指标进行整合，以五级标度法进行词汇的重要度打分，并将综合平均分高于3分的词汇作为学习环境要素中的显著性影响因素，作为子准则层，得到因素如下：影响刺激差异的功能外观子因素有色彩鲜艳、造型奇特、功能新奇和动手性强；影响主动活动的规则设计子因素有题材背景、游戏玩法和奖励机制；影响合作交流的辅助学习子因素有学习伙伴、学习氛围、学习目标、学习内容和合作方式；影响建构评价的规则设计和辅助学习子因素是学习内容、评价指标和评价方式。以此构建层次分析法的指标体系。见图4。

针对准则层的4个指标和子准则层的15个设计指标，邀请26位受试者对各层级指标进行对比评分，从而计算准则层和子准则层各指标间的相对重要关系，并得出相应判断矩阵，然后利用特征向量计算各设计指标的权重，以其中1位受试者问卷为例构建判断矩阵，见表5～9。

表5 目标层判断矩阵及权重

Tab.5 Target layer judgment matrix and weight

表6 刺激差异判断矩阵及权重

Tab.6 Stimulus difference judgment matrix and weight

表7 主动活动判断矩阵及权重

表8 合作交流判断矩阵及权重

Tab.8 Cooperation and communication judgment matrix and weight

表9 建构评价判断矩阵及权重

Tab.9 Construction evaluation judgment matrix and weight

根据公式（1）～（3）计算一致性比率C，以上述5个判断矩阵为例进行一致性检验，结果见表10，C均小于0.1，通过了一致性检验。依据上述流程对26位受试者问卷构建的判断矩阵进行一致性检验得到20份有效问卷。

通过算数平均值计算20份问卷结果，可知准则层的3合作交流（0.537 5）、子准则层的11学习内容（0.2240）、6游戏玩法（0.163 7）、2造型奇特（0.060 2）和14评价指标（0.060 0）在同层级的权重值最高，可针对上述显著性指标开展优化设计。

表10 一致性检验结果

Tab.10 Consistency test result

3 学科玩教具设计

3.1 关键要素的应用

通过前期调研，可知小学低段写话部分为课后辅导过程中的难点，以此确立以小学低段语文写话部分作为设计对象，进行学科玩教具产品设计。

3.1.1 影响刺激差异的奇特造型

拥有奇特造型的产品总是能够引起儿童的好奇心。英国心理学家丹尼尔·伯莱因认为好奇心是人们认识和探索新知识、新经验的一种动机倾向[17]。受个体差异与环境刺激的影响，当儿童处于超预期环境中就会产生感知型好奇心，从而触发求知探索欲望产生认知型好奇心。儿童特征与影响刺激差异的奇特造型息息相关。从儿童认知特征考虑，学龄儿童的认知处于表象思维阶段，因此，为了贴合儿童的认知习惯，玩教具的造型设计应尽可能来源于生活。从儿童行为特征考虑，儿童喜欢模仿，而模仿的题材类型影响外观。对比问卷调研结果可知儿童最喜欢的题材类型是森林童话故事，因此玩教具的外观设计需考虑森林相关造型。从儿童的情绪特征考虑，生活中常见产品的夸张化能让儿童产生兴趣，结合学科玩教具的寓意，夸张化的书本造型可作为产品的主体外观。通过对儿童特征分析，产品的造型设计不宜抽象，并在森林童话故事为题材背景下留给儿童发挥想象的空间，以夸张化书本作为设计主体。

3.1.2 影响主动活动的游戏玩法

好奇心的满足需要儿童通过活动主动探索。当儿童在探究中遇到巨大的挫折，便会对新奇事物表现出冷漠、回避等心理倾向。美国心理学家米哈里·契克森·米哈赖提出的心流理论指出，当挑战难度和技能水平处于一种高强度，且在相对平衡的状态时，心流就会产生[18]。除此之外，清晰明确的目标和明确及时的回馈也是产生心流的必备条件。儿童在玩耍时进入心流状态可以让其持久地保持主动探索的欲望。根据问卷调研结果，拼搭构建类玩具可以使儿童愿意高频率地主动参与玩耍；棋牌类玩法由于其随机性和竞争性也可让儿童产生持续心流。因此，本研究将拼搭构建类和棋牌类两种玩法应用于玩教具设计中，并设置拼搭区、收纳区、行棋区和写字区，以激发儿童对玩教具产品的主动活动，见图5。

