運用積木模型開展科學教育活動初探

李維育 鐘明任 劉藍玉

摘 要 旨在透過智高積木的組合，探討素質教育的學習成效。研究人員將科學知識轉化為小組分工的動手做課程，并在教學過程中持續與學生進行交流和溝通。課程架構分為兩部分：簡單機械設計與動物骨骼仿作，前者借助已知的工學原理如齒輪、滑輪、杠桿等概念來設計，后者則通過對哺乳動物骨架的觀察，利用積木元件模仿其外觀及功能。研究過程以小組同儕間的合作方式進行，研究人員則在學生以積木元件呈現自己的思考過程中實時反饋，并在學生間意見相左時參與討論，幫助學生對問題的理解更加具體與清晰，一起找出可行且有創意的解決方案。在課后調查中發現，學生對課程顯示出很高的興趣，同時也學到了充足的知識。目前，素養導向式教學在科學教育中的重要性逐漸提升，市面上已出現不少相關的教具，希望在傳統講述式教學外提出更多不同類型的教學可能供教育人員參考。

關鍵詞 素質教育 智高積木 簡單機械 動物骨骼

0 引言

為了應對快速變化的世界，聯合國教科文組織、經濟合作與發展組織、歐洲聯盟再三強調素質教育，并認為相較于傳統教育，結合知識、技能、態度與價值的素質教育有助于學生適應不斷變遷的未來。英國教育學家肯·羅賓森（Ken Robinson）指出，素質教育能培養學習者的批判思考、與他人合作、熱情等能力，學會管理自己的生活，并擁有較高的情商。[1]

本文即以素質教育概念為基礎，運用智高積木，發展出簡單機械與動物骨骼兩個主題式學習活動，并分析參與者滿意度問卷，總結出活動成效。這就要求教師將講述的比重降到20%，剩余80%為主題活動。教師僅做核心概念介紹，在學生主動參與的過程中提供幫助，促成彼此的合作、互相的學習。

1 以積木進行科學教育活動的理論基礎

本研究在運用積木進行參與學習的活動規劃上，主要依據游戲學習理論與動手做學習理論。

有人將游戲的場域詮釋為一種動態的學習環境，更像是運作良好的工作環境，而不是學校里的教室。在這樣的學習氛圍中，更重要的是同儕間的合作學習，正如工作伙伴之間的相互交流。教育者的角色轉變為觀察取向，目的在于引導學習者探索與思考。[2]經過過去幾年的發展，“游戲學習”的含義已經從“在游戲中學習”發展為“透過游戲與其他教學活動的結合來學習”。[3]

“做中學”的體驗式學習，將教育與生活經驗連結并在過程中進行探究，可以說是動手做學習不可撼動的原則。[4]讓學生在探索過程中活用智慧，并提升解決問題的能力。[5]然而在學習過程中，學生常會遇到挑戰，此時正是學習突破或停頓的分歧。透過動手做的活動，一邊實踐一邊改進，將想法與實作進行來回驗證。[6]

本研究的知識內涵著重于對簡單機械與動物骨骼的認識，并透過智高積木的模型仿作進而熟悉結構單元的組成關系，同時在小組討論的激蕩中發揮創意。學習者在整個過程中以直觀的方式面對問題，并從各組成元件的功能中找到問題的解決方式;講授者在活動過程中更像是學習者的伙伴，觀察學習者透過組裝積木體現出的思考模式，并協助學習者建構完整的創意呈現歷程。

無論簡單機械設計還是動物骨骼仿作，兩個活動都借助智高積木元件的靈活性、延伸性，以及可在短時間內驗證學習者思維原型的特色，以團隊游戲為手段落實素質教育的精神。除了科學知識的學習以外，還希望營造出交流式、探索式的氛圍，讓學生在活動結束后達成科學素養與人際交往能力雙雙提升的效益。

2 透過智高積木進行簡單機械的概念教學

簡單機械分為齒輪、輪軸、滑輪、劈、斜面、螺旋和杠桿七種[7]，下面針對其中的三種，以智高積木進行概念演示。

2.1 齒輪

對學生來說，關于齒輪的學習難點之一即是“齒輪轉動的方向與快慢”。[8]本研究借助實際操作，幫助學習者建立齒輪相關的正確觀念。

（1）齒輪的旋轉方向：當兩個齒輪互相咬合時，它們的旋轉方向相反。當兩個齒輪以鏈條帶動時，它們的旋轉方向相同。為破解學生對于齒輪學習的困惑，可將此觀念進行延伸練習：咬合多個齒輪后，分別朝順時針與逆時針方向扭動第一個齒輪，推測最后一個齒輪的旋轉方向。

