四种适用于不同坡度条件的临时性滑梯设计，以促进儿童在游乐场中的社交互动

摘要

早期社会学习通过与精心设计的环境互动而得到增强。本研究在不同城市公园举办了四场活动，利用低成本的临时水滑梯来促进社会学习。本文描述了所使用的原型以及对儿童互动行为的评估。

摘要

城市化进程的加快减少了儿童接触各类自然户外环境的机会。为了弥补早期生活体验中的这一不足，我们设计了四个临时性水滑梯，每个水滑梯均根据城市公园的不同场地条件进行定制。这些水滑梯结构简单，框架采用易于获取的材料制成，例如来自当地森林的竹竿，以及普通管道和接头，并覆盖防水油布。在滑梯底部，使用胶合板、纸板和防水油布建造了一个水池，并将滑梯安装在各公园现有的斜坡或台阶上。在每次持续1至2小时的活动中，水持续沿滑梯表面流下。在每场公园活动中，儿童自发聚集，使用滑梯并进行社交互动。水滑梯试用期间未发生任何严重事故。为了了解儿童使用各水滑梯的情况，我们通过视频记录了滑梯处的活动情况，并对滑梯使用过程中活动水平最高的那一分钟进行定量分析，以确定滑梯周围的人流走向以及使用滑梯时达到的平均速度和最高速度。

引言

城市化进程的加快导致儿童探索自然户外环境的机会减少。特别是由于出生率下降以及核心家庭规模变小，日本儿童正在失去通过亲身体验了解多样化社会结构的机会¹。日本文部科学省报告指出，患有发育障碍及相关社会适应障碍的小学生人数在不断增加，尽管尚未证实其间的因果关系^2,3。此外，经济合作与发展组织（OECD）的一项调查显示，尽管许多家庭不允许儿童在年幼时使用智能手机，但日本初中生使用社交媒体的频率仍高于其他国家的同龄儿童⁴。随着家长对教育日益重视，儿童不再参与高风险的户外活动，而是在成人监督下更多地待在室内⁵。然而，家庭之外的环境虽然充满多样性、未知因素和潜在风险，却往往是儿童学习与成长的最佳教育场所——他们可以在其中自主面对挑战，并通过与朋友合作学会克服困难⁶。

为了鼓励儿童进行户外游戏，我们举办了游戏公园活动，让儿童有机会通过游戏自愿体验自然，并与朋友及其他同伴进行社交互动、共同面对挑战⁷。游戏公园是城市公园中的一个特殊区域，儿童可以在其中体验多种户外活动，例如爬树、利用天然材料搭建游乐设施，以及学习生火和管理火源⁸。在2018至2019年期间，日本山口县宇部市开展了一项合作项目，旨在创建一个游戏公园，我们借此探索了市民如何主动为儿童创造基于自然的体验。我们设定了以下目标：（i）通过鼓励儿童自发聚集，促进其社交互动；（ii）利用天空、土壤、水和树木等自然资源，创造一个充满创造性机会的环境，并使用废旧纸板进行环境清理^9,10。这些活动计划在夏季和秋季于四个城市社区举行。鉴于大多数儿童天生喜欢玩水，我们设计了四条水滑梯，以充分利用当地的自然资源。本报告介绍了山口大学与当地市民合作开展的2019年宇部市合作项目“游戏指导员培训课程”的成果。2019年共完成了三项活动，第四项活动于2021年举行，正值新冠疫情干扰儿童社交互动的时期。游戏公园活动的日期和时间见表1。“时间”指活动持续时长，“最长时间”指每次活动中被定量分析的时间段（即最活跃的1分钟）。本文介绍了所采用的四种设计、其实施过程，以及在观察期间对儿童与水滑梯及彼此之间互动情况的定量评估结果。

方案

本研究方案已获得山口大学非医学类人类参与者研究审查委员会的批准。本方案中使用的所有材料、设备和软件清单见材料表。已公开发布通知，告知儿童及其父母或监护人可自愿参与创建、使用并清理一个旨在激发其创造力的游乐公园，通知内容包括活动的日期、时间和集合地点。

