基于人臉識(shí)別的兒童英語單詞互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

曾晨

摘要：隨著信息技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，信息化教育成為教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)并受到教育人士及家長的廣泛關(guān)注。本文通過對(duì)兒童學(xué)習(xí)心理與行為特征進(jìn)行分析，提出面向兒童的互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法，開發(fā)以兒童為中心的多感官參與的互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用人臉識(shí)別技術(shù)，通過攝像頭檢測(cè)追蹤人臉并與系統(tǒng)中的元素相碰撞來獲取反饋的非接觸式交互方式，借助游戲娛樂的學(xué)習(xí)形式讓兒童輕松愉快地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，達(dá)到寓教于樂的目的。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)設(shè)計(jì)；人臉識(shí)別；交互設(shè)計(jì)；界面設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）02-0108-02

傳統(tǒng)教育軟件的交互方式一直倍受鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備的束縛，越來越難以調(diào)動(dòng)兒童學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性。因此，如何設(shè)計(jì)一種更形象、更具吸引力、更符合兒童認(rèn)知心理的交互方式，是兒童教育領(lǐng)域中一個(gè)值得研究的課題。人臉識(shí)別，是利用攝像頭對(duì)人的面部進(jìn)行追蹤和檢測(cè)的生物技術(shù)，其最典型的特征是將屏幕中的虛擬世界同現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合，并為用戶提供基于自身面貌的互動(dòng)，從而創(chuàng)造極具沉浸感和新鮮感的互動(dòng)環(huán)境。人臉識(shí)別對(duì)兒童用戶而言，具有自然性、非強(qiáng)制性和非接觸性的優(yōu)勢(shì)，完全契合了兒童教育所要求的順應(yīng)天性、啟迪心智和操作簡單的要求，能充分調(diào)動(dòng)兒童的多感官學(xué)習(xí)通道，增加兒童學(xué)習(xí)過程中的沉浸感，提高兒童學(xué)習(xí)效率。

1 兒童學(xué)習(xí)的基本特征分析

1.1 兒童的心理特征分析

兒童的認(rèn)知活動(dòng)具有具體形象性，事物的表象與具體形象影響著兒童的整個(gè)認(rèn)知過程。因此，與兒童生活有直接聯(lián)系的、直觀生動(dòng)的形象更容易引起兒童的注意，更容易在兒童的腦海里留下深刻印象。兒童生性好動(dòng)，其心理活動(dòng)具有很大的無意性，很容易受到外部環(huán)境的影響而脫離自己原本的行動(dòng)方向。強(qiáng)制記憶這一行為本身便超出了兒童一般性的認(rèn)知能力，更不符合兒童心理活動(dòng)規(guī)律。因此，在兒童學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要盡量避免強(qiáng)制記憶行為的出現(xiàn)，應(yīng)積極建立兒童與直觀事物之間的具體聯(lián)系，才能加深兒童對(duì)知識(shí)的記憶。

1.2 兒童行為特征的分析

好動(dòng)，是兒童時(shí)期時(shí)最典型的行為特征，而“操作體驗(yàn)”的學(xué)習(xí)方式最契合兒童的這一特征。研究表明，獨(dú)特、新穎的學(xué)習(xí)方式更容易激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)兒童學(xué)習(xí)積極性。游戲做為兒童操作學(xué)習(xí)方式中最具有代表性的學(xué)習(xí)方式之一，其本身包含了豐富的認(rèn)知成份，而互動(dòng)游戲更能將學(xué)習(xí)內(nèi)容以具體.形象的表現(xiàn)方式呈現(xiàn)給兒童，從視覺、聽覺等多感官通道給予兒童即時(shí)的互動(dòng)反饋，反復(fù)強(qiáng)化兒童對(duì)知識(shí)的記憶。4歲以上的兒童行為能力有了一定的發(fā)展，已經(jīng)能夠利用簡單的肢體動(dòng)作獨(dú)立完成簡單的游戲互動(dòng)，這也為學(xué)習(xí)系統(tǒng)更多應(yīng)用形式的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)保障。