（2）齒輪比的概念：齒輪比為齒輪的齒數之比，會影響齒輪轉動的圈數。2個30齒的齒輪互相咬合，齒輪比為1：1，二者轉動的圈數一致。1個10齒的齒輪和1個30齒的齒輪互相咬合，齒輪比為1：3。當30齒的齒輪轉完1圈，10齒的齒輪則會轉3圈，即齒數少的齒輪轉速比齒數多的快。

（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的力轉變成平行地面旋轉的力（反之亦然），達到改變施力方向的目的。

2.2 滑輪

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

（1）滑輪的旋轉方向：兩個滑輪在套上橡皮筋后會以相同方向旋轉，但若將橡皮筋反轉套入，則將改變滑輪的旋轉方向。轉動最左邊的滑輪后，推測最右邊滑輪的旋轉方向，引導學生思考不同的滑輪組合與橡皮筋套入方式造成的轉動結果。

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

2.3 杠桿

杠桿原理在日常生活中的應用十分廣泛，小至剪刀、胡桃鉗，大至蹺蹺板、縫紉機。

（1）力臂的長短會影響省力與費力：依據杠桿的功能可分為等臂杠桿、省力杠桿和費力杠桿三種。當動力臂大于阻力臂時，便將省力;當動力臂小于阻力臂時，便將費力。滑輪是一種變形的杠桿，定滑輪的實質是等臂杠桿，動滑輪的實質是省力杠桿。

（2）杠桿的支點位置會影響杠桿的功能：支點不一定都在動力點與阻力點中間。當阻力點位于動力點與支點之間，動力臂永遠比阻力臂長，位移的距離長卻造成省力的效果，例如開瓶器。當動力點位于阻力點與支點之間，阻力臂永遠比動力臂長，位移的距離短卻造成費力的效果，例如鑷子。

3 透過智高積木進行動物骨骼的概念教學

只有脊椎動物才有內骨骼，而所有脊椎動物的內骨骼構造都依循相同的形制：軀干部位的脊椎骨由不動關節和半關節連結，主要功能在于支撐;四肢骨由動關節連結，主要功能在于運動，進行機械式的動力傳導。在本活動學習中，透過元件間的組合配置來呈現身體不同部位的骨架結構。

3.1 說明積木連結原理，凹槽與凸點一一對應

智高積木的元件與元件之間以凹槽與凸點相連結，正如脊椎動物的骨頭與骨頭之間以關節相連結。此外，還要考慮骨架結構的運動方向與積木模型的支撐力量，比如關節動作的協調性、整體架構的穩定性等，從而采用合適的積木元件并兼顧設計上的可行性。學生在練習過程中，可以從自己的身體入手，加深對人體構造的了解。

3.2 以人的手掌與腳掌為例，進行仿作練習

此步驟是對積木構筑與關節運用掌握程度的評估環節，也是針對骨骼概念與創意思考進行探討的關鍵。在練習過程中，學生經常出現以下瓶頸：（1）骨節數有誤、接點錯誤、未固定結構。人的手掌骨骼仿作涉及指骨、掌骨、腕骨、橈骨和尺骨。在有些學生的仿作中，由于拇指的連結位置有誤，呈現五指并排的狀況，而非靈長類拇指與另四指對合的特征。（2）關節運用不當。人的腳掌骨骼仿作涉及趾骨、跖骨、楔狀骨和舟狀骨。在有些學生的仿作中，由于過度精簡，以致腳趾關節未完全呈現，分辨不出是腳掌結構。

4 團隊協作中的認知與創意呈現階段

本研究透過團隊游戲的方式，讓學習者有機會在小組討論中提升社交技能，同時集合并調整完成作品所需的知識認知與創意思維，最終呈現出集體智慧的成果。另外，智高積木元件具有一定的彈性與延伸性，非常適合動手實踐，能在操作過程中立刻得到反饋，忠實傳達團隊協作的認知與創意。

4.1 簡單機械設計的認知與創意呈現

（1）風車：風車的造型多變，功能也十分繁多，有的可以用來發電，有的可以用來磨碎谷物，但其原理皆是利用風作為主要動力。運用90°嚙合的齒輪，改變施力方向，設計扇葉形風車。

（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往高處。通過集線器將線收短產生向下的力，再借助滑輪將物體向上移動，完成簡易的吊車模型。

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

（4）腳踏車：腳踏車的特別之處在于它是一個復合型簡單機械裝置，可以應對不同的路況。它的變速器應用了“齒輪比”的概念，透過大齒輪以鏈條帶動小齒輪，使得輪胎的轉速比腳踩的轉速快，雖然費力卻能達到快速前進的目的。當遇到上坡時，利用變速器減少齒輪間的齒輪比，雖然速度變慢卻能達到省力的目的。

