摘要：研究如何在游戏化思维的指导下，探寻出适合学龄前儿童物理科普游戏App的设计方法，从而激发学龄前儿童对学习物理知识的兴趣。通过对人机交互与游戏化设计理论的研究，在学龄前儿童发展心理学的理论指导下，进行市场调研与用户调研分析其特征，并在设计模型的指导下进行实践。根据理论研究及调研，构建了学龄前儿童科普游戏设计模型，并提出符合学龄前儿童特征的人机交互设计策略。在此指导下进行设计实践，为游戏化思维在科普教育领域的运用提供参考意义。
关键词：学龄前儿童 人机交互 游戏化设计 科普游戏 物理学习 用户需求 八角型诶分析法
中图分类号：TP391.9            文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2023）11-0058-05
Abstract：This paper studies how to explore the design method of App for physics popular science game suitable for preschool children under the guidance of game-based thinking，so as to stimulate preschool
children's interest in learning physics knowledge.Based on the study of the theory of human-computer interaction and gamification design，market research and user research were conducted to analyze its characteristics under the guidance of the theory of preschool children's developmental psychology，and the practice was carried out under the guidance of the design model.Based on theoretical research and investigation，a popular science game design model for preschoolers was constructed，and the human-computer interaction design strategy suitable for preschoolers was proposed. Under this guidance，the design practice provides reference significance for the application of gamification thinking in the field of popular science education.
Keywords：Preschool children Human-computer interaction Gamification design Popular science games Physics learning User need Octalysis model 浙江理工大学艺术与设计学院  于浩淼
引言
近年来，儿童物理的科普教育领域也在随国家政策的支持加快了数字化的进程，产生了更多的市场需求。目前，我国儿童物理的科普教育形式仍停留在枯燥乏味的科技馆、书本教育以及媒体宣传上，数字化程度的过低表现不贴近儿童的实际生活。在此形势下，智能手机App拥有更广阔的设计空间，可为儿童提供丰富的科普知识与优质体验，笔者以游戏化思维为基础，对物理知识科普进行游戏化设计，将抽
