運(yùn)用積木模型開(kāi)展科學(xué)教育活動(dòng)初探

李維育 鐘明任 劉藍(lán)玉

摘 要 旨在透過(guò)智高積木的組合，探討素質(zhì)教育的學(xué)習(xí)成效。研究人員將科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為小組分工的動(dòng)手做課程，并在教學(xué)過(guò)程中持續(xù)與學(xué)生進(jìn)行交流和溝通。課程架構(gòu)分為兩部分：簡(jiǎn)單機(jī)械設(shè)計(jì)與動(dòng)物骨骼仿作，前者借助已知的工學(xué)原理如齒輪、滑輪、杠桿等概念來(lái)設(shè)計(jì)，后者則通過(guò)對(duì)哺乳動(dòng)物骨架的觀察，利用積木元件模仿其外觀及功能。研究過(guò)程以小組同儕間的合作方式進(jìn)行，研究人員則在學(xué)生以積木元件呈現(xiàn)自己的思考過(guò)程中實(shí)時(shí)反饋，并在學(xué)生間意見(jiàn)相左時(shí)參與討論，幫助學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解更加具體與清晰，一起找出可行且有創(chuàng)意的解決方案。在課后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)課程顯示出很高的興趣，同時(shí)也學(xué)到了充足的知識(shí)。目前，素養(yǎng)導(dǎo)向式教學(xué)在科學(xué)教育中的重要性逐漸提升，市面上已出現(xiàn)不少相關(guān)的教具，希望在傳統(tǒng)講述式教學(xué)外提出更多不同類型的教學(xué)可能供教育人員參考。

關(guān)鍵詞 素質(zhì)教育 智高積木 簡(jiǎn)單機(jī)械 動(dòng)物骨骼

0 引言

為了應(yīng)對(duì)快速變化的世界，聯(lián)合國(guó)教科文組織、經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織、歐洲聯(lián)盟再三強(qiáng)調(diào)素質(zhì)教育，并認(rèn)為相較于傳統(tǒng)教育，結(jié)合知識(shí)、技能、態(tài)度與價(jià)值的素質(zhì)教育有助于學(xué)生適應(yīng)不斷變遷的未來(lái)。英國(guó)教育學(xué)家肯·羅賓森（Ken Robinson）指出，素質(zhì)教育能培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的批判思考、與他人合作、熱情等能力，學(xué)會(huì)管理自己的生活，并擁有較高的情商。[1]

本文即以素質(zhì)教育概念為基礎(chǔ)，運(yùn)用智高積木，發(fā)展出簡(jiǎn)單機(jī)械與動(dòng)物骨骼兩個(gè)主題式學(xué)習(xí)活動(dòng)，并分析參與者滿意度問(wèn)卷，總結(jié)出活動(dòng)成效。這就要求教師將講述的比重降到20%，剩余80%為主題活動(dòng)。教師僅做核心概念介紹，在學(xué)生主動(dòng)參與的過(guò)程中提供幫助，促成彼此的合作、互相的學(xué)習(xí)。

1 以積木進(jìn)行科學(xué)教育活動(dòng)的理論基礎(chǔ)

本研究在運(yùn)用積木進(jìn)行參與學(xué)習(xí)的活動(dòng)規(guī)劃上，主要依據(jù)游戲?qū)W習(xí)理論與動(dòng)手做學(xué)習(xí)理論。

有人將游戲的場(chǎng)域詮釋為一種動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)環(huán)境，更像是運(yùn)作良好的工作環(huán)境，而不是學(xué)校里的教室。在這樣的學(xué)習(xí)氛圍中，更重要的是同儕間的合作學(xué)習(xí)，正如工作伙伴之間的相互交流。教育者的角色轉(zhuǎn)變?yōu)橛^察取向，目的在于引導(dǎo)學(xué)習(xí)者探索與思考。[2]經(jīng)過(guò)過(guò)去幾年的發(fā)展，“游戲?qū)W習(xí)”的含義已經(jīng)從“在游戲中學(xué)習(xí)”發(fā)展為“透過(guò)游戲與其他教學(xué)活動(dòng)的結(jié)合來(lái)學(xué)習(xí)”。[3]

“做中學(xué)”的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，將教育與生活經(jīng)驗(yàn)連結(jié)并在過(guò)程中進(jìn)行探究，可以說(shuō)是動(dòng)手做學(xué)習(xí)不可撼動(dòng)的原則。[4]讓學(xué)生在探索過(guò)程中活用智慧，并提升解決問(wèn)題的能力。[5]然而在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生常會(huì)遇到挑戰(zhàn)，此時(shí)正是學(xué)習(xí)突破或停頓的分歧。透過(guò)動(dòng)手做的活動(dòng)，一邊實(shí)踐一邊改進(jìn)，將想法與實(shí)作進(jìn)行來(lái)回驗(yàn)證。[6]

