基于STEAM教育的兒童益智玩具設(shè)計(jì)

■秦曉宇，徐 偉.，詹先旭 Qin Xiaoyu & Xu Wei & Zhan Xianxu

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)智庫(kù)林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，江蘇南京 210037；3.德華兔寶寶裝飾新材股份有限公司，浙江德清 313200）

兒童時(shí)期在人的一生中是非常關(guān)鍵的一個(gè)階段，兒童時(shí)期所受的教育會(huì)對(duì)漫長(zhǎng)的人生產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,所以兒童教育一直是一個(gè)備受關(guān)注的話題。兒童們有著不同于成年人的特質(zhì)，古往今來(lái)，許許多多的中西方教育家們針對(duì)兒童的種種特質(zhì)研究出不同的教育方法，幫助我們更好的實(shí)施兒童教育。而以玩具來(lái)達(dá)到教育的目的無(wú)疑是最好的方式，玩具不僅能夠幫助兒童調(diào)動(dòng)大腦的思考和身體的運(yùn)動(dòng)，還可以讓兒童在玩的過程中培養(yǎng)積極主動(dòng)的探索能力以及對(duì)社會(huì)和情感的認(rèn)知[1]。"寓教于樂古來(lái)有之。"如我國(guó)古代的七巧板、孔明鎖、九連環(huán)、雙陸等益智玩具，可以開發(fā)智力，培養(yǎng)動(dòng)手能力及創(chuàng)新能力等。發(fā)展到現(xiàn)代，結(jié)合STEAM教育理念而產(chǎn)生的STEAM玩具應(yīng)運(yùn)而生。本文在這一理念的基礎(chǔ)上探討兒童益智玩具的設(shè)計(jì)。

1 STEAM教育概述

STEAM教育（即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的首字母）是近年來(lái)傳入中國(guó)的一種由美國(guó)政府提出的重實(shí)踐的教育理念。STEAM教育以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),從工程和藝術(shù)的角度解讀科學(xué)和技術(shù),以跨學(xué)科的理念將不同類科目整合,以達(dá)到綜合能力的提高[2]。

STEAM教育有兩個(gè)顯著的特征。一是跨學(xué)科，STEAM教育的知識(shí)結(jié)構(gòu)是多元的。不是對(duì)某幾個(gè)學(xué)科知識(shí)簡(jiǎn)單的疊加，而是基于實(shí)際問題將知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生們解決問題的能力，給學(xué)生們一種圍繞問題的知識(shí)架構(gòu)方式[3]。二是實(shí)踐，STEAM教育不同于傳統(tǒng)的以考試為導(dǎo)向的教育方式，而是更注重學(xué)習(xí)的過程，讓學(xué)生們自己動(dòng)手完成他們感興趣的并且與生活相關(guān)的項(xiàng)目，在這個(gè)過程中完成知識(shí)的學(xué)習(xí)，能力的提升。并且在學(xué)習(xí)的過程中允許犯錯(cuò)，可以產(chǎn)生新奇的想法，展開多方面的討論[4]。

2 STEAM教育與兒童益智玩具的關(guān)系

2.1 STEAM教育理念為兒童益智玩具設(shè)計(jì)提供新思路

STEAM教育強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”“學(xué)中做”的教育模式，讓兒童體驗(yàn)動(dòng)手創(chuàng)造的快樂，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的過程可以結(jié)合STEAM教育的思想，使玩具在滿足基本要求的同時(shí)，更有可玩性與益智性。例如借鑒傳統(tǒng)積木玩具的思想，將原本的積木塊改成簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，兒童就能在拼接實(shí)踐的過程中了解機(jī)械結(jié)構(gòu)原理。

2.2 兒童益智玩具是STEAM教育的良好載體

STEAM教育不是憑空產(chǎn)生的，兒童們的實(shí)踐也不能光靠思想。基于STEAM教育理念設(shè)計(jì)的兒童玩具，可以作為兒童們實(shí)踐的工具，區(qū)別于傳統(tǒng)的教具，可以幫助兒童們更高效自由的學(xué)習(xí)，更方便的創(chuàng)造，更快樂的玩耍。