图5 4个区域组合方案

依据图5中3款区域组合方案制作能够模拟各区域基本功能的纸样机，并邀请小学低年级儿童简单模拟使用流程，以评估区域组合方案的最优解。观察结果表明，方案3中拼搭区、收纳区和行棋区超出儿童坐姿手臂活动空间，致使操作过程中部分区域需要儿童离开座位后完成，会打断儿童思绪、分散儿童注意力，故排除；方案2收纳区未设置用户专属分区，使儿童在拼搭过程中，会因拼搭类积木分配不均而出现争执，故排除；方案1的拼搭区、收纳区和行棋区合理划分，并针对两位用户均设置有收纳区，极大地提高了合作拼搭的效率，利于产生心流，故最终选用方案1作为最优方案进行后续设计。

3.1.3 影响合作交流的学习内容

合作有助于儿童摆脱自我中心的状态，令其思维精细化，而交流则有利于获取丰富的信息，促进同学之间的相互学习。玩教具产品中的合作交流可以使儿童主动对参与活动形成的知识构建进行调整，得到新的构建体系。

合作的两大要素是共同目标和个体间的相互配合。由于学龄儿童具备有意识的记忆特征，会主动运用一些方法和策略达到预期目标，所以其具备完成共同目标的能力。与此同时，儿童喜欢和同龄人玩耍，喜欢模仿，特别是多人参与的游戏可以促使儿童在合作中完成共同的预期目标，更具备个体间的相互配合要素。由此，玩教具在内容设计方面，可设定能够满足同龄人共同完成的写话目标，并以游戏的方式实现目标。

就学习内容而言，由于个体的差异性和意义构建的相对平衡性，本研究可通过对学习内容划分层级，由易到难地引导儿童逐步掌握写话内容。同时，由于该年龄段儿童常有模仿行为，并在实施该行为时会有意识地加入自己的理解和想法。因此，可以将模仿作为写话学习的开始，写话内容的设计可按照“仿句—练句—连句”的流程进行。玩教具的学习内容设计策略是将写话内容划分层级，按照写物、写人、写景、写事和写故事由易到难的写话内容进行。而在具体学习中，AI会按照预定的写话逻辑引导儿童，从关联词仿句到写话，再到连句成段，逐步引导，便可满足学习意义的构建。

3.1.4 影响建构评价的评价指标

意义的构建是知识习得的评判标准。检测意义构建是否完成的最佳方式是进行知识的练习和输出，即对所习得的知识进行学习评价。学习评价的方式有“量”和“质”两种测试，而后者对检验建构结果具备更优异的检测效果[19]。香港大学教育心理学教授比格斯首创的可观测学习结果的结构（Structure of the Observed Learning Outcome，简称SOLO）评价方法是对皮亚杰发展阶段论的继承，可用于评价指标的设定。学习结果在结构上复杂程度的变化，可以显示学习质量的不同层次，这种层次变化划分为由低到高的5种水平[20]。可通过评价结果归类并赋值的形式设计评价指标，针对写话内容设计上述指标，见表11。

3.2 方案展示

根据3.1节关键要素应用可得知写话玩教具设计在造型、玩法、内容和评价部分的具体应用，见表12。

表11 SOLO分类评价的写话“质”的划分

Tab.11 Division of writing "quality" in SOLO classification evaluation

表12 学科玩教具中关键要素的应用

Tab.12 Application of key elements in disciplinary play-teaching AIDS

根据表12生成学科玩教具草图方案，并通过KJ法筛选出最终方案，细化后建模渲染得到效果图，见图6。

方案中将积木拼搭、行棋和写话相结合。产品具体使用流程为：两位玩家按照熊猫造型的智能AI要求，合作完成积木场景的搭建创作；以掷骰子的方式行棋。在行棋过程中设置有提问环节，当棋子行至提问环节后，智能AI便会根据写话题目的逻辑顺序依次询问此次题目的相关问题，并由玩家回答；玩家需要串联双方行棋过程中的答案，并书写在写字板中；写字板会对书写内容进行智能修改，其中包含书写内容的纠错和优秀内容画线，在此期间，AI也会展示优秀范文及经典语录带领玩家学习读诵，直至批改完成，然后按照写话内容与建构评价指标赋值，完成建构评价部分。最后，累计分值用于虚拟徽章的兑换，写字板UI界面见图7。

图6 产品效果图

图7 写字板UI界面

4 结果验证

4.1 方案评价

由于本研究以小学低段语文写话为例进行学科玩教具设计研究，使用群体均为小学低年级儿童，因此，在案例评价过程中会因认知差异和评价结果不准确而存在一定的认知模糊性。而灰色关联分析法[21]是一种可以在灰色系统中以定量的方式分析各样本关联性的分析方法。为了能够清晰地得到各案例评价结果，分析各案例样本间的模糊性关系，本研究运用灰色关联分析法对最终方案与各案例样本进行方案验证。