本研究的知識(shí)內(nèi)涵著重于對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)械與動(dòng)物骨骼的認(rèn)識(shí)，并透過(guò)智高積木的模型仿作進(jìn)而熟悉結(jié)構(gòu)單元的組成關(guān)系，同時(shí)在小組討論的激蕩中發(fā)揮創(chuàng)意。學(xué)習(xí)者在整個(gè)過(guò)程中以直觀的方式面對(duì)問(wèn)題，并從各組成元件的功能中找到問(wèn)題的解決方式;講授者在活動(dòng)過(guò)程中更像是學(xué)習(xí)者的伙伴，觀察學(xué)習(xí)者透過(guò)組裝積木體現(xiàn)出的思考模式，并協(xié)助學(xué)習(xí)者建構(gòu)完整的創(chuàng)意呈現(xiàn)歷程。

無(wú)論簡(jiǎn)單機(jī)械設(shè)計(jì)還是動(dòng)物骨骼仿作，兩個(gè)活動(dòng)都借助智高積木元件的靈活性、延伸性，以及可在短時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證學(xué)習(xí)者思維原型的特色，以團(tuán)隊(duì)游戲?yàn)槭侄温鋵?shí)素質(zhì)教育的精神。除了科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)以外，還希望營(yíng)造出交流式、探索式的氛圍，讓學(xué)生在活動(dòng)結(jié)束后達(dá)成科學(xué)素養(yǎng)與人際交往能力雙雙提升的效益。

2 透過(guò)智高積木進(jìn)行簡(jiǎn)單機(jī)械的概念教學(xué)

簡(jiǎn)單機(jī)械分為齒輪、輪軸、滑輪、劈、斜面、螺旋和杠桿七種[7]，下面針對(duì)其中的三種，以智高積木進(jìn)行概念演示。

2.1 齒輪

對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，關(guān)于齒輪的學(xué)習(xí)難點(diǎn)之一即是“齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與快慢”。[8]本研究借助實(shí)際操作，幫助學(xué)習(xí)者建立齒輪相關(guān)的正確觀念。

（1）齒輪的旋轉(zhuǎn)方向：當(dāng)兩個(gè)齒輪互相咬合時(shí)，它們的旋轉(zhuǎn)方向相反。當(dāng)兩個(gè)齒輪以鏈條帶動(dòng)時(shí)，它們的旋轉(zhuǎn)方向相同。為破解學(xué)生對(duì)于齒輪學(xué)習(xí)的困惑，可將此觀念進(jìn)行延伸練習(xí)：咬合多個(gè)齒輪后，分別朝順時(shí)針與逆時(shí)針?lè)较蚺?dòng)第一個(gè)齒輪，推測(cè)最后一個(gè)齒輪的旋轉(zhuǎn)方向。

（2）齒輪比的概念：齒輪比為齒輪的齒數(shù)之比，會(huì)影響齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。2個(gè)30齒的齒輪互相咬合，齒輪比為1：1，二者轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)一致。1個(gè)10齒的齒輪和1個(gè)30齒的齒輪互相咬合，齒輪比為1：3。當(dāng)30齒的齒輪轉(zhuǎn)完1圈，10齒的齒輪則會(huì)轉(zhuǎn)3圈，即齒數(shù)少的齒輪轉(zhuǎn)速比齒數(shù)多的快。

（3）齒輪的連接方向：齒輪除了可以在同一平面咬合，還能以90°咬合，將原本垂直地面旋轉(zhuǎn)的力轉(zhuǎn)變成平行地面旋轉(zhuǎn)的力（反之亦然），達(dá)到改變施力方向的目的。

2.2 滑輪

滑輪可分為定滑輪與動(dòng)滑輪。使用定滑輪后只要向下拉動(dòng)即可抬起物體，其對(duì)施力方向的改變與90°嚙合的齒輪有異曲同工之妙。動(dòng)滑輪則具有省力的功用，但會(huì)因此增加施力的相對(duì)距離。

（1）滑輪的旋轉(zhuǎn)方向：兩個(gè)滑輪在套上橡皮筋后會(huì)以相同方向旋轉(zhuǎn)，但若將橡皮筋反轉(zhuǎn)套入，則將改變滑輪的旋轉(zhuǎn)方向。轉(zhuǎn)動(dòng)最左邊的滑輪后，推測(cè)最右邊滑輪的旋轉(zhuǎn)方向，引導(dǎo)學(xué)生思考不同的滑輪組合與橡皮筋套入方式造成的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)果。

