學齡前兒童物理科普游戲APP設計研究與實踐

于浩淼

摘要：研究如何在游戲化思維的指導下，探尋出適合學齡前兒童物理科普游戲App的設計方法，從而激發學齡前兒童對學習物理知識的興趣。通過對人機交互與游戲化設計理論的研究，在學齡前兒童發展心理學的理論指導下，進行市場調研與用戶調研分析其特征，并在設計模型的指導下進行實踐。根據理論研究及調研，構建了學齡前兒童科普游戲設計模型，并提出符合學齡前兒童特征的人機交互設計策略。在此指導下進行設計實踐，為游戲化思維在科普教育領域的運用提供參考意義。

關鍵詞：學齡前兒童 人機交互 游戲化設計 科普游戲 物理學習 用戶需求八角型誒分析法

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2023）11-0058-05

引言

近年來，兒童物理的科普教育領域也在隨國家政策的支持加快了數字化的進程，產生了更多的市場需求。目前，我國兒童物理的科普教育形式仍停留在枯燥乏味的科技館、書本教育以及媒體宣傳上，數字化程度的過低表現不貼近兒童的實際生活。在此形勢下，智能手機App擁有更廣闊的設計空間，可為兒童提供豐富的科普知識與優質體驗，筆者以游戲化思維為基礎，對物理知識科普進行游戲化設計，將抽象且復雜的物理概念以生動形象的方式呈現出來，培養兒童的科學態度及興趣。開發適合學齡前兒童的物理科普游戲App，為科普游戲的研究和實踐提供參考意義。

一、學齡前兒童科普教育的游戲化

（一）什么是科普與游戲化?！翱破铡庇址Q科學普及、大眾科學或者普及科學，指利用各種傳媒以淺顯的、通俗易懂的方式讓公眾在科學的方法指導下，接受自然科學和社會科學知識，從而達到弘揚科學精神的目的?！坝螒蚧敝冈诜怯螒蚯榫持惺褂糜螒蛟睾陀螒蛟O計技術，以此來滿足人們的心理動機與需求[1]。目前，游戲化正逐漸成為我們觀察世界，思考創造與設計的新方式，主流社會接受游戲化的同時不斷通過優秀的游戲來改善人們的生活質量。

（二）學齡前兒童科普教育的游戲化。在我國，游戲化的實施策略有兩種：其一，游戲課程化。其二，課程游戲化[2]。但受我國傳統價值觀的影響，教師通常會把教育游戲單純地當作游戲來看待，從而認為學習和游戲間存在沖突[3]。事實上，游戲化的目的單純且唯一，就是為了愉悅玩家?？破疹惤逃螒虻陌l展不是一蹴而就的，目前國際上此方面的研究和應用較多，反觀國內，無論在理論研究還是實際應用仍與國際存在一定差距[4]。而教育作為孩子一生的重要時期，擁有著巨大的發展空間有待設計師去關注和挖掘[5]?？破沼螒駻pp區別于傳統的教育方式，優秀的游戲會主觀上提升用戶的愉悅程度，進而有效提高用戶的使用欲望，提升了在同類產品中的核心競爭力。在我國，3至6歲的兒童被稱為學齡前兒童，由于其年齡的特殊性，身體器官的發育處于快速成長的階段，在生理、認知方面都有其顯著特征[6]，如表1。因而設計游戲時更要注重這些游戲化元素的表現是否符合兒童的特征，是否匹配了兒童的交互方式。

（三）游戲化介入移動端科普教育的意義。目前，市面上的游戲按照游戲目的分類，可以將其分為娛樂游戲與功能游戲兩大類，其中功能游戲又稱嚴肅游戲，而教育游戲是功能游戲的主要組成部分，科普游戲則被視為教育游戲的一個新分支[7]。在移動端科普教育中，其優勢體現在科普與移動端設備的優勢，如科普的及時性、知識分享的便捷性、交互方式的多樣性，游戲內使用場景的多樣化與交互形式的創新，讓用戶體驗到了及時的反饋，避免了紙質材料題目的枯燥與乏味。缺點則表現為十分依賴移動數字產品、用戶易造成分心與專注力下降。因而，此領域仍有優化與提升的空間去創造質量上乘的移動端兒童科普游戲。

