［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?yàn)镾TEAM教育和醫(yī)療設(shè)備的人機(jī)工程學(xué)。

［文章編號(hào)］ 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(jì)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(guò)文獻(xiàn)綜述和實(shí)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(jì)的重要性；接著采用德?tīng)柗品椒ê徒Y(jié)構(gòu)方程模型（SEM）相結(jié)合的方法，對(duì)兒童在科學(xué)課學(xué)習(xí)中的用戶(hù)需求進(jìn)行了深入研究；通過(guò)構(gòu)建STEAM教具體驗(yàn)滿意度結(jié)構(gòu)方程模型，獲得了各個(gè)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(jì)原則。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款兒童拼裝顯微鏡，提升了教具的可玩性、互動(dòng)性和美觀度。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于將德?tīng)柗品椒ê蚐EM相結(jié)合，提高了用戶(hù)需求獲取的客觀性和準(zhǔn)確性，為STEAM教具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新的思路和方法。

［關(guān)鍵詞］ 德?tīng)柗品ǎ?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(lèi)號(hào)］ TS951" ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A

STEAM教育作為一種綜合性教育模式，旨在開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)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(jì)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(kāi)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(yàn)和學(xué)習(xí)需求的原因較為復(fù)雜，權(quán)重計(jì)算的一般性方法都難以保證客觀性，易使教具設(shè)計(jì)脫離用戶(hù)真實(shí)需求；而結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）擅長(zhǎng)測(cè)量無(wú)法實(shí)際測(cè)量的變量，比如動(dòng)機(jī)、態(tài)度、心理等問(wèn)題，可以進(jìn)行間接性的指標(biāo)測(cè)量，SEM可以分析多個(gè)因變量和自變量之間復(fù)雜關(guān)系［4］。針對(duì)這一點(diǎn)，本研究在對(duì)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?tīng)柗品?、SEM的優(yōu)勢(shì)，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(shù)，用于梳理兒童顯微鏡的具體功能，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，為相關(guān)教具設(shè)計(jì)提供參考。

1" 德?tīng)柗啤EM、FAST設(shè)計(jì)流程的建立

由于設(shè)計(jì)程序中難以定量捕捉的因素特征，需要運(yùn)用德?tīng)柗品ū容^分析，多輪與專(zhuān)家交換意見(jiàn)的往復(fù)過(guò)程中，修正少見(jiàn)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(jì)過(guò)程中，僅運(yùn)用德?tīng)柗品ㄖ饔^性數(shù)據(jù)偏多，難以找準(zhǔn)設(shè)計(jì)著力點(diǎn)，需要與SEM的客觀測(cè)量相結(jié)合，SEM可同時(shí)觀測(cè)多個(gè)因變量；允許存在不可解釋的變異因素；SEM測(cè)量模型比傳統(tǒng)方式可塑性更強(qiáng)，單個(gè)指標(biāo)可依附多個(gè)因子；研究人員可搭建隱變量之間的關(guān)系，評(píng)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?tīng)柗品?，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(jì)影響因素優(yōu)先級(jí)，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(jì)切入點(diǎn)。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(shí)可行的教具設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

圖 1" 德?tīng)柗?、SEM、FAST設(shè)計(jì)流程

2" 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)維度及設(shè)計(jì)指標(biāo)的建立

據(jù)張治宇研究指出，創(chuàng)造高峰體驗(yàn)的學(xué)習(xí)環(huán)境，經(jīng)學(xué)習(xí)者的親身體驗(yàn)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(shí)別干預(yù)，對(duì)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(dòng)力、課堂活躍度、教師的行為和態(tài)度、學(xué)科、性別、年級(jí)均對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)有顯著影響，同時(shí)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(jiàn)，干預(yù)學(xué)習(xí)倦怠是一個(gè)廣泛而龐雜的過(guò)程，且實(shí)際操作中是許多因素的綜合體現(xiàn)；因此，設(shè)計(jì)需求要素有待重新劃分，依照路徑系數(shù)，逐步針對(duì)解決。

通過(guò)對(duì)部分中小學(xué)生及家長(zhǎng)、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(hù)結(jié)構(gòu)、5個(gè)評(píng)價(jià)維度。

