互動玩具系統開發與互動行為探討 - 孟憲奇; Meng, Shian Chi (2017)
碩士 國立政治大學 數位內容碩士學位學程 103462012 本研究設計了一個結合遊戲性及新型互動體驗的英語學習輔助玩具，目的是將英語學習帶入學齡前兒童的戲水情境之中，兒童可透過與玩具遊戲的過程，達到英語學習歷程的催化。本研究開發之數位互動玩具，可藉由手與尾巴做出不同組合的動作，以及眼睛可以投射出燈光圖案表達不同情緒。並透過語音播放出故事中的單字與句子，再藉由以上的功能會組成不同的回饋。小朋友能用摸與說話的方式，在與玩具之間的遊戲過程中，達到產生興趣的效果。 現階段本研究探討使用者經驗的分析，若要分析小朋友的正式學習歷程，就必須先了解小朋友的動機和使用後的回饋，以讓未來學習歷程中的研究作為基礎。因此，基於認知心理學家的理論討論幼兒學習的歷程，以及為了得知如何設計適合的玩具給小朋友，本研究提出設計時的原則以及使用者經驗與使用性，建構出互動玩具的雛形。實驗評估對象共為8位3~5歲之兒童(第一階段7位，第二階段1位)，以觀察的方式紀錄實驗過程，利用開放式問題詢問小朋友的回饋，並以進行整理與分析。總結，研究成果為： 1. 互動學習體驗：將科技結合一般戲水玩具，透過觸摸及語音的互動方式產生動作、燈光圖案、聲音等回饋，從戲水互動過程中給予兒童新的互動學習體驗。 2. 學習與探索的動機：本研究依據Skinner的操作制約概念制定互動流程，玩具經實驗發現透過觸摸及口說的互動，產生了多元回饋刺激，包含故事內容及卡牌的配合，讓小朋友在遊戲過程中能自行探索內容並在過程中學習。 3. 使用者經驗與使用性分析：從使用性五項指標分析情緒起伏歷程紀錄及分析使用者經驗，發現玩具容易讓小朋友操作且記憶玩具提供之內容，整體使用性是高的。但相較於觸摸的互動方式，說話的互動方式會讓小朋友在操作上使用性較低。 互動玩具的設計製作：以UCD的設計思維建構互動玩具外型設計、人機互動方式及內容設計，並再以Arduino為主要載體建構模組化之設計。 This study designed an English learning toy that combined the game and a new interactive experience. This aim is to integrate English learning into the context of preschoolers playing in water and use the interaction with the toy to promote the English learning process. In this study, the digital interactive toy we made that can make different combinations of action by using its hands and tail, project out the lighting patterns to express various emotions by its eyes, and play out the words and sentences of the story by the voice player. According to the above functions, the toy forms different ways of feedback. It is effective that children can develop an interest in the toy by the ways of touching and saying in the process of game playing. At present, this study explored the analysis of user experience, if we want to analysis the children's formal learning process, we must first understand the child's motivation and feedback after use, so that it can be a foundation of the learning process in the future. Thus, the study is based on the theory of cognitive psychologists that discussed the course of early childhood learning. In order to know how to design a suitable toy for preschoolers, this study built the prototype of the interactive toy through presenting the design principles and user experience and usability. The subjects were 8 preschoolers (3-5 years of age) enrolled in the study (7 subjects in the first stage and 1 subject in the third stage). Researcher recorded the experimental procedure by the way of observing, inquired the research subjects to get their feedback by opened questions, and then digested and analyzed