（2）定滑輪與動(dòng)滑輪組合：定滑輪可與動(dòng)滑輪結(jié)合，形成既能不費(fèi)力氣又能改變施力方向的系統(tǒng)。

2.3 杠桿

杠桿原理在日常生活中的應(yīng)用十分廣泛，小至剪刀、胡桃鉗，大至蹺蹺板、縫紉機(jī)。

（1）力臂的長(zhǎng)短會(huì)影響省力與費(fèi)力：依據(jù)杠桿的功能可分為等臂杠桿、省力杠桿和費(fèi)力杠桿三種。當(dāng)動(dòng)力臂大于阻力臂時(shí)，便將省力;當(dāng)動(dòng)力臂小于阻力臂時(shí)，便將費(fèi)力。滑輪是一種變形的杠桿，定滑輪的實(shí)質(zhì)是等臂杠桿，動(dòng)滑輪的實(shí)質(zhì)是省力杠桿。

（2）杠桿的支點(diǎn)位置會(huì)影響杠桿的功能：支點(diǎn)不一定都在動(dòng)力點(diǎn)與阻力點(diǎn)中間。當(dāng)阻力點(diǎn)位于動(dòng)力點(diǎn)與支點(diǎn)之間，動(dòng)力臂永遠(yuǎn)比阻力臂長(zhǎng)，位移的距離長(zhǎng)卻造成省力的效果，例如開(kāi)瓶器。當(dāng)動(dòng)力點(diǎn)位于阻力點(diǎn)與支點(diǎn)之間，阻力臂永遠(yuǎn)比動(dòng)力臂長(zhǎng)，位移的距離短卻造成費(fèi)力的效果，例如鑷子。

3 透過(guò)智高積木進(jìn)行動(dòng)物骨骼的概念教學(xué)

只有脊椎動(dòng)物才有內(nèi)骨骼，而所有脊椎動(dòng)物的內(nèi)骨骼構(gòu)造都依循相同的形制：軀干部位的脊椎骨由不動(dòng)關(guān)節(jié)和半關(guān)節(jié)連結(jié)，主要功能在于支撐;四肢骨由動(dòng)關(guān)節(jié)連結(jié)，主要功能在于運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行機(jī)械式的動(dòng)力傳導(dǎo)。在本活動(dòng)學(xué)習(xí)中，透過(guò)元件間的組合配置來(lái)呈現(xiàn)身體不同部位的骨架結(jié)構(gòu)。

3.1 說(shuō)明積木連結(jié)原理，凹槽與凸點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)

智高積木的元件與元件之間以凹槽與凸點(diǎn)相連結(jié)，正如脊椎動(dòng)物的骨頭與骨頭之間以關(guān)節(jié)相連結(jié)。此外，還要考慮骨架結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向與積木模型的支撐力量，比如關(guān)節(jié)動(dòng)作的協(xié)調(diào)性、整體架構(gòu)的穩(wěn)定性等，從而采用合適的積木元件并兼顧設(shè)計(jì)上的可行性。學(xué)生在練習(xí)過(guò)程中，可以從自己的身體入手，加深對(duì)人體構(gòu)造的了解。

3.2 以人的手掌與腳掌為例，進(jìn)行仿作練習(xí)

此步驟是對(duì)積木構(gòu)筑與關(guān)節(jié)運(yùn)用掌握程度的評(píng)估環(huán)節(jié)，也是針對(duì)骨骼概念與創(chuàng)意思考進(jìn)行探討的關(guān)鍵。在練習(xí)過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)以下瓶頸：（1）骨節(jié)數(shù)有誤、接點(diǎn)錯(cuò)誤、未固定結(jié)構(gòu)。人的手掌骨骼仿作涉及指骨、掌骨、腕骨、橈骨和尺骨。在有些學(xué)生的仿作中，由于拇指的連結(jié)位置有誤，呈現(xiàn)五指并排的狀況，而非靈長(zhǎng)類拇指與另四指對(duì)合的特征。（2）關(guān)節(jié)運(yùn)用不當(dāng)。人的腳掌骨骼仿作涉及趾骨、跖骨、楔狀骨和舟狀骨。在有些學(xué)生的仿作中，由于過(guò)度精簡(jiǎn)，以致腳趾關(guān)節(jié)未完全呈現(xiàn)，分辨不出是腳掌結(jié)構(gòu)。