1. 公园景观与资源

1. 对每个公园的地形和资源进行实地调查，并根据各公园可用的具体资源专门设计水滑梯。如果可能，将水滑梯设置在开阔区域，使其从各个方向均可看见，以吸引游客前往游乐场。
   注意： 图1 显示每个公园的谷歌地图航拍图，标出水滑梯（WS）的位置和方向。
2. 根据现有地形设计并建造水上滑梯。
   注：每条水滑道的坡度和长度如图所示 表1.
   1. 为一个平坦的公园制作滑水道（公园1，WS1； 视频 1):
      1. 使用脚手架管和管扣设计塔式结构，以实现坚固但临时性结构的便捷组装图2Ab).
      2. 使用3米长的竹竿搭建水滑梯水池部分的框架（图 2Aa1）。确保滑水道（图 2Aa2角度为25°，长度为1.8 m，底部设有水池。
         注意：黑石公园地势平坦（图2A).
   2. 为一个丘陵公园（公园2，WS2）制作水滑梯； 视频 2），利用自然坡度。
      1. 与步骤1.2.1相同，利用当地资源，用竹竿和胶合板为池体部分构建框架图2B）。确保滑水道的角度为30°，长度为6 m，并在底部设有水池。
         注意：Kotosaki Park 地形多山图1B).
   3. 如果一个公园的中心区域有较小的坡度（公园3，WS3； 视频 3），使用这个小斜坡制作滑水道。
      1. 使用竹竿和脚手架增加自然坡度（图2C）作为建造水滑梯的基础，如步骤1.2.1所述。确保水滑梯最陡处倾角为21°，长度为4 m，并在底部设有水池。
         注意：Kiwanami 公园中心区域有轻微坡度图1C).
   4. 如果条件允许，可利用楼梯制作水滑梯（School 4，WS4； 视频 4).
      1. 用胶合板和方形木条搭建一个结构以覆盖楼梯补充文件 1）用纸板覆盖以形成轨道，防止儿童从滑梯上滑落（图2D，中心示意图）。确保滑水道的角度为27°，长度为6 m。
         注意：神植小学的校园内有一处楼梯图1D).
   5. 考虑游乐场的安全性（补充文件 1).
      1. 为验证结构的安全性，使用有限元方法（FEM）等仿真手段（如 Adobe Fusion 360）计算强度 补充文件 1).
      2. 制作一个原型。让多人试用该原型，以发现任何潜在风险，例如坚硬或突出的部件。一旦发现，应消除这些部件或用软帽覆盖。可考虑保留少量最低限度的风险，以使儿童能够学习如何自行克服这些风险。补充文件 1).
3. 用防水布覆盖斜坡，以打造滑水道和水池区域（补充文件 1).
4. 为水滑梯供水 通过 来自公园供水系统的软管

图1：谷歌地图上的公园景观。（A）公园1（黑石）的WS1。（B）公园2（琴崎）的WS2。（C）公园3（城并）的WS3。（D）小学4（上植）的WS4。比例尺 = 20 m（A-D）。缩写：WS = 水滑梯。请点击此处查看此图的放大版本。

2. 准备材料（参见材料表）

1. 平整并清洁材料表面。
2. 使用冲击起子和锯子，将管道、板材、接头、螺丝和绳索组装成框架结构（补充文件 1）。
3. 将框架的各个角用桩固定于地面。
4. 在台阶处固定纸板垫子。
5. 用防水布覆盖框架，使其贴合形状，并用桩和防水胶带固定（补充文件 1）。
6. 从滑道顶部引水软管放水。
7. 反复检查安全性，并根据需要进行加固。
8. 使用过程中持续监控安全状况，发现问题立即修复。

