STEAM教育理念在竹木玩具创新设计中的应用

申雪嫣 王 军

(浙江农林大学 浙江临安 311300)

随着教育理念的更新和教育技术的进步，家长对孩子教育的要求越来越高，尤其体现在选择玩具方面，力求寻找一种能让孩子在娱乐中学习知识或者技能且安全健康的玩具，于是基于STEAM教育理念研发的玩具应运而生。STEAM代表科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Arts)、数学(Mathematics)[1]。STEAM教育是在真实情境中以多学科融合的方式培养学生STEAM素养的一种教育形式[2-4]，其内涵主要涉及7个方面：跨学科整合、在做中学、创新意识、基于项目与问题、依托工具与资源、真实情境下的探究、多元主体共同参与[3]。STEAM玩具按照使用方法可分为5类[5]：编程类、机器人类、拼接搭建类、科学实验与工程类、3D打印类。

竹制玩具因其材料的独特性而具有造型简洁、使用方便、雅俗共赏的特点。竹制玩具多为民间传统玩具，如风筝、竹蜻蜓、竹高跷、空竹等，许多这类玩具至今仍在广泛使用。由于加工技术的限制，市场上的新型竹制玩具多是以竹集成材加工而成，未能体现出竹材自身的特性[6]。根据结构特征木制玩具可分为堆积式、拼接式、组装固定式、互动式4类，其连接方式多样，如榫接合、胶接合、机械接合等，因此木制玩具在拼接组合时玩法丰富，深受市场的欢迎[7]。另外，由于木材纹理柔和自然，与其他材料结合包容性强，在儿童玩具领域中具有独特优势。

目前STEAM教育的理论基础相对完善，但在竹木玩具中的应用研究相对缺乏，也缺少相应的设计规范，使得市场上STEAM竹木玩具较少。中国STEAM玩具大多数还处于仿制阶段，例如仿乐高的拼装类玩具、仿WobbleWorks公司的3D打印笔等，国内自主研发的STEAM玩具很少。竹材和木材均为天然可再生材料，加大STEAM竹木玩具的开发对于减少碳排放、减轻环境压力具有重要意义。

1 STEAM玩具市场调查

通过电商平台调研了117种市场上常见的STEAM玩具(图1)，并根据功能和材质对玩具进行分类。

图1 市场调查的117种STEAM玩具Fig.1 The market investigated 117 kinds of STEAM toys

1.1 STEAM玩具的功能类型

根据玩具的功能，STEAM玩具可分为编程机器人类、3D打印笔类、拼搭类、实验探索类、生活技术类以及算术类等6大类，它们在所调查的玩具中所占比例分别为16%、12%、28%、22%、16%和6%。从使用功能看，STEAM玩具的目的是培养孩子的动手能力、创造力、语言能力和协调性，开发智力，强化孩子对色彩的认知能力。

1) 编程机器人类(图1编号1—19)。以简单的基础编程为主体内容，通过人工智能程序，将编程内容游戏化、可视化，通过与机器人的互动游戏来学习编程，培养孩子的数学、计算、逻辑以及创造思维能力。

2) 打印笔类(图1编号20—33)。以3D打印技术为基础，利用聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等材料，让使用者进行二维或三维的图形创作或组装，可以起到锻炼孩子心理和生理的双重效果。

3) 拼搭类(图1编号34—66)。分为拼接和搭建2类，均是以多种基础部件为元件，按照示意图拼搭或自由创作，有助于段落儿童的动手能力、模仿能力、创作能力以及想象力。

4) 实验探索类(图1编号67—92)。以物理学、化学、生物学、天文学的原理为基础，让孩子动手实践、感受实践结果的玩具，孩子可以从中感受生活中的科学，从而对科学知识产生兴趣。

5) 生活技术类(图1编号93—110)。以生活中已被现代科学技术所代替的传统手工技术(如纺织、造纸等)为基础，以体验原始活动、了解技术发展的阶段性成果为目的的玩具，可再现历史技术，拓展知识，激发孩子对传统技艺和文化的兴趣。

6) 算术类(图1编号111—117)。以数字运算为核心，将运算过程可视化、生活化、故事化的玩具，可培养孩子的算术能力，降低运算过程的沉重感。

1.2 STEAM玩具的材料类型

根据玩具制作使用的材料，STEAM玩具可分为竹木玩具、塑料玩具和其他材料玩具，各类型玩具在所调查的玩具中所占比例分别为31%、59%和10%。塑料玩具由于具有材质成本低、可塑性高、绝缘性与耐侵蚀性较好、色彩多变等优势，在市场上占据了最大的份额。竹木玩具因对加工工艺要求较高、使用范围受限较大且生产成本相对较高，限制了其在市场上的推广。

竹子是重要的可再生生物资源，其生长周期短、成材快、产量大，竹材具有强度高、韧性好、易加工、易降解、有天然质感[8-10]、可循环利用等特性[11]，可进行多功能设计[12]。木材也普遍具有天然纹理，色泽柔和[13]，易于加工，且原料来源广泛[14]。因竹木原料的绿色可再生属性，其在STEAM玩具领域的应用潜力巨大，未来有望成为玩具材料的主流。

