基于STEAM教育的兒童玩具創新設計研究

唐玉紅 周冰潔 向路遙

摘要：隨著現代科學技術迅猛發展，傳統的教育方式已然不能滿足新型時代的發展，為適應現代社會的人才需求，培養未來型人才，一些先進國家創立了一系列新型人才培養方案。創客教育，以及由美國開始的STEAM教育成為了現代教育發展的主要趨勢。STEAM有別于傳統的單學科、重書本知識的教育方式，它是一種重實踐的超學科教育概念。本文從兒童STEAM教育的現狀入手，剖析STEAM教育的本質及其對玩具設計的意義。從STEAM教育中的"科學、技術、工程、藝術、數學"五個方面具體分析兒童玩具與其之間的關系，推進兒童玩具與兒童STEAM教育玩學結合。基于對STEAM教育的探索，結合現有的高新科技，提出兒童智能玩具設計主要創新形式，定義智能玩具設計的原則、思路和方法。

關鍵詞：STEAM教育;智能玩具;STEAM玩具;玩具設計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）04-0146-02

Abstract：With the rapid development of modern science and technology， traditional education methods can no longer meet the development of the new era.In order to meet the needs of talents in modern society and cultivate future talents， some advanced countries have created a series of new talent training programs.Maker education， as well as STEAM education started in the United States， has become a major trend in the development of modern education.STEAM is different from traditional single-disciplinary and book-based education.It is a re-educational concept of transdisciplinary education.This paper starts with the current situation of children's STEAM education， and analyzes the nature of STEAM education and its signi?cance to toy design.From the ?ve aspects of science， technology， engineering， art and mathematics in STEAM education， the paper analyzes the relationship between children's toys and children's toys and children's STEAM education and learning.Based on the exploration of STEAM education， combined with the existing high-tech， the main innovative forms of children's intelligent toy design are proposed， and the principles， ideas and methods of intelligent toy design are de?ned.

Key Words：STEAM education;Intelligent toys;STEAM toys;Toy design

1研究背景及現狀

1.1STEAM教育的研究現狀

本研究以“STEAM教育”為主題詞在中國知網數據庫中進行檢索，收集到自2013年開始六年來共367篇學術論文，從2013年發表的5篇論文到2018年發表187篇論文，總的趨勢表明，STEAM教育受到越來越多的學者關注，并且投身到STEAM教育研究中去。

1.2STEAM教育的本質

STEAM教育最先興起于美國，是作為培養創新型人才的重要途徑被提出的。STEAM教育不是簡單的疊加科學、技術、工程、藝術和數學知識，而是基于實際問題，將各學科知識有機整合來解決問題，培養孩子合作共情的能力。

1.3STEAM教育的學習特征

目前STEAM的教育主要是基于機器人技術、3D打印和編程等技術，以整合式教學為主要方式，通過跨學科領域教學，幫助學生能夠通過多維度地掌握知識。

歐美STEAM教育實現過程有幾個重要的學習特征值得我們借鑒學習：跨學科，在實踐中學習，注重動手能力的培養，強調探究式學習，讓孩子動手完成自己感興趣的和生活相關的項目，敢于讓孩子犯錯，讓孩子能夠嘗試不同的想法，強調同伴合作。

1.4現有STEAM玩具的技術載體

隨著科學技術的發展和進步，智能編程、3D打印、AR增強現實、VR虛擬現實、物聯網、大數據、人工智能、智能話化場景、大數據、人機交互等技術手段已成為STEAM玩具的重要載體。

2研究STEAM教育對智能玩具設計的意義

人工智能時代的到來意味著傳統玩具的更新升級，未來社會需要的是各方面素養完備的人才。

STEAM教育是培養未來新型人才的重要途徑。好的STEAM玩具能夠讓孩子的邏輯推理能力、空間想象力和創造力得到培養，并且永遠保持好奇心與解決問題的能力。他們能夠將深奧的科學技術知識轉化為簡單有趣游戲，喚起孩子們的好奇心，鼓勵他們去探索，在探索中將各學科知識有機整合，學會創造性地解決問題。

基于STEAM教育理念，對已有的學習型智能玩具進行研究，通過總結和提取現有STEAM玩具的主要形式，發現智能玩具設計空缺和盲區，有效提出智能玩具設計的主要原則和設計方法。

3基于STEAM教育的兒童智能玩具創新設計理念和形式

3.1兒童智能玩具的創新設計理念

3.1.1強化兒童多元化的興趣培養

STEAM教育是融合科學、技術、工程、藝術及數學等相關學科的教育。由于STEAM每個字母代表著不同的能力培養要求，在設計玩具時則需要我們能夠全面考慮STEAM教育對孩子各方面能力的培養。

科學（Science）強調的是獲取知識，那么在玩具設計中，應該注意玩具要能教授給孩子科學知識，讓孩子能夠在玩中學;技術（Technology）強調的是應用工具和方法，在這方面，樂高系列編程玩具以規則化模塊，讓孩子通過搭建玩具模塊，在玩的過程中掌握工具的應用;工程（Engineering）強調創新實踐與生產過程，3D打印與4D打印技術的應用可以有效地培養孩子的創新能力，讓孩子了解一般物體的生產制造過程，市場上也不乏3D打印筆之類的玩教具;藝術（Art）強調的則是學生在了解深奧的科學知識之前，能夠通過接觸了解科學發展歷史，從而達到提升學習興趣的目的，在評價學生作品時，加入審美因素，以此培養學生藝術素養和審美能力;數學（Mathematics）強調的是思維方式，一個好的STEAM玩具應當可以教會孩子以多種不同的思維方式去解決問題。