2.1" 關(guān)鍵性評(píng)價(jià)指標(biāo)提煉

德?tīng)柗品芙?jīng)過(guò)多番專(zhuān)家征詢(xún)意見(jiàn)，最終達(dá)成一致，能避免群體決策可能存在的缺點(diǎn)，匿名收集觀點(diǎn)，使結(jié)果更加客觀［9］。很多研究者將該法運(yùn)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(yùn)用德?tīng)柗品▽?duì)54個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)維度的指標(biāo)，主要源于對(duì)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(diǎn)、關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)化而來(lái)；學(xué)習(xí)環(huán)境的指標(biāo)，包含學(xué)習(xí)的場(chǎng)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(yàn)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(dòng)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(duì)學(xué)習(xí)過(guò)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(shí)，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(zhuān)家和使用者對(duì)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(guò)教具設(shè)計(jì)的手段展現(xiàn)，結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)背景，知識(shí)，完善教具功能，解決問(wèn)題。

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

2.2" 評(píng)價(jià)指標(biāo)的結(jié)構(gòu)方程模型分析

為更好的篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)合理性，使用上述達(dá)成一致的5個(gè)評(píng)價(jià)維度和22個(gè)指標(biāo)構(gòu)建《小學(xué)科學(xué)課教具體驗(yàn)滿意度SEM調(diào)查問(wèn)卷》，采用里克特5級(jí)量表評(píng)估；研究對(duì)象主要分為兩類(lèi)，五年級(jí)學(xué)生114人，六年級(jí)學(xué)生91人。擴(kuò)散問(wèn)卷205份，最終征集問(wèn)卷189份，有效率達(dá)到92%。

2.2.1" 信、效度檢測(cè)" 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 23進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)信度、效度。信度系數(shù)均大于0.7，說(shuō)明這四個(gè)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(yàn)，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(yàn)合格后，得到總方差解釋表，從問(wèn)卷22項(xiàng)問(wèn)題項(xiàng)目中提取5個(gè)特征值高于1的主要因素。這5個(gè)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(lái)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(xiàng)未出現(xiàn)交叉負(fù)載過(guò)重的現(xiàn)象，各被測(cè)變量匯集于對(duì)應(yīng)的因子，因此問(wèn)卷的結(jié)構(gòu)效度優(yōu)秀。

2.2.2" 模型適配度驗(yàn)證" 將上述5個(gè)評(píng)價(jià)維度以及22評(píng)價(jià)指標(biāo)代入AMOS23軟件中，繪制對(duì)應(yīng)的模型圖，運(yùn)用最大概似估計(jì)法開(kāi)展模型適配度驗(yàn)證，如表5所示。由表5可知，3類(lèi)指標(biāo)的各項(xiàng)值均處于判斷標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，說(shuō)明絕對(duì)符合指標(biāo)、增值符合指標(biāo)、簡(jiǎn)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(gè)維度對(duì)體驗(yàn)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(shí)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(duì)體驗(yàn)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(duì)體驗(yàn)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(gè)潛變量，分別對(duì)顯性測(cè)量變量的影響大小進(jìn)行排序，得到設(shè)計(jì)指標(biāo)得優(yōu)先級(jí)排序，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)任務(wù)展開(kāi)，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(jì)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(diǎn)，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(jì)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(jì)的側(cè)重點(diǎn)，再下沉至末端子功能，構(gòu)建FAST功能樹(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)策略與設(shè)計(jì)實(shí)踐的鏈接；以“目標(biāo)——方法”作為邏輯關(guān)系展開(kāi)梳理，繪制FAST功能樹(shù)（圖3）。

將學(xué)習(xí)增強(qiáng)放在功能樹(shù)首行首列是教具作為演示和實(shí)驗(yàn)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(jí)功能；教具的安全性也是教師和家長(zhǎng)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(shí)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(jì)理念，指導(dǎo)教具的設(shè)計(jì)方向。