二、人機通信參考模型與八角行為分析法概述

（一）人機通信參考模型概述：人機通信參考模型，如圖1，它是由Clarke提出的一個為滿足人、機、環境等多種復雜內容交互的三層模型[8]。其將人機交互看作為一種在遵守一定規則基礎上的“人”與“機”的特殊對話形式，在通信過程中產生相互作用的基礎上建立的一個人機交互理論框架。該模型層間的信息互動是其功能的支持與聯系建立的。因而，可在科普游戲App的設計中作為有效的系統分析與開發參照模型。

（二）八角行為分析法概述：八角行為分析法見圖2，它是近幾年由Yu-kai Chou提出的關于闡述游戲化最有影響力的驅動力模型。八角行為分析法通過對玩家明確且深刻的洞察，總結出了豐富的設計規則，將游戲化歸納為了按照用戶驅動力區分的八個核心驅動力[9]。

此外，Yu-kai Chou在其八角核心驅動力中引用了里查德巴圖的四種游戲者類型，并以此總結了4種游戲玩家的驅動力影響[9]。奧蘇貝爾認為，按照教學材料和學習者原有的知識關系分類，可分為被動型的機械學習和主動型的有意義學習兩類，并根據學習者的行動與互動的特征來結合學習者類型分析[15]，如圖3，可對應為競爭型、目標型、探索型和社交型學習者4種類型。理解了學習者的心理需要和驅動力的作用就更容易做到引領用戶學習，其不同學習者類型人群有著不同的動機與訴求，如圖3。

三、設計模型的構建與策略

（一）學齡前兒童科普游戲App設計模型的構建：設計模型以學齡前兒童的需求作為設計起點，體驗良好為設計終點，如圖4。在設計者視角應用的開發以基于人機通信參考模型為基礎，是由高層到底層的設計流程。

1.角色定位層：任務形成的階段，這一層中人的社會心理如推理、判斷及決策等驅動著其行為，因而其可作定位用戶群體學習者類型的重要依據，確定其不同核心驅動力的影響，從中找到行為的差異性，細化這些需求形成任務傳遞到移動設備端，而移動設備端又反向通過信息域傳遞給用戶其所需要的內容?！皺C器”則為所服務的群體來完成其目標[10]。這個完整的操作過程使用戶與對象建立了緊密的任務聯系，使得設計初步形成。

2.功能定位層：任務執行的階段，這一層首先對“人”的需求目的進行拆解、細化且分析成逐個實現的高層目標，如用戶在使用產品時的學習前期、中期和后期3個階段目標?！皺C器”則將高層目標分解成低層目標，通過功能模塊將用戶的意圖反饋并對其進行解釋，緊密聯系Yu-kai Chou提出的玩家之旅4個階段。在學習前期，設計者要通過產品的主要功能去激發用戶的好奇心，需要了解不同學習者類型兒童的目標動機，去滿足其學習需求并由此產生足夠的吸引力。在學習中期，要讓用戶能順利地進行游戲，并能激勵用戶完成更多任務且激發分享欲。因而，設計重點是針對不同學習者設計合適的游戲元素，保障能夠承載信息的游戲元素的有效性。同時引導用戶探尋未知來激勵用戶與他人進行互動交流，讓用戶對產品產生黏性。在學習后期，為了產品留存更多的忠誠用戶，不光產品應主觀通過告知來刺激用戶進行學習，設計者還需要重新對學習者再次使用App的動機進行分析，從而獲得新的反饋。

3.人機交互層：任務實現的階段，在這一層中，兒童的行為是由其生理及心理特征所決定的，移動端設備充當其行為指向的載體，界面承載的信息則是其表現形式。兒童心理學家Piaget的認知發展階段論中表述學齡前兒童屬于前運算階段，其心理上通常表現出多變性與不確定性。生理上視聽覺發育成熟，但其肢體行為仍受限于其體能的弱勢。因而由于學齡前兒童的特殊性，遵循與考慮其生理與心理特征的意義將至關重要。