2 面向兒童的互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

兒童互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的本質(zhì)在于引導(dǎo)兒童的大腦和身體進(jìn)行有效配合、在娛樂中獲取知識(shí)的互動(dòng)行為。兒童群體的自控能力和抽象思維都較弱，這就決定了面向兒童互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)需要具有一定的特殊性。通過對(duì)兒童心理和行為特征的研究，提出針對(duì)兒童互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的幾大基本設(shè)計(jì)原則：

2.1 益智性原則

益智性是兒童應(yīng)用產(chǎn)品中不容忽視的最基本原則。面向兒童的互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)充分注重兒童心理特征與行為特征，使兒童身心能夠同步發(fā)展。

2.2 自然簡潔的易用性原則

兒童往往跟隨表象思維行事，難以理解復(fù)雜性環(huán)境，因而，面向兒童的互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這一心理特征，可采用手勢(shì)控制、實(shí)物操作等直觀的交互方式，盡量減少兒童的學(xué)習(xí)時(shí)間與認(rèn)知負(fù)荷。

2.3 個(gè)性化交互原則

兒童生性好動(dòng)，注意力易分散。為集中兒童注意力延長其學(xué)習(xí)時(shí)間，在互動(dòng)方式的設(shè)計(jì)中，應(yīng)顯著突出和順應(yīng)兒童群體本身的興趣和喜好。

2.4 正向體驗(yàn)性原則

兒童群體正處于極佳的性格塑造期，其在學(xué)習(xí)的過程中都渴望積極的互動(dòng)反饋與鼓勵(lì)。因此，在兒童的互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)抓住兒童這一心理，利用積極的互動(dòng)反饋正向鼓勵(lì)兒童，形成良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

2.5 趣味性原則

在兒童互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)從內(nèi)容、呈現(xiàn)方式等多方面考慮其與兒童身心發(fā)展的適配性。富有趣味性的教學(xué)內(nèi)容、視覺表現(xiàn)和新穎的交互方式能達(dá)到更好的教學(xué)效果。

3 基于人臉識(shí)別的兒童英語單詞學(xué)習(xí)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

在該學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，囊括了符合兒童認(rèn)知的具象化教育內(nèi)容，利用了人臉識(shí)別技術(shù)將視覺刺激與肢體動(dòng)作相結(jié)合的交互方式，選用能夠調(diào)動(dòng)兒童學(xué)習(xí)積極性的活潑音樂和明麗圖片等多重元素，用以達(dá)到讓兒童多感官、全身心參與學(xué)習(xí)的目的。

3.2 系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)

基于人臉識(shí)別的兒童英語單詞互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)交互立足于卡通式的故事情境，利用人臉識(shí)別檢測(cè)方法與碰撞檢測(cè)方法識(shí)別追蹤兒童臉部與應(yīng)用中字母元素的碰撞，從而形成相應(yīng)的操作指令并驅(qū)動(dòng)應(yīng)用產(chǎn)生相應(yīng)的反饋。該系統(tǒng)主要分為四大模塊：預(yù)習(xí)模塊、拼寫模塊、填空模塊、默寫模塊，其基本交互流程如下：

3.2.1 學(xué)習(xí)模塊

預(yù)習(xí)子模塊：學(xué)習(xí)前，兒童通過對(duì)單詞的跟讀預(yù)習(xí)，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容有一個(gè)提前性了解和熱身。