象且复杂的物理概念以生动形象的方式呈现出来，培养儿童的科学态度及兴趣。开发适合学龄前儿童的物理科普游戏App，为科普游戏的研究和实践提供参考意义。
一、学龄前儿童科普教育的游戏化
（一）什么是科普与游戏化。“科普”又称科学普及、大众科学或者普及科学，指利用各种传媒以浅显的、通俗易懂的方式让公众在科学的方法指导下，接受自然科学和社会科学知识，从而达到弘扬科学精神的目的。“游戏化”指在非游戏情境中使用游戏元素和游戏设计技术，以此来满足人们的心理动机与需求[1]。目前，游戏化正逐渐成为我们观察世界，思考创造与设计的新方式，主流社会接受游戏化的同时不断通过优秀的游戏来改善人们的生活质量。（二）学龄前儿童科普教育的游戏化。在我国，游戏化的实施策略有两种：其一，游戏课程化。其二，课程游戏化[2]。但受我国传统价值观的影响，教师通常会把教育游戏单纯地当作游戏来看待，从而认为学习和游戏间存在冲突[3]。事实上，游戏化的目的单纯且唯一，就是为了愉悦玩家。科普类教育游戏的发展不是一蹴而就的，目前国际上此方面的研究和应用较多，反观国内，无论在理论研究还是实际应用仍与国际存在一定差距[4]。而教育作为孩子一生的重要时期，拥有着巨大的发展空间有待设计师去关注和挖掘[5]。科普游戏App区别于传统的教育方式，优秀的游戏会主观上提升用户的愉悦程度，进而有效提高用户的使用欲望，提升了在同类产品中的核心竞争力。在我国，3至6岁的儿童被称为学龄前儿童，由于其年龄的特殊性，身体器官的发育处于快速成长的阶段，在生理、认知方面都有其显著特征[6]，如表1。因而设计游戏时更要注重这些游戏化元素的表现
学编程的游戏app是否符合儿童的特征，是否匹配了儿童的交互方式。（三）游戏化介入移动端科普教育的意义。目前，市面上的游戏按照游戏目的分类，可以将其分为娱乐游戏与功能游戏两大类，其中功能游戏又称严肃游戏，而教育游戏是功能游戏的主要组成部分，科普游戏则被视为教育游戏的一个新分支[7]。在移动端科普教育中，其
表1 学龄前儿童生理与心理认知特征
优势体现在科普与移动端设备的优势，如科普的及时性、知识分享的便捷性、交互方式的多样性，游戏内使用场景的多样化与交互形式的创新，让用户体验到了及时的反馈，避免了纸质材料题目的枯燥与乏味。缺点则表现为十分依赖移动数字产品、用户易造成分心与专注力下降。因而，此领域仍有优化与提升的空间去创造质量上乘的移动端儿童科普游戏。二、人机通信参考模型与八角行为分析法概述（一）人机通信参考模型概述：人机通信参考模型，如图1，它是由Clarke提出的一个为满足人、机、环境等多种复杂内容交互的三层图 1 人机通信参考模型
图2 八角行为分析法Octalysis模型
模型[8]。其将人机交互看作为一种在遵守一定规则基础上的“人”与“机”的特殊对话形式，在通信过程中产生相互作用的基础上建立的一个人机交互理论框架。该模型层间的信息互动是其功能的支持与联系建立的。因而，可在科普游戏App的设计中作为有效的系统分析与开发参照模型。（二）八角行为分析法概述：八角行为分析法见图2，它是近几年由Yu-kai Chou提出的关于阐述游戏化最有影响力的驱动力模型。八角行为分析法通过对玩家明确且深刻的洞察，总结出了丰富的设计规则，将游戏化归纳为了按照用户驱动力区分的八个核心驱动力[9]。此外，Yu-kai Chou在其八角核心驱动力中引用了里查德巴图的四种游戏者类型，并以此总结了4种游戏玩家的驱动力影响[9]。奥苏贝尔认为，按照教学材料和学习者原有的知识关系分类，可分为被动型的机械学习和主动型的有意义学习两类，并根据学习者的行动与互动的特征来结合学习者类型分析[15]，如图3，可对应为竞争型、目标型、探索型和社交型学习者4种类