（二）基于學齡前兒童特征的人機交互設計策略：

1.行為操作的及時反饋，即兒童如果進行操作，應用程序應及時作出反饋。人的注意力分為無意注意和有意注意兩種，無意注意是指沒有預定目的，也不需要意志努力的注意；有意注意是指有預定目的，需要一定意志努力的注意[11]。這個階段兒童的意識仍由無意注意所主導，注意力與穩定性較差，而操作、聲音以及圖像這些物理現實信息的及時反饋可以保證兒童在使用App時避免干擾而注意力轉移。

2.思想教育的正向引導，即引導兒童受到積極正面的影響，盡量減少且避免消極負面的作用。在學齡前兒童這個階段中，游戲仍在其生活中起主導作用。在游戲中，兒童能在假想的情景中學習大人，他們能夠通過主觀意識來調整行為，從而實現自己的動機[12]，因而，這些兒童在游戲中合理地應用夸贊與獎勵、引導與鼓勵，賦予這些未經世事的兒童以正向的反饋是十分必要的。

3.知識學習的簡單易懂，即表述內容應該是簡潔、直觀易于兒童理解的信息。由于學齡前兒童在閱讀方面以圖像、色彩和語言為主要媒介，當兒童在游戲中進行操作時，無論是以界面呈現的物體和信息或是聲音的形式實現的反饋都應該讓兒童易于理解這些信息，對待兒童采取循序漸進的形式，減少冗余信息對主要信息的傳達，逐步提升其對事物理解的維度，從而促進兒童的認知水平。

4.生動簡潔的視覺表現：視覺界面是人機交互中的重點設計內容，《視覺素養入門》一書中提出從設計學角度來說，人類感知中的視覺上屏幕布局的平衡性是最重要的?！?-8 歲兒童最佳教育App 交互設計分析》一文中對屏幕布局的平衡性進行了深入調查，通過色彩搭配美感占據了兒童視覺主導，界面作為兒童使用應用程序時主要信息交流部分，設計者在設計時，一定要注意配色的舒適與親近感。其次，保證兒童視線范圍內的視覺元素簡單清晰。游戲視覺元素簡化，除必要的交互元素，設計者應排除任何干擾我們希望用戶專注的內容的元素和行動。這對兒童來說，簡單、易理解、易操作才是設計的主要方面，所以在界面設計中應盡量避免冗雜的元素呈現。

5.真實合理的聲效模擬：游戲中的聽覺交互設計主要由背景音樂、人物對話、操作音效、聲音引導來表現。學齡前兒童的注意力集中時間短暫，對語言的認識程度較低，僅僅停留在聽說層面，因而導致圖文結合一定程度上受到限制，應用程序在適當的位置通過圖文并茂搭配合適的音效能達到多感官體驗、提升兒童注意力并提升其學習興趣的效果。此外，在聽覺交互反饋中，為了使兒童產生主動學習的情緒，學習環境中多應用積極類的音效去調動兒童的情緒更加有意義，合理的音效反饋增加兒童沉浸體驗，激發真實參與感。

6.簡單新奇的交互體驗：游戲化給交互設計提供了更多體驗上的可能性，提高了用戶操作的主動性、探索性和互動性，并提升了操作效率[13]。游戲作為學齡前兒童生活中認知世界起主導作用的媒介之一，找到普遍適用于這個階段兒童的交互方式是極為重要的，《設計移動應用程序交互性》中提到兒童與移動電子設備的手勢交互方式，為科普游戲App的設計提供了參考[14]，如表2所示，從表2中可以看出兒童的生理特征反映著其交互形式只能以常規動作為主，例如點、滑、拖拽、輕拂等動作，協調視覺、聽覺、觸覺三者的感官映射去激發兒童的娛樂與學習的興趣。

7.保險安全的防護措施：對于兒童及家長來講，產品的安全性主要由兩個部分體現，首先是物理層面上的防護，由于學齡前兒童身體正處于發育期，嚴格的娛樂時間限制是十分必要的，確保兒童的眼部不要過度疲勞，接觸的移動設備不存在尖銳去避免磕碰傷害等。其次是精神層面的防護，作為設計者應該考慮到這個階段兒童的隨意性，避免孩子們在使用App時誤觸、亂點觸發出站鏈接，看到或接觸到突破年齡限制的內容，因為我們的用戶不止是兒童，同時也包含家長，安全性的重要性要求我們在設計App時需要提供家長防護等功能滿足家長群體的需求。