進(jìn)一步對(duì)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(duì)學(xué)習(xí)增強(qiáng)的主要功能在于實(shí)驗(yàn)演示，之后再是觀測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，放大物體作為重要優(yōu)先級(jí)；同時(shí)，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(guò)程游戲化作為首要功能，其次借鑒樂(lè)高自主搭建學(xué)習(xí)方式；同時(shí)，在操作過(guò)程中通過(guò)聲音、圖像建立強(qiáng)互動(dòng)，最后是教具外觀的造型、配色，吸引兒童注意力。第3列對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)展開(kāi)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(duì)易用性需求，首先是及時(shí)反饋功能，通過(guò)及時(shí)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(lì)強(qiáng)化，通鼓勵(lì)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(zhǎng)相匹配。第5列為實(shí)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(jì)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(wèn)題，整合課程、項(xiàng)目、知識(shí)點(diǎn)、和教具。

小學(xué)科學(xué)課教具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于包含的知識(shí)點(diǎn)、能力培養(yǎng)、互動(dòng)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(shí)要調(diào)動(dòng)兒童的興趣；是教具設(shè)計(jì)的研究?jī)r(jià)值所在。圍繞教具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，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(diǎn)設(shè)計(jì)原則。

4.1" 設(shè)計(jì)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(jì)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(zhǎng)，教具所涵蓋的知識(shí)內(nèi)容，應(yīng)參考學(xué)生相關(guān)認(rèn)知，以其實(shí)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(duì)應(yīng)路徑。在課堂中采用項(xiàng)目式教學(xué)，將各項(xiàng)目替代學(xué)習(xí)單元，各項(xiàng)目含有對(duì)應(yīng)課程的知識(shí)點(diǎn)，并使用相應(yīng)的配套教具產(chǎn)品。

因此教具的設(shè)計(jì)步驟，需要先將相應(yīng)課程轉(zhuǎn)化為項(xiàng)目，明確項(xiàng)目中的知識(shí)點(diǎn)、能力，然后緊密?chē)@項(xiàng)目開(kāi)展教具設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于預(yù)判教具的使用過(guò)程，依據(jù)各種使用過(guò)程的可能性，將需要的知識(shí)點(diǎn)、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(shí)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(wèn)題情境，以情境作為出發(fā)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的興趣、求知欲，并導(dǎo)入新課時(shí)；學(xué)生通過(guò)情境，與日常生活經(jīng)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生認(rèn)知差異，激發(fā)內(nèi)在動(dòng)機(jī)。

基于此，教具的設(shè)計(jì)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(shí)的線索，通過(guò)教具溝通學(xué)生間的交流協(xié)作，建立情境互動(dòng)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(guó)兒童心理研究數(shù)據(jù)闡明，調(diào)動(dòng)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(gè)人對(duì)外部刺激的短期反應(yīng)，指學(xué)習(xí)環(huán)境下，個(gè)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(gè)人基于經(jīng)驗(yàn)、價(jià)值觀固定下來(lái)的，長(zhǎng)久、穩(wěn)定的心理趨勢(shì)。興趣在四個(gè)層級(jí)中螺旋上升：臨時(shí)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(gè)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(xiàng)目課程方面，項(xiàng)目?jī)?nèi)容是否具有生動(dòng)性、連貫性，是否有先前的知識(shí)疊加復(fù)用，項(xiàng)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(jì)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(guò)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(yíng)造層次感。在教具的外表面觸感，兒童的觸感辨識(shí)能力在10到12歲快速成長(zhǎng)，而觸感的形成與情緒密切相關(guān)；觸感體驗(yàn)與個(gè)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(cuò)落，可考慮多元化的組合方案，提高兒童的觸覺(jué)辨識(shí)能力。

4.4" 根據(jù)FAST功能樹(shù)整合設(shè)計(jì)要素

根據(jù)前文運(yùn)用功能分析系統(tǒng)技術(shù)所構(gòu)建的兒童顯微鏡功能樹(shù)，可以更好地分析用戶(hù)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(shí)反饋、模塊化等功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出更加符合兒童學(xué)習(xí)需求的教具。

5" 教具設(shè)計(jì)實(shí)踐案例

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

依托情境化的項(xiàng)目授課方法，構(gòu)建《尋找水熊蟲(chóng)和他的朋友》項(xiàng)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(gè)研究方向，每個(gè)研究方向分為科學(xué)實(shí)踐、拓展與應(yīng)用兩個(gè)環(huán)節(jié)，與STEAM教育“玩中學(xué)”的動(dòng)手實(shí)踐理念相適應(yīng)，繪本首頁(yè)及課程導(dǎo)如圖4所示。

