基于STEAM教育的儿童益智玩具设计

■秦晓宇，徐 伟.，詹先旭 Qin Xiaoyu & Xu Wei & Zhan Xianxu

(1.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏南京 210037；2.南京林业大学智库林业产业发展中心，江苏南京 210037；3.德华兔宝宝装饰新材股份有限公司，浙江德清 313200）

儿童时期在人的一生中是非常关键的一个阶段，儿童时期所受的教育会对漫长的人生产生深远的影响,所以儿童教育一直是一个备受关注的话题。儿童们有着不同于成年人的特质，古往今来，许许多多的中西方教育家们针对儿童的种种特质研究出不同的教育方法，帮助我们更好的实施儿童教育。而以玩具来达到教育的目的无疑是最好的方式，玩具不仅能够帮助儿童调动大脑的思考和身体的运动，还可以让儿童在玩的过程中培养积极主动的探索能力以及对社会和情感的认知[1]。"寓教于乐古来有之。"如我国古代的七巧板、孔明锁、九连环、双陆等益智玩具，可以开发智力，培养动手能力及创新能力等。发展到现代，结合STEAM教育理念而产生的STEAM玩具应运而生。本文在这一理念的基础上探讨儿童益智玩具的设计。

1 STEAM教育概述

STEAM教育（即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics）的首字母）是近年来传入中国的一种由美国政府提出的重实践的教育理念。STEAM教育以数学为基础,从工程和艺术的角度解读科学和技术,以跨学科的理念将不同类科目整合,以达到综合能力的提高[2]。

STEAM教育有两个显著的特征。一是跨学科，STEAM教育的知识结构是多元的。不是对某几个学科知识简单的叠加，而是基于实际问题将知识有机地结合起来，培养学生们解决问题的能力，给学生们一种围绕问题的知识架构方式[3]。二是实践，STEAM教育不同于传统的以考试为导向的教育方式，而是更注重学习的过程，让学生们自己动手完成他们感兴趣的并且与生活相关的项目，在这个过程中完成知识的学习，能力的提升。并且在学习的过程中允许犯错，可以产生新奇的想法，展开多方面的讨论[4]。

2 STEAM教育与儿童益智玩具的关系

2.1 STEAM教育理念为儿童益智玩具设计提供新思路

STEAM教育强调“做中学”“学中做”的教育模式，让儿童体验动手创造的快乐，设计师在设计的过程可以结合STEAM教育的思想，使玩具在满足基本要求的同时，更有可玩性与益智性。例如借鉴传统积木玩具的思想，将原本的积木块改成简单的机械结构部件，儿童就能在拼接实践的过程中了解机械结构原理。

2.2 儿童益智玩具是STEAM教育的良好载体

STEAM教育不是凭空产生的，儿童们的实践也不能光靠思想。基于STEAM教育理念设计的儿童玩具，可以作为儿童们实践的工具，区别于传统的教具，可以帮助儿童们更高效自由的学习，更方便的创造，更快乐的玩耍。

3 STEAM玩具的分类

对于STEAM玩具来说，教具与玩具之间并没有分明的界限，玩具作为教具的载体性越来越强。一件玩具既可以作为玩具给儿童们带来快乐，更可以作为教具，提升儿童的能力，教会他们某些知识。

目前的STEAM玩具按照玩法形式大致可以分为编程类、机器人类、拼接搭建类、科学实验与工程类、3D打印类这五种。

（1）编程类：编程类玩具一般有许多组件，可以自由拼接搭建，组合完成后，通过编程对玩具发布指令，使玩具完成各种动作。(图1）中的编程毛毛虫，玩具的身体分为9节，每节上都带有不同的指令，按照不同的顺序组装在一起后，就可以完成前进、后退、直行、转弯等一系列连贯动作。可以培养孩子的编程能力和动手能力[5]。

（2）机器人类：机器人类玩具一般兼具陪伴和学习的功能。当父母忙于工作，不在身边时，机器人玩具可以以可爱有趣的造型作为陪伴儿童的小玩伴，陪伴儿童游戏，还可以帮助儿童学习。在这一类玩具的设计中加入远程交互的功能，父母就可以随时通过机器人与孩子互动，增加了情感化的设计。机器人类玩具也往往和编程结合在一起，（图2）中所示的火火兔可编程机器人，是一种多功能机器人玩具，可以作为陪伴型机器人，有讲故事和语音对话等功能，也可以作为编程玩具，操作机器人按照指令行动，编程有普通的语音模式也有APP操作模式。在操作中可以提高孩子的数学能力与空间想象力。