四、游戲設計與實踐

（一）《重力積木》的游戲簡介：游戲重力積木是基于設計模型進行開發的一款畫面卡通搞笑的游戲，操作上兒童只需要肢體動作觸發交互點擊屏幕的堆積木游戲，放置所有既定積木達到一個平衡，兒童根據游戲中任務提示，將不同形態、重量和數量的積木搭建在預定目標上，在規定時間內搭建目標沒有倒下就算勝利，游戲模式分為單人與組隊比賽兩種模式，單人模式下兒童將闖過已設定的三個學習目標關卡，分別為不同形態、不同重量與形態、生活相關物體的重心的關卡。組隊比賽模式下，兒童互相競爭獲得勝利。重力積木的意愿是讓兒童在學習與玩的過程中培養兒童的自糾能力，從而達到寓教于樂的目的。

（二）基于設計模型的《重力積木》游戲設計思路：根據設計模型的3個層次進行設計。

1.角色定位層：首先進行物理科普游戲App的市場調研，依據八角行為分析法分解被選取的力學相關物理科普游戲，測算各個驅動力元素被使用的量值和占比。分析結果得知，力學相關的物理科普游戲特征為冒險類、策略類、動作類及進程導向類4類，如圖5所示，其次，通過發放問卷與分析后得知，調研人群中占比最高的學習者類型為目標性學習者，隨之與市場調研結果匹配，發現策略類游戲與目標型學習者的八角行為框架匹配度較高見圖5，因而以設計策略類游戲起點為下一層設計構思提供基礎。

2.功能定位層：通過調研與分析，確定科普知識點與游戲基本信息。其是一款基于移動端面向學齡前兒童開發的科普重力知識的策略類游戲，該游戲以兒童玩的積木玩具為主題，融合新奇的交互體驗，讓兒童在游戲中學習“重力”知識，同時游戲的設計依據學齡前兒童的三個學習階段進行設計。

（1）《重力積木》的學習前期。了解了目標型學習者的動機是期望在學習中進步以及達到自我既定的目標[15]。因此在游戲App的設計中通過將知識點拆分為由易到難的三個階段來實現，分別為掌握不同形狀物體的重心、掌握不同材料與形狀物體的重心、掌握生活中不同重量與材料物體的重心。應用進步與成就感核心驅動力將游戲主線分為三個大關卡，為目標用戶以梯度形式增加難度來提升兒童對未知挑戰的樂趣，增加游戲吸引力并增強體驗。

（2）《重力積木》的學習中期。將重力積木的游戲玩法與規則設定為根據要求將積木搭建在預定目標上，在規定時間內搭建目標沒有倒下就算勝利。游戲的操作模式采取觸屏點擊的模式，操控積木到預定地點，完成指定任務。依據目標型學習者的競爭性需求，重力積木的游戲模式分為單人模式和組隊比賽模式。游戲設計中，除了通過分享與交流的方式提升用戶間的情緒共鳴，還提出了設置關卡獎勵、解鎖成就與解鎖里程碑機制，提高用戶的競爭性，良性地引導用戶日常重復學習。

（3）《重力積木》的學習后期。為了留存更多的忠誠用戶，從兒童的行為反饋中可延長產品的使用周期，在兒童學習的過程中添加彩蛋、鼓勵、組隊比賽功能，兒童若是長時間未進入游戲，則通過提醒或是其他用戶的分享刺激用戶再次進行學習來保障用戶的忠誠度。

3．人機交互層：用戶體驗是這一層的設計重點。因而，在符合學齡前兒童特征的基礎上，從界面設計、游戲元素設計和系統交互設計3個層次指導設計。

（1）基于學齡前兒童特征的界面設計規范。為了能為兒童設計出在用戶體驗、交互體驗可以滿足學齡前兒童視覺體驗的產品，在了解了承載軟件的硬件產品規格后，依據移動端設計規范，從界面布局、文字規范和顏色規范3個方面對科普游戲App進行規范化設計，為界面視覺元素設計提供基礎。