5.1" 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

本次教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)設(shè)《尋找水熊蟲(chóng)和他的朋友》課程項(xiàng)目，項(xiàng)目以教具的使用、微生物的認(rèn)識(shí)為主題，分為3個(gè)課時(shí)5個(gè)環(huán)節(jié)，將知識(shí)、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(shí)踐中，理解、活用STEAM知識(shí)。將“如何使用顯微鏡觀察微生物”作為問(wèn)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(gè)主題方向，通過(guò)讓青少年拼裝顯微鏡，采集周?chē)臉颖?，制作干燥或潮濕?biāo)本，學(xué)習(xí)操作顯微鏡搜尋樣本，捕捉圖像，認(rèn)識(shí)微觀世界，在教師的引導(dǎo)下認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)單的微生物。同時(shí)，項(xiàng)目按活動(dòng)內(nèi)容分為室內(nèi)、室外兩大板塊，教室內(nèi)活動(dòng)，主要為構(gòu)建情境，布置研究項(xiàng)目，形成研究小組；教室外活動(dòng)，因?yàn)樾枰杉瘶颖荆瑸閷W(xué)生提供課下的采集時(shí)間，請(qǐng)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(shí)驗(yàn)，并以小組形式匯報(bào)觀察結(jié)果，如表8項(xiàng)目設(shè)計(jì)安排。在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)教具的使用激發(fā)學(xué)生對(duì)微生物的探索實(shí)踐興趣，讓學(xué)生通過(guò)科研儀器將探索和求知欲具體化，體驗(yàn)開(kāi)放式的探究過(guò)程。

5.2" 教具設(shè)計(jì)

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(jì)，搭配項(xiàng)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(xiàng)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(jí)，儀器的安裝和操作方式盡可能的開(kāi)放化，鼓勵(lì)兒童探究其構(gòu)造、工作原理，增加了課程趣味性，設(shè)計(jì)具有適當(dāng)難度和開(kāi)放性，適合10～12歲有一定基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)，可獨(dú)立操作完成顯微鏡的拼裝，認(rèn)識(shí)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(xiàng)目計(jì)劃，如圖6所示。

圖 5" 教具盒包裝展示

圖 6" 教具所含知識(shí)點(diǎn)、能力

在學(xué)習(xí)環(huán)境維度，遵循情境化教學(xué)原則。針對(duì)學(xué)習(xí)氛圍需求，教具設(shè)計(jì)結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)模式，通過(guò)以小組為單位的實(shí)操，例如討論教具的搭建方式、材料的尋找、分工，營(yíng)造熱烈的科學(xué)探究氛圍。對(duì)于學(xué)習(xí)設(shè)備資源需求，在設(shè)計(jì)教具考慮成本控制與運(yùn)輸、收納的便利性，設(shè)計(jì)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(kāi)，豐富學(xué)校的學(xué)習(xí)資源，如圖7所示。對(duì)于學(xué)習(xí)場(chǎng)所指標(biāo)，利用教具搭建實(shí)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(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新工坊的教學(xué)情境轉(zhuǎn)變，賦予更多的體驗(yàn)價(jià)值。

