基于小學(xué)科學(xué)課程的STEAM教具創(chuàng)新設(shè)計

［收稿日期］ 20230224

［第一作者］ 朱震東（1993-），湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為STEAM教育和醫(yī)療設(shè)備的人機(jī)工程學(xué)。

［文章編號］ 1003-4684（2024）03-0093-08

［摘" 要］ 本研究旨在探索基于小學(xué)科學(xué)課程的STEAM教具創(chuàng)新設(shè)計方法，以提升兒童在科學(xué)學(xué)習(xí)中的興趣和學(xué)習(xí)質(zhì)量。首先，通過文獻(xiàn)綜述和實地調(diào)研，分析了STEAM教育理念與小學(xué)科學(xué)課程的關(guān)系，并確定了STEAM教具設(shè)計的重要性；接著采用德爾菲方法和結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）相結(jié)合的方法，對兒童在科學(xué)課學(xué)習(xí)中的用戶需求進(jìn)行了深入研究；通過構(gòu)建STEAM教具體驗滿意度結(jié)構(gòu)方程模型，獲得了各個變量的影響權(quán)重值排序，并根據(jù)影響權(quán)重值制定了設(shè)計原則。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款兒童拼裝顯微鏡，提升了教具的可玩性、互動性和美觀度。本研究的創(chuàng)新點在于將德爾菲方法和SEM相結(jié)合，提高了用戶需求獲取的客觀性和準(zhǔn)確性，為STEAM教具的創(chuàng)新設(shè)計提供了新的思路和方法。

［關(guān)鍵詞］ 德爾菲法； 結(jié)構(gòu)方程模型； STEAM教具； 功能分析系統(tǒng)技術(shù)

［中圖分類號］ TS951" ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A

STEAM教育作為一種綜合性教育模式，旨在開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力；然而，學(xué)習(xí)倦怠是影響學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的重要因素；因此，如何設(shè)計STEAM兒童教具緩解學(xué)生的學(xué)習(xí)倦怠，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)質(zhì)量，正成為眾多學(xué)者探討的話題。目前，很多學(xué)者從兒童的心理、生理層面開展教具的相關(guān)研究［1-3］；由于兒童與教具交互的多元性，影響兒童使用體驗和學(xué)習(xí)需求的原因較為復(fù)雜，權(quán)重計算的一般性方法都難以保證客觀性，易使教具設(shè)計脫離用戶真實需求；而結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）擅長測量無法實際測量的變量，比如動機(jī)、態(tài)度、心理等問題，可以進(jìn)行間接性的指標(biāo)測量，SEM可以分析多個因變量和自變量之間復(fù)雜關(guān)系［4］。針對這一點，本研究在對兒童進(jìn)行學(xué)習(xí)狀況、學(xué)習(xí)需求的調(diào)研后，集成德爾菲法、SEM的優(yōu)勢，提出一種易于操作的需求獲取方法，并將關(guān)鍵需求映射到FAST功能樹，用于梳理兒童顯微鏡的具體功能，并對其進(jìn)行設(shè)計，為相關(guān)教具設(shè)計提供參考。

1" 德爾菲、SEM、FAST設(shè)計流程的建立

由于設(shè)計程序中難以定量捕捉的因素特征，需要運用德爾菲法比較分析，多輪與專家交換意見的往復(fù)過程中，修正少見的或不易干預(yù)的因素，最終得到準(zhǔn)確合理的維度集和指標(biāo)集。

在設(shè)計過程中，僅運用德爾菲法主觀性數(shù)據(jù)偏多，難以找準(zhǔn)設(shè)計著力點，需要與SEM的客觀測量相結(jié)合，SEM可同時觀測多個因變量；允許存在不可解釋的變異因素；SEM測量模型比傳統(tǒng)方式可塑性更強(qiáng)，單個指標(biāo)可依附多個因子；研究人員可搭建隱變量之間的關(guān)系，評估模型擬合度［5-6］。提取影響學(xué)習(xí)倦怠的外化因素，引入具有信息反饋和信息控制作用的德爾菲法，進(jìn)行多次篩選因素集，并結(jié)合結(jié)構(gòu)方程模型統(tǒng)計影響因素優(yōu)先級，從學(xué)習(xí)倦怠的外源因素入手，根據(jù)權(quán)重值排序帶入到功能分析系統(tǒng)技術(shù)中，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品功能，尋找更合理的設(shè)計切入點。為STEAM教育的本土化落地，以及學(xué)習(xí)倦怠負(fù)向心理狀態(tài)的干預(yù)，提供切實可行的教具設(shè)計方案，如圖1所示。

