基于数理认知的儿童数理逻辑类益智玩具设计研究

马琳

关键词 ：数理认知 ;儿童 ;数理逻辑类 ;益智玩具 ;设计

儿童数学能力的后续发展与其早期启蒙密不可分，对后续的学习与工作有重要影响 [1]。教育部 2001 年 7 月颁布的《幼儿园教育指导纲要（试行）》指出 ：“让儿童从生活和游戏中感受到事物的数量关系，并体验到数学的重要和有趣”[2]。儿童通过玩具认识外部世界，培养自身能力，儿童数理逻辑类益智玩具对学龄儿童的数学启蒙及能力培养能起到很好作用。目前国内益智玩具市场不够细分，市面上的许多产品适用年龄界限模糊。基于上述情况，设计适合儿童数学能力需求的儿童数理逻辑类益智玩具显得尤其重要。

1 儿童数理认知概述

1.1 儿童数理认知概念

数理认知是人类认知能力的重要组成部分，儿童数理认知是指儿童能够有效地运用数字和推理来看清事物的全貌，并有了解事物之间关系的能力。在儿童身上反映出的具体特征为 ：乐于认识数字及参与数学计算活动 ;可掌握因果、时间关系 ;能快速分辨事物之间的联系 ;遇到复杂事件能够合理安排等。2021 年《义务教育数学新课程标准》将儿童数学能力分为 ：数感、符号意识、空间观念、幾何直观、数据分析观念、运算能力、推理能力、模型思维、应用意识、创新意识、数学探索能力及选择判断能力。研究表明，儿童解决数学问题的过程可以概括为符号化表达、数学化运算和关系化建模三个主要认知环节 [3]。各认知环节与儿童数学能力的关系如图 1 所示。

1.2 儿童成长发展及数理认知特征

儿童在成长过程中，生理、心理及认知均随着年龄的增长而变化，设计儿童数理逻辑类益智玩具，必须关注儿童成长发展与数理认知特征。基于认知发展理论和中国儿童学段规定，文章将0—11 岁儿童分为如下四个阶段 ：0—3 岁婴幼儿期、3—6 岁学前期、6—8 岁学龄前期以及 8—11 岁学龄中期。如表 1 所示对四个阶段儿童的心理特征、生理特征及数理特征进行归纳，为儿童数理逻辑类益智玩具需求分析提供理论依据。

2 儿童数理逻辑类益智玩具设计现状

儿童数理逻辑类益智玩具是指能够使儿童在玩耍过程中培养数学认知、数理逻辑、开发智力的儿童玩具。将数学与玩具结合，既可以培养儿童的数学能力，也可以增强其对数学的兴趣。儿童数理逻辑类益智玩具按使用形式，可分为积木类、卡片类、棋牌类与串珠类等 ;按培养能力，可分为数字及符号认知类、逻辑运算类、几何空间能力培养类等。目前市场上的儿童数理逻辑类益智玩具种类繁多，但质量参差不齐。从设计的角度分析，其问题表现为：不符合儿童真实需求、可用性不佳、使用寿命短三个方面。

2.1 不符合儿童真实需求

目前市面常见的儿童数理逻辑类益智玩具一味迎合家长与市场的需要而设计，未充分考虑儿童的真实需求，因此存在功能不适龄以及产品同质化严重的问题[4]。例如部分产品为符合家长过高的数学培养要求，降低了玩具的适用年龄，或设置过于复杂的玩法，使儿童很难掌握，因此无法通过这类玩具来提升儿童的数学能力;还有部分产品未充分考虑儿童对综合数学能力的培养需求，仅针对性地培养某个单一的数学能力，缺乏对全年龄段儿童多层面数学能力的培养研究[5]。

2.2 可用性不佳

产品的外观设计与交互设计均会影响可用性。在外观设计中，产品的部件、材料、造型设计都会对可用性产生影响，若未综合考虑，会降低儿童的喜爱度，甚至威胁儿童安全。例如，部分为幼童设计的数感培养玩具部件细小，易造成儿童误食;还有部分产品为追求造型变化，采用尖锐的外观形态，易划伤儿童。在交互设计中，产品的操作与反馈同样会对可用性造成影响。例如，部分产品交互操作复杂，易导致儿童出现不耐烦的心理;还有的产品负反馈信息过重，会导致儿童产生负面情绪。