3. 活性记录与定量分析

1. 使用摄像机记录儿童使用滑梯的过程。
2. 根据儿童的身高估算其使用各条水滑道时的年龄（表2）。
3. 通过定性观察和定量分析评估流线与活动水平之间的关系，如图3所示。
   1. 使用Python将视频数据转换为每秒一张的JPEG图像文件（补充文件2）。
   2. 使用Keynote软件追踪每个儿童相对于水滑道的位置，并手动将位置信息转换至水滑道设计的俯视图中（补充文件2）。
   3. 将一系列目标轨迹的截图转换为MP4文件（补充文件2）。
   4. 对MP4文件使用Python进行目标检测，以确定目标坐标（补充文件2）并计算速度（补充文件2）。
   5. 进行单因素方差分析（one-way ANOVA），比较WS1-4中儿童运动速度[m/s]的差异（若p值<0.05，则标注*）。

结果

所有水滑梯处均有儿童聚集、进行社交互动并一起玩耍（图4）。使用WS4的儿童年龄估计大于其他滑道的儿童（表2）。每条水滑梯在最高速度持续1分钟期间的代表性儿童运动轨迹如视频5所示。图5展示了围绕各水滑梯的代表性进出运动轨迹线。在WS1中检测到两条不同的运动轨迹线，分别位于次级结构a和b之间（图5A）。然而，由于b处的轨迹线未连接至水滑梯，因此仅将a处的轨迹线定义为与水滑梯相关。对于底部设有水池的水滑梯（WS1-3），部分运动轨迹线表明儿童仅使用了水池而未使用滑道（图5A-C）。在不离开滑道的情况下反复上下滑行的情况也经常被观察到（图5A-C）。与WS1-3相比，WS4的流动轨迹表现为反复滑下、从侧边楼梯爬升、再次滑下且不离开滑道的过程（图5D）。

此外，我们比较了每个儿童在使用水滑梯时的平均和最大活动范围（表1），并结合使用水滑梯的儿童数量进行了分析（图6A、B）。WS1、WS2和WS3的活动区域大小差异较大，但儿童在各区域的活动水平相似。而WS4周围的活动量显著高于其他滑梯区域。

图 2：水滑梯设计图。（A）公园 1 的 WS1。（B）公园 2 的 WS2。（C）公园 3 的 WS3。（D）学校 4 的 WS4。缩写：WS = 水滑梯。请点击此处查看此图的放大版本。

图3：定量分析应用流程图与实验方案。 参见实验方案步骤3。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4：四个滑水道的场景。（A）黑石公园的滑水道1（WS1）。（B）古高崎公园的滑水道2（WS2）。（C）城并公园的滑水道3（WS3）。（D）第四学校的滑水道4（WS4）。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5：各条水上滑梯周围的典型进出运动路线。（A）WS1：在次级结构 a 处最具代表性的路线为红色。还观察到两种不同模式：在 a 处的黑色路线，仅使用水池；或在 b 处的单独红色路线，不指向 a。（B）WS2：出现三种模式：蓝色路线高速使用整个滑梯，黑色路线部分使用滑梯，红色路线停留在水池中。（C）WS3：两条红色路线分别表示使用或不使用斜坡次级结构。（D）WS4：行为模式统一（均使用滑梯）。A-D：a = 水池，b = 水上滑梯；红色 = 出，绿色 = 进。缩写：WS = 水上滑梯。请点击此处查看该图的放大版本。

图6：四种类型滑水道的定量比较。 黑色圆圈表示均值。圆点代表各个儿童的数据点。（A）比较运动的均值。WS1-4标签下方的数字表示在相同1分钟内聚集在滑道上的最多儿童人数。（B）由与（A）相同数据得出的最大速度。* WS4显著高于其他滑水道（单因素方差分析，p < 0.05）。请点击此处查看该图的高清版本。

公园/学校		日期	时间	最长时间段		滑梯区域 (m2)	坡度 (°)	长度 (m)
公园1 “Kuroishi”		2019-06-16	13:00-16:00	14:21:30-14:22:30		3.2	25.0	1.8
公园2 “Kotosaki”		2019-08-31	13:00-16:00	13:43:00-13:44:00		12.0	30.0	6.0
公园3 “Kiwanami”		2019-09-28	12:00-16:00	12:49:00-12:50:00		8.0	21.0	4.0
学校4 “Kamiube”		2021-08-08	13:00-18:00	17:14:00-17:15:00		5.4	27.0	6.0