圖 1" 德爾菲、SEM、FAST設(shè)計流程

2" 設(shè)計評價維度及設(shè)計指標(biāo)的建立

據(jù)張治宇研究指出，創(chuàng)造高峰體驗的學(xué)習(xí)環(huán)境，經(jīng)學(xué)習(xí)者的親身體驗提高自我效能感，是解決學(xué)習(xí)倦怠的重中之重［7］；學(xué)習(xí)倦怠的識別干預(yù)，對提升學(xué)生的學(xué)習(xí)投入、學(xué)習(xí)效果有相當(dāng)重要的作用。因此，本研究認(rèn)為，外部環(huán)境、缺乏內(nèi)在動力、課堂活躍度、教師的行為和態(tài)度、學(xué)科、性別、年級均對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)有顯著影響，同時學(xué)習(xí)倦怠程度經(jīng)學(xué)生的心理和行為層面體現(xiàn)［8］。由此可見，干預(yù)學(xué)習(xí)倦怠是一個廣泛而龐雜的過程，且實際操作中是許多因素的綜合體現(xiàn)；因此，設(shè)計需求要素有待重新劃分，依照路徑系數(shù)，逐步針對解決。

通過對部分中小學(xué)生及家長、教師調(diào)研訪談，初步歸納了學(xué)習(xí)環(huán)境、心理狀態(tài)、行為特征、產(chǎn)品特性、用戶結(jié)構(gòu)、5個評價維度。

2.1" 關(guān)鍵性評價指標(biāo)提煉

德爾菲法能經(jīng)過多番專家征詢意見，最終達(dá)成一致，能避免群體決策可能存在的缺點，匿名收集觀點，使結(jié)果更加客觀［9］。很多研究者將該法運用在研究指標(biāo)的篩選中，為確保公信度和權(quán)威性，本研究運用德爾菲法對54個設(shè)計指標(biāo)篩選。

其中學(xué)習(xí)環(huán)境、心理狀態(tài)、行為特征三個維度的指標(biāo)，主要源于對兒童學(xué)習(xí)倦怠、學(xué)習(xí)投入的文獻(xiàn)研究，由文獻(xiàn)中的論點、關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)化而來；學(xué)習(xí)環(huán)境的指標(biāo)，包含學(xué)習(xí)的場所、氛圍、設(shè)備資源，以及外部壓力環(huán)境等指標(biāo)，這些外部因素直接影響到學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗和學(xué)習(xí)效果；心理狀態(tài)的指標(biāo)，涵蓋情緒、自我效能感、目標(biāo)動機(jī)、心理耗竭等指標(biāo)，這些內(nèi)部因素影響學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)過程的反饋和自學(xué)自主性；行為特征的指標(biāo)，包括生理耗竭、學(xué)習(xí)拖延、注意力失焦等行為，可以一定程度上反應(yīng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀況，當(dāng)出現(xiàn)以上行為出現(xiàn)時，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)質(zhì)量不佳。產(chǎn)品特性維度的指標(biāo)，源于專家和使用者對于產(chǎn)品功能的訴求，將干預(yù)學(xué)習(xí)倦怠、提升學(xué)習(xí)投入的方式，通過教具設(shè)計的手段展現(xiàn)，結(jié)合工業(yè)設(shè)計專業(yè)背景，知識，完善教具功能，解決問題。

遴選22位專家致函咨詢意見。專家分別為：5位兒童教育心理學(xué)專家，4位STEAM教育實踐專家，4位設(shè)計專家，5位教育一線工作者，4位中、小學(xué)生。經(jīng)三輪函詢達(dá)成一致意見，得到各項指標(biāo)的CR均值為0.818，通常認(rèn)為CR≥0.7可接受。因此，專家間的差異程度小，收斂度好，針對小學(xué)科學(xué)課程教具開發(fā)具有較高權(quán)威性；最終獲取指標(biāo)并編號排序，如表1所示。

