基于感觉非典型性探究构建ASD儿童虚拟现实课堂的关键因素

周 琪 陈东帆 梁雷雷

（华东师范大学教育学部教育康复系 上海 200062）

虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)，是由高速计算机系统创建的一种身临其境并可以获得与环境交互体验的虚拟世界技术[1]。20世纪50年代Morton Heileg发明单人使用立体显示设备机器，奠定了VR的基础，1989年正式提出VR的概念，21世纪初VR与儿童教育结合发展，到如今VR技术已经取得了巨大成就，尤其在5G技术取得突破性进展的今天，VR技术运用到ASD儿童教育中有了更有力的技术支撑。本文立足于自闭症谱系障碍（Autistic Spectrum Disorder，ASD）儿童感觉发展的非典型性，探索构建ASD儿童VR沉浸式课堂的关键因素，助力VR技术真正应用于ASD儿童干预实践。

一、ASD儿童感觉非典型性

ASD儿童感觉非典型性在Kanner[2]的初始研究报告中就已经包含相关描述，但直到《精神疾病诊断与统计手册》第五版(The Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，DSM-V)才将ASD儿童感觉加工困难纳入诊断标准。DSMV[3]强调了三种感觉非典型模式，即高反应性、低反应性与不寻常感觉寻求，主要表现为对某些刺激有过大或缺少反应与不充分反应，以及对某些刺激有不同寻常的偏好。在ASD儿童感觉非典型性发生率上，一份涉及228名2-10岁ASD儿童的研究报告指出ASD儿童感觉功能障碍的患病率在69—95%之间[4]。在国内，鲁明辉[5]对262名ASD儿童主要照顾者进行问卷调查发现ASD儿童总体感觉异常的发生率为74.05%，以上数据表明ASD儿童感觉非典型性是常见的，但并非普遍存在。在严重程度上，Mayer[6]的研究结果表明自闭症特征水平较高与感觉功能的非典型性水平呈正相关，Kern[7]等人的研究表明ASD儿童感觉非典型性可能会影响整个生命周期，且涉及多种形式，可能同时存在高敏感性与低敏感性、感知寻求和防御性反应。感觉贯穿ASD儿童学习与生活的全方面，因此在对ASD儿童进行干预时，感觉非典型性必须作为首要条件进行考虑。

二、VR技术应用于ASD儿童训练的现状

在诸多实验研究中，VR技术在ASD儿童的运动康复、生活教育、职业教育、认知训练中都有出色表现，Horace[8]通过4面沉浸式虚拟环境（又名半CAVE）设计了六种学习方案，94名自闭症儿童参与为期14周课程，儿童在情感与社交领域都有显著性进步。付存亮[9]通过模拟生活过程中难以复现及重复训练的生活技能训练场景设计并实现了一套基于VR技术的ASD儿童生活技能训练系统，三名实验对象经过系统乘坐公交车技能课程的训练，有效获得乘坐公交车的能力。针对ASD儿童开发的VR技术已经出现，但是半CAVE设计造价昂贵，难以大规模应用，同时多数设计采用的头戴式VR设备对存在感觉非典型的ASD儿童并不友好。在实践过程中，笔者发现当ASD儿童存在触觉超敏时会因为设备沉重、束缚而抗拒使用，同时现有头盔无法避免眩晕感的产生，这对前庭存在非典型性的儿童来说则可能出现痴迷眩晕感觉的行为，也可能完全无法适应。在内容的设计上，儿童常对某些细节如色彩、刺激呈现方式产生抗拒、痴迷或者弱关注进而课堂难以进行。感觉非典型性导致ASD儿童无法适应现有VR设计，因此探究自闭症儿童感觉非典型性，进行针对性研究是实现VR技术应用于ASD儿童教育与康复的必经之路。

三、ASD儿童VR课堂构建

（一）视觉构建。

1.视觉非典型性。视觉搜索方面，有丰富证据表明ASD儿童对细节与微小变化有较强感知，对简单刺激处理存在优势，对局部刺激敏感，视觉注意力的空间广度较小且变化困难，同时在经验的提取上存在困难。Milne[10]通过筛查50名ASD儿童视觉情况，发现ASD儿童视觉异常主要表现为视觉集中困难，视力则无统计学意义差异。有研究者[11]通过嵌入式数字测试、复杂的三联词搜索任务等心理任务证明了ASD儿童的视觉搜索能力并不弱于典型发展儿童。Bertone[12]通过13名高功能ASD儿童论证了ASD儿童视觉空间信息处理取决于给定类型的视觉刺激所需的神经网络的复杂性，简单视觉刺激ASD儿童处理良好，但是复杂视觉刺激对ASD儿童来说则存在困难，这结论通过fMRI研究也获得了大脑层面的支持[13]。在优先处理局部与整体的问题上，研究者[14]们使用Navon型刺激发现ASD个体往往在分散注意力任务中表现出局部优势，改变注意力的空间尺度对于患有ASD的儿童来说是最成问题的，会比典型儿童更关注细节。Ropar[15]通过28名ASD儿童判断倾斜圆圈的形状研究结果表明患有ASD的人受到视觉判断中先验知识的影响较小。

