培養兒童數理思維優勢的科學玩具設計

張曉利，陳亭廷

（黃山學院藝術學院，安徽黃山245041）

培養兒童數理思維優勢的科學玩具設計

張曉利，陳亭廷

（黃山學院藝術學院，安徽黃山245041）

在培養兒童數理思維能力的過程中，科學玩具可以發揮長足的優勢.以現有科學玩具的消費市場現狀為切入點，分析科學玩具的創新設計原則在于：安全性、科學性、交互娛樂性.在此基礎上，以解釋數學簡單運算法則的科學玩具——“運算樂”為例提出科學玩具系統化研發的策略，以期驗證科學玩具寓教于樂的優勢.

數理思維；競技規則；科學玩具

據統計,我國14歲以下人口有3.8億,構成了龐大的玩具消費群體.有關兒童玩具消費調查結果顯示，58%的家長買玩具時考慮的是玩具能否開發孩子的智力.面對如此巨大的消費市場及消費導向，我國兒童益智玩具的質量和設計仍普遍存在娛樂方式單一、使用期限短等問題.亟待通過新穎的設計理念創造出切實符合兒童心理需求的、娛樂益智科學于一體的并有望未來走向國際市場的兒童益智玩具，從而構建一種學習、益智、娛樂相輔相成的新娛樂方式.基于此，通過對加減乘除簡單的運算法則以競技比賽的形式展開研究，結合科學玩具設計案例，為兒童數學智能教育提供一種全新的培養模式思路，并塑造邏輯思維方式的啟蒙技術，為益智類玩具的開發模式提供一些借鑒.

1 科學玩具的使命——寓教于樂

科學玩具是指通過游戲性的玩樂來分析或解釋科學現象、運用或掌握科學原理，能在娛樂中去獲取科技知識，鍛煉各種能力，開發智力的玩具.可見，科學玩具是人類探索科學世界的一種工具，它主要圍繞玩具中的科學原理，以互動玩具游戲為主要形式，在玩樂中激發潛在智慧，思考玩具內在的科學知識.娛樂和教育一直是國內外玩具發展的兩大主題，而科學玩具以學齡兒童為研究人群，探索的正是集娛樂和教育于一體的結合方式，即如何寓教于樂.例如，數學作為我國小學義務教育中的必修科目，主要以邏輯推理為主，培養小學生的邏輯思維能力，但是由于數字的單一性和缺乏形象感，一直對于好動、對形象和色彩高度敏感的小學生來說卻顯得單板和枯燥.如何寓教于樂，培養數理思維的全新模式，激發小學生高度的學習熱情，以避免偏科現象的產生，科學益智玩具就顯得格外具有開發價值.可見，寓教于樂——使兒童在游戲娛樂中獲取知識是科學玩具的主要使命.

2 科學玩具的創新設計原則

2.1 安全性設計原則

科學玩具的用戶群體主要以學齡兒童和青少年為主，講究安全性仍是第一原則.2007年6月1日，我國就童車、電動玩具、塑膠玩具等玩具產品專門宣布了強制執行的3C認證制度，從而使兒童玩具的設計、生產和銷售有了安全性生產的法制規范.任何玩具的設計都應符合相應的安全標準才能進入市場，科學玩具也不例外，如對玩具表面色彩涂料的化學物質含量、設計造型上的棱角等可能造成傷害性的處理，可拆卸部分的大小體積處理和玩具的牢固性處理等，都涉及玩具的安全問題.

2.2 制定動機需求戰略，即科學性設計原則

兒童和青少年是科學益智玩具的主要用戶群體，科學性的指導原則也相應要得到重視.科學玩具與普通玩具的主要區別在于寓教于樂，即在“玩”的過程中獲得“學”的動力，從而有效地培養用戶邏輯思維能力、記憶力、耐力和意志力等方面的優勢.為此，必須以科學的原理來指導設計.具體實踐則要通過制定動機需求戰略來完成.

制定動機需求設計戰略，即把滿足兒童的特定需要設定為第一設計目標，設計出符合特定階段、特定需要的兒童益智玩具.科學玩具應滿足用戶的智性需求，即用戶提高智能水平及解決問題的能力、效益、速度等方面的要求.智力需求在不同階段的兒童群體中表現也為多元化趨勢，設計者應針對不同階段兒童的思維特點進行設計.例如，11-13歲的兒童，其大腦發育的結果顯示出對外在事物的認知正發生重組和改善，思維能力開始表現出一定的彈性特征，不僅能夠抓住具體事務的主要表象特征，而且獲得了一定的邏輯分析和運算能力.換句話說，該階段兒童已經具備基本的經驗思維能力.因此，應根據這一階段兒童的邏輯思維特點有針對性地開發有助于訓練兒童計算技能、使兒童形成各種科學的基本邏輯概念和邏輯分析能力的益智玩具.[1]總之，科學玩具的科學性體現主要在于設計者應依據用戶群體思維發展階段的特征，才能設計出相應的年齡階段的益智玩具.