2.2" 評價指標(biāo)的結(jié)構(gòu)方程模型分析

為更好的篩選評價指標(biāo)合理性，使用上述達(dá)成一致的5個評價維度和22個指標(biāo)構(gòu)建《小學(xué)科學(xué)課教具體驗滿意度SEM調(diào)查問卷》，采用里克特5級量表評估；研究對象主要分為兩類，五年級學(xué)生114人，六年級學(xué)生91人。擴(kuò)散問卷205份，最終征集問卷189份，有效率達(dá)到92%。

2.2.1" 信、效度檢測" 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 23進(jìn)行計算，統(tǒng)計信度、效度。信度系數(shù)均大于0.7，說明這四個維度的內(nèi)部信度較好；總體信度效果為Cronbach's α=0.898，如表2所示。

效度檢驗，由表3中獲悉，KMO值、Bartlett球體分析值、顯著性值，證明可進(jìn)行因子分析，如表3所示。

可靠性檢驗合格后，得到總方差解釋表，從問卷22項問題項目中提取5個特征值高于1的主要因素。這5個主要因子的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到72.401%，表示貢獻(xiàn)率大，因子可以代表原來的變量，因子的劃分合理。

SPSS因子分析獲得“旋轉(zhuǎn)成分矩陣”。由表4可知，各因子負(fù)載均高于0.6，且各題項未出現(xiàn)交叉負(fù)載過重的現(xiàn)象，各被測變量匯集于對應(yīng)的因子，因此問卷的結(jié)構(gòu)效度優(yōu)秀。

2.2.2" 模型適配度驗證" 將上述5個評價維度以及22評價指標(biāo)代入AMOS23軟件中，繪制對應(yīng)的模型圖，運用最大概似估計法開展模型適配度驗證，如表5所示。由表5可知，3類指標(biāo)的各項值均處于判斷標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，說明絕對符合指標(biāo)、增值符合指標(biāo)、簡約擬合指標(biāo)均合理，模型指標(biāo)適配成功，如圖2所示。

從表6歸一化路徑系數(shù)可知，5個維度對體驗滿意度的回歸系數(shù)均為正。其中人口學(xué)變量的路徑系數(shù)為0.142，但不顯著。

同時學(xué)習(xí)環(huán)境、心理狀態(tài)、行為特征、產(chǎn)品特性路徑系數(shù)分別為0.182、0.210、0.287、0.415，且對體驗滿意度含有顯著正向影響的假設(shè)成立。從路徑系數(shù)的大小可以看出，產(chǎn)品特性對體驗滿意度的影響最大，其次是行為特征、心理狀態(tài)、學(xué)習(xí)環(huán)境。

由表7獲悉，模型中各變量的標(biāo)準(zhǔn)化因子負(fù)載值均高于0.6，各隱性變量之間有較好的關(guān)聯(lián)性，綜合上述指標(biāo)適配分析，表明模型的基本適配度較為理想，滿足良好結(jié)構(gòu)效度的要求。根據(jù)5個潛變量，分別對顯性測量變量的影響大小進(jìn)行排序，得到設(shè)計指標(biāo)得優(yōu)先級排序，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計任務(wù)展開，各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化因子載荷排序如表7所示。

3" 明確產(chǎn)品功能要素

使用結(jié)構(gòu)方程模型計算出各指標(biāo)權(quán)重排序后，結(jié)合FAST將指標(biāo)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品功能。首先確定教具的主功能為教學(xué)，將產(chǎn)品特性維度的需求作為關(guān)鍵點，教育屬性作為產(chǎn)品的基本功能考慮；依照權(quán)重值功能設(shè)計輸出，教育性、趣味性、安全性、易用性、可持續(xù)性是教具設(shè)計的側(cè)重點，再下沉至末端子功能，構(gòu)建FAST功能樹，實現(xiàn)設(shè)計策略與設(shè)計實踐的鏈接；以“目標(biāo)——方法”作為邏輯關(guān)系展開梳理，繪制FAST功能樹（圖3）。

將學(xué)習(xí)增強(qiáng)放在功能樹首行首列是教具作為演示和實驗工具的基本屬性；游戲化是提升教具趣味性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的重要手段，故排在次級功能；教具的安全性也是教師和家長最關(guān)心的方面，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)與教具的安全息息相關(guān)置于第1行第3列；提供及時的正向反饋是兒童快速獲悉自身學(xué)習(xí)情況、調(diào)整學(xué)習(xí)策略的重要方法，因此作為第1行第4列功能；模塊化作為整體設(shè)計理念，指導(dǎo)教具的設(shè)計方向。