3.1.2重視兒童在玩中學的拓展能力

智能玩具并非單純的將各種科技元素加入其中，一個優秀的智能玩具，不是把玩具給孩子，而是讓孩子自己去創造智能，孩子在玩玩具的同時，能夠通過動手動腦，富有創造性的去完成和解決實際問題。

基于STEAM教育理念，設計出的STEAM玩具是應該可以讓孩子的邏輯推理能力、空間想象力、創造力得到培養，并且讓孩子永遠保持好奇心與解決問題的能力。

在未來，兒童智能玩具不是簡單地加入人工智能，虛擬現實和3D打印等科技元素，更重要的是能夠通過玩玩具將深奧的科學、技術知識轉化成趣味十足的游戲，通過簡單有趣的游戲激發好奇的天性，并積極開拓培養兒童各方面的能力;培育動手實踐的創新意識;指導孩子積極與同伴合作，并強調解決問題的能力;重視藝術文化素養的培育，提升孩子審美鑒賞能力。

3.2兒童智能玩具的創新設計形式

3.2.1人工智能激發兒童創造創新

人工智能技術的引入是實現STEAM玩具創新的重要形式，例如：童心制物（Makeblock）推出的激光寶盒（LaserBox），他是一款能通過畫筆來定義切割和雕刻的激光切割機，將AI計算機視覺算法引入到激光寶盒中，可以通過AI智能識別材料，降低了激光操作的難度。AI數據處理幫助孩子能夠更加激發孩子們創造性思維能力和空間想象能力。

3.2.2智能編程激發兒童的智能

智能編程類主要分為兩大類型：一是充分利用物聯概念，結合電動和機械，將玩具分模塊化，玩具模塊之間通過簡單的物理連接，讓兒童接觸編程初期有效地避免復雜編程語言，通過極簡化編程操作，孩子在簡單組合模塊過程中，學習了解編程，初步具備編程思維，構造出屬于自己的程序語言。這類玩具適合年齡較小的兒童，它的代表有來自PrimoToys團隊的Cubetto編程玩具和費雪編程毛毛蟲;二是搭載編程軟件類的玩具，首先給玩具一個符合兒童認知特點的造型，玩具搭載編程類軟件，孩子通過使用軟件為玩具編程定義動作，此類玩具適合高階玩家。這類玩具以美國wonderworkshop推出的達奇&達達機器人（Dash&Dot）為代表，使用過程中，需要借助系列編程類軟件，實現玩具的編程。不論是模塊化編程或是搭載軟件編程的玩具，他們都有一個共同特點，孩子們不需要運用復雜的編程語言，只要通過簡單有趣的游戲操作就能完成編程，幫助孩子學習掌握編程邏輯。

43D打印技術激發兒童的想象力

兒童是一批富有創造性的群體，他們的思維獨特，常常會產生令人驚嘆的奇妙創造，這些想法如果沒有用文字或是畫作記錄下來就會轉瞬即逝。簡單的繪畫或是文字并不能完整的展現孩子的想法，復雜的建模和手繪孩子們又尚未掌握。3D打印技術的引入，讓孩子們能夠把頭腦里復雜的圖像線條通過3D打印筆建立出實物模型，好的創意和想法被記錄下來，孩子的想象力有了實現的載體，其創造力也得到有效的培養。

為實時記錄孩子的想法，SwapBots通過簡單的3D打印模塊與VR虛擬現實技術結合。讓孩子可以通過交換改變不同的模塊創建新的角色和形象，完成富有創造性的活動。

5新技術應用為兒童提供沉浸式體驗

STEAM教育中藝術強調孩子對美的感知和共情能力的培養，將AR現實增強技術和VR虛擬現實技術融入玩教具，為孩子提供科學、數學、機械與藝術相關的虛擬情境，大大提升了學生的游戲體驗和學習效果。哈雷熊科技推出的一款智能玩教具，充分利用圖像識別算法，融合AR、3D等技術，通過涂色、單詞拼讀、邏輯思維訓練等方式構建兒童多元智能的發展。

6結語

STEAM教育是未來教育大勢所趨，基于STEAM教育理念，運用和加入新型科學技術，能夠有效地為兒童設計出適宜的玩教具。同時，智能玩教具在教育過程中的應用，能夠有力推進STEAM教育的發展。為適應STEAM教學，在兒童玩具設計過程中，應當遵循智能玩具設計的原則，合理運用高新科學技術，從而實現智能玩具設計的創新。

本文系2018年度湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃，基于兒童STEAM教育的智能玩具設計研究項目階段性成果（項目編號：201813806011）。

參考文獻

[1]馬云霞.STEAM教育理念下師范院校機器人教學實踐研究[D].陜西師范大學，2017.

[2]于曉麗.基于兒童STEAM教育的玩具設計探索性研究[D].天津科技大學，2016.

[3]白逸仙.斯坦福大學STEAM教育的方向及啟示[J].中國高校科技，2018（11）：60-62.

[4]鄭奧軒.STEAM教育加速融入玩具產業[J].中外玩具制造，2017（11）：56.

[5]任佳盈.玩具設計六大趨勢[J].中外玩具制造，2019（01）：29-31.

[6]孫江山，吳永和，任友群.3D打印教育創新：創客空間、創新實驗室和STEAM[J].現代遠程教育研究，2015（04）：96-103.

[7]劉柱棟.VR與AR技術教育應用探究[J].計算機產品與流通，2019（01）：185.

[8]江一波.“感官—體驗”引導體系下兒童教育產品的設計研究[D].浙江理工大學，2018.STEM玩具掀起行業新浪潮[J].中外玩具制造，2017（02）：19-20.