摘要

随着智能玩具的发展和普及，其潜在的教育功能开始引起教育工作者的关注。为了解智能玩具在教育中的应用潜力和研究现状，从文献分析入手，介绍了智能玩具的发展历史、定义及特点；分析了智能玩具在教育中的应用对象及类型，并借助三个具体案例对智能玩具的教育应用加以剖析；进一步探讨了智能玩具在教育中的创新性用法，以及智能玩具和创客教育的关系，分析了其对创客教育的支持和影响。最后讨论了目前智能玩具应用于教育的机遇、问题和挑战。研究表明，智能玩具为教育创新提供了新资源、新工具、新模式，激发了学习者的学习动机、想象力和创造力。其在教育领域中的应用，带来了教学模式的进一步变革。

一、引言

2015年2月15日，美国玩具行业协会(Toy Industry Associate)在第112届北美国际玩具展上展示了2015年玩具和游戏的发展趋势，包括开放的游戏时间、智能游戏和尖端高科技等七项[1]。放眼玩具市场，各种高科技玩具琳琅满目，其中“智能玩具”更是受到了大多数玩家的青睐。这类玩具由物理实体和微电脑组件组成，通过用户与智能玩具之间的双向交互，可完成预先设定的具有认知、技能与情感目标的任务。

目前，国际上已有较多的智能玩具项目，并且取得了较大的市场影响力。但较少有人从技术与教学整合的视角来研究智能玩具，智能玩具在教育中应用的基础理论及教育规律也未有学者对其进行系统地梳理。本文主要通过对文献的梳理和典型的案例研究来阐述智能玩具的发展过程，讨论其应用在教育中的理论基础、教学模式以及创新潜力，力求对智能玩具的教育应用有个整体的把握，激发广大教育研究者对智能玩具教育应用的深入探讨。

二、智能玩具的发展、定义和主要特征

(一)发展过程

20世纪末，万代公司的电子鸡和索尼公司推出的AIBO机器狗在全世界掀起了对智能玩具的热潮[2]。美国的美泰和孩之宝公司、日本的万代公司和丹麦乐高公司等都是较早开始研发智能玩具的世界级玩具生产商[3]。2014年，Cartwheel Kids公司收购智能玩具公司Ubooly，并更名为Smart Toy，显示了其希望打造基于智能的互动玩具的愿景[4]。智能玩具成为玩具中的新品种走进了人们的生活，成为幼儿、儿童、青少年乃至成人的娱乐工具。2015年元旦期间，智能玩具成为了节日新宠，很多家长显示了为孩子购买这种高科技玩具的意愿[5]。

经过十多年的发展，市场上的智能玩具类型多样、品种丰富。主流的智能玩具可以通过触摸、语音、图像等与用户进行交互，甚至可以与用户的智能手机、平板、笔记本等连接，进一步扩展其功能。智能玩具与人的双向互动能力不断加强，益智类、健康类、教育类智能玩具不断推陈出新，扩展了应用领域。智能玩具开始从传统的、以娱乐为主的功能目标中脱离出来，有人将它应用在教育实践中，并出现专门为教育设计的智能玩具。

(二)定义辨析

智能玩具的英文术语为“Smart Toy”。虽然经历了十多年的发展，但是学术界还未对此形成明确的定义。国外研究者对智能玩具的概念的界定如下：

Shwe认为，智能玩具是传统玩具和计算机或电子芯片的集合。广义的智能玩具是拥有计算能力的玩具，包括与计算机相连的玩具以及独立拥有传感器和微电脑芯片的玩具[6]，它和其他类似产品如电子游戏、电子玩具和儿童软件等具有显著差异。

通过对智能玩具在儿童学习方面的研究，Cagiltay等人将智能玩具定义为：由物理实体和电子组件构成一种新的玩具形式，儿童与智能玩具之间可以通过双向交互完成预先设定的任务[7]，这些任务和具体的教学目标有关。该定义更加强调智能玩具的交互性和预设任务的特点。同时，该项研究还根据玩具的互动方式将智能玩具分为与计算机相连和独立的玩具两类；同时根据智能玩具所提供的任务类型，又将其分为行为任务的玩具和认知任务的玩具两类。

