运用积木模型开展科学教育活动初探

李维育 钟明任 刘蓝玉

摘 要 旨在透过智高积木的组合，探讨素质教育的学习成效。研究人员将科学知识转化为小组分工的动手做课程，并在教学过程中持续与学生进行交流和沟通。课程架构分为两部分：简单机械设计与动物骨骼仿作，前者借助已知的工学原理如齿轮、滑轮、杠杆等概念来设计，后者则通过对哺乳动物骨架的观察，利用积木元件模仿其外观及功能。研究过程以小组同侪间的合作方式进行，研究人员则在学生以积木元件呈现自己的思考过程中实时反馈，并在学生间意见相左时参与讨论，帮助学生对问题的理解更加具体与清晰，一起找出可行且有创意的解决方案。在课后调查中发现，学生对课程显示出很高的兴趣，同时也学到了充足的知识。目前，素养导向式教学在科学教育中的重要性逐渐提升，市面上已出现不少相关的教具，希望在传统讲述式教学外提出更多不同类型的教学可能供教育人员参考。

关键词 素质教育 智高积木 简单机械 动物骨骼

0 引言

为了应对快速变化的世界，联合国教科文组织、经济合作与发展组织、欧洲联盟再三强调素质教育，并认为相较于传统教育，结合知识、技能、态度与价值的素质教育有助于学生适应不断变迁的未来。英国教育学家肯·罗宾森（Ken Robinson）指出，素质教育能培养学习者的批判思考、与他人合作、热情等能力，学会管理自己的生活，并拥有较高的情商。[1]

本文即以素质教育概念为基础，运用智高积木，发展出简单机械与动物骨骼两个主题式学习活动，并分析参与者满意度问卷，总结出活动成效。这就要求教师将讲述的比重降到20%，剩余80%为主题活动。教师仅做核心概念介绍，在学生主动参与的过程中提供帮助，促成彼此的合作、互相的学习。

1 以积木进行科学教育活动的理论基础

本研究在运用积木进行参与学习的活动规划上，主要依据游戏学习理论与动手做学习理论。

有人将游戏的场域诠释为一种动态的学习环境，更像是运作良好的工作环境，而不是学校里的教室。在这样的学习氛围中，更重要的是同侪间的合作学习，正如工作伙伴之间的相互交流。教育者的角色转变为观察取向，目的在于引导学习者探索与思考。[2]经过过去几年的发展，“游戏学习”的含义已经从“在游戏中学习”发展为“透过游戏与其他教学活动的结合来学习”。[3]

“做中学”的体验式学习，将教育与生活经验连结并在过程中进行探究，可以说是动手做学习不可撼动的原则。[4]让学生在探索过程中活用智慧，并提升解决问题的能力。[5]然而在学习过程中，学生常会遇到挑战，此时正是学习突破或停顿的分歧。透过动手做的活动，一边实践一边改进，将想法与实作进行来回验证。[6]

本研究的知识内涵着重于对简单机械与动物骨骼的认识，并透过智高积木的模型仿作进而熟悉结构单元的组成关系，同时在小组讨论的激荡中发挥创意。学习者在整个过程中以直观的方式面对问题，并从各组成元件的功能中找到问题的解决方式;讲授者在活动过程中更像是学习者的伙伴，观察学习者透过组装积木体现出的思考模式，并协助学习者建构完整的创意呈现历程。

无论简单机械设计还是动物骨骼仿作，两个活动都借助智高积木元件的灵活性、延伸性，以及可在短时间内验证学习者思维原型的特色，以团队游戏为手段落实素质教育的精神。除了科学知识的学习以外，还希望营造出交流式、探索式的氛围，让学生在活动结束后达成科学素养与人际交往能力双双提升的效益。

2 透过智高积木进行简单机械的概念教学

简单机械分为齿轮、轮轴、滑轮、劈、斜面、螺旋和杠杆七种[7]，下面针对其中的三种，以智高积木进行概念演示。

2.1 齿轮

对学生来说，关于齿轮的学习难点之一即是“齿轮转动的方向与快慢”。[8]本研究借助实际操作，帮助学习者建立齿轮相关的正确观念。

（1）齿轮的旋转方向：当两个齿轮互相咬合时，它们的旋转方向相反。当两个齿轮以链条带动时，它们的旋转方向相同。为破解学生对于齿轮学习的困惑，可将此观念进行延伸练习：咬合多个齿轮后，分别朝顺时针与逆时针方向扭动第一个齿轮，推测最后一个齿轮的旋转方向。

（2）齿轮比的概念：齿轮比为齿轮的齿数之比，会影响齿轮转动的圈数。2个30齿的齿轮互相咬合，齿轮比为1：1，二者转动的圈数一致。1个10齿的齿轮和1个30齿的齿轮互相咬合，齿轮比为1：3。当30齿的齿轮转完1圈，10齿的齿轮则会转3圈，即齿数少的齿轮转速比齿数多的快。