2.3 使用寿命短

目前市场上的儿童玩具种类繁多，但能够伴随儿童成长不断使用的产品却很少。多数儿童玩具在设计时没有考虑到儿童的成长性特征，产品的可变性不强，仅能作为消耗品短期使用[6]。儿童数学能力的培养是随年龄增长而持续进行的，市面上大多数产品仅满足儿童某一成长阶段对数学能力培养的需求，未考虑长期对数学综合能力构建的需求。

3 基于数理认知的儿童数理逻辑类益智玩具设计意义

基于数理认知的研究，将儿童不同阶段的认知特征与数理逻辑能力的外在表现有效结合[7]，为儿童数理逻辑类益智玩具设计提供新的切入点，具有重要意义。从设计师角度看，能够帮助其充分了解儿童特征，系统性地发掘各阶段儿童数学能力培养的痛点与需求，设计出用户满意的产品;从儿童角度看，符合自身数理认知阶段的玩具更具有可用性，在使用上更符合自身的能力与习惯，能够在愉快的玩耍中提升数学能力;从家长角度看，基于数理认知设计的儿童数理逻辑类益智玩具，更易看到培养成效。总之，基于数理认知的儿童数理逻辑类益智玩具的设计，体现了以儿童为中心的理念，能够为儿童健康成长与数学能力发展提供有力保障，并以科学的方式让儿童在玩耍中学习数学。

4 基于数理认知的儿童数理逻辑类益智玩具设计原则

4.1 适配性原则

儿童的自身成长与所处的社会环境都是动态发展的，因此儿童数理逻辑类益智玩具应适配儿童年龄特征与时代发展特征两个方面。适配儿童年龄特征是指，在设计时应充分考虑儿童的成长发展特征与数理认知特征。例如3—6 岁儿童的数学能力培养需求为认识数学符号与数量关系，其数理认知水平处于实物操作阶段。因此通过实物操作使儿童认识数量关系的产品，如蒙氏教具，更适配这一阶段儿童。在此类产品部件的设计中，还应考虑3—6 岁儿童精细动作技能还未发展完善的特点，产品部件设计不宜过于细小，结构设计不宜复杂;此外，适配时代发展特征是指，在设计时需考虑时代大背景对于儿童数学能力的具体要求。例如设计锻炼儿童编程能力的产品，来培养儿童适应当下时代要求的能力。

4.2 安全性原则

安全是儿童玩具设计的基本准则，安全性是保障儿童数理逻辑类益智玩具可用性的基础。2007 年6 月1 日，我国就童车、电动玩具、塑胶玩具等玩具产品，专门宣布了强制执行的 3C 认证制度，使儿童玩具的设计、生产和销售有了安全性生产的法制规范[8]。根据规范要求，儿童数理逻辑类益智玩具设计的安全性体现在：（1） 材料及造型安全。产品造型设计须符合儿童的人机尺寸，保证儿童玩耍过程中的安全性及舒适性;材料应尽量选择天然材料或无毒无害材料;（2） 部件及结构安全。产品每个单独使用的部件结构及尺寸都要考虑其安全性，防止发生误吞或卡住手指等安全隐患;各部件之间的连接结构要稳固，不可出现尖锐的连接件，以防划伤;（3） 交互安全。在产品本身及其交互系统中，应采取相应的保护措施，防止误操作带来的损失和伤害。

4.3 延续性原则

延续性原则是儿童玩具的探索方向，基本出发点是在满足产品本质属性的同时，延伸出更多功能，以达到提升使用年限、伴随儿童成长的目标。通过运用儿童数理认知与數学能力的发展规律来指导产品设计，多元构建产品功能，以培养儿童多种数学能力。产品功能不再以单一的功能点呈现，可随着儿童成长丰富可变，在使用过程中也能够为儿童营造进阶感，提升儿童的学习兴趣。通过产品的多功能设计适配不同阶段儿童，可陪伴儿童成长，为玩具注入情感化因素，也符合可持续发展战略与绿色设计理念。