Kara等人认为，智能玩具是具有数字化特性的新式玩具。它将数字媒体和传统玩具整合，通过多媒体使用和人机交互提供了一个丰富的游戏环境[8]。智能玩具可以为儿童提供多种选择，如，支持合作游戏、积极反应和想象力游戏。

以上是国外研究者对智能玩具的描述，国内学者尚未对“智能玩具“的定义作出深入讨论。在本文中，我们将智能玩具定义为由物理实体和智能技术组成一种新型玩具，可以对用户的操作做出智能化的反馈，通过与用户的双向交互，完成预设的任务；部分智能玩具还具备可扩展、可组合的能力。智能玩具可用于提高用户的想象力、创造力和认知技能等。

(三)主要特征

1.兼具物理实体和智能芯片组件

传统玩具有物理实体，但是缺少智能化的技术元素，游戏形式单一。而基于屏幕的虚拟玩具，虽然有动感、丰富的场景、多样的游戏方式，但它是虚拟的、无法具有和实体交互的感受。智能玩具既有形实体，同时还嵌入了高技术的智能芯片组件，将多种创新科技元素融入传统玩具中，丰富了传统玩具的游戏方式，提供更完美的感官。总结三种玩具的主要特征和差异，如表1所示。

2.具有多种感知能力，可提供丰富的交互方式

可双向交互是智能玩具最重要的特征之一。传统玩具的人机交互是简单、单向的。一些电子玩具在打开电源后会重复播放乐曲，重复几个简单动作，无法根据外界的反应选择输出的内容和形式，可供选择的游戏方式不多。因而，使用者会很快失去兴趣。智能玩具和用户的交互是复杂、丰富的，针对不同的输入可以作出不同的反馈。它们仿佛是拥有触、听、视等多种感官的生命体，可以对环境刺激做出智能反馈。例如，美国孩之宝公司开发的“菲比精灵”玩具，在其可爱的毛绒外表下暗藏了五个触摸感应器，挠它的头顶、后背、肚子、或者尾巴它作出相应的动作，液晶显示屏制作的眼睛还可以表达各种感情；同时，它还具有简单的自然语言处理、语义分析能力和理解、知识构建和自学习能力，可以与玩家直接通过语言交互[9]。

3.具有基本的“智能”，提供开放的游戏方式

智能玩具由于普遍搭载了微电脑芯片，具备一定的智能。它们能够根据用户和玩具互动的多重输入进行计算，并且可以通过声音、动作、显示屏等输出设备做出丰富多样的反馈。在游戏或学习中，智能玩具以用户为中心，活动过程由用户自己决定。玩具可以对下一步的操作提出建议，但不控制游戏的方式，而只是作为工具或环境，为游戏提供支持。例如，麻省理工学院媒体实验室(Media Lab)开发了一款名为“curlybot”的玩具，儿童可以随意的控制玩具的移动方式，创造新的玩法和模式[10]。

4.可预设游戏任务，可和外部场景相结合

传统的电子玩具中，用户做出输入(如，按下某个按钮)后，玩具会对此做出一个简单的反应，但是不会对用户进一步的操作提出要求，以进一步互动。实际上，电子玩具只是利用技术特征增强传统玩具的吸引力，而未赋予玩具“智能”。智能玩具则可预设游戏任务，游戏的过程就是在完成预设任务的过程。例如，Sifteo Cubes电子积木让孩子将不同的电子组块进行连接，产生不同的文字和图片组合[11]。最终的组合结果就是该玩具预先设定的任务，在一个任务完成后，还紧接着会呈现下一个任务。

三、智能玩具的适用对象和应用类型

(一)适用对象

1.幼儿

幼儿的认知处于感觉运算阶段，语言和表象还未完全形成，主要通过简单的动作和感知觉来认识外部世界。幼儿使用的智能玩具具有可爱、柔软的外表和简单的操作方式，通过幼儿与玩具的接触，来帮助他们认识世界，培养动作技能。比如，费雪公司的“学习厨房”是一种可以帮助幼儿练习简单的行为动作的智能玩具，强化幼儿打开和关闭冰箱门，按动灯的开关按钮等动作技能。