進(jìn)一步對第1列的基本功能逐次分解，依照需求分解學(xué)習(xí)增強(qiáng)，顯微鏡教具對學(xué)習(xí)增強(qiáng)的主要功能在于實驗演示，之后再是觀測實驗對象，放大物體作為重要優(yōu)先級；同時，照明也影響使用者操作精度，最后調(diào)節(jié)相應(yīng)的鏡頭和教具，提供清晰成像。第2列以提升學(xué)習(xí)興趣需求為主，將兒童顯微鏡使用過程游戲化作為首要功能，其次借鑒樂高自主搭建學(xué)習(xí)方式；同時，在操作過程中通過聲音、圖像建立強(qiáng)互動，最后是教具外觀的造型、配色，吸引兒童注意力。第3列對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)展開分解，優(yōu)先保護(hù)兒童，獲得防止眼部損傷、防止零件誤吞等子功能。第4列針對易用性需求，首先是及時反饋功能，通過及時的反饋調(diào)整兒童的學(xué)習(xí)策勒，達(dá)到易用的效果，其次是鼓勵強(qiáng)化，通鼓勵強(qiáng)化易用感受，之后是教具的操作和搭建難度與兒童的心智成長相匹配。第5列為實現(xiàn)教具的可持續(xù)性，進(jìn)一步分解為模塊化的可拆卸回收功能，降低了教具的生產(chǎn)和維護(hù)成本，教具的靈活性、擴(kuò)展性得以提高，并且兼顧的學(xué)習(xí)群體更廣。

4" STEAM教具的設(shè)計原則

基于前文的數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合人群特征，以及當(dāng)前的科學(xué)課教學(xué)存在的具體問題，整合課程、項目、知識點、和教具。

小學(xué)科學(xué)課教具設(shè)計的重點在于包含的知識點、能力培養(yǎng)、互動性、難易成度與年齡的適配性以及與教學(xué)大綱的相關(guān)性，同時要調(diào)動兒童的興趣；是教具設(shè)計的研究價值所在。圍繞教具設(shè)計的重點，以及學(xué)生學(xué)習(xí)倦怠的數(shù)據(jù)結(jié)果，梳理出以下4點設(shè)計原則。

4.1" 設(shè)計聯(lián)系小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)

在產(chǎn)品特征變量中，設(shè)計與學(xué)科、課標(biāo)密切相關(guān)的教具產(chǎn)品。學(xué)生的接受能力與思維模式分階段成長，教具所涵蓋的知識內(nèi)容，應(yīng)參考學(xué)生相關(guān)認(rèn)知，以其實踐能力、認(rèn)知能力為根本，適當(dāng)預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)任務(wù)的難度；參考現(xiàn)有課程內(nèi)容以及教學(xué)大綱作為教具研發(fā)的前提條件，尋找教具與新課標(biāo)的有效對應(yīng)路徑。在課堂中采用項目式教學(xué)，將各項目替代學(xué)習(xí)單元，各項目含有對應(yīng)課程的知識點，并使用相應(yīng)的配套教具產(chǎn)品。

因此教具的設(shè)計步驟，需要先將相應(yīng)課程轉(zhuǎn)化為項目，明確項目中的知識點、能力，然后緊密圍繞項目開展教具設(shè)計，重點在于預(yù)判教具的使用過程，依據(jù)各種使用過程的可能性，將需要的知識點、能力融入教具。

4.2" 情境化教學(xué)

在學(xué)習(xí)環(huán)境變量中，創(chuàng)造情境下的教學(xué)環(huán)境，改變講授的教育模式。傳統(tǒng)教學(xué)中知識的傳遞較為枯燥、晦澀難懂，兒童可能形成抗拒學(xué)習(xí)的逆反心理，負(fù)向作用學(xué)習(xí)生涯。憑借教具創(chuàng)設(shè)問題情境，以情境作為出發(fā)點，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，激發(fā)學(xué)生的興趣、求知欲，并導(dǎo)入新課時；學(xué)生通過情境，與日常生活經(jīng)驗相關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生認(rèn)知差異，激發(fā)內(nèi)在動機(jī)。