型。理解了学习者的心理需要和驱动力的作用就更容易做到引领用户学习，其不同学习者类型人有着不同的动机与诉求，如图3。三、设计模型的构建与策略 （一）学龄前儿童科普游戏App设计模型的构建：设计模型以学龄前儿童的需求作为设计起点，体验良好为设计终点，如图4。在设
图3 学习者类型游戏驱动力分析
图4 学龄前儿童科普游戏App设计模型
计者视角应用的开发以基于人机通信参考模型为基础，是由高层到底层的设计流程。 1.角定位层：任务形成的阶段，这一层中人的社会心理如推理、判断及决策等驱动着其行为，因而其可作定位用户体
学习者类型的重要依据，确定其不同核心驱动力的影响，从中到行为的差异性，细化这些需求形成任务传递到移动设备端，而移动设备端又反向通过信息域传递给用户其所需要的内容。“机器”则为所服务的体来完成其目标[10]。这个完整的操作过程使用户与对象建立了紧密的任务联系，使得设计初步形成。2.功能定位层：任务执行的阶段，这一层首先对“人”的需求目的进行拆解、细化且分析成逐个实现的高层目标，如用户在使用产品时的学习前期、中期和后期3个阶段目标。“机器”则将高层目标分解成低层目标，通过功能模块将用户的意图反馈并对其进行解释，紧密联系Yu-kai Chou提出的玩家之旅4个阶段。在学习前期，设计者要通过产品的主要功能去激发用户的好奇心，需要了解不同学习者类型儿童的目标动机，去满足其学习需求并由此产生足够的吸引力。在学习中期，要让用户能顺利地进行游戏，并能激励用户完成更多任务且激发分享欲。因而，设计重点是针对不同学习者设计合适的游戏元素，保障能够承载信息的游戏元素的有效性。同时引导用户探寻未知来激励用户与他人进行互动交流，让用户对产品产生黏性。在学习后期，为了产品留存更多的忠诚用户，不光产品应主观通过告知来刺激用户进行学习，设计者还需要重新对学习者再次使用App的动机进行分析，从而获得新的反馈。3.人机交互层：任务实现的阶段，在这一层中，儿童的行为是由其生理及心理特征所决定的，移动端设备充当其行为指向的载体，界面承载的信息则是其表现形式。儿童心理学家Piaget的认知发展阶段论中表述学龄前儿童属于前运算阶段，其心理上通常表现出多变性与不确定性。生理上视听觉发育成熟，但其肢体行为仍受限于其体能的弱势。因而由于学龄前儿童的特殊性，遵循与考虑其生理与心理特征的意义将至关重要。（二）基于学龄前儿童特征的人机交互设计策略：1.行为操作的及时反馈，即儿童如果进行操作，应用
程序应及时作出反馈。人的注意力分为无意注意和有意注意两种，无意注意是指没有预定目的，也不需要意志努力的注意；有意注意是指有预定目的，需要一定意志努力的注意[11]。这个阶段儿童的意识仍由无意注意所主导，注意力与稳定性较差，而操作、声音以及图像这些物理现实信息的及时反馈可以保证儿童在使用App时避免干扰而注意力转移。2.思想教育的正向引导，即引导儿童受到积极正面的影响，尽量减少且避免消极负面的作用。在学龄前儿童这个阶段中，游戏仍在其生活中起主导作用。在游戏中，儿童能在假想的情景中学习大人，他们能够通过主观意识来调整行为，从而实现自己的动机[12]，因而，这些儿童在游戏中合理地应用夸赞与奖励、引导与鼓励，赋予这些未经世事的儿童以正向的反馈是十分必要的。3.知识学习的简单易懂，即表述内容应该是简洁、直观易于儿童理解的信息。由于学龄前儿童在阅读方面以图像、彩和语言为主要媒介，当儿童在游戏中进行操作时，无论是以界面呈现的物体和信息或是声音的形式实现的反馈都应该让儿童易于理解这些信息，对待儿童采取循序渐进的形式，减少冗余信息对主要信息的传达，逐步提升其对事物理解的维度，从而促进儿童的认知水平。4.生动简洁的视觉表现：视觉界面是人机交互中的重点设计内
容，《视觉素养入门》一书中提出从设计学角度来说，人类感知中的视觉上屏幕布局的平衡性是最重要的。《0-8 岁儿童最佳教育App 交互设计分析》一文中对屏幕布局的平衡性进行了深入调查，通过彩搭配美感占据了儿童视觉主导，界面作为儿童使用应用程序时主要信息交流部分，设计者在设计时，一定要注意配的舒适与亲近感。其次，保证儿童视线范围内的视觉元素简单清晰。游戏视觉元素简化，