2.儿童

儿童处于认知大发展阶段，开始在大脑中对事物进行表征并用语言来表达想法。单纯的操作类玩具已经不能吸引儿童的注意力，他们需要更多的认知挑战。想象力、创造力的培养和社会化游戏被强调和重视。故事讲述型和简单数理逻辑型的智能玩具比较适合这一阶段的儿童。例如，Story Toy这款玩具可以为儿童提供讲述故事的活动空间，儿童可以操纵毛绒玩具通过想象来创造自己的故事，并通过语言表达出来[12]。

3.青少年

青少年的认知基本成熟，可以根据假设和归纳进行合理逻辑推理。他们更喜欢基于计算机的玩具，而不是毛绒玩具。具备高级认知目标的智能玩具非常适合这一阶段的孩子。SmartLab Toys公司的“Demolition Lab“玩具可以让游戏者建造不同的建筑，然后设计和放置爆破点，在不影响周边“居民“的情况下将其拆除[13]。该玩具可以培养孩子的空间智能，同时学习能量、动量和重力等力学概念。

4.成人

由于年龄、心理、生理、环境等方面的差异，适合成人的智能玩具具有创新性、高科技和高挑战的特征。例如，Meccanoid G15 KS机器人就是一款适合成人的智能玩具，用户可以根据喜好自行拼装成人形或者恐龙形状；只要按下机器人胸口的按钮，说出短语并操作机器人做出一系列动作，那么机器人就能记录并再现刚刚的短语和动作[14]。如果给它安装一台智能手机，机器人还可以透过手机的摄像头捕捉使用者的动作，并进行模仿。

(二)教育应用类型

智能玩具为教育技术的发展开辟了一个新的领域，国内外的智能玩具厂商和研究者都在研究、探索智能玩具在教育中的应用。比较典型的有麻省理工学院媒体实验室与乐高联合开发的乐高机器人，被应用于计算机程序语言教学和STEM教育中[15]。Lampe和Hinske设计开发了一个中世纪城堡模型(The Augmented Knight's Castle)，通过背景音乐、音响效果和不同形式的触觉、视觉反馈来为儿童的故事讲述活动提供增强环境。在讲故事的过程中，学习者可以了解历史，培养想象力、创造力和语言表达能力[16]。麦格弗公司的遥控机车模型可以让游戏者认识重力、磁力等物理现象，在游戏中建立起立体、空间的概念，培养组合、分类、排序等数学思维，并在一些中小学和早教机构中作为教具使用[17-18]。

Cagiltay等人按照任务类型，将智能玩具分为具有认知任务和动作技能任务两种[19]。智能玩具不仅可以培养用户的认知和技能，而且对学习者情感、态度和价值观的养成也可以起到重要作用。笔者将智能玩具的教育应用分为认知、动作技能和态度情感三大类，具体如表2所示。

在教学实践中，一种智能玩具可能包含多种教育意义。如，乐高机器人既可作为认知类的智能玩具，帮助学生学习程序设计的相关知识；也可作为动作技能类的玩具，帮助学生将知识应用到实践中，培养动手操作的能力；还可以作为态度情感类的玩具，激发学生对编程知识的兴趣和参与热情。智能玩具在教育中的发展潜力是巨大的，我们应该探寻和推动智能玩具与教学、学习的深度融合，在教学中发挥其最大效益。

四、智能玩具教育应用的典型案例

(一)StoryTech项目

StoryTech(后文简称ST)是一种叙事(故事讲述)型的智能玩具。它由毛绒玩具和背景卡片，RFID阅读器，以及嵌入式计算机三部分组成[20]。其结构如图1所示。故事讲述让儿童在角色扮演的过程中，了解社会中不同角色的意义，增强社会规则意识，同时培养儿童的想象力、创造力和语言表达能力。叙事活动在儿童认知发展过程中可以起到积极的促进作用。

ST有使用两种模式：模式一是由计算机讲述故事情节，儿童根据故事将正确的玩具实体放到接收面板上。只有放置的实体与故事情节相符时，计算机才会呈现相应的画面，目的是让儿童了解玩具的操作方法，为模式二做准备。在模式二中，儿童随意放置玩具实体，计算机呈现相应的故事背景和角色，鼓励儿童创造和讲述自己的故事。