4 團(tuán)隊(duì)協(xié)作中的認(rèn)知與創(chuàng)意呈現(xiàn)階段

本研究透過(guò)團(tuán)隊(duì)游戲的方式，讓學(xué)習(xí)者有機(jī)會(huì)在小組討論中提升社交技能，同時(shí)集合并調(diào)整完成作品所需的知識(shí)認(rèn)知與創(chuàng)意思維，最終呈現(xiàn)出集體智慧的成果。另外，智高積木元件具有一定的彈性與延伸性，非常適合動(dòng)手實(shí)踐，能在操作過(guò)程中立刻得到反饋，忠實(shí)傳達(dá)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的認(rèn)知與創(chuàng)意。

4.1 簡(jiǎn)單機(jī)械設(shè)計(jì)的認(rèn)知與創(chuàng)意呈現(xiàn)

（1）風(fēng)車：風(fēng)車的造型多變，功能也十分繁多，有的可以用來(lái)發(fā)電，有的可以用來(lái)磨碎谷物，但其原理皆是利用風(fēng)作為主要?jiǎng)恿Α＿\(yùn)用90°嚙合的齒輪，改變施力方向，設(shè)計(jì)扇葉形風(fēng)車。

（2）吊車：吊車在工程中扮演了不可或缺的角色，能夠把鋼筋等建筑材料以吊掛的方式運(yùn)往高處。通過(guò)集線器將線收短產(chǎn)生向下的力，再借助滑輪將物體向上移動(dòng)，完成簡(jiǎn)易的吊車模型。

（3）投石機(jī)：投石機(jī)是古代最重要的遠(yuǎn)程武器。根據(jù)其操作方式可分為扭力投石機(jī)和重力投石機(jī)，前者利用繩子的扭力作為動(dòng)力，后者則利用物體下墜后的重力以杠桿原理帶動(dòng)。透過(guò)改變力臂的長(zhǎng)度影響投擲的力量與距離，制作出重力投石機(jī)。

（4）腳踏車：腳踏車的特別之處在于它是一個(gè)復(fù)合型簡(jiǎn)單機(jī)械裝置，可以應(yīng)對(duì)不同的路況。它的變速器應(yīng)用了“齒輪比”的概念，透過(guò)大齒輪以鏈條帶動(dòng)小齒輪，使得輪胎的轉(zhuǎn)速比腳踩的轉(zhuǎn)速快，雖然費(fèi)力卻能達(dá)到快速前進(jìn)的目的。當(dāng)遇到上坡時(shí)，利用變速器減少齒輪間的齒輪比，雖然速度變慢卻能達(dá)到省力的目的。

4.2 動(dòng)物骨骼仿作的認(rèn)知與創(chuàng)意呈現(xiàn)

（1）硬骨魚(yú)骨架：在硬骨魚(yú)骨架的仿作過(guò)程中，需要注意魚(yú)鰭與脊椎的連接方式、魚(yú)身游動(dòng)時(shí)尾鰭的擺動(dòng)方向、魚(yú)下顎的開(kāi)闔動(dòng)作等。

（2）青蛙骨架：蛙類是脊椎動(dòng)物登陸后，最早適應(yīng)陸地生活環(huán)境的物種。青蛙的骨骼組成較為簡(jiǎn)單，其運(yùn)動(dòng)方式是仿作的重點(diǎn)。跳躍的移動(dòng)使得青蛙前后肢的骨骼處于可隨時(shí)躍起的蹲踞狀態(tài)，此運(yùn)動(dòng)特色也反映在其髂骨與尾桿骨的特殊構(gòu)造上。仿作應(yīng)當(dāng)在蹲姿與躍姿間流暢轉(zhuǎn)換，呈現(xiàn)出后肢如彈簧般壓縮與伸展的變化。

（3）袋鼠骨架：袋鼠是以跳躍為主要運(yùn)動(dòng)方式的陸生動(dòng)物，但它的體型比青蛙大得多。站姿為袋鼠的常見(jiàn)姿態(tài)，因此下肢與尾部的支撐相當(dāng)重要，進(jìn)行仿作時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生思考骨架的重心位置，并借此提醒學(xué)生強(qiáng)化相應(yīng)的骨骼設(shè)計(jì)。

4.3 常見(jiàn)的學(xué)習(xí)瓶頸

在將真實(shí)的骨骼構(gòu)造作為參考依據(jù)的基礎(chǔ)上，只有深入認(rèn)識(shí)脊椎動(dòng)物的各部位構(gòu)造原理與運(yùn)動(dòng)方式，才能準(zhǔn)確仿作出具有動(dòng)作功能及整體平衡性的生物骨架結(jié)構(gòu)。