除必要的交互元素，设计者应排除任何干扰我们希望用户专注的内容的元素和行动。这对儿童来说，简单、易理解、易操作才是设计的主要方面，所以在界面设计中应尽量避免冗杂的元素呈现。5.真实合理的声效模拟：游戏中的听觉交互设计主要由背景音乐、人物对话、操作音效、声音引导来表现。学龄前儿童的注意力集中时间短暂，对语言的认识程度较低，仅仅停留在听说层面，因而导致图文结合一定程度上受到限制，应用程序在适当的位置通过图文并茂搭配合适的音效能达到多感官体验、提升儿童注意力并提升其学习兴趣的效果。此外，在听觉交互反馈中，为了使儿童产生主动学习的情绪，学习环境中多应用积极类的音效去调动儿童的情绪更加有意义，合理的音效反馈增加儿童沉浸体验，激发真实参与感。
6.简单新奇的交互体验：游戏化给交互设计提供了更多体验上的可能性，提高了用户操作的主动性、探索性和互动性，并提升了操作效率[13]。游戏作为学龄前儿童生活中认知世界起主导作用的媒介之一，到普遍适用于这个阶段儿童的交互方式是极为重要的，《设计移动应用程序交互性》中提到儿童与移动电子设备的手势交互方式，为科普游戏App的设计提供了参考[14]，如表2所示，从表2中可以看出儿童的生理特征反映着其交互形式只能以常规动作为主，例如点、滑、拖拽、轻拂等动作，协调视觉、听觉、触觉三者的感官映射去激发儿童的娱乐与学习的兴趣。
7.保险安全的防护措施：对于儿童及家长来讲，产品的安全性主要由两个部分体现，首先是物理层面上的防护，由于学龄前儿童身体正处于发育期，严格的娱乐时间限制是十分必要的，确保儿童的眼部不要
过度疲劳，接触的移动设备不存在尖锐去避免磕碰伤害等。其次是精神层面的防护，作为设计者应该考虑到这个阶段儿童的随意性，避免孩子们在使用App时误触、乱点触发出站链接，看到或接触到突破年龄限制的内容，因为我们的用户不止是儿童，同时也包含家长，安全性的重要性要求我们在设计App时需要提供家长防护等功能满足家长体的需求。四、游戏设计与实践
（一）《重力积木》的游戏简介：游戏重力积木是基于设计模型进行开发的一款画面卡通搞笑的游戏，操作上儿童只需要肢体动作触发交互点击屏幕的堆积木游戏，放置所有既定积木达到一个平衡，儿童根据游戏中任务提示，将不同形态、重量和数量的积木搭建在预定目标上，在规定时间内搭建目标没有倒下就算胜利，游戏模式分为单人与组队比赛两种模式，单人模式下儿童将闯过已设定的三个学习目标关卡，分别为不同形态、不同重量与形态、生活相关物体的重心的关卡。组队比赛模式下，儿童互相竞争获得胜利。重力积木的意愿是让儿童在学习与玩的过程中培养儿童的自纠能力，从而达到寓教于乐的目的。
（二）基于设计模型的《重力积木》游戏设计思路：根据设计模型的3个层次进行设计。
1.角定位层：首先进行物理科普游戏App的市场调研，依据八角行为分析法分解被选取的力学相关物理科普游戏，测算各个驱动力元素被使用的量值和占比。分析结果得知，力学相关的物理科普游戏特征为冒险类、策略类、动作类及进程导向类4类，如图5所示，其次，通过发放问卷与分析后得知，调研人
中占比最高的学习者类型为目标性学习者，随之与市场调研结果匹配，发现策略类游戏与目标型学习者的八角行为框架匹配度较高见图5，因而以设计策略类游戏起点为下一层设计构思提供基础。
2.功能定位层：通过调研与分析，确定科普知识点与游戏基本信息。其是一款基于移动端面向学龄前儿童开发的科普重力知识的策略类游戏，该游戏以儿童玩的积木玩具为主题，融合新奇的交互体验，让儿童在游戏中学习“重力”知识，同时游戏的设计依据学龄前儿童的三个学习阶段进行设计。