表1：游乐场活动时间与分析目标时间，以及水滑梯信息。

场地编号	儿童人数	儿童身高 [cm]
		均值	标准差
Park 1	12	130.4	22.0
Park 2	5	132.0	14.7
Park 3	3	116.7	12.5
School 4	8	147.5	12.0

表2：在“最大时长”期间每个水滑梯上玩耍儿童的身高（均值和标准差）。 儿童的近似身高用于预测其年龄。

视频 1：黑石公园 WS1 水滑梯“最长游玩时间”中活动最频繁的 1 分钟。 该水滑梯建于一个没有自然坡度的公园内，因此需要专门建造坡道，导致其面积相较于其他水滑梯相对较小。尽管如此，仍有许多儿童在此水滑梯上共同玩耍。缩写：WS = 水滑梯。请点击此处下载该视频。

视频2：位于琴木公园WS2的“最长使用时间”1分钟片段。该水滑梯建于一个拥有天然宽阔、陡峭（30°）且长斜坡的公园内。儿童使用此滑梯的方式存在差异：一些儿童快速滑下，而另一些则小心地上下行走。缩写：WS = 水滑梯。请点击此处下载该视频。

视频 3：2019 年疫情前，基瓦南米公园 WS3 水滑道上最活跃的 1 分钟（“最长时长”）。 此事件发生于 2019 年，在 COVID-19 疫情之前。在该水滑道上，年幼的儿童被观察到在平缓的斜坡上玩耍更长时间。请点击此处下载该视频。

视频 4：神植学校 WS4 水滑梯活动中最活跃的 1 分钟，“最长持续时间”。 第四次水滑梯活动于 2021 年在 COVID-19 疫情期间举行。在此水滑梯活动中，年龄较大的儿童反复一起快速滑下。该设计中楼梯的使用可能促进了这种行为。 请点击此处下载该视频。

视频 5：WS1-4 时点最活跃儿童追踪运动的每种代表性模式。 请点击此处下载该视频。

补充文件1：安全注意事项和组装说明。 请点击此处下载该文件。

补充文件2：使用Python代码和Keynote文件的儿童运动追踪方法。 请点击此处下载该文件。

讨论

这些水滑梯的设置旨在鼓励儿童自发地在城市公园中聚集，并相互之间以及与自然环境进行互动。我们强调了儿童、成人、学生和市民共同参与设计、建造和清理水滑梯的协作式创造性过程。所有人都乐于共同合作，克服各种挑战^11,12。动物模型研究表明，此类关键期学习经历的缺失^13,14可能会影响未来的社会适应能力及心理情绪功能^2,15,16。

为建造水滑梯，使用了地面坡道（WS2、WS3）或楼梯（WS4）。若无自然坡道，可通过木板和单管脚手架搭建平台，形成简易的临时坡道（WS1）。在公园1至3中，水滑梯的框架使用了当地易得的竹材¹⁷。竹子生长迅速，需加以控制以防止过度蔓延，因此非常适合用于此类用途¹⁸。

关于WS1，在确认运动追踪线条（图5A）之前，我们原本预期整个框架（图2Aa1、a2、b）将包含在水滑梯结构中。然而，运动追踪分析显示出明显的划分，形成两条不同的子结构线条。因此，在完成WS1的首次试验与分析后，我们通过移除附加的塔楼简化了水滑梯的设计。于是，WS1的塔楼（图2Ab）被排除在定量分析之外。