3 STEAM玩具的分類

對(duì)于STEAM玩具來(lái)說，教具與玩具之間并沒有分明的界限，玩具作為教具的載體性越來(lái)越強(qiáng)。一件玩具既可以作為玩具給兒童們帶來(lái)快樂，更可以作為教具，提升兒童的能力，教會(huì)他們某些知識(shí)。

目前的STEAM玩具按照玩法形式大致可以分為編程類、機(jī)器人類、拼接搭建類、科學(xué)實(shí)驗(yàn)與工程類、3D打印類這五種。

（1）編程類：編程類玩具一般有許多組件，可以自由拼接搭建，組合完成后，通過編程對(duì)玩具發(fā)布指令，使玩具完成各種動(dòng)作。(圖1）中的編程毛毛蟲，玩具的身體分為9節(jié)，每節(jié)上都帶有不同的指令，按照不同的順序組裝在一起后，就可以完成前進(jìn)、后退、直行、轉(zhuǎn)彎等一系列連貫動(dòng)作。可以培養(yǎng)孩子的編程能力和動(dòng)手能力[5]。

（2）機(jī)器人類：機(jī)器人類玩具一般兼具陪伴和學(xué)習(xí)的功能。當(dāng)父母忙于工作，不在身邊時(shí)，機(jī)器人玩具可以以可愛有趣的造型作為陪伴兒童的小玩伴，陪伴兒童游戲，還可以幫助兒童學(xué)習(xí)。在這一類玩具的設(shè)計(jì)中加入遠(yuǎn)程交互的功能，父母就可以隨時(shí)通過機(jī)器人與孩子互動(dòng)，增加了情感化的設(shè)計(jì)。機(jī)器人類玩具也往往和編程結(jié)合在一起，（圖2）中所示的火火兔可編程機(jī)器人，是一種多功能機(jī)器人玩具，可以作為陪伴型機(jī)器人，有講故事和語(yǔ)音對(duì)話等功能，也可以作為編程玩具，操作機(jī)器人按照指令行動(dòng)，編程有普通的語(yǔ)音模式也有APP操作模式。在操作中可以提高孩子的數(shù)學(xué)能力與空間想象力。

（3）拼接搭建類：這一類玩具發(fā)展的歷史比較長(zhǎng)遠(yuǎn)，從古代的魯班鎖到現(xiàn)代的樂高積木都屬于拼接搭建類的益智玩具。而現(xiàn)在的STEAM玩具往往在傳統(tǒng)的積木搭建的基礎(chǔ)上加入聲光電的元素，有的直接附加在物塊上，也有的通過配件來(lái)實(shí)現(xiàn)。（圖3）中的積木玩具，積木塊中有不同顏色的發(fā)光二極管，拼接在一起通電后，玩具就會(huì)發(fā)出絢麗的光彩，不僅能培養(yǎng)兒童的動(dòng)手能力，而且會(huì)使他們對(duì)色光、色彩藝術(shù)有所認(rèn)識(shí)。也有將機(jī)械電子原件作為基礎(chǔ)單位的拼接搭建類玩具，這一類玩具有時(shí)也會(huì)與編程相結(jié)合實(shí)現(xiàn)更豐富的玩法。

（4）科學(xué)實(shí)驗(yàn)與工程類：這一類的玩具通過有趣的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，使枯燥的理論學(xué)習(xí)過程變得生動(dòng)起來(lái)。這一類玩具大多適合年齡稍大的8～12歲兒童。（圖4）中的水晶生長(zhǎng)套裝，套裝里有7種水晶種植材料，兒童們可以通過親自動(dòng)手培養(yǎng)水晶體的結(jié)成來(lái)學(xué)習(xí)結(jié)晶原理。