（3）拼接搭建类：这一类玩具发展的历史比较长远，从古代的鲁班锁到现代的乐高积木都属于拼接搭建类的益智玩具。而现在的STEAM玩具往往在传统的积木搭建的基础上加入声光电的元素，有的直接附加在物块上，也有的通过配件来实现。（图3）中的积木玩具，积木块中有不同颜色的发光二极管，拼接在一起通电后，玩具就会发出绚丽的光彩，不仅能培养儿童的动手能力，而且会使他们对色光、色彩艺术有所认识。也有将机械电子原件作为基础单位的拼接搭建类玩具，这一类玩具有时也会与编程相结合实现更丰富的玩法。

（4）科学实验与工程类：这一类的玩具通过有趣的科学实验，使枯燥的理论学习过程变得生动起来。这一类玩具大多适合年龄稍大的8～12岁儿童。（图4）中的水晶生长套装，套装里有7种水晶种植材料，儿童们可以通过亲自动手培养水晶体的结成来学习结晶原理。

（5）3D打印类：儿童们总有一些奇思妙想，3D打印技术可以不拘泥于平面和一些标准零件，将孩子们天马行空的创意展现出来[6]。3D打印技术在我们生活中已经非常多见，从医疗到建筑再到塑料到金属，随着陶瓷、混凝土等更多打印材料的出现，3D打印技术也日趋成熟。一般的3D打印机需要有数字模型文件，操作比较困难，不适合儿童。3D打印笔，使用的是PCL耗材，在笔内快速融化，出来后快速冷凝，孩子们的各种想法就可以随心所欲发挥于笔端了。

4 STEAM玩具的设计要求

（1）安全性：不管什么样的儿童玩具，安全总是放在第一位的。在形态上要做到外表光滑，无尖角锐棱。结构设计合理，坚固不易碎。所使用的材料要做到无毒无害，油漆、颜料、塑料、化纤、电镀金属等可能有毒有害的物质都需要格外注意。木质、纸质等天然材料在安全性方面有着优越的性能[7-8]。此外还需要考虑到儿童的天性，避免儿童误食吞入等情况的发生。（图5）中的磁力球就曾发生过儿童误食的案例，所幸及时取出，才没有酿成严重的后果。儿童玩具的设计必须以此为戒，将安全放在首位。

（2）可玩性：STEAM玩具首先必须是玩具，玩具最重要的是好玩。其次，才是教育意义，如果只有教育性，没有可玩性，那就不是玩具而是教具了。儿童玩具设计在关注家长们关心的益智性的同时，必须努力提高可玩性，才能引起儿童们的兴趣[9]。儿童不像成年人，没有长远目标的概念，这使他们没有主观意识上学习的意愿。所以，玩才是儿童学习最好的方式。而好玩才能吸引儿童把时间花在需要学习的地方。因此可玩性成为STEAM玩具设计的必备要素。

（3）益智性：STEAM玩具的宗旨就是让儿童们在玩乐中学习。益智可以是对于儿童某几项能力的提升，利于儿童智力的开发，也可以是帮助儿童学习某一项或几项知识。例（图6）的纸树开花玩具。玩法非常简单，首先将纸树交叉组装好备用，将生长液倒在纸杯里，然后将纸树浸泡在生长液中，浸染完全后将纸树拿出，插在底座上，将剩余的生长液从树顶浇下，使之全部流入底座里，供树吸收生长。这样放置几个小时，纸树就会开花了。这组玩具通过一个化学小实验生动地表现了结晶的原理（液体是某种化学物质的浓溶液，在卡纸边缘易于析晶，而溶剂是挥发性较强的液体，随着溶液的大量挥发，溶质饱和直至析出形成晶体。）既有助于培养儿童的动手实验能力和想象力，又帮助儿童理解结晶原理。

（4）互动性：好的玩具应该能帮助儿童形成健康的人际关系，能够帮助他们快乐的与人交往，因此，能体现“玩伴参与性”和“生活情境性”的“游戏化”玩具设计是当今玩具设计的一个必然趋势[10]。这里的玩伴既包括父母家长也包括同龄伙伴。有些玩具可以设计成亲子互动玩具，可以加强父母与儿童之间的互动交流，使亲子时光更加充实快乐，提高父母在儿童教育中的陪伴和参与感。而有些玩具可以设计成同龄伙伴共同游戏的玩具，以此来养成儿童乐于分享、乐于交友的性格。将玩具设计成需要多人合作或竞争才能进行的游戏，有利于培养儿童的人际能力和合作能力。