评价指标的确立需考虑以下5点：（1）刺激是诱发用户行为的必要条件，学科玩教具要想产生可以诱发儿童好奇心的刺激信号，就必须具备一定的趣味性；（2）儿童在使用学科玩教具的过程中需要自发主动地动手参与，才能进入心流状态，使儿童持续学习；（3）合作交流是对主动活动阶段形成的初步构建体系进行补充和完善，是更深入的构建过程，通过合作交流的学习模式使用学科玩教具，可以提高儿童搭建知识体系的效率，同时也能培养儿童人际关系的处理能力；（4）为了达到学科玩教具的教育目的，还需将教育性列为学科玩教具的评价指标；（5）学科玩教具在使用过程中的安全隐患也是众多家长所考虑的因素。因此，评价指标可归纳为：教育性、趣味性、参与度、合作性和安全性。挑选某平台销量较高的4款小学低段学科玩教具产品案例与本研究最优方案构建评价问卷，案例见图8。

图8 案例样本

向家长、老师及设计师人群发放评价问卷，对小学低年级儿童进行问卷内容访谈并转译为评价问卷。共获得84份问卷，剔除受试时间短和极值的问卷，共得到72份有效答卷。将调研结果整理后输入灰色关联分析法中，通过计算得到各案例样本与最优序列的灰色关联度[22]，见表13。

表13 案例样本灰色关联度

Tab.13 Grey correlation degree of case samples

根据灰色关联分析结果，对各验证案例进行排序，其结果为：案例3>案例4>案例2>案例5>案例1，即案例3为最优方案。验证了基于建构主义与层次分析法构建的学科玩教具创新设计流程是可行的，有助于提高学科类玩教具产品设计的科学性。

4.2 方案讨论

基于建构主义的学科玩教具设计研究，目的是解决现有玩教具学玩不均衡的问题。由于建构主义教育理论在学科教育领域应用广泛，因此本研究将建构主义引入学科玩教具中，通过获取关键要素以指导学科玩教具设计，在理论层面可以解决学玩不平衡的问题。而因用户的不同，对写话玩教具中素材类型的兴趣程度也有所不同。如将案例中“森林故事”替换为“小镇生活”或“海洋趣事”等题材，均有可能对玩教具的测评效果产生影响。同时，知识的构建是一个长期坚持且循环往复的过程,故当下开展的方案验证虽能反映儿童的学习效果，但仍存在一定的局限性。

5 结语

本研究将建构主义应用于学科玩教具设计中。基于儿童认知发展的构建原理，分析并提取皮亚杰建构主义教育理论中在教育学领域的4个学习环境要素，并将其转译为产品设计语言，通过层次分析法计算各设计因素指标的重要度排序，并将最优因素应用于低年级语文玩教具的设计中。通过对其进行趣味化、知识性的设计来达到让儿童自发且持续地参与游戏，并从中获取知识的目的。拓展学科玩教具产品创新设计的研究思路，为减“负”提“质”教育理念在产品设计领域的应用提供了新方向。

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Design of Disciplinary Play-teaching AIDS Based on Constructivism and AHP

DENG Weibin1, YANG Ling1*, ZHANG Fan2

(1.Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China; 2.Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Aiming at the problem of the compatibility disequilibrium of traditional play-teaching AIDS in the dual perspectives of "play" and "learning", the work aims to develop a set of disciplinary play-teaching AIDS product design methods by combining the constructivism education theory and the analytic hierarchy process so that it can serve the research and development design of disciplinary play-teaching AIDS products. Firstly, through the analysis of the constructivism education theory, the elements of learning environment were summarized as stimulating difference, active activity, cooperative communication and constructive evaluation. Secondly, the elements of learning environment were mapped to user needs, and the key elements affecting the design of disciplinary play-teaching AIDS were screened using the analytic hierarchy process. Then, taking the elementary school language writing as the case study, the key elements for the design of disciplinary play-teaching AIDS were combined with children's characteristics and subject content to establish the design orientation of disciplinary play-teaching AIDS and produce a plan. Finally, the constructivist theory was combined with user needs to establish evaluation indicators and evaluate the plan. With the constructivism as the framework and the analytic hierarchy process as the tool, the design method of disciplinary play-teaching AIDS is superior to the traditional disciplinary educational products in terms of education, interest, participation and cooperation. The results show that the product design method based on the constructivism and the analytic hierarchy process is feasible, and can provide a set of qualitative and quantitative design methods and new research ideas for the innovative design of disciplinary play-teaching AIDS.

product design; play-teaching AIDS design; constructivism; analytic hierarchy process

TB472

A

1001-3563(2024)08-0189-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.08.021

2023-12-26

通信作者