（5）3D打印類：兒童們總有一些奇思妙想，3D打印技術(shù)可以不拘泥于平面和一些標(biāo)準(zhǔn)零件，將孩子們天馬行空的創(chuàng)意展現(xiàn)出來(lái)[6]。3D打印技術(shù)在我們生活中已經(jīng)非常多見，從醫(yī)療到建筑再到塑料到金屬，隨著陶瓷、混凝土等更多打印材料的出現(xiàn)，3D打印技術(shù)也日趨成熟。一般的3D打印機(jī)需要有數(shù)字模型文件，操作比較困難，不適合兒童。3D打印筆，使用的是PCL耗材，在筆內(nèi)快速融化，出來(lái)后快速冷凝，孩子們的各種想法就可以隨心所欲發(fā)揮于筆端了。

4 STEAM玩具的設(shè)計(jì)要求

（1）安全性：不管什么樣的兒童玩具，安全總是放在第一位的。在形態(tài)上要做到外表光滑，無(wú)尖角銳棱。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，堅(jiān)固不易碎。所使用的材料要做到無(wú)毒無(wú)害，油漆、顏料、塑料、化纖、電鍍金屬等可能有毒有害的物質(zhì)都需要格外注意。木質(zhì)、紙質(zhì)等天然材料在安全性方面有著優(yōu)越的性能[7-8]。此外還需要考慮到兒童的天性，避免兒童誤食吞入等情況的發(fā)生。（圖5）中的磁力球就曾發(fā)生過兒童誤食的案例，所幸及時(shí)取出，才沒有釀成嚴(yán)重的后果。兒童玩具的設(shè)計(jì)必須以此為戒，將安全放在首位。

（2）可玩性：STEAM玩具首先必須是玩具，玩具最重要的是好玩。其次，才是教育意義，如果只有教育性，沒有可玩性，那就不是玩具而是教具了。兒童玩具設(shè)計(jì)在關(guān)注家長(zhǎng)們關(guān)心的益智性的同時(shí)，必須努力提高可玩性，才能引起兒童們的興趣[9]。兒童不像成年人，沒有長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)的概念，這使他們沒有主觀意識(shí)上學(xué)習(xí)的意愿。所以，玩才是兒童學(xué)習(xí)最好的方式。而好玩才能吸引兒童把時(shí)間花在需要學(xué)習(xí)的地方。因此可玩性成為STEAM玩具設(shè)計(jì)的必備要素。

（3）益智性：STEAM玩具的宗旨就是讓兒童們?cè)谕鏄分袑W(xué)習(xí)。益智可以是對(duì)于兒童某幾項(xiàng)能力的提升，利于兒童智力的開發(fā)，也可以是幫助兒童學(xué)習(xí)某一項(xiàng)或幾項(xiàng)知識(shí)。例（圖6）的紙樹開花玩具。玩法非常簡(jiǎn)單，首先將紙樹交叉組裝好備用，將生長(zhǎng)液倒在紙杯里，然后將紙樹浸泡在生長(zhǎng)液中，浸染完全后將紙樹拿出，插在底座上，將剩余的生長(zhǎng)液從樹頂澆下，使之全部流入底座里，供樹吸收生長(zhǎng)。這樣放置幾個(gè)小時(shí)，紙樹就會(huì)開花了。這組玩具通過一個(gè)化學(xué)小實(shí)驗(yàn)生動(dòng)地表現(xiàn)了結(jié)晶的原理（液體是某種化學(xué)物質(zhì)的濃溶液，在卡紙邊緣易于析晶，而溶劑是揮發(fā)性較強(qiáng)的液體，隨著溶液的大量揮發(fā)，溶質(zhì)飽和直至析出形成晶體。）既有助于培養(yǎng)兒童的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰拖胂罅?，又幫助兒童理解結(jié)晶原理。