（1）《重力积木》的学习前期。了解了目标型学习者的动机是期望在学习中进步以及达到自我既定的目标[15]。因此在游戏App的设计中通过将知识点拆分为由易到难的三个阶段来实现，分别为掌握不同形状物体的重心、掌握不同材料与形状物体的重心、掌握生活中不同重量与材料物体的重心。应用进步与成就感核心驱动力将游戏主线分为三个大关卡，为目标用户以梯度形式增加难度来提升儿童对未知挑战的乐趣，增加游戏吸引力并增强体验。
（2）《重力积木》的学习中期。将重力积木的游戏玩法与规则设定为根据要求将积木搭建在预定目标上，在规定时间内搭建目标没有倒下就算胜利。游戏的操作模式采取触屏点击的模式，操控积木到预定地点，完成指定任务。依据目标型学习者的竞争性需求，重力积木的游戏模式分为单人模式和组队比赛模式。游戏设计中，除了通过分享与交流的方式提升用户间的情绪共鸣，还提出了设置关卡奖励、解锁成就与解锁里程碑机制，提高用户的竞争性，良性地引导用户日常重复学习。
（3）《重力积木》的学习后期。为了留存更多的忠诚用户，从儿童的行为反馈中可延长产品的使用周期，在儿童学习的过程中添加彩蛋、鼓励、组队比赛功能，儿童若是长时间未进入游戏，则通过提醒或是其他用户的分享刺激用户再次进行学习来保障用户的忠诚度。3．人机交互层：用户体验是这一层的设计重点。因而，在符合学龄前儿童特征的基础上，从界面设计、游戏元素设计和系统交互设计3个层次指导设计。
（1）基于学龄前儿童特征的界面设计规范。为了能为儿童设计出在用户体验、交互体验可以满足学龄前儿童视觉体验的产品，在了解了承载软件的硬件产品规格后，依据移动端设计规范，从界面布局、文字规范和颜规范3个方面对科普游戏App进行规范化设计，为界面视觉元素设计提供基础。
（2）基于学龄前儿童特征的游戏元素设计。游戏角形象方面
表2 儿童不同年龄阶段手势掌握程度
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图5 八角行为分析图
参考“海绵宝宝”，选择儿童喜欢的动漫角可以更好地拉近关系，根据科普目标要求，将角定义为不同形状、材质以及生活相关物品的区别，角的外在形态设计上不断变化，避免儿童玩游戏过程中的审美疲劳。如图6。游戏界面设计方面直观明了，帮助儿童在操作中快速获得重要信息，按钮设计相较于成年人的要更大，此外，为了给予儿童更多的容错率，模态弹窗的设计保留了取消与返回操作。利用栅格化系统设计使界面内容更具可读性，帮助儿童快速识别页面中的不同元素。游戏场景设计方面主要由场景颜与场景物件两部分所决定，如图6。第一大关的颜整体倾向蓝绿，表现清新的自然气息，在物件摆放上放置家中常用沙发、相框以及门等，营造家里的氛围感。第二大关的颜整体倾向蓝，整洁清爽，应用较多的厨具物件来营造厨房的氛围感。第三大关整体颜倾向紫，代表深邃、看不透与展望，衬托星际的主题，物件选取流星、星云以及卫星元素营造氛围。（3）基于学龄前儿童特征的系统交互设计。游戏中儿童能与之进行互动的主要方式依赖于手势交互，儿童通过指尖与App的界面互动同时协调视觉、听觉、触觉三者的感官映射，令其产生真实感，由于其生理特征限制了其交互形式，故而采用常规动作如点击、连点与拖拽这种比较自然的交互形式，这些本就来源于儿童日常生活的简单操作使得儿童并不需要理解与学习便可执行，保证了儿童的可操控性。总结随着未来科普类教育产品的市场竞争日趋激烈，对于学龄前儿童来说，传统枯燥乏味的科普形式产品也将逐步失去市场，届时科普App的游戏化也将成为产品制胜的关键因素，如何设计满足用户体验的科普产品也变得十分重要。由于学龄前儿童科普类产品的特殊性，作为设计师需要在遵循学龄前儿童的特征的基础上细致了解儿童动机与需求。利用好游戏化的形式，考虑其核心驱动力，并针对不同类型的学习者，进行科普游戏App的设
计，使得学龄前儿童既能体验游戏的快乐，同时又学习到了知识，开发了智力，最终达到寓教于乐的目的。

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