3.2.2 拼寫模塊

此模塊為兒童提供可組成完整單詞的兩種字母：實(shí)心字母和空心字母。其中，空心字母拼合成的單詞作為學(xué)習(xí)內(nèi)容已經(jīng)完整顯示于屏幕上方；實(shí)心字母則作為填充空心字母的“學(xué)習(xí)道具”。游戲開始后，空心字母會(huì)由屏幕上方緩緩落下，兒童需要適配好面部的卡通面具按順序觸碰落下的正確的實(shí)心字母，填充屏幕上方的空心字母，完成單詞的最終拼寫。整個(gè)游戲場景設(shè)計(jì)均為卡通形象，配以臉部觸碰的、符合兒童認(rèn)知的交互方式，有效的減少了兒童的學(xué)習(xí)成本。

3.2.3 填空模塊

此模塊中，會(huì)將拼寫模塊中的某個(gè)已學(xué)單詞內(nèi)的某一個(gè)或幾個(gè)字母隨機(jī)設(shè)置成空格，并在空格下方提供數(shù)個(gè)漂浮卡通形象的字母。兒童根據(jù)記憶用臉部觸碰正確的字母，將單詞補(bǔ)充完整，不斷加深對(duì)知識(shí)的記憶。

3.2.4 默寫模塊

為兒童提供單詞讀音和數(shù)個(gè)漂浮的卡通形象字母。兒童憑借讀音和前三輪的學(xué)習(xí)記憶，依次人臉映射到屏幕上的面具觸碰正確的字母，完成單詞默寫。此模塊不僅可以檢驗(yàn)兒童對(duì)知識(shí)的掌握程度，其測(cè)試數(shù)據(jù)也將錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為教學(xué)者提供兒童學(xué)習(xí)效果的參考數(shù)據(jù)。同時(shí)，兒童拼寫錯(cuò)誤次數(shù)較多的單詞會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)安排到下一次的學(xué)習(xí)內(nèi)容中，增加高頻錯(cuò)誤單詞的出現(xiàn)頻次。

3.3 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

交互界面是兒童與系統(tǒng)溝通的重要平臺(tái)。界面設(shè)計(jì)的目的在于解決兒童與系統(tǒng)間存在的問題，從而優(yōu)化系統(tǒng)交互行為，達(dá)到最佳的互動(dòng)學(xué)習(xí)效果。研究表明：在色彩豐富的學(xué)習(xí)氛圍下，更有益于兒童的邏輯思維能力、觀察力與記憶力的發(fā)展，符合兒童認(rèn)知的直觀形象的視覺化學(xué)習(xí)內(nèi)容則更容易讓兒童迅速地接收信息。

本系統(tǒng)使用了二維卡通風(fēng)格的界面設(shè)計(jì)，運(yùn)用多圖形組合、形象的卡通化元素以及語音與動(dòng)畫相結(jié)合的界面交互方式，充分滿足了兒童學(xué)習(xí)過程中的情感化需求。系統(tǒng)所有界面都以虛擬場景與現(xiàn)實(shí)場景疊加的方式呈現(xiàn)，為兒童營造極具沉浸感的學(xué)習(xí)氛圍。同時(shí)，在界面設(shè)計(jì)中貫徹了交互活動(dòng)區(qū)域一致性的原則，可交互元素均按照兒童互動(dòng)區(qū)域均勻分布，保證了兒童移動(dòng)過程中的安全狀態(tài)，降低學(xué)習(xí)成本。

4總結(jié)

兒童處于一個(gè)特殊的年齡階段，其認(rèn)知能力和行為能力都有其獨(dú)特的特點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的基于人臉識(shí)別的兒童英語單詞互動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)從兒童的心理特征和行為特征兩方面出發(fā)，通過認(rèn)知教育和行為能力訓(xùn)練相結(jié)合的非接觸式交互方式，在滿足兒童學(xué)習(xí)需求的同時(shí)又促進(jìn)其身體健康的發(fā)展，達(dá)到寓教于樂的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]楊軍.從“認(rèn)知心理學(xué)”的觀點(diǎn)談兒童游戲的心理機(jī)制[J].杭州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，7

[2]蔣健勛.面向兒童的人機(jī)交互設(shè)計(jì)研究[D].浙江大學(xué)，2011，02