（3）齿轮的连接方向：齿轮除了可以在同一平面咬合，还能以90°咬合，将原本垂直地面旋转的力转变成平行地面旋转的力（反之亦然），达到改变施力方向的目的。

2.2 滑轮

滑轮可分为定滑轮与动滑轮。使用定滑轮后只要向下拉动即可抬起物体，其对施力方向的改变与90°啮合的齿轮有异曲同工之妙。动滑轮则具有省力的功用，但会因此增加施力的相对距离。

（1）滑轮的旋转方向：两个滑轮在套上橡皮筋后会以相同方向旋转，但若将橡皮筋反转套入，则将改变滑轮的旋转方向。转动最左边的滑轮后，推测最右边滑轮的旋转方向，引导学生思考不同的滑轮组合与橡皮筋套入方式造成的转动结果。

（2）定滑轮与动滑轮组合：定滑轮可与动滑轮结合，形成既能不费力气又能改变施力方向的系统。

2.3 杠杆

杠杆原理在日常生活中的应用十分广泛，小至剪刀、胡桃钳，大至跷跷板、缝纫机。

（1）力臂的长短会影响省力与费力：依据杠杆的功能可分为等臂杠杆、省力杠杆和费力杠杆三种。当动力臂大于阻力臂时，便将省力;当动力臂小于阻力臂时，便将费力。滑轮是一种变形的杠杆，定滑轮的实质是等臂杠杆，动滑轮的实质是省力杠杆。

（2）杠杆的支点位置会影响杠杆的功能：支点不一定都在动力点与阻力点中间。当阻力点位于動力点与支点之间，动力臂永远比阻力臂长，位移的距离长却造成省力的效果，例如开瓶器。当动力点位于阻力点与支点之间，阻力臂永远比动力臂长，位移的距离短却造成费力的效果，例如镊子。

3 透过智高积木进行动物骨骼的概念教学

只有脊椎动物才有内骨骼，而所有脊椎动物的内骨骼构造都依循相同的形制：躯干部位的脊椎骨由不动关节和半关节连结，主要功能在于支撑;四肢骨由动关节连结，主要功能在于运动，进行机械式的动力传导。在本活动学习中，透过元件间的组合配置来呈现身体不同部位的骨架结构。

3.1 说明积木连结原理，凹槽与凸点一一对应

智高积木的元件与元件之间以凹槽与凸点相连结，正如脊椎动物的骨头与骨头之间以关节相连结。此外，还要考虑骨架结构的运动方向与积木模型的支撑力量，比如关节动作的协调性、整体架构的稳定性等，从而采用合适的积木元件并兼顾设计上的可行性。学生在练习过程中，可以从自己的身体入手，加深对人体构造的了解。

3.2 以人的手掌与脚掌为例，进行仿作练习

此步骤是对积木构筑与关节运用掌握程度的评估环节，也是针对骨骼概念与创意思考进行探讨的关键。在练习过程中，学生经常出现以下瓶颈：（1）骨节数有误、接点错误、未固定结构。人的手掌骨骼仿作涉及指骨、掌骨、腕骨、桡骨和尺骨。在有些学生的仿作中，由于拇指的连结位置有误，呈现五指并排的状况，而非灵长类拇指与另四指对合的特征。（2）关节运用不当。人的脚掌骨骼仿作涉及趾骨、跖骨、楔状骨和舟状骨。在有些学生的仿作中，由于过度精简，以致脚趾关节未完全呈现，分辨不出是脚掌结构。

4 团队协作中的认知与创意呈现阶段

本研究透过团队游戏的方式，让学习者有机会在小组讨论中提升社交技能，同时集合并调整完成作品所需的知识认知与创意思维，最终呈现出集体智慧的成果。另外，智高积木元件具有一定的弹性与延伸性，非常适合动手实践，能在操作过程中立刻得到反馈，忠实传达团队协作的认知与创意。

4.1 简单机械设计的认知与创意呈现

（1）风车：风车的造型多变，功能也十分繁多，有的可以用来发电，有的可以用来磨碎谷物，但其原理皆是利用风作为主要动力。运用90°啮合的齿轮，改变施力方向，设计扇叶形风车。

（2）吊车：吊车在工程中扮演了不可或缺的角色，能够把钢筋等建筑材料以吊挂的方式运往高处。通过集线器将线收短产生向下的力，再借助滑轮将物体向上移动，完成简易的吊车模型。

（3）投石机：投石机是古代最重要的远程武器。根据其操作方式可分为扭力投石机和重力投石机，前者利用绳子的扭力作为动力，后者则利用物体下坠后的重力以杠杆原理带动。透过改变力臂的长度影响投掷的力量与距离，制作出重力投石机。

（4）脚踏车：脚踏车的特别之处在于它是一个复合型简单机械装置，可以应对不同的路况。它的变速器应用了“齿轮比”的概念，透过大齿轮以链条带动小齿轮，使得轮胎的转速比脚踩的转速快，虽然费力却能达到快速前进的目的。当遇到上坡时，利用变速器减少齿轮间的齿轮比，虽然速度变慢却能达到省力的目的。