基于此，教具的設(shè)計需要預(yù)先構(gòu)想課堂環(huán)境，以教具作為搭建情境的現(xiàn)有條件，在情境中以教具的使用作為貫穿課程知識的線索，通過教具溝通學(xué)生間的交流協(xié)作，建立情境互動認(rèn)知。

4.3" 以興趣為導(dǎo)向

在心理特征變量中，采取以興趣為導(dǎo)向的方式干預(yù)。美國兒童心理研究數(shù)據(jù)闡明，調(diào)動兒童的興趣參與到學(xué)習(xí)中，是激發(fā)兒童學(xué)習(xí)行為投入的最佳方式。Hidi依據(jù)人與環(huán)境交互理論將興趣分為觸發(fā)興趣和自發(fā)興趣［15］；觸發(fā)興趣是個人對外部刺激的短期反應(yīng)，指學(xué)習(xí)環(huán)境下，個別因素引發(fā)學(xué)生注意力的心理狀態(tài)；自發(fā)興趣是個人基于經(jīng)驗、價值觀固定下來的，長久、穩(wěn)定的心理趨勢。興趣在四個層級中螺旋上升：臨時觸發(fā)興趣、固化觸發(fā)興趣、初顯自發(fā)興趣、養(yǎng)成自發(fā)興趣；前兩個階段尤其需要外部條件的介入，培養(yǎng)注意力和正面情感。

因此，在項目課程方面，項目內(nèi)容是否具有生動性、連貫性，是否有先前的知識疊加復(fù)用，項目目標(biāo)是否匹配學(xué)生的認(rèn)知水平，教學(xué)策略是否新穎。在教具的外觀設(shè)計方面，要考慮積極的心理暗示作用；特別是教具的CMF，研究證明兒童更容易關(guān)注到反復(fù)、邊緣線清晰的形狀；通過該結(jié)論教具的外形應(yīng)該更加繁復(fù)，增加鏤空的變化，營造層次感。在教具的外表面觸感，兒童的觸感辨識能力在10到12歲快速成長，而觸感的形成與情緒密切相關(guān)；觸感體驗與個體態(tài)度的傾向相關(guān)聯(lián)；為提升教具使用興趣，教具的材質(zhì)應(yīng)偏向溫暖、自然，需要有光滑和粗糙相互變換錯落，可考慮多元化的組合方案，提高兒童的觸覺辨識能力。

4.4" 根據(jù)FAST功能樹整合設(shè)計要素

根據(jù)前文運用功能分析系統(tǒng)技術(shù)所構(gòu)建的兒童顯微鏡功能樹，可以更好地分析用戶的需求和行為，并參考學(xué)習(xí)增強(qiáng)、游戲化、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、及時反饋、模塊化等功能進(jìn)行設(shè)計，開發(fā)出更加符合兒童學(xué)習(xí)需求的教具。

5" 教具設(shè)計實踐案例

科學(xué)探究活動的開展，根植于項目中學(xué)習(xí)，是借助繁雜、真實、與課程密切相關(guān)的生活背景，驅(qū)動學(xué)生掌握學(xué)習(xí)經(jīng)驗的教學(xué)方法，又是學(xué)生在實踐中促進(jìn)學(xué)習(xí)的教學(xué)方略［16］。

依托情境化的項目授課方法，構(gòu)建《尋找水熊蟲和他的朋友》項目分為“水中的微生物”、“多種多樣的微生物”、“顯微鏡下的細(xì)胞”3個研究方向，每個研究方向分為科學(xué)實踐、拓展與應(yīng)用兩個環(huán)節(jié)，與STEAM教育“玩中學(xué)”的動手實踐理念相適應(yīng)，繪本首頁及課程導(dǎo)如圖4所示。

5.1" 項目開發(fā)