在心理狀態(tài)維度，參考以興趣為導(dǎo)向原則。針對(duì)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(xiàng)目中安排不同階段的任務(wù)配合教具的使用，例如，項(xiàng)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(cè)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(xiàng)目學(xué)習(xí)中。對(duì)于成就感低、目標(biāo)缺失因素，將項(xiàng)目中的環(huán)節(jié)按難易程度劃分為多個(gè)關(guān)卡，通過(guò)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(chóng)和他的朋友》項(xiàng)目中首先認(rèn)識(shí)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(cè)等環(huán)節(jié)的劃分都是循序漸進(jìn)的過(guò)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(jì)。針對(duì)教育性需求，根據(jù)基本的教學(xué)功能設(shè)計(jì)顯微鏡的各個(gè)結(jié)構(gòu)。為滿足趣味性需求，兒童顯微鏡與《尋找水熊蟲(chóng)和他的朋友》項(xiàng)目結(jié)合，設(shè)計(jì)游戲化的通關(guān)步驟，以及積分獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，采用學(xué)生自己搭建教具的探索方式；通過(guò)多人互動(dòng)、社交分享，增加教具的互動(dòng)性，培養(yǎng)溝通能力；在配色、造型方面，教具的設(shè)計(jì)關(guān)注了10～12歲兒童的視覺(jué)偏好，主體以幾何堆疊為主，使用鏤空設(shè)計(jì)營(yíng)造層次感，符合兒童的視覺(jué)偏好，加深兒童對(duì)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(diǎn)綴與活動(dòng)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(dòng)手體驗(yàn)中獲得更佳的積極性，提升小組活動(dòng)的熱烈程度，活躍課堂氣氛。對(duì)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(jì)了光滑的金屬外殼，防止眼部損傷；各個(gè)零件設(shè)計(jì)的圓潤(rùn)光滑并開(kāi)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(diǎn)，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(shí)，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(huì)觸摸和感受天然材料，發(fā)展觸覺(jué)和精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能，圓潤(rùn)細(xì)膩的表面紋理，對(duì)兒童有安全感的心理暗示。針對(duì)易用性需求，兒童顯微鏡設(shè)計(jì)了及時(shí)反饋功能，通過(guò)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(lì)繼續(xù)學(xué)習(xí)。針對(duì)可持續(xù)性需求，兒童顯微鏡嘗試了模塊設(shè)計(jì)，各個(gè)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(shí)各個(gè)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(guò)程中不會(huì)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(zhuān)注于學(xué)習(xí)。STEAM教具可以及時(shí)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(guò)激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)興趣來(lái)消除學(xué)習(xí)倦念，例如通過(guò)創(chuàng)設(shè)有趣的問(wèn)題背景來(lái)吸引兒童的興趣。

研究的創(chuàng)新在于，開(kāi)發(fā)了德?tīng)柗品āEM、FAST集成方法，以應(yīng)對(duì)教具設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員無(wú)法確定用戶(hù)需求要素的主觀性和不確定性問(wèn)題，投射到產(chǎn)品的功能篩選中；將該方法運(yùn)用于STEAM兒童顯微鏡的設(shè)計(jì)中，獲得最終設(shè)計(jì)方案。

研究的成果價(jià)值在于，通過(guò)德?tīng)柗品?，挖掘較為客觀的用戶(hù)需求指標(biāo)，建立 SEM 量表；結(jié)合 SEM 模型對(duì)各個(gè)需求指標(biāo)的體驗(yàn)滿意度的干預(yù)權(quán)重大小，引入FAST構(gòu)建產(chǎn)品功能樹(shù)，進(jìn)而捕捉設(shè)計(jì)重點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)重點(diǎn)結(jié)合文獻(xiàn)研究劃定教具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過(guò)設(shè)計(jì)原則開(kāi)發(fā)教學(xué)項(xiàng)目和配套教具，以此指導(dǎo)教具設(shè)計(jì)。之后，研究將汲取決策者的綜合要素對(duì)用戶(hù)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(jì)研究［J］.包裝工程，2018，39（02）：119-123.

［2］" 朱鸛茹，薛文凱.垃圾分類(lèi)兒童教具設(shè)計(jì)研究［J］.工業(yè)設(shè)計(jì)，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(jì)研究［J］.設(shè)計(jì)，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(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，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(jì)［J］.心理學(xué)報(bào)，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(yàn)，超越學(xué)習(xí)倦?。何目聘叩冉逃龑?shí)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(shí)踐，2019，39（20）：48-50.

［9］" 田軍，張朋柱，王刊良，等.基于德?tīng)柗品ǖ膶?zhuān)家意見(jiàn)集成模型研究［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)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(huì)，2019（17）：146-147.

［12］ 方琨.小學(xué)科學(xué)課程實(shí)施的阻力及其應(yīng)對(duì)［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(wèn)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.

［15］ HIDI S. Interest and its contribution as a mental resource for learning［J］. Review of Educational research， 1990，60（04）：549-571.

［16］ 曹梁田.基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)對(duì)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］