所有四种滑梯均吸引了儿童自发聚集。WS4处的活动水平高于其他滑梯，可能是因为根据我们的估算（表2），使用WS4的儿童年龄较其他水滑梯使用者更大，因而可能具有更成熟的人格特征。这可能表现为儿童具备更高级的社交技能、建构想法以及协作能力。活动水平的差异也可能源于不同水滑梯的设计差异；与其他滑梯底部设有水池、儿童滑下后可停留其中不同，WS4没有水池，但设有侧边楼梯，使儿童滑下后可轻松再次攀爬上去，或许因此促进了更简单的重复性行为。水滑梯所处位置也可能是导致WS4活动水平更高的原因。WS1-3位于社区公园内，而WS4位于校园操场中，在此环境中，学生更有可能在熟悉的环境中放松并玩耍。如果能够收集使用这些设施的个体的教育与社会经济调查数据，多种信息的结合将有助于深入了解儿童的神经心理发育状况。此外，还需考虑新冠肺炎（COVID-19）的潜在影响。WS4的活动评估是在2021年进行的，当时仍处于与疫情相关的限制措施期间；而WS1-3的活动观察则发生在疫情之前。WS4的活动水平可能反映了儿童在长期缺乏社交游戏机会后的一种补偿性反应¹⁹。由于单次观察事件本身存在局限性，未来仍需开展包含个体问卷调查的更深入研究。

为了评估框架设计的机械安全性^20,21，使用Adobe Fusion（免费版本）²²对滑道部分辅助支撑架上胶合板的弯曲进行了有限元模拟分析²³。该辅助结构设计为可承受100 kg的重量，假设同时有四名体重各为25 kg的儿童使用滑道（未展示）。所有水滑梯均被儿童成功使用，未发生严重事故。防水布曾轻微下滑，已数次进行调整。仅观察到一起事件，涉及一名被诊断为自闭症的一年级男孩^7,24。起初，这名儿童显得害怕，但在观看其他儿童玩耍后，他也希望参与。男孩怯生生地靠近，开始缓慢下滑。几次尝试后，他滑倒并摔倒，嘴巴撞到了滑道表面，导致口腔内侧出现小伤口。经历此事后，他回到母亲身边。我们曾担心这可能对他造成负面体验。然而，此后他以极大的热情参与了游乐场活动，并表现出更高的冒险意愿。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
WS1
管道（6）			NFG Ecostar 700N Φ48.6 mm x 0.9 m
管道（27）			NFG Ecostar 700N Φ48.6 mm x 1.8 m
管道（2）			NFG Ecostar 700N Φ48.6 mm x 2.4 m
管盖（35）			适用于 Φ48.6 mm
接头（36）			适用于  Φ48.6 mm
胶合板（2）			13 x 900 x 1800 mm
防水布（蓝色）（1）			0.25 x 4500 x 4500 mm
竹竿（8）			15 mm x 2000 mm
绳索（1）			Φ18 mm x 200 m
聚丙烯绳（1）			Φ6 mm x 200 m
WS2
防水布（蓝色）（1）			0.25 x 4500 x 4500 mm
竹竿（8）			15 mm x 2000 mm
聚丙烯绳（1）			Φ6 mm x 200 m
WS3
胶合板（2）			13 x 900 x 1800 mm
接头（11）			适用于  Φ48.6 mm
防水布（蓝色）（1）			0.25 x 4500 x 4500 mm
竹竿（7）			15 mm x 2000 mm
聚丙烯绳（1）			Φ6 mm x 200 m
WS4
胶合板（2）			13 x 900 x 1800 mm
胶合板（1）			13 x 900 x 900 mm
SPF 2x4 木料			38 x 89 x1820 mm
纸板			自由尺寸
木螺钉（1盒）			3.3x50 mm
封箱胶带（2）			50mmx50m
地钉（4）			Φ9mmx300mm
工具
冲击起子			18V  160N • m
锤子			2 kg
冲击套筒			17mm
冲击起子用批头			+ 65mm
软件
AUTODESK FUSION 360 2.0.12164			绘图设计
Blender（版本 3.0.0 2021-12-03）			绘图设计
R			单因素方差分析
设备
摄像机	(JVC, G Z -RX690-D)