培养儿童数理思维优势的科学玩具设计

张晓利，陈亭廷

（黄山学院艺术学院，安徽黄山245041）

培养儿童数理思维优势的科学玩具设计

张晓利，陈亭廷

（黄山学院艺术学院，安徽黄山245041）

在培养儿童数理思维能力的过程中，科学玩具可以发挥长足的优势.以现有科学玩具的消费市场现状为切入点，分析科学玩具的创新设计原则在于：安全性、科学性、交互娱乐性.在此基础上，以解释数学简单运算法则的科学玩具——“运算乐”为例提出科学玩具系统化研发的策略，以期验证科学玩具寓教于乐的优势.

数理思维；竞技规则；科学玩具

据统计,我国14岁以下人口有3.8亿,构成了庞大的玩具消费群体.有关儿童玩具消费调查结果显示，58%的家长买玩具时考虑的是玩具能否开发孩子的智力.面对如此巨大的消费市场及消费导向，我国儿童益智玩具的质量和设计仍普遍存在娱乐方式单一、使用期限短等问题.亟待通过新颖的设计理念创造出切实符合儿童心理需求的、娱乐益智科学于一体的并有望未来走向国际市场的儿童益智玩具，从而构建一种学习、益智、娱乐相辅相成的新娱乐方式.基于此，通过对加减乘除简单的运算法则以竞技比赛的形式展开研究，结合科学玩具设计案例，为儿童数学智能教育提供一种全新的培养模式思路，并塑造逻辑思维方式的启蒙技术，为益智类玩具的开发模式提供一些借鉴.

1 科学玩具的使命——寓教于乐

科学玩具是指通过游戏性的玩乐来分析或解释科学现象、运用或掌握科学原理，能在娱乐中去获取科技知识，锻炼各种能力，开发智力的玩具.可见，科学玩具是人类探索科学世界的一种工具，它主要围绕玩具中的科学原理，以互动玩具游戏为主要形式，在玩乐中激发潜在智慧，思考玩具内在的科学知识.娱乐和教育一直是国内外玩具发展的两大主题，而科学玩具以学龄儿童为研究人群，探索的正是集娱乐和教育于一体的结合方式，即如何寓教于乐.例如，数学作为我国小学义务教育中的必修科目，主要以逻辑推理为主，培养小学生的逻辑思维能力，但是由于数字的单一性和缺乏形象感，一直对于好动、对形象和色彩高度敏感的小学生来说却显得单板和枯燥.如何寓教于乐，培养数理思维的全新模式，激发小学生高度的学习热情，以避免偏科现象的产生，科学益智玩具就显得格外具有开发价值.可见，寓教于乐——使儿童在游戏娱乐中获取知识是科学玩具的主要使命.

2 科学玩具的创新设计原则

2.1 安全性设计原则

科学玩具的用户群体主要以学龄儿童和青少年为主，讲究安全性仍是第一原则.2007年6月1日，我国就童车、电动玩具、塑胶玩具等玩具产品专门宣布了强制执行的3C认证制度，从而使儿童玩具的设计、生产和销售有了安全性生产的法制规范.任何玩具的设计都应符合相应的安全标准才能进入市场，科学玩具也不例外，如对玩具表面色彩涂料的化学物质含量、设计造型上的棱角等可能造成伤害性的处理，可拆卸部分的大小体积处理和玩具的牢固性处理等，都涉及玩具的安全问题.

2.2 制定动机需求战略，即科学性设计原则

儿童和青少年是科学益智玩具的主要用户群体，科学性的指导原则也相应要得到重视.科学玩具与普通玩具的主要区别在于寓教于乐，即在“玩”的过程中获得“学”的动力，从而有效地培养用户逻辑思维能力、记忆力、耐力和意志力等方面的优势.为此，必须以科学的原理来指导设计.具体实践则要通过制定动机需求战略来完成.

制定动机需求设计战略，即把满足儿童的特定需要设定为第一设计目标，设计出符合特定阶段、特定需要的儿童益智玩具.科学玩具应满足用户的智性需求，即用户提高智能水平及解决问题的能力、效益、速度等方面的要求.智力需求在不同阶段的儿童群体中表现也为多元化趋势，设计者应针对不同阶段儿童的思维特点进行设计.例如，11-13岁的儿童，其大脑发育的结果显示出对外在事物的认知正发生重组和改善，思维能力开始表现出一定的弹性特征，不仅能够抓住具体事务的主要表象特征，而且获得了一定的逻辑分析和运算能力.换句话说，该阶段儿童已经具备基本的经验思维能力.因此，应根据这一阶段儿童的逻辑思维特点有针对性地开发有助于训练儿童计算技能、使儿童形成各种科学的基本逻辑概念和逻辑分析能力的益智玩具.[1]总之，科学玩具的科学性体现主要在于设计者应依据用户群体思维发展阶段的特征，才能设计出相应的年龄阶段的益智玩具.