to the conclusion. Summary, the results of this research are in the following: (1) Interactive learning experience: The combination of technology and the general water-playing toys. The digital interactive toy let preschoolers get a new interactive learning experience through the way of touching and speaking to emerge action, light patterns, sound and other feedback. (2) Learning motivation and exploration: Based on Skinner's operational control concept, the research has found that the toy stimulates a variety of feedback through touching and speaking of the interaction, including the story content and cards. The preschoolers in the course of the game can explore the content by themselves and learning during the process. (3) User experience and usability analysis: According to the use of five indicators to analyze the course of emotional change and user experience, the research has found that the toys easily to be operated by children and made them keep memory of the contents the toy provided. The overall use is high, however, compared to the interactive way of touching, the way of speaking is lower in the children’s operation. (4) Interactive toy design: The toy is based on UCD design thinking to construct interactive toy exterior design, human-computer interaction and content design. The main carrier is Arduino to build out the modular design. 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2研究動機 2 1.3研究目的 3 1.4研究問題 4 1.5研究架構 4 第二章 文獻探討 6 2.1 互動設計與使用者經驗 7 2.1.1 互動設計 9 2.1.2 人機互動 14 2.1.3 使用者經驗與使用性 20 2.2 玩具理論基礎 23 2.2.1 玩具的分類與內容 24 2.2.2 創新擴散理論 26 2.3 遊戲與學習 29 2.3.1 遊戲與探索行為 30 2.4 幼兒語言學習理論 32 2.4.1 行為學習理論 32 2.4.2 幼兒語言發展理論 33 2.5 相關產品與研究探討 36 2.5.1 傳統英語學習輔助玩具 37 2.5.2 互動科技結合英語學習輔助玩具 39 2.5.3 玩具相關產品與研究探討 42 2.6 小節 48 第三章 研究方法與實作設計 50 3.1 設計方法與原型設計 51 3.1.1 原型概念設計 51 3.1.2 原型發展歷程 51 3.1.3 改良方向 57 3.2 實作建置與設計流程 59 3.3 架構設計 62 3.3.1 架構設計 62 3.3.2 硬體架構 68 3.3.3 軟體架構 78 3.4 開發流程與測試 82 3.4.1 硬體測試 82 3.4.2 軟硬體整合測試 90 3.5 內容設計 91 3.5.1 眼睛 92 3.5.2 手部 93 3.5.3 尾巴 94 3.5.4 聲音 96 3.5.5 故事 98 3.5.6 卡牌 103 3.6 外型設計與機構整合 104 3.6.1 外型設計概念 104 3.6.2 外型設計初稿 106 3.6.3 3D建模與開發工具 108 3.6.4 3D列印與微調 112 3.6.5 外殼模型與內部機構組裝 116 3.6.6 操作步驟與方法 119 第四章 實驗評估、分析與討論 120 4.1 系統評估 121 4.2 評估流程與方法 123 4.3 實測評估 129 4.3.1 玩具為主體階段 129 4.3.2 放置水中階段 132 4.3.3 卡牌輔助語音互動階段 135 4.4 分析與討論 139 4.4.1 結果分析 139 4.4.2 實驗改善與研究驗證 145 4.4.3 歷程脈絡與使用性結果分析 146 第五章 結論與未來展望 150 5.1 結論 150 5.2 研究限制 153 5.3 設計建議 154 5.4 研究貢獻 156 5.5 未來展望 156 參考文獻 158 附錄A 165 附錄B 169 附錄C 170 中文個人簡歷 172 英文個人簡歷 177 圖目錄 圖1: 研究架構流程圖 5 圖2: 