2 STEAM玩具设计存在的问题

从市场调查结果可以发现，国内现有STEAM玩具存在如下问题。

2.1 缺少原创性

国内现有STEAM玩具多为效仿国外的设计，缺少与本土文化的融合。原创性的发掘应从本国传统文化出发，传承与学习本民族的优秀传统技艺，并将其融入玩具设计中。

2.2 模糊了STEAM玩具的独特性

市场上有许多打着STEAM旗号的“假”玩具，它们虽然对孩子的成长与发展有一定的作用，但称不上是STEAM玩具。STEAM玩具要符合至少探索STEAM中的2个领域，同时具有趣味性，这二者定义了STEAM玩具的内涵。失去了“STEAM”就只能被称为玩具或益智玩具，失去“趣味性”则只能称之为教具，而非玩具。

2.3 材料缺乏环保性

调查显示，近60%的STEAM玩具以塑料为主要材料，绿色环保的竹木类材料应用较少。塑料是极难降解的“白色污染”[15-16]，竹木是天然可再生的生物材料，其在功能性、经济性、审美性、实用性等方面的优势使之更适合作为玩具的主体材料，具有巨大开发潜力[6]。

2.4 娱乐中忽视了孩子的运动性

STEAM玩具普遍忽略孩子在玩耍过程中的状态，往往存在工程量大、长时间原地不动的问题。培养孩子的运动能力直接关系到孩子的健康与活力，玩具应该成为孩子养成好习惯的帮手。

3 竹木STEAM玩具的设计方向

基于上述存在的问题，竹木STEAM玩具的设计应遵从以下方向。

3.1 本土化

中国拥有独特和极富内涵的文化，比如在科学上，有日晷对时间的探索，有指南针对方向的探寻；在技术上，有木雕、皮影等。众多优秀的传统文化和技艺等可以新的形象展现在人们的生活中。STEAM玩具的发展应重视对中国本土文化的发掘，将其融入孩子的世界，让孩子在玩具中感受文化的魅力。

3.2 微课程化

在现有STEAM玩具中，特别是科学探索类，课程化趋势明显。玩具过于遵循课程标准，很容易失去“玩具”的本质，而成为为课本服务的教具。微课程化更重视培养举一反三或自我创造的能力，应以不同的基础素材，让孩子发挥想象，发现更多的可能性，做到自由应用，而不是无谓的“搬运”。

3.3 环保化

好的材料既可以满足产品的功能要求，也能够减少对自然和人类的伤害。竹木材料既环保又对人体无害，质感更亲和，而且耐用。尽管竹木材料在化学实验类和3D打印类STEAM玩具中应用机会少，但在其他类型的玩具中有很大的应用空间。

3.4 互动化

交流与沟通是孩子很重要的技能。在使用玩具过程中，孩子学会与他人协作、沟通，学会谦让、互助，培养与人相处的能力。在STEAM玩具中，机器人玩具的主打功能就是人机互动。机器人时而是老师，教授孩子知识与道理，时而是伙伴，陪伴玩耍。孩子与玩具的互动过程也是一种学习、探索、成长的方式。在人工智能和人机交互技术不断发展的未来，STEAM玩具需及时引入成熟技术，优化自身的配置。

4 竹制STEAM玩具设计实践

根据上述设计方向，设计了一款竹制STEAM玩具《影子世界》。

4.1 设计定位

该玩具是针对3～6岁的孩子而设计。这一阶段的孩子好奇心十分强烈，喜欢模仿周围人的肢体动作和语言，且动手能力逐渐增强[17]。针对这些特征，设计了这款互动性较强且使用难度不大的玩具，可以满足孩子的模仿需求、与家人互动需求和对动手能力的锻炼。

4.2 设计依据及目的

设计灵感源于家庭生活中的手影游戏和传统的皮影戏，其原理是基于STEAM中物理学知识——光沿直线传播。结合手影与皮影的娱乐方式，在纯粹的手部动作中加以外物的辅助，简单化手影游戏，帮助手部不够灵活的家长也能参与游戏，增强家长的参与性，同时孩子自己也能独自娱乐。

玩具的模块化拼接，操作简单，可变化性强，在培养孩子动手能力的同时，还可以培养孩子的创造性思维，增强对动物形态的认识以及艺术造型能力。

玩具的模块部分采用竹材本身的颜色，其余使用水漆上色彩，在玩耍过程中培养孩子对色彩的认知能力，同时增加对于竹木材的接触，感受竹木的亲和力。

4.3 玩具的材料与结构

玩具采用竹材，将动物的身体模块化、抽象化成多个单体，经过部分面的中心磁铁连接，组合成不同形状的整体(图2)。

图2 玩具在游戏时的不同造型Fig.2 Different shapes of toys in games

4.4 玩具使用方法

通过自由组装，拼成不同的外形，用双手加以变换的修饰，通过光沿直线传播的原理，在墙上形成不同的动物影子(图3)。

图3 玩具在游戏时的场景与呈现的效果Fig.3 Scene and effect of toys displayed in games

4.5 设计特点

该玩具设计体现了本土化、环保化和互动化的原则，以本土化的皮影戏与手影游戏为设计原型，采用绿色环保的竹木材料，使用中可增强孩子与家人之间游戏互动的机会，让孩子在玩耍过程中体会到光沿直线传播的物理学知识在生活中的存在，同时也可激发孩子的想象力，培养其举一反三的能力。

5 结束语

对市场上现有的STEAM玩具调查发现，虽然玩具种类丰富，制作优良，但在制作过程中普遍存在缺失原创性、独特性、运动性以及使用材料的环保性等问题。为此，提出了STEAM玩具设计应注重本土化、微课程化、环保化以及互动化的建议，期望STEAM玩具的设计更符合孩子及社会的要求，使孩子在玩耍过程中学习，在玩耍中锻炼自我。