研究人员对90名学前儿童进行了实证研究，结果表明，sT可以为儿童的叙事活动提供支持，主要体现在以下三个方面：(1)提高儿童叙事的兴趣。从实验的结果可以看到：儿童可以有更多时间讲故事而不是单单操作手中的玩具。在玩具的配合下，儿童更愿意开口说。(2)培养儿童的想象力和创造力。游戏引导儿童将某种物体的假设为其他实体，比如将木块想象成火车，或者将房子想象成“家”、“学校”等。实验表明，使用sT的儿童创造的虚构对象比对照组更多，说明玩具激发了儿童的想象力和创造力。(3)为儿童的学习提供了一种探索式的学习模式。儿童根据教师的引导，选择感兴趣的故事角色开始游戏探索，在游戏过程中当遇到问题时向教师请教。探索式学习的外显结果是儿童创造的故事，而更重要的是想象力和创造力的提升。

ST为儿童的叙事游戏提供了一个混合现实环境。它可以刺激认知过程，提供丰富多样的活动场景和活动内容，提高了叙事活动的教育质量。和其他玩具相比，它的优势在于：不仅能够营造智能交互的学习环境，背景卡片和毛绒玩具可以根据需要扩展，从而满足不同认知阶段儿童的需求。

(二)中国成语学习系统

台湾研究者通过将sifteo cubes电子积木(后文简称sc)与情境化学习方法整合，设计和开发了一套游戏化学习系统一一中国成语学习系统[21]。结合该智能玩具，研究者设计了一种新的学习策略，为小学语文的成语教学开发一种创新教学模式，并通过实验证明了这种学习技术的有效性。其系统结构如图2所示。

该系统设有“练习“和“测试”两种模式。学生通过电脑登录到系统中，选择游戏学习模式，触发sc上呈现的成语游戏内容。每块积木显示一个汉字，学生需要从的六块积木中选择四块，并按正确次序排列成成语。如果选择的积木不正确，或是排列的顺序不当则不能完成任务。在成语学习中，学生使用sc的实验均取得了较好的效果。研究表明，学生愿意使用这种方式学习，并且认可这种方式对成语学习有帮助。sc在成语学习中发挥了很大的作用，主要体现在以下两个方面：(1)创设游戏化学习环境，营造轻松学习氛围。sc积木和游戏化学习理念整合，为成语学习创设了一种简单、有趣的互动学习情境，提高学生对成语学习的积极性。(2)为学生的成语学习提供试误学习、诊断和反馈。智能玩具可以让学生从错误中学习，并对学习成果做出诊断评估，可以起到检验、巩固知识的作用。教师查看个人游戏的情况，也可以及时了解学习者的情况。通过这种游戏化的学习方式，可以将教学评估和反馈活动融入到游戏中，以用户不反感的自然形式出现。

(三)乐高机器人

乐高机器人是由著名玩具厂商乐高公司和美国麻省理工学院媒体实验室合作完成的一个项目。玩家可以使用机器人组件自由组装各种机器人模型，并通过可视化程序编辑工具，对机器人模型编程，让其按照一定的指令行动。乐高机器人一经推出，在全球教育领域都激起了重大影响。作为一种教育玩具，它已经被系统地应用于儿童和青少年的编程学习以及创新思维教育，这种将游戏和玩具融入教学过程中受到了学生和教师的欢迎[22]。

基于乐高机器人玩具，亚里士多德大学计算机学院的研究者设计了一种教学模式，将乐高机器人作为学习工具，通过游戏化的方式帮助学生理解程序设计的基础概念[23]。整个活动以两个团队比赛的形式开展，通过六节课的培训，要求学生根据预设要求完成最终挑战。整个学习活动的流程如图3所示。

