基于兴趣引导的交互式少儿编程教具产品设计探究

王增厚

（武汉工程大学艺术设计学院，湖北 武汉430074）

随着人工智能时代的到来，美国等先进国家提出了STEM（科学Science、技术Technology、工程Engineering、数学Mathematics）教育模式，其中编程技术是先进国家中学教育的一个重要环节，奥巴马总统甚至提出了编程从小学开始的口号[1]。人生百岁，立于幼学。少儿时期是学习的关键时期，无论国内还是国外对少儿教育都比较重视。目前，有很多的发达国家将编程教育纳入了中小学的日常课程，可见编程教育对国家发展的重要性。编程对于少儿来讲有一定的难度，研究设计少儿编程教具的意义在于激发儿童对于编程的兴趣，建立编程思维，为以后的学习奠定基础。

1 兴趣引导的作用和意义

1.1 兴趣对学习的影响

众所周知，兴趣是学习最好的导师。人们因为感兴趣才会去接触一件事情、一个事物，接触之后，如果能进一步激发兴趣，才会进一步去深入了解它。美国学龄前儿童心理研究数据表明，如果想让孩子认真学习，最好的方式就是先调动孩子的兴趣，并让其参与其中[2]。学习兴趣对学生来讲非常重要，比如学生出现严重的偏科现象就是由学习兴趣引起的。提高学生学习效率和能力最有效的手段是激起学生的学习兴趣，这也是提高学生主观能动性的重要方式。

1.2 兴趣引导与编程教具产品设计

兴趣引导与教具的作用是相辅相成的，学生有兴趣去使用编程教具，然后编程教具反过来带给学生学习编程的乐趣，从而促使学生对编程感兴趣，乐意去学习编程。随着人们对编程教育认知的普遍提高，现在越来越多的父母会关注自己孩子编程方面的兴趣培养，对于年龄较小（学龄前儿童）的孩子父母会买一些比较简单的编程玩具，比如Fisher费雪STEM代码编程毛毛虫。对于年龄大一点的孩子，父母会买一些编程机器人，比如DJI大疆创新推出的教育机器人机甲大师RoboMaster S1。这些编程玩教具首先能吸引孩子去了解认识这些玩教具，然后让孩子体会到编程的乐趣，激发孩子对编程的兴趣，从而让孩子产生学习编程的自主能动性。

2 少儿编程教育和教具

2.1 少儿编程教育的现状和重要性

随着人工智能时代的到来，人工智能将涉及人们生活的方方面面。人工智能离不开基础的编程。少儿是祖国的未来，未来社会的发展进步需要大量的IT人员。培养少儿对编程的兴趣，让孩子提早具有编程思维，不仅对孩子今后的学习成长有帮助，而且更有助于为国家培养优质的IT人才。国内外目前都比较重视编程教育，发达国家在编程教育方面早早起步。早在2000年，以色列就已经对孩子的编程教育有一个总体的前进目标，2012年时，日本就为中小学生们开展了编程教育的相关课程[3]。相对而言，中国的少儿编程教学起步较晚，直到2014年STEM的概念逐渐在国内普及，中国的少儿编程行业才开始正式发展。2016年，国家开始主动支持少儿编程教学的发展，2017年，浙江省将信息技术提升为高考科目，进一步推动少儿编程教学的发展[4]。编程教育在中国近两年发展势头迅猛，但是多集中于北上广深等一二线的大型城市，国内的编程教育事业的发展还有很长的路要走。

2.2 少儿编程教具的现状及需求

随着中国对编程教育的重视和推广，编程教育也成了人们关注的热点，中国的编程教育行业也到了迅猛发展阶段。目前在北上广深等一线城市，各种编程教育机构林立。社会对编程教具的需求进一步扩大，编程教具市场也将会进一步扩大。市场上也出现了各种编程玩具、编程教具、编程机器人等，其中做的比较好的如乐高儿童编程积木玩具、大疆机甲大师RoboMaster S1等。这些玩教具从软硬件两方面出发，让使用者的动手频率增加。同时这些玩教具造型简洁大方美观，符合使用者的审美情趣，使用者动手操作时具有丰富及有趣的交互体验。这些都能吸引使用者乐意去动手了解使用教具，之后通过这些教具的引导，使用者对编程产生兴趣。

3 少儿编程教具产品设计实践

在设计少儿编程教具产品的时候一定要注意的是产品的外观以及产品的交互体验。外观上面能否吸引到使用者，使用产品的时候能否带给使用者一个良好的交互体验，对于定义少儿编程教具的好坏非常重要。