（4）互動(dòng)性：好的玩具應(yīng)該能幫助兒童形成健康的人際關(guān)系，能夠幫助他們快樂的與人交往，因此，能體現(xiàn)“玩伴參與性”和“生活情境性”的“游戲化”玩具設(shè)計(jì)是當(dāng)今玩具設(shè)計(jì)的一個(gè)必然趨勢(shì)[10]。這里的玩伴既包括父母家長(zhǎng)也包括同齡伙伴。有些玩具可以設(shè)計(jì)成親子互動(dòng)玩具，可以加強(qiáng)父母與兒童之間的互動(dòng)交流，使親子時(shí)光更加充實(shí)快樂，提高父母在兒童教育中的陪伴和參與感。而有些玩具可以設(shè)計(jì)成同齡伙伴共同游戲的玩具，以此來(lái)養(yǎng)成兒童樂于分享、樂于交友的性格。將玩具設(shè)計(jì)成需要多人合作或競(jìng)爭(zhēng)才能進(jìn)行的游戲，有利于培養(yǎng)兒童的人際能力和合作能力。

（5）符合兒童心理、生理和行為特征：在醫(yī)學(xué)上0～14歲是兒童階段。在我國(guó)，兒童階段細(xì)分為幾個(gè)小階段，分別是0～3周月的嬰兒期，4周月～2.5歲的小兒期，2.5～6歲的幼兒期，7～10歲的啟蒙期，11～14歲的逆反期。不同年齡段的兒童具有不同的心理和行為特征，每個(gè)階段所需培養(yǎng)的能力和學(xué)習(xí)的知識(shí)也是不同的，設(shè)計(jì)師需要依據(jù)這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)出貼合兒童年齡的STEAM玩具。

（6）滿足家長(zhǎng)的意愿：這一點(diǎn)是從商業(yè)的角度來(lái)考慮的，畢竟花錢買玩具的還是家長(zhǎng)，玩具的設(shè)計(jì)就要做到使孩子滿意的同時(shí)盡量滿足家長(zhǎng)的意愿，使他們?cè)敢獬鲥X。畢竟從商業(yè)的角度來(lái)說，銷量才是評(píng)判一件設(shè)計(jì)好壞的根本依據(jù)。所以在設(shè)計(jì)STEAM玩具時(shí)也要關(guān)注到這一點(diǎn)。

5 設(shè)計(jì)實(shí)踐

本課題結(jié)合上文關(guān)于STEAM玩具的論述，將STEAM教育理念運(yùn)用到實(shí)踐中，設(shè)計(jì)了一款大陸板塊漂移說的STEAM玩具——DRIFT COLOR PLATE，旨在幫助兒童認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)大陸板塊漂移理論以及色彩色光原理。

5.1 設(shè)計(jì)定位

此款玩具的用戶定位在3～6歲的兒童。中國(guó)幼教之父陳鶴琴先生曾研究3～6歲兒童的特點(diǎn)：好動(dòng)、好模仿、易受暗示、好奇、好游戲、喜歡成功、喜歡合群等。在科學(xué)方面，3～6歲兒童開始親近自然，喜歡探究，并且有初步的探究能力，他們?cè)谔骄恐姓J(rèn)識(shí)周圍事物和現(xiàn)象，感知形狀與空間關(guān)系。本設(shè)計(jì)結(jié)合3～6歲兒童對(duì)自然的探究心理，依據(jù)大陸板塊漂移說，幫助兒童認(rèn)識(shí)地球板塊運(yùn)動(dòng)，更了解我們所在的地球。此外在設(shè)計(jì)中融入光電元素，在增加趣味感之余，幫助兒童感受色光與色彩。

5.2 設(shè)計(jì)原理

大陸漂移板塊構(gòu)造理論是目前為止大多數(shù)人認(rèn)同的一種解釋地殼運(yùn)動(dòng)、海陸分布、演變的學(xué)說[11]。大陸漂移說由魏格納（Alfred Lothar Wwgener）提出，主要觀點(diǎn)是，我們現(xiàn)在的六塊大陸是由許久之前的一塊泛大陸經(jīng)過漫長(zhǎng)時(shí)間的分裂、漂移形成的，并且仍在地球自轉(zhuǎn)的兩種分力下緩慢移動(dòng)。