本次教學(xué)實踐創(chuàng)設(shè)《尋找水熊蟲和他的朋友》課程項目，項目以教具的使用、微生物的認(rèn)識為主題，分為3個課時5個環(huán)節(jié)，將知識、技能和提供材料，用于拼裝一款學(xué)生用顯微鏡教具，幫助學(xué)生在實踐中，理解、活用STEAM知識。將“如何使用顯微鏡觀察微生物”作為問題主線，學(xué)生自由選擇“水中的微生物”、“顯微鏡下的細(xì)胞”、“多種多樣的微生物”三個主題方向，通過讓青少年拼裝顯微鏡，采集周圍的樣本，制作干燥或潮濕標(biāo)本，學(xué)習(xí)操作顯微鏡搜尋樣本，捕捉圖像，認(rèn)識微觀世界，在教師的引導(dǎo)下認(rèn)識簡單的微生物。同時，項目按活動內(nèi)容分為室內(nèi)、室外兩大板塊，教室內(nèi)活動，主要為構(gòu)建情境，布置研究項目，形成研究小組；教室外活動，因為需要采集樣本，為學(xué)生提供課下的采集時間，請學(xué)生盡可能多地收集不同種環(huán)境中的樣本。之后，學(xué)生回到教室，進(jìn)行觀察實驗，并以小組形式匯報觀察結(jié)果，如表8項目設(shè)計安排。在整個項目實踐過程中，通過教具的使用激發(fā)學(xué)生對微生物的探索實踐興趣，讓學(xué)生通過科研儀器將探索和求知欲具體化，體驗開放式的探究過程。

5.2" 教具設(shè)計

在聯(lián)系現(xiàn)有課程方面，教具依據(jù)新課標(biāo)課程設(shè)計，搭配項目式教學(xué)；將教具整合化，以工具盒的形式呈現(xiàn)，工具盒內(nèi)的教具根據(jù)不同的項目課程配套放置，如圖5教具盒包裝展示；依據(jù)課程的分級，儀器的安裝和操作方式盡可能的開放化，鼓勵兒童探究其構(gòu)造、工作原理，增加了課程趣味性，設(shè)計具有適當(dāng)難度和開放性，適合10～12歲有一定基礎(chǔ)知識和認(rèn)知能力的兒童，符合STEAM教育工程板塊的能力掌握要求。該階段兒童有自主探索意識，可獨立操作完成顯微鏡的拼裝，認(rèn)識教具的工作原理和操作要領(lǐng)，可以在教師不干預(yù)的情況下逐步完成項目計劃，如圖6所示。

圖 5" 教具盒包裝展示

圖 6" 教具所含知識點、能力

在學(xué)習(xí)環(huán)境維度，遵循情境化教學(xué)原則。針對學(xué)習(xí)氛圍需求，教具設(shè)計結(jié)合項目式教學(xué)模式，通過以小組為單位的實操，例如討論教具的搭建方式、材料的尋找、分工，營造熱烈的科學(xué)探究氛圍。對于學(xué)習(xí)設(shè)備資源需求，在設(shè)計教具考慮成本控制與運輸、收納的便利性，設(shè)計了相應(yīng)的教具模塊收納系統(tǒng)，利于STEAM顯微鏡教具在更廣范圍內(nèi)鋪開，豐富學(xué)校的學(xué)習(xí)資源，如圖7所示。對于學(xué)習(xí)場所指標(biāo)，利用教具搭建實物操作情境，配合繪本再現(xiàn)情境，從而將枯燥呆板的教具器材，向STEAM實驗室和創(chuàng)新工坊的教學(xué)情境轉(zhuǎn)變，賦予更多的體驗價值。

在心理狀態(tài)維度，參考以興趣為導(dǎo)向原則。針對情緒低落、心理耗竭因素，教具提供相應(yīng)的有趣題材、引人入勝的故事情節(jié)吸引兒童，在項目中安排不同階段的任務(wù)配合教具的使用，例如，項目中設(shè)置了兒童自行在校園中采集各種樣本進(jìn)行觀測的環(huán)節(jié)，在一定程度上給予兒童的自由度，激發(fā)好奇心獲得正面情緒，積極的參與到項目學(xué)習(xí)中。對于成就感低、目標(biāo)缺失因素，將項目中的環(huán)節(jié)按難易程度劃分為多個關(guān)卡，通過關(guān)卡設(shè)置目標(biāo)，讓兒童逐步掌握，獲得成就感，例如，在《尋找水熊蟲和他的朋友》項目中首先認(rèn)識顯微鏡，然后搭建顯微鏡，之后制作標(biāo)本，最后使用顯微鏡觀測等環(huán)節(jié)的劃分都是循序漸進(jìn)的過程，如圖8所示。