颜色视觉方面，ASD儿童主要表现为特定颜色偏好与厌恶。Ludlow[16]等人指出ASD个体会对特定颜色的表现出强烈的亲和力或反感。Grandgeorge[17]等人通过对29名4-17岁的ASD儿童进行色彩研究，发现ASD儿童与典型儿童相比更喜欢绿色和棕色，而不喜欢黄色，他们推测黄色对ASD儿童来说可能存在感觉过载。Ludlow[18]通过对19名患有ASD儿童进行了彩色覆盖阅读结果显示ASD儿童可能比典型儿童更容易受颜色的影响。曹漱芹[19]研究发现ASD幼儿的颜色偏好顺序与同智龄的智力障碍儿童相同，但颜色偏好程度不同，且发现ASD儿童更偏好冷色调。

社会性关注方面，ASD儿童主要表现为较少关注人而更倾向关注物体，同时面部的注意调节存在非典型性，人脸识别中对眼睛刺激处理困难。Swettenham[20]通过15名ASD儿童与典型发展儿童的比较，发现 ASD儿童更倾向于从物转移到其他物而不是人，且花更少的时间观察人和更多时间观察物体。Klin[21]等发现，在自然社交场景中，眼睛是ASD患者最不显着的刺激因素，嘴巴，身体和物体相对更为突出。

2.视觉显示器。在市面产品中以头戴式显示器为VR显示器研发销售主流，这种显示器能够实现高清3K屏幕，刷新率能达到90 Hz，视场角达到110°，但在实际应用中ASD儿童视、触与前庭的非典型性可能会使他们无法忍受佩戴这样完全密闭、有束缚感的头盔，或者过于沉迷于其中的细节等。同时主流商用头戴式显示器由于画面质量、延时等技术限制现在无法避免佩戴时产生眩晕感，这对前庭觉存在问题的ASD儿童则无法适应或者过度痴迷。对此主要有两方面的应对，一是在使用时间与使用策略上进行设计，通过合理规划使用时间、与其他教学方式进行结合，避免儿童因感觉不适而产生的抗拒。另一方面，随着第五代移动通信技术的推出，传输速率的提升与时延的降低则能够在这个方面实现技术层面的改进，眩晕感等问题则有可能解决。

此外，环屏显示器通过多面屏幕的组合，实现一定程度与外界环境隔绝，同时通过多面屏占据个体视野，结合3D画面实现高沉浸感的VR。该方式可以减轻眩晕、头疼等问题，人体舒适度较好，但沉浸感是逊色于头戴式，视线追踪无法达到头盔式交互的自然。

VR技术在应用于ASD儿童时，寻找一种合适的视觉呈现形式十分关键，如何满足课堂多样化需求同样重要，两种主要的呈现方式，都可以运用到课堂中，但是有各自不同的针对性，头戴式产品能很好满足个人需要，在面对ASD儿童小组时，则需要额外的监控屏幕监控儿童注意力，环评显示器可以实现小组形式得纳入，但是其交互与监控则受限，可通过丰富交互方式的构建实现交互与监控。

3.课程构建。从ASD儿童视觉非典型性来看，ASD儿童在处理简单视觉刺激上无显著障碍，且视觉搜索能力较好，对复杂刺激则存在处理障碍，并且视觉注意力的空间广度较小。这提示在编写课堂材料时应充分发挥其视觉搜索能力，可以将任务以视觉受搜索的形式进行初步呈现，增加儿童成功率。还可考虑将重要复杂视刺激分解，建立难度等级，合理安排复杂视刺激比例，并且控制页面内容的数量与密度，避免无用视觉刺激占用儿童视觉注意。此外，ASD儿童在视觉处理上表现出受先验经验影响较小的特点，说明可能存在先验经验启动困难，结合复杂视刺激，可考虑在呈现复杂视刺激之前通过多种方式帮助儿童进行经验的唤醒。

其次是颜色感觉的非典型性，建议在构建VR环境时采用冷色调的色彩作为主色调，避免高明度、高纯度的色彩大面积使用，同时合理设计虚拟灯光的位置与明亮度。此外，结合ASD儿童对不均匀轮廓与线条的偏好，可将儿童的偏好色彩与线条运动结合，呈现重点材料时有利注意效果，但需避免痴迷。