（5）符合儿童心理、生理和行为特征：在医学上0～14岁是儿童阶段。在我国，儿童阶段细分为几个小阶段，分别是0～3周月的婴儿期，4周月～2.5岁的小儿期，2.5～6岁的幼儿期，7～10岁的启蒙期，11～14岁的逆反期。不同年龄段的儿童具有不同的心理和行为特征，每个阶段所需培养的能力和学习的知识也是不同的，设计师需要依据这些特点设计出贴合儿童年龄的STEAM玩具。

（6）满足家长的意愿：这一点是从商业的角度来考虑的，毕竟花钱买玩具的还是家长，玩具的设计就要做到使孩子满意的同时尽量满足家长的意愿，使他们愿意出钱。毕竟从商业的角度来说，销量才是评判一件设计好坏的根本依据。所以在设计STEAM玩具时也要关注到这一点。

5 设计实践

本课题结合上文关于STEAM玩具的论述，将STEAM教育理念运用到实践中，设计了一款大陆板块漂移说的STEAM玩具——DRIFT COLOR PLATE，旨在帮助儿童认识学习大陆板块漂移理论以及色彩色光原理。

5.1 设计定位

此款玩具的用户定位在3～6岁的儿童。中国幼教之父陈鹤琴先生曾研究3～6岁儿童的特点：好动、好模仿、易受暗示、好奇、好游戏、喜欢成功、喜欢合群等。在科学方面，3～6岁儿童开始亲近自然，喜欢探究，并且有初步的探究能力，他们在探究中认识周围事物和现象，感知形状与空间关系。本设计结合3～6岁儿童对自然的探究心理，依据大陆板块漂移说，帮助儿童认识地球板块运动，更了解我们所在的地球。此外在设计中融入光电元素，在增加趣味感之余，帮助儿童感受色光与色彩。

5.2 设计原理

大陆漂移板块构造理论是目前为止大多数人认同的一种解释地壳运动、海陆分布、演变的学说[11]。大陆漂移说由魏格纳（Alfred Lothar Wwgener）提出，主要观点是，我们现在的六块大陆是由许久之前的一块泛大陆经过漫长时间的分裂、漂移形成的，并且仍在地球自转的两种分力下缓慢移动。

DRIFT COLOR PLATE将色彩原理知识与大陆板块漂移理论结合在一起。玩具的效果图（图7）。中心是球体内核，球体表面开有圆形滑槽，板块载体内侧固定有圆钉滑块，通过圆钉滑块在轨道上移动，可实现板块载体在球核表面移动，以此来模拟大陆漂移。板块的色彩是三原色，边缘装有发光二极管和微型压力感应器，当两个板块碰撞到一起时，二极管就会发出相邻两个板块颜色叠加的色光来。帮助儿童认识色彩，学习色光的叠加原理。由于3～6岁儿童的视觉并未发育完全，所以产品使用的是纯度较高的颜色。

5.3 产品结构

①球形内核：玩具的最内层是球形的内核，其表面开有圆形活动孔（图8）。

②载体板块：（图9）这一层为玩具的中层，分为六块大陆板块，板块内侧是圆钉滑块，可以在轨道槽内移动，板块边缘是透明灯带，由发光二极管和压力感应器组成（在发生板块碰撞时，压力感应器发挥作用，二极管发光）。电力由圆钉滑块内的微型电池提供。

③板块表面：地球板块表面有海洋也有陆地，海洋低而陆地高。玩具板块表面将海洋设计成浅色低块，陆地设计成深色高块，来区分海洋和陆地。这样可以帮助儿童认识海洋和陆地的关系。

5.4 实践结论

首先在安全问题上，整个产品没有尖锐的棱角，产品每个构件的体积均较大，不易吞入。玩具的可玩性主要在于板块间的移动和碰撞，以及可发光的灯带增添玩具的趣味性。玩具结合大陆板块漂移理论的自然科学知识与色彩色光的艺术学科知识，实现了STEAM教育的跨学科意义，同时贴合3～6岁儿童对自然的好奇心和对色彩的感知。玩具操作简单明了，适合这一阶段儿童玩耍[12-13]。

6 结语

STEAM教育源于美国，近年来在中国日益火爆。STEAM教育理念与儿童玩具相结合，将实践和跨学科等思想应用到儿童益智玩具的设计中，为儿童玩具的设计开发了新思路。在前人的研究中，儿童益智玩具设计有包括基于交互理论、情感化、延续性、绿色设计等在内的诸多指导理论，而多种设计理论的综合运用，将为儿童益智玩具的设计打开新局面。同时，传统玩具也有值得传承和挖掘的内容，如我国古代木艺的精粹"榫卯结构"经过提炼改造也被运用在儿童益智玩具设计中。在玩具设计中更多植入传统符号不仅有利于传统习俗的传承与发扬，而且有助于我国本土化设计的发展。