（2）基于學齡前兒童特征的游戲元素設計。游戲角色形象方面參考“海綿寶寶”，選擇兒童喜歡的動漫角色可以更好地拉近關系，根據科普目標要求，將角色定義為不同形狀、材質以及生活相關物品的區別，角色的外在形態設計上不斷變化，避免兒童玩游戲過程中的審美疲勞。如圖6。游戲界面設計方面直觀明了，幫助兒童在操作中快速獲得重要信息，按鈕設計相較于成年人的要更大，此外，為了給予兒童更多的容錯率，模態彈窗的設計保留了取消與返回操作。利用柵格化系統設計使界面內容更具可讀性，幫助兒童快速識別頁面中的不同元素。游戲場景設計方面主要由場景顏色與場景物件兩部分所決定，如圖6。第一大關的顏色整體傾向藍綠色，表現清新的自然氣息，在物件擺放上放置家中常用沙發、相框以及門等，營造家里的氛圍感。第二大關的顏色整體傾向藍色，整潔清爽，應用較多的廚具物件來營造廚房的氛圍感。第三大關整體顏色傾向紫色，代表深邃、看不透與展望，襯托星際的主題，物件選取流星、星云以及衛星元素營造氛圍。

（3）基于學齡前兒童特征的系統交互設計。游戲中兒童能與之進行互動的主要方式依賴于手勢交互，兒童通過指尖與App的界面互動同時協調視覺、聽覺、觸覺三者的感官映射，令其產生真實感，由于其生理特征限制了其交互形式，故而采用常規動作如點擊、連點與拖拽這種比較自然的交互形式，這些本就來源于兒童日常生活的簡單操作使得兒童并不需要理解與學習便可執行，保證了兒童的可操控性。

總結

隨著未來科普類教育產品的市場競爭日趨激烈，對于學齡前兒童來說，傳統枯燥乏味的科普形式產品也將逐步失去市場，屆時科普App的游戲化也將成為產品制勝的關鍵因素，如何設計滿足用戶體驗的科普產品也變得十分重要。由于學齡前兒童科普類產品的特殊性，作為設計師需要在遵循學齡前兒童的特征的基礎上細致了解兒童動機與需求。利用好游戲化的形式，考慮其核心驅動力，并針對不同類型的學習者，進行科普游戲App的設計，使得學齡前兒童既能體驗游戲的快樂，同時又學習到了知識，開發了智力，最終達到寓教于樂的目的。

參考文獻

[1]SEBASTIAN Deterding，DAN Dixon，RILLA Khaled，et al. From Game Design Elements toGamefulness：Defining “Gamification”[C]. Proceedings of the 15th Inter- national AcademicMindTrek Conference：Envisioning Future Media Environments. 2011.

[2]黃小蓮.“課程游戲化”還是“游戲課程化”——命題背后的價值取向[J].中國教育學刊，2019（12）：57-61.

[3]杜文馨. 科普游戲興奮點研究及其對科學教育的啟示[D].西南大學，2018.

[4]吳小金，王巨文，韓靜華.科普類教育游戲設計策略研究及開發實踐[J].設計，2020，33（20）：129-131.

[5]侯江媛，胡偉峰.家庭教育類APP的游戲化設計研究[J].設計，2018（05）：149-151.

[6]周念麗. 學前兒童發展心理學 [M]. 上海：華東師 范大學出版社，2014（8）：4.

[7]王小明，張光斌，宋睿玲.科普游戲：科普產業的新業態 [J]. 科學教育與博物館，2020，6（03）：154-159.

[8]A. A. Clarke. A Conceptual framework for human computer i interaction.Int.J.Man-MachineStudies，1986（24）：503-517.

[9]周郁凱. 游戲化實戰[M]. 武漢：華中科技大學出版 社，2018.

[10]張向波. 基于符號學的人機交互分析方法及其應用研究[D].國防科學技術大學，2003.

[11]亨德里克·J·B，楊春發. 學齡前兒童的特點[J]. 外國 教育動態，1990（1）：53-55.

[12]張泓，高月梅.幼兒心理學[M].杭州：杭州教育出版社，2015.

[13]侯江媛，胡偉峰.家庭教育類APP的游戲化設計研究[J].設計，2018（05）：149-151.

[14]李璐. 學前兒童教育APP設計研究[D].華中科技大學，2019.

[15]韋艷麗，周璇，劉煜煒.基于八角行為分析法的學習類APP游戲化驅動設計研究[J].包裝工程，2021，42（08）：148-155.