这种基于乐高机器人进行团队合作与竞争的游戏化学习，为学习程序语言入门知识提供了一种新颖、愉快和有效的教学方法，主要体现在以下三个方面：(1)使抽象的概念具体化，易于学生进行认知加工。让学生直观地建立了算法设计和机器人动作之间的关系，将抽象的代码具体化为机器人的一系列行为，帮助学生真正理解程序设计的意义，掌握相关的编程语句。(2)培养学生动手操作的能力，激发学生的学习热情。通过对乐高机器人建模和编程，让学生将理论知识应用到实践中，培养学生的动手操作能力。在学习过程中，学习者不会把这种机器人当做是枯燥的学习内容，而是将其做为一种有趣的玩具。很多学生认为这种编程语言的学习非常的有趣。(3)为青少年提供一种合作竞争式的学习环境。培训活动中，通过对学生分组，以及组内任务分工、问题讨论的方式进行学习。在比赛过程中，又通过小组合作完成挑战任务。比赛结束后，采取自评、互评和教师点评的方式总结学习结果。这种团队合作和竞争的教学方法有助于学生克服困难，并为他们发展人际交流的能力提供机会。

五、智能玩具对教育创新的支持

智能玩具凭借其鲜明的特色和技术优势，正逐渐在游戏化教学、情境认知、知识创新等领域彰显优势。这项技术在教育中的应用探索，为教育技术的生态系统添加了新技术手段和教学模式。目前，智能玩具在教育、教学活动中的创新应用主要体现在以下几方面：

(一)是一类交互丰富、具有一定智能的教学资源

智能玩具集合光、电、声、新材料于一体，同时也是计算机技术、互联网技术、传感技术、虚拟现实技术等高度整合的高科技产物。用户使用智能玩具的同时，可以自然而然地了解和掌握这些高科技元素。并且，智能玩具的角色、任务设计也包含了一定的知识、文化和艺术成分，可作为教学目标和教学任务。智能玩具由于具备了丰富的交互方式，而且配备的微电脑芯片，能对外界刺激作出智能化的反馈，使得其能够成为一种优质的教学资源。

(二)是一类界面友好，可扩展性强的认知工具

智能玩具还是一种有效的认知工具。它改变了知识的呈现方式，整合游戏化学习的理念，使得学习资源的呈现更加逼真生动；同时又减轻了认知负荷，为学习者的知识建构提供了脚手架，更为激发创造力的学习活动提供了互动环境。例如，麻省理工学院媒体实验室设计的StoryMat游戏垫可以记录和回放儿童在垫子上的活动，为儿童的故事讲述活动提供了虚实结合的互动环境，给儿童以沉浸感，激发儿童的想象力和创造力[24]。

(三)对情感和动机有明显的促进作用

在学习动机中，内部动机比外部动机更有效，且持续时间更长。而玩具是激发内部动机的有效手段。Malone和Lepper通过实验，总结出激发和维持学习者学习动机的因素有四个：挑战(Challenge)、好奇心(Curiosity)、控制(Control)、幻想(Fantasy)[25]。智能玩具具备全部以上四个要素。首先，得益于预先设定的任务，智能玩具为学习者的挑战和动机激发提供了可能；其次，开放的游戏方式可以激发学习者的好奇心；再次，允许学生自己控制游戏过程和游戏方式，提高满足感；最后，智能玩具有助于创造想象空间，为学习者参与幻想游戏构建环境。

(四)能够革新教学模式，创设愉快的学习体验

信息技术的发展推动了教学模式的变革。在传统的教学模式中，教师是教学的主体，学生被动地接受知识。而在信息技术化教学模式下，学生成为教学活动的主体，教师是教学活动的引导者、管理者和组织者。但是，即便使用了多媒体，并不能充分调动学生学习的积极性和主动性。而智能玩具则在这个方面具有优势，能够支持游戏化学习、“做中学”等多种教学模式，基于创造的学习等相关理论，将抽象问题具体化，让学习更加轻松愉快。

六、智能玩具与创客教育

创客教育是最近国内教育领域内的热点之一，它是一种融合信息技术，秉承“开放创新探究体验“教育理念，以“创造中学”为主要学习方式和以培养各类创新型人才为目的的新型教育模式[26]。