2.3 创意科学玩具设计仍然要以“玩”为主，即交互娱乐性设计原则

兴趣是学习与创新的原动力.有效提高孩子学习兴趣的途径之一就是让孩子“玩”起来.只有在玩的过程中，孩子才会具有强大的好奇心，产生探索的愿望.而科学玩具恰好能够提供给儿童一种独特的学习途径和方式，有效而具有操作性.衡量儿童智力发展的标准，不仅要看其语言和逻辑推理能力，还要看其空间知觉能力、动手能力及人际交往等方面的能力.[2]这些能力往往都是在儿童游戏中、在与周围环境互动中形成的.由此，研发儿童益智玩具时，增加玩具的互动要求，尤其是群体性之间的游戏或者竞技互动，是科学玩具培养儿童各方面智力发展的有效途径.科学玩具，终究是玩具，在玩具的作用中具有诠释科学原理的功效是其设计的主要目的.设计科学玩具时仍要注意“教”的色彩不能浓于“玩”.

3 科学玩具设计实践策略——在娱乐中学会运算

数学运算是数学学科的重要内容，是训练学生计算能力的重要基础.计算能力是一项基本的数学能力，它主要指逻辑思维能力与运算技能的结合，即能够根据题目条件寻求简捷、合理的运算途径.它不能独立存在和发展，而是与观察力、记忆力、理解力、推理能力、表达能力及空间想象能力等一般能力相互渗透、相互支撑形成一种综合性的能力.[3]可以说，学生计算能力的高低直接影响着学生学习的质量.

整数的加、减、乘、除四则运算作为最基本的数学运算法则，小学生通常主要依赖教师在课堂教学中的问题导入及示范导向进行学习.即便教师很努力地去设置趣味化的课堂情景和互动环节，这对于天生好动、只对形象和色彩敏感，而厌倦单一和抽象符号的小学生来说仍常常感到单板和枯燥，无法集中课堂的注意力.依据数学运算法则设置互动游戏，并通过竞技比赛的形式展开不失为弥补课堂不足寓教于乐的有效措施.具体实践过程如下：

3.1 竞技规则设置——培养数理思维优势

对小学数学中加、减、乘、除四种运算法则进行分析，通过竞技结果的数值比较来设计游戏规则，可单人练习或者2人以上进行竞技，也可成组竞技，形成理论层面的总结，从而为研究益智玩具的形态与造型提供基础理论平台.利用数学知识点的简单原理，以竞技的形式，塑造全新的逻辑思维方式.对小学数学中加、减、乘、除四种运算法则进行分析，通过竞技结果的数值比较来设计游戏规则，可单人练习或者2人以上进行竞技，也可成组竞技，形成理论层面的总结，从而为研究益智玩具的形态与造型提供基础理论平台.通过文献资料跟踪结果来看，运用游戏性的娱乐解释和分析科学现象能够有利于学生的智力开发，并锻炼各种能力，具有一定的创新性.

3.2 数学科学玩具产品设计实践

在加、减、乘、除简单运算的竞技规则基础上，运用产品设计的方法与理论展开方案论证，研究基于小学科学玩具的创新性策略；通过详实的市场调研分析，指出现阶段益智玩具名不符实的局面因素，并提出应对的策略，并通过草案、定案、三维建模等模拟环境以实现益智玩具具有较高科学含金量的理想形态.鉴于三维模型在虚拟空间中尺度、材料、色彩中的不确定性因素，通过实物模型的制作来不断推敲方案的科学性，并设想运用棋盘式的方式实现竞技平台，运用平面编排设计模拟竞技环境，以得到相对最优的模型方案，提高游戏竞技中的公平性.

3.3 追踪验证

在前面研究的基础之上，利用实物模型进行多次测试，通过比较法来不断调整游戏规则中的关卡设置尺度与科学性，并通过问卷调查的方式进行小学生群体试验，验证本课题中人机交互方法在改善和提高益智玩具的娱乐性，特别是科学性和逻辑推理方面的优越性和有效性，是否能够真正有助于激发小学生对数学知识的浓厚兴趣.

拟定了研发策略之后，在科学玩具的原则指导下，笔者的设计项目团队最终确定设计一款以解释加减乘除运算法则为主题的玩具，在考虑安全、市场、材料等因素的前提下，进行整合创新设计.设计团队根据多方信息反馈整理，最终方案确定为一款数学魔方塑料材质玩具，见图1.

图1 数学魔方（设计者：黄山学院张晓利、张大瑞）

4 结束语

上述科学玩具的实践有效地验证了其在培养儿童的数理思维方面的优势.可见，诠释科学原理，寓教于乐是科学玩具设计中“玩”的延伸.将交互娱乐性理念充分融合到玩具产品的开发设计中，不仅能使儿童在游戏互动中体验游戏乐趣、增长知识，而且是玩具行业产业升级中提升产品附加值最为直接的方式.

〔1〕刘华伟，余敏．儿童益智玩具的创新设计[J]．郑州轻工业学院学报(社会科学版)，2010（2）：55.

〔2〕杨华，王乐．儿童益智玩具的体验设计研究[J]．包装工程，2011（14）：66．

〔3〕蔡章建．小学数学运算能力培养探究[J].中国科教创新导刊，2010（21）：61.

G614

A

1673-260X（2013）07-0228-02

安徽省大学生创新项目资助