4.2 動物骨骼仿作的認知與創意呈現

（1）硬骨魚骨架：在硬骨魚骨架的仿作過程中，需要注意魚鰭與脊椎的連接方式、魚身游動時尾鰭的擺動方向、魚下顎的開闔動作等。

（2）青蛙骨架：蛙類是脊椎動物登陸后，最早適應陸地生活環境的物種。青蛙的骨骼組成較為簡單，其運動方式是仿作的重點。跳躍的移動使得青蛙前后肢的骨骼處于可隨時躍起的蹲踞狀態，此運動特色也反映在其髂骨與尾桿骨的特殊構造上。仿作應當在蹲姿與躍姿間流暢轉換，呈現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動方式的陸生動物，但它的體型比青蛙大得多。站姿為袋鼠的常見姿態，因此下肢與尾部的支撐相當重要，進行仿作時要引導學生思考骨架的重心位置，并借此提醒學生強化相應的骨骼設計。

4.3 常見的學習瓶頸

在將真實的骨骼構造作為參考依據的基礎上，只有深入認識脊椎動物的各部位構造原理與運動方式，才能準確仿作出具有動作功能及整體平衡性的生物骨架結構。

（1）多元件組裝的疑義與障礙：在仿作的過程中，臨摹與思考動物骨架與積木模型之間的對比轉換是本活動的學習重點。然而學生在組裝元件時，經常出現積木彼此相鉗制、缺少對應鑲嵌位置的情況。對此，我們要增強學生對積木元件的靈活運用，嘗試各類型元件的組合搭配。

（2）缺乏對運動方式的思考：在講授脊椎動物的運動方式時，教師通常會運用靜態的平面圖，導致學生容易直接照搬。碰到這樣的問題，可輔以影片說明，引導學生想象動物在立體空間中的運動方式，探討骨架中各組成部位在運動過程中的相對位置及連接形式。比如，學生在仿作青蛙骨架時，多以固定方式組裝其后肢，沒有顧及骨骼構造對身體伸展范圍的影響。

（3）整體結構支撐與穩定度不足：尾巴對袋鼠而言非常重要，不論站立、跳躍或是跑動，它都有著重要的支撐與平衡作用。由于骨架結構復雜，使用積木元件較多，在仿作時為了減輕整體的重量對其頭部做簡化處理。袋鼠站立時軀干向上挺立，尾部向后延伸，建議學生強化尾部構造并因此調整重心。

5 關于科學知識的素質教育成效

在2018年臺灣宜蘭國際童玩藝術節上，“童玩普拉斯工作坊”在為期一天的時間中，邀請孩子們用積木建造夢想中的歡樂世界。本研究以參與此次活動的中小學生為對象，進行滿意度調查。

超過半數的學生對簡單機械設計活動及動物骨骼仿作活動表示滿意，認為可以在有趣、開心的氛圍中學習，透過積木游戲學到了科學知識，同時有助于社交能力的提升。從開放式意見反饋中發現，學生對學習產生了積極的態度：對該活動印象深刻，且期望下次繼續參與。

6 結語

要創設好的教育環境，就必須激發孩子的求知欲和好奇心，并提供展現其創意思維、社交情緒和社群發展的機會。從素質教育的精神出發，結合游戲學習與動手做學習的方式，本研究發現智高積木的彈性與延伸性，不僅適宜于創意概念的呈現與調整，而且適宜于團隊協作的交流與溝通。學生可借由積木模型的結構架設與錯誤修正，從實踐中理解知識的應用，加深自我對科學知識的進一步認識與體會。

素質教育將知識、技能、態度、價值整合在一起，強調學習是完整的，避免為了考試而只偏重知識方面的學習。學生以小組為單位，結合案例、現象進行學習。利用積木元件的組合反映出思維模式的建構過程，為學生打造了一個自由發揮的學習場域。在以學生為本位的現代教育模式蔚為風潮的趨勢下，以積木模型為媒介，跳脫過往的既定印象，將其用于不特定創意的呈現，從不同層面切入與知識學習結合，有助于學生達到更好的學習效果。

參考文獻

[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，張鐵懷.游戲學習分析架構[J].數位學習科技期刊，2018（3）：1-20.

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

[5]黃一峯，朱耀明.知識來源對學生動手做活動學習影響探究分析[J].工業科技教育學刊，2013（6）：45-56.

[6]邱美虹.概念改變研究的省思與啟示[J].科學教育學刊，2000（1）：1-34.

[7]陳亦羽.幼兒簡單機械游戲性學材系統設計與實施——以齒輪為例[D].臺北：臺北教育大學，2009.

[8]李正森.國小高年級學生簡單機械齒輪迷思概念之研究[D].臺中：臺中師范學院，2003.