(一)构建探究活动空间，培养创新思维和创新精神

智能玩具以用户为中心，可以培养玩家的创新能力。首先，智能玩具凭借开放的游戏方式，让玩家在探究性的游戏活动中，增强创新意识、创新思维和创新能力。其次，在游戏化学习过程中，玩家可以建立起对科学、技术、工程、艺术、数学学科的兴趣、创造力和自信。有研究指出，利用乐高机器人来开展实践学习，不仅有利于学生理解科学、工程学和技术等领域的抽象概念，更有利于培养学生的创新能力、综合设计能力和动手实践能力[27]。再次，技术不断革新，基于新技术的智能玩具产品层出不穷，有利于激发学生使用新技术的热情，在创新的智能玩具产品中获得创意和启示。

(二)提供创造力工具，强化创客空间

在创客空间当中，参与者在一起协作，利用空间里的科技和硬件实现他们的创意[28]；同时，也可以利用创客空间，进行创客教育。创客教育关注的更多是创意的激发而非知识的复制，所以，创客教育的实施必须要有创客工具的支持[29]。当前，用于支持创客空间的工具和技术很多，如，Arduino开源硬件、机器人技术、3D打印机、可穿戴设备和“智能”材料等，这些

新的工具和技术可以帮助学生充分地展开探索，将创意变为产品。智能玩具作为一种提供“做中学“、快乐学习和基于创造的学习等理念的认知工具，符合创客运动所倡导的“动手操作、实践体验“理念，可以作为创客空间的加工制作工具和创新教育资源，与已有的创客工具一起构建创客教育的支持生态。

(三)作为创新的内容和目标，培养创客人才

目前，国内智能玩具产业整体滞后于国外，当国外玩具业在寻求技术创新的时候，国内同行仍停留在传统的布偶娃娃、汽车模型等低技术含量的玩具开发。因此，国内玩具制造业急需要技术的创新，研发智能玩具。创客教育为智能玩具的“中国制造“转变为“中国创造”奠定坚实的基础。一方面，创客教育可以为智能玩具以及其他新技术的直接应用领域创新培养人才，通过创新人才推动智能玩具创新；另一方面，智能玩具可能成为创客空间中创客们的创新产物。例如，DFRobot公司的CEO叶琛和同事们成立上海第二家创客空间——蘑菇云，开发了一款为Arduino定制的图形化编程Mind+，让更小的孩子(如，幼儿园的孩子)，在完全不懂代码编程的情况下，都能制作出有趣的互动电子玩具来[30]。

七、机遇和挑战

智能玩具驱动了教育应用创新，为教与学提供了新的资源和认知工具。同时，它促进了教学模式的进一步变革，有助于激发学习者的学习动机。智能玩具与教育的融合，使得游戏化学习、情境化学习、非正式学习的更加容易开展，解决了教育中学习内容表现形式抽象、学习者学习兴趣低的问题，真正实现寓教于乐。

目前，智能玩具在教育中的应用尚处于探索阶段。乐高公司、费雪公司和麻省理工实验室等玩具公司和研究机构设计和开发了多款可应用到教学中的或是专门用于教学的智能玩具，并造成了一定的市场影响。

但这些智能玩具在正式的课堂教学中还未充分发挥优势，其在教育中普及和推广还有很多局限，主要表现在：(1)智能玩具的软硬件设备成本高、价格昂贵，配备智能玩具需要学校和家庭具有一定的经济基础。(2)玩具作为娱乐工具在人们的思维中根深蒂固，家长和教师对其教育性可能会存在一些顾虑。譬如，智能玩具是否会让孩子过于依赖这种游戏、是否会减少孩子的社会化活动等。(3)智能玩具对原有的课程设计提出了挑战，原有学科课程很少涉及动手操作和多学科内容的整合。这对教师的教学设计和创新意识能力提出了较高的要求。(4)教育智能玩具的设计和开发需要厂商不仅有技术基础，还要有专门的教学设计人员配合，因此专用的教育智能玩具较少。目前，智能玩具大多应用在非正式学习和创造力培养的学习活动中，很难应用在常规课程教学中。

未来的智能玩具的研究应该更加关注教育教学理论和智能玩具的深度融合，推动产学研一体化，实现资源共享和优势互补。通过提供符合教育需求的新资源、新工具、新方法和优质服务将智能玩具的设计和开发和教学活动、教育技术生态环境深度整合，在教育领域发挥更大的潜力，为教育注入新的生机和活力。