（1）多元件組裝的疑義與障礙：在仿作的過(guò)程中，臨摹與思考動(dòng)物骨架與積木模型之間的對(duì)比轉(zhuǎn)換是本活動(dòng)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。然而學(xué)生在組裝元件時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)積木彼此相鉗制、缺少對(duì)應(yīng)鑲嵌位置的情況。對(duì)此，我們要增強(qiáng)學(xué)生對(duì)積木元件的靈活運(yùn)用，嘗試各類型元件的組合搭配。

（2）缺乏對(duì)運(yùn)動(dòng)方式的思考：在講授脊椎動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，教師通常會(huì)運(yùn)用靜態(tài)的平面圖，導(dǎo)致學(xué)生容易直接照搬。碰到這樣的問(wèn)題，可輔以影片說(shuō)明，引導(dǎo)學(xué)生想象動(dòng)物在立體空間中的運(yùn)動(dòng)方式，探討骨架中各組成部位在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相對(duì)位置及連接形式。比如，學(xué)生在仿作青蛙骨架時(shí)，多以固定方式組裝其后肢，沒(méi)有顧及骨骼構(gòu)造對(duì)身體伸展范圍的影響。

（3）整體結(jié)構(gòu)支撐與穩(wěn)定度不足：尾巴對(duì)袋鼠而言非常重要，不論站立、跳躍或是跑動(dòng)，它都有著重要的支撐與平衡作用。由于骨架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用積木元件較多，在仿作時(shí)為了減輕整體的重量對(duì)其頭部做簡(jiǎn)化處理。袋鼠站立時(shí)軀干向上挺立，尾部向后延伸，建議學(xué)生強(qiáng)化尾部構(gòu)造并因此調(diào)整重心。

5 關(guān)于科學(xué)知識(shí)的素質(zhì)教育成效

在2018年臺(tái)灣宜蘭國(guó)際童玩藝術(shù)節(jié)上，“童玩普拉斯工作坊”在為期一天的時(shí)間中，邀請(qǐng)孩子們用積木建造夢(mèng)想中的歡樂(lè)世界。本研究以參與此次活動(dòng)的中小學(xué)生為對(duì)象，進(jìn)行滿意度調(diào)查。

超過(guò)半數(shù)的學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)械設(shè)計(jì)活動(dòng)及動(dòng)物骨骼仿作活動(dòng)表示滿意，認(rèn)為可以在有趣、開(kāi)心的氛圍中學(xué)習(xí)，透過(guò)積木游戲?qū)W到了科學(xué)知識(shí)，同時(shí)有助于社交能力的提升。從開(kāi)放式意見(jiàn)反饋中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生了積極的態(tài)度：對(duì)該活動(dòng)印象深刻，且期望下次繼續(xù)參與。

6 結(jié)語(yǔ)

要?jiǎng)?chuàng)設(shè)好的教育環(huán)境，就必須激發(fā)孩子的求知欲和好奇心，并提供展現(xiàn)其創(chuàng)意思維、社交情緒和社群發(fā)展的機(jī)會(huì)。從素質(zhì)教育的精神出發(fā)，結(jié)合游戲?qū)W習(xí)與動(dòng)手做學(xué)習(xí)的方式，本研究發(fā)現(xiàn)智高積木的彈性與延伸性，不僅適宜于創(chuàng)意概念的呈現(xiàn)與調(diào)整，而且適宜于團(tuán)隊(duì)協(xié)作的交流與溝通。學(xué)生可借由積木模型的結(jié)構(gòu)架設(shè)與錯(cuò)誤修正，從實(shí)踐中理解知識(shí)的應(yīng)用，加深自我對(duì)科學(xué)知識(shí)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)與體會(huì)。

素質(zhì)教育將知識(shí)、技能、態(tài)度、價(jià)值整合在一起，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)是完整的，避免為了考試而只偏重知識(shí)方面的學(xué)習(xí)。學(xué)生以小組為單位，結(jié)合案例、現(xiàn)象進(jìn)行學(xué)習(xí)。利用積木元件的組合反映出思維模式的建構(gòu)過(guò)程，為學(xué)生打造了一個(gè)自由發(fā)揮的學(xué)習(xí)場(chǎng)域。在以學(xué)生為本位的現(xiàn)代教育模式蔚為風(fēng)潮的趨勢(shì)下，以積木模型為媒介，跳脫過(guò)往的既定印象，將其用于不特定創(chuàng)意的呈現(xiàn)，從不同層面切入與知識(shí)學(xué)習(xí)結(jié)合，有助于學(xué)生達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

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