对社会性关注的非典型，主要体现在对物体的偏好与对眼睛的弱关注，因此在结合课程需求设计虚拟人物形象时，可对眼睛与面部进行适当的放大，同时在展现表情时可适当夸张，以吸引儿童。

（二）听觉构建。

1.听觉非典型性。诸多ASD儿童的父母报告指出ASD儿童对声音的破坏性反应会对日常活动产生负面影响。在ASD儿童听觉异常发生率方面，国内王元青[22]对156例孤独症患儿进行听觉异常行为的调查，结果发现孤独症患儿听觉异常行为的发生率为100%。Gomes[23]等人发现ASD儿童感觉异常中听觉感知障碍最常见，听觉超敏反应的患病率为16—100%。总结ASD儿童对不同类型声音的非典型性反应，发现主要集中在对响亮的、烦人的、畏惧的声音。高晓慧[24]对ASD儿童所敏感声音主要包括对低频声音、高频声音、宽频噪声、突然发生的四种声音类型的超敏。

在听觉信息处理上，某些ASD儿童可能存在听觉处理困难在已经在许多研究报告中得到了证实，尤其是在复杂刺激与言语刺激上。O'Connor[25]研究发现ASD儿童在简单听觉刺激的处理实际上比典型发展的控制组表现出更优越，他们的听觉损伤更适用于复杂刺激。此外ASD儿童的听觉非典型性还表现为对交流性语言声音的反应障碍，更倾向于处理非言语声声音，此现象为“听觉过滤”(Hearing Filtering)。Lane[26]通过对54名ASD儿童进行《the Short Sensory Profile》评估发现听觉过滤功能障碍比例高达92.6%。还有研究表明ASD成人的听觉敏感度通常不如儿童期的听觉敏感性，反映了适应过程[27]。

在听持续性注意方面，ASD儿童表现出明显的异常，这主要体现为ASD儿童对某些特定声音的高反应性与低反应性以及声音刺激的寻求。另一方面孤独症患儿对音乐的敏感主要表现为对音乐的着迷，如长时间(数天或几个月)内反复听同一首歌或同一类音乐等[28]，以及对音高、韵律的记忆[29]。

2.听觉显示器。在三维虚拟声音的实现技术上，硬件主要是三维虚拟声音的搭载手段，课堂设计上可以选择扬声器或者耳机，以扬声器实现VR环境的3维立体声音最成功的案例是CAVE，通过顶部四角的扩音设备实现房间类型的VR空间。扬声设备能够同时面向多人使用，而且不会对耳朵产生力的压迫感。耳机设备与扬声器设备不同，主要面向个体用户，以嵌入在其他设备为主要形式，例如头盔式虚拟显示设备中，也可以实现多声道环绕立体声，实现三维音效的实时跟踪特性、全向三维定位特性。听觉显示器需要配套视觉显示设备，两种方案需要结合实际需要并且兼顾其他感知觉的非典型性需求。

3.课堂构建。从听觉非典型性看，ASD儿童常对特定基频范围、响度表现出非典型性，因此进行声音设计时可纳入滤波设备，实现根据儿童特点进行滤波设置，同时保证音量调节的便捷设计。在进行课程之前，应明确其舒适的听阈，也可将脱敏与提高敏感型的训练纳入课程。基于儿童对复杂刺激的表现结果与听觉过滤问题，我们应当控制复杂听觉刺激比例，对于重点复杂听觉刺激可结合视觉进行呈现，对于语音信息则有重点地突出，可结合儿童感兴趣的声音刺激吸引儿童注意力。基于对音乐的偏好，也可考虑将课程内容与音乐的结合，发挥音乐对情绪与注意力的作用，通过音乐对人的生理与心理的正性（兴奋）、中性（平静）与负性（低落）的影响，提高儿童课堂参与度。

（三）交互构建。

1.触觉、前庭与本体觉非典型性。在DSM-V[3]中，ASD儿童的诊断标准中提出了对触觉非典型性的具体表述，强调了儿童对疼痛/温度的明显冷漠，以及过度触摸物体。回顾以往ASD儿童触觉特性的研究，ASD儿童触觉非典型性可能表现为存在高耐痛性、对热或冷的不敏感、自我侵略性、不喜欢身体接触，包括某些衣物、粗糙表面的吸引力等表现。在触觉异常发生率上，Minshew[30]通过匹配对照组对60名具有高功能ASD的个体进行感觉问卷和基本和神经心理学测试，发现ASD个体感觉敏感性的发生率约为32%，在较高难度的皮质感觉知觉项目中30%的ASD个体出现大量错误。