在產(chǎn)品特性維度，依照FAST功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行教具設(shè)計。針對教育性需求，根據(jù)基本的教學(xué)功能設(shè)計顯微鏡的各個結(jié)構(gòu)。為滿足趣味性需求，兒童顯微鏡與《尋找水熊蟲和他的朋友》項目結(jié)合，設(shè)計游戲化的通關(guān)步驟，以及積分獎勵機(jī)制，采用學(xué)生自己搭建教具的探索方式；通過多人互動、社交分享，增加教具的互動性，培養(yǎng)溝通能力；在配色、造型方面，教具的設(shè)計關(guān)注了10～12歲兒童的視覺偏好，主體以幾何堆疊為主，使用鏤空設(shè)計營造層次感，符合兒童的視覺偏好，加深兒童對幾何的認(rèn)知映像；教具色彩選用原木色澤，搭配橙色，加以白色適度點綴與活動部件，考慮到顏色的搭配和著色面積，都直接影響著兒童的情緒，因此選取易使人興奮的暖色元素，能夠使兒童在動手體驗中獲得更佳的積極性，提升小組活動的熱烈程度，活躍課堂氣氛。對于安全性需求，兒童顯微鏡結(jié)構(gòu)，避免尖角和銳利邊緣，以及易于夾上、卡住的部位；教具的鏡頭設(shè)計了光滑的金屬外殼，防止眼部損傷；各個零件設(shè)計的圓潤光滑并開孔，防止誤吞；教具殼體材料選取ABS工程塑料，具有高耐用性、高機(jī)械強(qiáng)度的特點，很好地符合了教具反復(fù)使用的需求，持續(xù)性強(qiáng)，著色好、表面光華，使教具在美觀層面有所提升，易于加工特性，也使教具的成本降低。同時，也采用了白蠟?zāi)荆嗜榘咨|(zhì)地，有明顯而細(xì)密的木質(zhì)紋理，兒童會觸摸和感受天然材料，發(fā)展觸覺和精細(xì)運動技能，圓潤細(xì)膩的表面紋理，對兒童有安全感的心理暗示。針對易用性需求，兒童顯微鏡設(shè)計了及時反饋功能，通過顯微鏡的搭建、焦距調(diào)節(jié)的提示音、圖像的成像，可以快速反饋，幫助學(xué)生做更多嘗試，鼓勵繼續(xù)學(xué)習(xí)。針對可持續(xù)性需求，兒童顯微鏡嘗試了模塊設(shè)計，各個零件可組合搭建不同的教具，教師可以根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生能力水平，選擇各種不同的模塊組合，同時各個模塊可拆卸收納，方便其他學(xué)生循環(huán)使用，如圖9所示。

圖 9" 兒童顯微鏡細(xì)節(jié)及附件

6" 結(jié)論

研究結(jié)果的普遍性；STEAM教具可提供多種不同的學(xué)習(xí)方式，例如游戲化學(xué)習(xí)，讓兒童在學(xué)習(xí)過程中不會感到單調(diào)乏味。STEAM教具可以創(chuàng)設(shè)有趣的學(xué)習(xí)環(huán)境，例如色彩鮮艷、形狀新穎的教具，能夠吸引兒童的注意力，讓他們更加專注于學(xué)習(xí)。STEAM教具可以及時地提供學(xué)習(xí)反饋，例如正確性、速度等方面的反饋，讓兒童獲悉學(xué)習(xí)狀況，從而調(diào)整自己的學(xué)習(xí)策路。STEAM教具可以通過激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)興趣來消除學(xué)習(xí)倦念，例如通過創(chuàng)設(shè)有趣的問題背景來吸引兒童的興趣。

研究的創(chuàng)新在于，開發(fā)了德爾菲法、SEM、FAST集成方法，以應(yīng)對教具設(shè)計中設(shè)計人員無法確定用戶需求要素的主觀性和不確定性問題，投射到產(chǎn)品的功能篩選中；將該方法運用于STEAM兒童顯微鏡的設(shè)計中，獲得最終設(shè)計方案。

研究的成果價值在于，通過德爾菲法，挖掘較為客觀的用戶需求指標(biāo)，建立 SEM 量表；結(jié)合 SEM 模型對各個需求指標(biāo)的體驗滿意度的干預(yù)權(quán)重大小，引入FAST構(gòu)建產(chǎn)品功能樹，進(jìn)而捕捉設(shè)計重點，通過設(shè)計重點結(jié)合文獻(xiàn)研究劃定教具設(shè)計準(zhǔn)則，通過設(shè)計原則開發(fā)教學(xué)項目和配套教具，以此指導(dǎo)教具設(shè)計。之后，研究將汲取決策者的綜合要素對用戶需求進(jìn)行更科學(xué)合理的發(fā)掘，獲取必備且重要的需求。

［" 參" 考" 文" 獻(xiàn)" ］

［1］" 王艷群，張丙辰，宋麗姝，等.基于興趣引導(dǎo)的交互式兒童玩教具產(chǎn)品設(shè)計研究［J］.包裝工程，2018，39（02）：119-123.