DRIFT COLOR PLATE將色彩原理知識(shí)與大陸板塊漂移理論結(jié)合在一起。玩具的效果圖（圖7）。中心是球體內(nèi)核，球體表面開有圓形滑槽，板塊載體內(nèi)側(cè)固定有圓釘滑塊，通過圓釘滑塊在軌道上移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)板塊載體在球核表面移動(dòng)，以此來(lái)模擬大陸漂移。板塊的色彩是三原色，邊緣裝有發(fā)光二極管和微型壓力感應(yīng)器，當(dāng)兩個(gè)板塊碰撞到一起時(shí)，二極管就會(huì)發(fā)出相鄰兩個(gè)板塊顏色疊加的色光來(lái)。幫助兒童認(rèn)識(shí)色彩，學(xué)習(xí)色光的疊加原理。由于3～6歲兒童的視覺并未發(fā)育完全，所以產(chǎn)品使用的是純度較高的顏色。

5.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

①球形內(nèi)核：玩具的最內(nèi)層是球形的內(nèi)核，其表面開有圓形活動(dòng)孔（圖8）。

②載體板塊：（圖9）這一層為玩具的中層，分為六塊大陸板塊，板塊內(nèi)側(cè)是圓釘滑塊，可以在軌道槽內(nèi)移動(dòng)，板塊邊緣是透明燈帶，由發(fā)光二極管和壓力感應(yīng)器組成（在發(fā)生板塊碰撞時(shí)，壓力感應(yīng)器發(fā)揮作用，二極管發(fā)光）。電力由圓釘滑塊內(nèi)的微型電池提供。

③板塊表面：地球板塊表面有海洋也有陸地，海洋低而陸地高。玩具板塊表面將海洋設(shè)計(jì)成淺色低塊，陸地設(shè)計(jì)成深色高塊，來(lái)區(qū)分海洋和陸地。這樣可以幫助兒童認(rèn)識(shí)海洋和陸地的關(guān)系。

5.4 實(shí)踐結(jié)論

首先在安全問題上，整個(gè)產(chǎn)品沒有尖銳的棱角，產(chǎn)品每個(gè)構(gòu)件的體積均較大，不易吞入。玩具的可玩性主要在于板塊間的移動(dòng)和碰撞，以及可發(fā)光的燈帶增添玩具的趣味性。玩具結(jié)合大陸板塊漂移理論的自然科學(xué)知識(shí)與色彩色光的藝術(shù)學(xué)科知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了STEAM教育的跨學(xué)科意義，同時(shí)貼合3～6歲兒童對(duì)自然的好奇心和對(duì)色彩的感知。玩具操作簡(jiǎn)單明了，適合這一階段兒童玩耍[12-13]。

6 結(jié)語(yǔ)

STEAM教育源于美國(guó)，近年來(lái)在中國(guó)日益火爆。STEAM教育理念與兒童玩具相結(jié)合，將實(shí)踐和跨學(xué)科等思想應(yīng)用到兒童益智玩具的設(shè)計(jì)中，為兒童玩具的設(shè)計(jì)開發(fā)了新思路。在前人的研究中，兒童益智玩具設(shè)計(jì)有包括基于交互理論、情感化、延續(xù)性、綠色設(shè)計(jì)等在內(nèi)的諸多指導(dǎo)理論，而多種設(shè)計(jì)理論的綜合運(yùn)用，將為兒童益智玩具的設(shè)計(jì)打開新局面。同時(shí)，傳統(tǒng)玩具也有值得傳承和挖掘的內(nèi)容，如我國(guó)古代木藝的精粹"榫卯結(jié)構(gòu)"經(jīng)過提煉改造也被運(yùn)用在兒童益智玩具設(shè)計(jì)中。在玩具設(shè)計(jì)中更多植入傳統(tǒng)符號(hào)不僅有利于傳統(tǒng)習(xí)俗的傳承與發(fā)揚(yáng)，而且有助于我國(guó)本土化設(shè)計(jì)的發(fā)展。