4.2 动物骨骼仿作的认知与创意呈现

（1）硬骨鱼骨架：在硬骨鱼骨架的仿作过程中，需要注意鱼鳍与脊椎的连接方式、鱼身游动时尾鳍的摆动方向、鱼下颚的开阖动作等。

（2）青蛙骨架：蛙类是脊椎动物登陆后，最早适应陆地生活环境的物种。青蛙的骨骼组成较为简单，其运动方式是仿作的重点。跳跃的移动使得青蛙前后肢的骨骼处于可随时跃起的蹲踞状态，此运动特色也反映在其髂骨与尾杆骨的特殊构造上。仿作应当在蹲姿与跃姿间流畅转换，呈现出后肢如弹簧般压缩与伸展的变化。

（3）袋鼠骨架：袋鼠是以跳跃为主要运动方式的陆生动物，但它的体型比青蛙大得多。站姿为袋鼠的常见姿态，因此下肢与尾部的支撑相当重要，进行仿作时要引导学生思考骨架的重心位置，并借此提醒学生强化相应的骨骼设计。

4.3 常见的学习瓶颈

在将真实的骨骼构造作为参考依据的基础上，只有深入认识脊椎动物的各部位构造原理与运动方式，才能准确仿作出具有动作功能及整体平衡性的生物骨架结构。

（1）多元件组装的疑义与障碍：在仿作的过程中，临摹与思考动物骨架与积木模型之间的对比转换是本活动的学习重点。然而学生在组装元件时，经常出现积木彼此相钳制、缺少对应镶嵌位置的情况。对此，我们要增强学生对积木元件的灵活运用，尝试各类型元件的组合搭配。

（2）缺乏对运动方式的思考：在讲授脊椎动物的运动方式时，教师通常会运用静态的平面图，导致学生容易直接照搬。碰到这样的问题，可辅以影片说明，引导学生想象动物在立体空间中的运动方式，探讨骨架中各组成部位在运动过程中的相对位置及连接形式。比如，学生在仿作青蛙骨架时，多以固定方式组装其后肢，没有顾及骨骼构造对身体伸展范围的影响。

（3）整体结构支撑与稳定度不足：尾巴对袋鼠而言非常重要，不论站立、跳跃或是跑动，它都有着重要的支撑与平衡作用。由于骨架结构复杂，使用积木元件较多，在仿作时为了减轻整体的重量对其头部做简化处理。袋鼠站立时躯干向上挺立，尾部向后延伸，建议学生强化尾部构造并因此调整重心。

5 关于科学知识的素质教育成效

在2018年台湾宜兰国际童玩艺术节上，“童玩普拉斯工作坊”在为期一天的时间中，邀请孩子们用积木建造梦想中的欢乐世界。本研究以参与此次活动的中小学生为对象，进行满意度调查。

超过半数的学生对简单机械设计活动及动物骨骼仿作活动表示满意，认为可以在有趣、开心的氛围中学习，透过积木游戏学到了科学知识，同时有助于社交能力的提升。从开放式意见反馈中发现，学生对学习产生了积极的态度：对该活动印象深刻，且期望下次继续参与。

6 结语

要创设好的教育环境，就必须激发孩子的求知欲和好奇心，并提供展现其创意思维、社交情绪和社群发展的机会。从素质教育的精神出发，结合游戏学习与动手做学习的方式，本研究发现智高积木的弹性与延伸性，不仅适宜于创意概念的呈现与调整，而且适宜于团队协作的交流与沟通。学生可借由积木模型的结构架设与错误修正，从实践中理解知识的应用，加深自我对科学知识的进一步认识与体会。

素质教育将知识、技能、态度、价值整合在一起，强调学习是完整的，避免为了考试而只偏重知识方面的学习。学生以小组为单位，结合案例、现象进行学习。利用积木元件的组合反映出思维模式的建构过程，为学生打造了一个自由发挥的学习场域。在以学生为本位的现代教育模式蔚为风潮的趋势下，以积木模型为媒介，跳脱过往的既定印象，将其用于不特定创意的呈现，从不同层面切入与知识学习结合，有助于学生达到更好的学习效果。

参考文献

[1]Ken Robinson，Lou Aronica. The Element： How Finding Your Passion Changes Everything[M]. New York： Viking Press，2009.

[2]Michael Hoechsmann. What Video Games Have to Teach Us about Learning and Literacy[J]. McGill Journal of Education， 2007（2）：351-354.

[3]詹明峰，张铁怀.游戏学习分析架构[J].数位学习科技期刊，2018（3）：1-20.

[4]John Dewey. Democracy and Education[M]. New York： The Macmillan， 1959.

[5]黄一峯，朱耀明.知识来源对学生动手做活动学习影响探究分析[J].工业科技教育学刊，2013（6）：45-56.

[6]邱美虹.概念改变研究的省思与启示[J].科学教育学刊，2000（1）：1-34.

[7]陳亦羽.幼儿简单机械游戏性学材系统设计与实施——以齿轮为例[D].台北：台北教育大学，2009.

[8]李正森.国小高年级学生简单机械齿轮迷思概念之研究[D].台中：台中师范学院，2003.