在触觉识别上，ASD儿童基本触觉测知正常，但常会表现出对具备某些特定特征的材料表现出抗拒或痴迷，Minshew[30]还在测试中发现30%具有高功能ASD个体表现出对较高皮质感觉或复杂感觉处理的测量表现受损，而对基本感觉知觉的测量的表现则正常。O'Riordan[31]通过12名高功能儿童ASD儿童对不同等级砂纸的粗糙度与检测压在儿童皮肤上的合成纤维的能力方面没有弱于典型儿童，再一次证明ASD儿童在简单触觉刺激识别上可能不存在差异。此外，患有ASD的人倾向于将纹理评定为令人愉快的刺激。

在前庭觉与本体觉方面，ASD儿童主要变现为不同程度的感觉统合能力失调。陈可来[32]通过对56名ASD儿童进行《儿童感觉统合能力发展评定量表》（1985年台湾郑信雄编制）评估，发现前庭功能失调占总人数的比例为38.3%，本体感失调的比例为27.7%，触觉失调的比例为34%。Dziuk[33]与Piek[34]等人的研究指出ASD的儿童通常会报告运动障碍以及模仿和目标导向行为的困难。国内学者戴昕[43]指出ASD儿童普遍存在不同程度的感觉统合失调，表现为身体运动协调障碍、平衡功能障碍、结构和空间知觉障碍等多个方面。刘照佩[44]提出在儿童孤独症患者的感觉统合能力发展存在缺陷，对患儿的社交、言语、行为等方面的功能造成严重影响。总结来说可能表现为动作不协调、喜欢转圈乐此不疲以及不能准确判断方向和距离。

2.交互沉浸设备。要实现自然的VR人机交互，输入设备的选择同样重要。现在市面上主流的VR输入设备主要包括三大类，一是依据人体动作进行输入的设备，二是对语音信号的输入；三是通过脑电波进行输入[47]。主流交互设备主要是以依据人体动作输入的三维鼠标、数据手套等，这些设备能较自然地实现信息的输入，符合人体对力触地需要，但是对儿童的精细动作能力要求较高；识别较精确的虚拟跑步机则造价昂贵的同时对儿童的适应提出了较高要求；微软研发的KinectV2体感设备，该包括语音识别、动作捕捉等功能，能提供相对自由的互动空间，可以作为实现运动的自然交互的手段之一。除此以外随着自然语言处理的飞速发展，现在市面上许多中文交互系统已经实现语义预测与跨场景上下文多轮交互，同时能够提供场景定制服务，但是针对自闭症儿童可能存在的构音、语法、韵律等方面的问题导致语音识别困难，自闭症儿童语料库建设仍是空白，但是作为一种自然的交互方式，可通过教师辅助实现语音交互，推动课堂进行。至于通过脑电波进行输入的产品则是造价较高，适应性较差，短时间内难以普及应用。

总体说来，VR人机交互输入设备应用于自闭症儿童课堂中存在较多限制，这种限制在短时间内也很难克服。将多种交互手段进行组合，通过设备之间的互补为自闭症儿童打造一种自然地交互手段是现阶段较为可行的一种方法。

3.课程构建。从触觉非典型性看，ASD儿童对身体接触材料有非典型性需求，因此在使用头戴式VR设备，建议提供多样化材质、佩戴方式选择。当儿童无法接受时应当及时撤除，考虑其他非接触式设备比如裸眼3D、环屏显示等。另一方面交互设备也应当有多样性的选择，如数据手套等有束缚感的设备可能要提供较大的选择空间，建议对产品的尺寸、重量、材质、压力感、传输范围建议设置便捷的调整方式。建议尽量减少束缚式交互方式的束缚感与谨慎选择大面积接触产品。对于手柄式的交互设备，手柄大小、重量、功能键的设置与安排、等可能有不同于现阶段主流的手柄要求，对设备的抗击打性能会有更高要求。

ASD儿童前庭与本体的非典型性之一为身体运动协调障碍，因此对视觉设备的刷新率、时延提出会比现在设备有更高的要求，而对交互设备，如手柄、Kinect等设备的反应时间与精度上也有不同于典型人群的需求，因此这部分提供个性化的自调整可能是很有必要的。其次ASD儿童平衡与空间知觉的障碍，建议在对儿童接入VR教学之前应当提供充分的适应性训练，同时保障儿童的安全，对空间的物品摆放与交互运动进行安全规划。

四、总结

ASD儿童的感觉非典型性产生了不同的感觉需求，直接搬用面向普通人的VR设备与内容并不适用ASD的课堂教学，因此必须在立足于现有VR技术与儿童的特殊需求的基础上进行VR的方案设计。结合技术发展的规律，我们应当以前瞻性思维看待ASD儿童高沉浸感VR课堂，也应丰富理解ASD儿童VR课堂内核与面对蓬勃发展的VR技术。我们期待将来会有越来越多的技术去解决现有的缺憾，构建高沉浸感的ASD儿童VR课堂，实现高质量的VR教育与康复。