2.3 創意科學玩具設計仍然要以“玩”為主，即交互娛樂性設計原則

興趣是學習與創新的原動力.有效提高孩子學習興趣的途徑之一就是讓孩子“玩”起來.只有在玩的過程中，孩子才會具有強大的好奇心，產生探索的愿望.而科學玩具恰好能夠提供給兒童一種獨特的學習途徑和方式，有效而具有操作性.衡量兒童智力發展的標準，不僅要看其語言和邏輯推理能力，還要看其空間知覺能力、動手能力及人際交往等方面的能力.[2]這些能力往往都是在兒童游戲中、在與周圍環境互動中形成的.由此，研發兒童益智玩具時，增加玩具的互動要求，尤其是群體性之間的游戲或者競技互動，是科學玩具培養兒童各方面智力發展的有效途徑.科學玩具，終究是玩具，在玩具的作用中具有詮釋科學原理的功效是其設計的主要目的.設計科學玩具時仍要注意“教”的色彩不能濃于“玩”.

3 科學玩具設計實踐策略——在娛樂中學會運算

數學運算是數學學科的重要內容，是訓練學生計算能力的重要基礎.計算能力是一項基本的數學能力，它主要指邏輯思維能力與運算技能的結合，即能夠根據題目條件尋求簡捷、合理的運算途徑.它不能獨立存在和發展，而是與觀察力、記憶力、理解力、推理能力、表達能力及空間想象能力等一般能力相互滲透、相互支撐形成一種綜合性的能力.[3]可以說，學生計算能力的高低直接影響著學生學習的質量.

整數的加、減、乘、除四則運算作為最基本的數學運算法則，小學生通常主要依賴教師在課堂教學中的問題導入及示范導向進行學習.即便教師很努力地去設置趣味化的課堂情景和互動環節，這對于天生好動、只對形象和色彩敏感，而厭倦單一和抽象符號的小學生來說仍常常感到單板和枯燥，無法集中課堂的注意力.依據數學運算法則設置互動游戲，并通過競技比賽的形式展開不失為彌補課堂不足寓教于樂的有效措施.具體實踐過程如下：

3.1 競技規則設置——培養數理思維優勢

對小學數學中加、減、乘、除四種運算法則進行分析，通過競技結果的數值比較來設計游戲規則，可單人練習或者2人以上進行競技，也可成組競技，形成理論層面的總結，從而為研究益智玩具的形態與造型提供基礎理論平臺.利用數學知識點的簡單原理，以競技的形式，塑造全新的邏輯思維方式.對小學數學中加、減、乘、除四種運算法則進行分析，通過競技結果的數值比較來設計游戲規則，可單人練習或者2人以上進行競技，也可成組競技，形成理論層面的總結，從而為研究益智玩具的形態與造型提供基礎理論平臺.通過文獻資料跟蹤結果來看，運用游戲性的娛樂解釋和分析科學現象能夠有利于學生的智力開發，并鍛煉各種能力，具有一定的創新性.

3.2 數學科學玩具產品設計實踐

在加、減、乘、除簡單運算的競技規則基礎上，運用產品設計的方法與理論展開方案論證，研究基于小學科學玩具的創新性策略；通過詳實的市場調研分析，指出現階段益智玩具名不符實的局面因素，并提出應對的策略，并通過草案、定案、三維建模等模擬環境以實現益智玩具具有較高科學含金量的理想形態.鑒于三維模型在虛擬空間中尺度、材料、色彩中的不確定性因素，通過實物模型的制作來不斷推敲方案的科學性，并設想運用棋盤式的方式實現競技平臺，運用平面編排設計模擬競技環境，以得到相對最優的模型方案，提高游戲競技中的公平性.

3.3 追蹤驗證

在前面研究的基礎之上，利用實物模型進行多次測試，通過比較法來不斷調整游戲規則中的關卡設置尺度與科學性，并通過問卷調查的方式進行小學生群體試驗，驗證本課題中人機交互方法在改善和提高益智玩具的娛樂性，特別是科學性和邏輯推理方面的優越性和有效性，是否能夠真正有助于激發小學生對數學知識的濃厚興趣.

擬定了研發策略之后，在科學玩具的原則指導下，筆者的設計項目團隊最終確定設計一款以解釋加減乘除運算法則為主題的玩具，在考慮安全、市場、材料等因素的前提下，進行整合創新設計.設計團隊根據多方信息反饋整理，最終方案確定為一款數學魔方塑料材質玩具，見圖1.

圖1 數學魔方（設計者：黃山學院張曉利、張大瑞）

4 結束語

上述科學玩具的實踐有效地驗證了其在培養兒童的數理思維方面的優勢.可見，詮釋科學原理，寓教于樂是科學玩具設計中“玩”的延伸.將交互娛樂性理念充分融合到玩具產品的開發設計中，不僅能使兒童在游戲互動中體驗游戲樂趣、增長知識，而且是玩具行業產業升級中提升產品附加值最為直接的方式.

〔1〕劉華偉，余敏．兒童益智玩具的創新設計[J]．鄭州輕工業學院學報(社會科學版)，2010（2）：55.

〔2〕楊華，王樂．兒童益智玩具的體驗設計研究[J]．包裝工程，2011（14）：66．

〔3〕蔡章建．小學數學運算能力培養探究[J].中國科教創新導刊，2010（21）：61.

G614

A

1673-260X（2013）07-0228-02

安徽省大學生創新項目資助