3.1 目标人群的特征

本文所做的设计主要针对的人群是小学生。从少儿心理特征层面讲，这个时期他们有强烈的好奇心，对有趣且新鲜的事物会产生较为浓厚的兴趣。所以产品一定要具有趣味性，并且这种趣味性要具有一定的持续性。从认知特征层面讲，目标人群主要处于7～11岁的具体运算阶段，儿童能进行简单的逻辑思考，有一定的逆向思考能力。这一阶段可培养儿童简单的逻辑运算能力及逻辑关系[5]。从少儿行为特征层面讲，这个时期的少儿乐忠于把玩感兴趣的事物，在此要考虑的是产品与少儿的交互方面，首先使用的材料是安全的，其次是在交互使用过程中少儿可以收获乐趣，最后从交互使用中学习到知识。从少儿审美特征层面讲，目标人群已经具有一定的审美，他们会喜欢活泼的颜色，产品的配色要相对活泼柔和，在造型上也要尽量柔和可爱。

3.2 产品结构分析

此次研究的产品主要构成是一个外面起到保护装饰作用的外壳、一个集合的电路板、一个Arduino、一个LED数码管、几个小LED灯泡、一个小型串口屏、一些常见的小型传感器、一些辅助模块和连接传感器和电路板导线。其中传感器主要有土壤湿度传感器、红外传感器、压力传感器、温度湿度传感器、超声波传感器、信号灯识别传感器等。同时为保证课程体系的完整性和丰富性，还加入了一些其他模块，如蓝牙模块、矩阵键盘、灯珠矩阵等。使用时集合电路板通过导线和传感器进行连接，导线将传感器收集到的信息数据传导到集合电路板上并通过Arduino进行编程。在设计过程中要考虑的是结构的合理性以及结构的适配性。

3.3 产品交互使用体验研究

交互设计的本质就是以人的行为、生活、习性为依据而进行的设计实践[6]。好的交互设计可以给使用者提供良好的使用体验，将交互设计理念应用于少儿编程教具设计中是非常有必要的。交互设计要遵循相应的设计原则，首先是设计的可用性原则，设计一定要具有安全性；其次是设计的易用性原则，设计的目的是使少儿更容易理解使用；最后是设计的情感化原则，在进行交互设计的同时要注意情感设计，将情感设计融入交互设计，这样的交互设计更有人情味。交互设计情感化设计就是把情感化设计的相关方法和理论知识运用到交互设计中[7]。对本论文中的少儿编程玩教具进行交互设计时主要考虑以下几点：①确保使用过程安全，产品无毒，产品尽量圆润少棱角等；②产品易用性强，比如对接接口是否方便易接，共同使用多传感器时是否会出现接线困难、走线凌乱、操作不便等问题；③少儿在参与过程中是否收获可持续性的乐趣和参与感等。

3.4 产品最终效果图展示

产品主题结构设计理念采用模块化设计，方便产品的使用和维护。最终效果如图1所示。产品上部3个部件分别为Arduino、led数码管、串口屏。产品下部主要是对接各种传感器的集成电路板。外壳通过颜色的分割使少儿更容易识别查找对应的传感器的插孔。右上角的6个LED灯以及左下角3个控制按键用来辅助传感器的使用，使得编程模式更加丰富。

图1 基于兴趣引导的少儿编程教具（制作图片）

3.5 产品使用场景设计

本次研究设计的少儿编程教具主要是为一种课堂教具，帮助课程教师更好地向少儿普及编程意识和教授简单的编程知识，做好少儿学习编程的启蒙。使用本少儿编程教具要结合电脑端的应用（mBlock）共同使用。将本少儿编程教具主要用于教学中，教师根据自身情况、少儿年龄、少儿对编程的认知程度等进行备课，在mBlock中选用相应的编程难度和步骤。教师除了对mBlock和本少儿编程教具进行讲解外，应当将教学与生活相结合。这样使用编程教具时才能使少儿具有沉浸感，获取持续的兴趣。选取一个生活场景，如生活中很多人会闯红灯，如何通过编程解决这个问题呢？比如在人行道两侧设置红外感性传感器，当红灯亮时，有人闯马路会被传感器识别，附近会有一个音响装置提醒闯红灯的人，同时警示周围车辆小心驾驶，以免撞伤人。少儿在教师的帮助下理解整个过程，然后通过mBlock完成相应的编程，使用教具展现场景，最后记录整个过程和完成学习。儿童玩教具的方式主要是儿童自主探索、自主尝试，教师或家长的指导应当起辅助作用[7]。所以课程结束后要鼓励学生们自主去探索学习。提出的新型编程教育模型如图2所示。

图2 基于兴趣引导的交互式少儿编程教具教学模型（制作图片）

4 结论

少儿编程教育在如今社会中越来越受到人们的重视，所以研究少儿编程教具设计是很有意义的。学习兴趣是学习动机的重要心理成分，是学习积极性中最现实、最活跃的成分，也是发展智力潜能的契机[8]。基于兴趣引导，从少儿的兴趣入手，增强改善少儿的交互体验，使少儿在使用本少儿编程教具过程中可以有更高的沉浸感，获得持续性的学习兴趣，从而可以更好地激发少儿对编程的兴趣。通过将编程与生活相结合，既丰富了教学内容，又有助于少儿理解编程。总之在做有关少儿编程教具的设计时一定要从用户本身出发，多层次、多角度地去理解产品，能达到事半功倍的效果。