［2］" 朱鸛茹，薛文凱.垃圾分類兒童教具設(shè)計研究［J］.工業(yè)設(shè)計，2020（09）：64-65.

［3］" 胡鴻，周洲鋒，金玉鑫.多模態(tài)交互視角下的學(xué)齡兒童教具設(shè)計研究［J］.設(shè)計，2021，34（11）：88-91.

［4］" 胡珊，賈琦，張利艷，等.基于結(jié)構(gòu)方程模型的康養(yǎng)智能陪護(hù)產(chǎn)品設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計，2021，38（07）：110-117.

［5］" 溫忠麟，侯杰泰，HERBERT W.MARSH.結(jié)構(gòu)方程模型中調(diào)節(jié)效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化估計［J］.心理學(xué)報，2008（06）：729-736.

［6］" 侯杰泰，成子娟.結(jié)構(gòu)方程模型的應(yīng)用及分析策略［J］.心理學(xué)探新，1999（01）：54-59.

［7］" 張治宇.創(chuàng)造高峰體驗，超越學(xué)習(xí)倦怠：文科高等教育實訓(xùn)教學(xué)改革新探［J］.江蘇高教，2021（07）：56-59.

［8］" 蔣周渠，邵光華.初中生學(xué)習(xí)倦怠現(xiàn)狀調(diào)查研究與啟示［J］.教育理論與實踐，2019，39（20）：48-50.

［9］" 田軍，張朋柱，王刊良，等.基于德爾菲法的專家意見集成模型研究［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，2004（01）：57-62.

［10］ 諾敏. 寄宿制蒙古族小學(xué)微課輔助數(shù)學(xué)教學(xué)效果研究［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2018.

［11］ 孫浩，謝皓明.論青少年德育教育與人的全面發(fā)展［J］.法制與社會，2019（17）：146-147.

［12］ 方琨.小學(xué)科學(xué)課程實施的阻力及其應(yīng)對［J］. 教學(xué)與管理，2019（21）：113-116.

［13］ 李景萍. 科學(xué)課教學(xué)存在的問題及改善策略［J］. 小學(xué)科學(xué)（教師版），2020（08）：82.

［14］ 韓天瓊.STEM教育理念下的小學(xué)科學(xué)游戲化教學(xué)模式研究［D］.曲阜：曲阜師范大學(xué)，2021.

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［16］ 曹梁田.基于項目的學(xué)習(xí)對小學(xué)生信息技術(shù)學(xué)習(xí)興趣的影響研究［D］.上海：上海師范大學(xué)，2019.

Design of STEAM Teaching Aids for Primary Science ClassesBased on Structural Equation Modeling

ZHU Zhendong

（School of Industrial Design， Hubei Univ. of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract： This research aims to explore the innovative design method of STEAM teaching aids based on primary school science curriculum， so as to improve children's interest and learning quality in science learning. Firstly， we analyzed the relationship between STEAM education concept and primary school science curriculum through literature review and field research， and determined the importance of STEAM teaching aid design; then， we used the combination of Delphi method and structural equation In-depth research was carried out on user needs in science class learning; by constructing the structural equation model of STEAM teaching aid experience satisfaction， the ranking of the influence weight values of each variable was obtained， and the design principles were formulated according to the influence weight values. On this basis， we designed a children's assembled microscope， which improved the playability， interaction and aesthetics of the teaching aid. The innovation of this research lies in the combination of Delphi method and SEM， which improves the objectivity and accuracy of user needs acquisition， and provides new ideas and methods for the innovative design of STEAM teaching aids.

Keywords： Delphi method; SEM ; STEAM teaching aids ; FAST

［責(zé)任編校： 閆" 品］