5 基于数理认知的儿童数理逻辑类益智玩具设计策略

5.1 立足于儿童需求

儿童数理逻辑类益智玩具的设计应立足于儿童需求，将儿童数学能力培养与自身发展相结合。研究发现0—3 岁儿童的主要培养方向应为完成精细动作，过早对此阶段儿童灌输数学知识反而会适得其反，因此对于需求的研究主要聚焦于 3—11 岁儿童。如表 2 所示，通过儿童数理认知特征与国家标准《玩具适用年龄判定指南》展开调研，分别总结出儿童学前期、学龄前期以及学龄中期对于儿童数理逻辑类益智玩具的数学能力需求与玩具设计需求。

从上述需求出发，可以对市场反馈较好的数理逻辑类益智玩具进行分析，在表 3 中总结出适配各阶段儿童的玩具形式与应培养的数学能力，并给出产品举例，以期为儿童数理逻辑类益智玩具提供优秀设计案例参考。

5.2 提升产品可用性

产品作为用户感知和使用的直接对象，包含多种影响可用性表现优劣的关键因素，如产品外观、交互机制等。以满足用户需求为基础，提升产品外观及交互的可用性，能够为用户带来更好的体验。儿童数理逻辑类益智玩具外观可用性可以从符合用户感官特征的色彩、具有质感的材料与符合儿童心理特点的造型设计三方面提升，设计出符合儿童审美且具有满意度的产品外观。儿童数理逻辑类益智玩具的交互可用性可以从合理地引导、恰当地反馈与简单地操作三方面提升，降低产品的使用门槛，让儿童易理解，不但能够提升产品的效率，同时也保证了操作的有效性。

5.3 延长产品的使用年龄

在满足用户需求、保证良好体验的基础上，可以考虑让儿童数理逻辑类益智玩具更具有延续性，以此延长产品的使用年限。例如基于儿童数理认知特点的发展规律，融入一物多用的设计理念。采用功能集成、组合变换等方式实现产品的多元使用，使同一款产品既能够作为数学符号玩具培养儿童的数感，也能够作为基础的加减运算工具，培养儿童的运算能力，以实现学前期与学龄前期的持续使用，拓宽产品的使用年限 ;亦或采用无限玩法的形式，产品的初始呈现与形态只是单一的若干个体 [9]，使儿童在探索过程中发现数学规律，这样的产品既能够激发儿童的好奇心，也能开发更多的产品使用场景，达到延长使用年限的目标。

6 基于数理认知的儿童数理逻辑类益智玩具设计实践

6.1 方案构建

成长型智能数字积木（见图 2）的设计立足于儿童数理认知特征与儿童用户需求。对儿童数理逻辑类益智玩具产品的外观及交互形式展开分析，采用系统的产品设计方法生成方案。

6.2 设计说明

成长型智能数字积木的目标用户是 3—8 岁儿童，通过不同的使用方式实现伴随儿童成长的目标。产品使用模式分为两种，第一种模式的目标用户为 3—6 岁儿童，主要培养空间几何能力与数感。通过搭建积木可培养儿童的空间几何能力，单体积木上有数字且内嵌 RFID 模块，靠近主机感应区会朗读对应数字的读音，可在玩耍中培养儿童数感 ;第二种模式的目标用户为 6—8岁儿童，主要培养数学运算能力及动手能力。儿童将数字填入对应位置做运算，主机通过声光等形式反馈儿童运算的结果，以此培养儿童的数学运算能力。此阶段儿童手部动作精细化，可将单体数字积木拆分为更细小的零部件自行拼接，以此锻炼动手能力。

7 结语

数学能力对儿童未来发展具有重要作用。儿童数理逻辑类益智玩具作为儿童接触数学、培养数学能力的主要方式，对儿童成长发展具有重要意义。数理认知特征是设计儿童数理逻辑类益智玩具必须考虑的因素。文章通过分析儿童成长发展情况与数理认知特征，为儿童数理逻辑类益智玩具设计提供理论基础，并总结出儿童数理逻辑类益智玩具应具有适配性、安全性与延续性原则，提出从用户需求出发、提升产品的可用性、延长产品使用年限的设计策略。旨在让儿童数理逻辑类益智玩具能够真正达到科学培养儿童数学能力的目的，为儿童数理逻辑类益智玩具设计提供参考。