文獻與理論涵蓋區塊圖 7 圖3: 互動理論與方法連結圖(本研究建立與整理) 8 圖4: HCI情境示意圖(本研究繪製) 15 圖5: UCD(2015)流程圖 18 圖6: 使用者經驗與使用性的模型 22 圖7: 探索歷程至遊戲式學習流程圖 29 圖8: Hutt 針對幼兒玩新奇玩具所表現行為的圖說 31 圖9: 字母認知板玩具 37 圖10: 磁鐵書介紹英語 38 圖11: 字母卡及單字卡 38 圖12: MinTa百變英文積木 38 圖13: Just for fun兒童英語點讀學習套書字卡 40 圖14: 全英兒童電子閱讀小狗SCOUT 40 圖15: Atti機器人 41 圖16: 研究理論關聯圖 50 圖17: 第一階段互動玩具原型 52 圖18: 第一階段原型水中測試 52 圖19: 第二階段互動玩具原型平面設計圖 53 圖20: 第二階段互動玩具外貌 53 圖21: 內部機構圖 54 圖22: 內部機構設置圖 55 圖23: 原形水中測試 56 圖24: 晚上游泳中的模樣 56 圖25: 設計流程架構圖 59 圖26: 互動玩具架構設計圖 62 圖27: 互動情境圖 63 圖28: 無人互動狀態圖 63 圖29: 觸碰互動情境圖 64 圖30: 語音互動情境圖 65 圖31: 互動介面圖 66 圖32: Arduino Nano 68 圖33: Arduino Mini 68 圖34: 非同步圖 69 圖35: 同步圖 69 圖36 硬體電路架構圖 70 圖37: 伺服馬達 71 圖38: OLED 71 圖39: DFplayer 72 圖40: Bluetooth - 06 72 圖41: Touch Sensor 72 圖42: Touch Sensor原理圖 73 圖43: Speaker 73 圖44: PowerBank 74 圖45: 機構元件架構 75 圖46: 機構元件設置圖 76 圖47: 互動玩具機構核心圖 77 圖48: Arduino程式編輯界面 78 圖49: 軟體架構圖 79 圖50: 軟體執行流程圖 81 圖51: 純硬體測試流程 82 圖52: 總測試架構圖 83 圖53: Arduino晶片測試 83 圖54: OLED測試流程 84 圖55: OLED測試 84 圖56: OLED圖案代表的0與1 85 圖57: 兩顆OLED測試 85 圖58: 觸控感應裝置 86 圖59: 觸控感應數據測試 87 圖60: 伺服馬達測試流程 88 圖61: 伺服馬達測試 88 圖62: 尾巴安裝測試 89 圖63: 行動電源輸入測試 89 圖64: I/O共同控制測試 90 圖65: 內容設計階層圖 91 圖66: 眼睛設計種類 92 圖67: 互動玩具眼睛置入圖 92 圖68: 手部角度圖 93 圖69: 手部馬達安裝 93 圖70: 手部安裝完成 94 圖71: 尾巴角度圖 94 圖72: 尾巴內部機構安裝圖 95 圖73: 玩具鯨魚尾巴(經打磨) 95 圖74: 尾巴安裝完成 95 圖75: 聲音對話示意圖 96 圖76: 卡牌(本研究開發) 103 圖77: 【Creative Baby】水上樂園噴水洗澡玩具 104 圖78: 《海底總動員2：朵莉去哪裡？》角色：貝利 105 圖79: Amos & Boris 105 圖80: Baby Beluga 106 圖81: 正面設計 106 圖82: 側面與內部長寬設計 107 圖83: 俯視圖 107 圖84: 預估內部機構體積比 107 圖85: Rhino3 logo 109 圖86: 側視機構圖 109 圖87: 正視機構圖 110 圖88: 俯視機構圖 110 圖89: 內部機構爆炸圖 111 圖90: 建模圖(側視) 111 圖91: 建模圖(俯視) 112 圖92: 完整建模圖 112 圖93: 3D列印畫面 113 圖94: 3D列印機 113 圖95: 3D列印完成圖 113 圖96: 內部清理 114 圖97: 修整殼的接縫 114 圖98: 表面紋路磨均勻 115 圖99: 表面未處理的外殼 115 圖100: 表面處理完畢的外殼 116 圖101: 水滲入後的OLED 117 圖102: 馬達慎入水之後損毀的狀況 117 圖103: 水藉由隙縫中滲入塑膠袋 117 圖104: 入水實測 118 圖105: 玩具小鯨魚完成圖 119 圖106: 操作步驟與方法說明圖 119 圖107: 流程時間軸 123 圖108: 兒童腦部機制與發展步驟(林成之，2004) 126 圖109: 實驗流程與情境流程比較圖 127 圖110: 第一階段流程圖 128 圖111: 第二階段流程圖 128 圖112: 受測者A (女) 情緒起伏曲線 141 圖113: 受測者B (男) 情緒起伏曲線 141 圖114: 受測者C (女) 情緒起伏曲線 142 圖115: 受測者D (女) 情緒起伏曲線 142 圖116: 受測者E (男) 情緒起伏曲線 142 圖117: 受測者F (女) 情緒起伏曲線 142 圖118: 受測者G (男) 情緒起伏曲線 143 圖119: 全部女生受測者情緒平均起伏曲線 143 圖120: 全部男生受測者情緒平均起伏曲線 143 圖121: 男生女生受測者情緒平均起伏曲線比較 144 圖122: 全部受測者情緒起伏曲線 144 圖123: 全部受測者情緒平均起伏曲線 144 圖124: 聲音與卡牌間的測試 146 圖125: 本研究實驗總歷程 147 表目錄 表1: Piaget之幼兒「認知發展階段」與「遊戲分期」表(蔡淑苓，2004) 25 表2: 各遊戲類型介紹表(本研究整理) 26 表3: 各類玩物分類(陳淑敏，2005) 27 表4: 認知發展階段說明表(本研究整理) 37 表5: 傳統兒童英語學習輔助玩具比較表 42 表6: 水中玩具案例 45 表7: 數位互動玩具案例 48 表8: 英文語音單字表 48