國立臺東大學教育學系
教學科技碩士在職專班碩士論文
指導教授：廖本裕 博士
科學積木遊戲教學對提升國中生 科學問題解決能力之行動研究
研 究 生： 黃文昌 撰
中 華 民 國 一 ○ 一 年 七 月
國立臺東大學教育學系
教學科技碩士在職專班碩士論文
科學積木遊戲教學對提升國中生 科學問題解決能力之行動研究
研 究 生： 黃文昌 撰 指導教授： 廖本裕 博士
中 華 民 國 一 ○ 一 年 七 月
謝 辭
終於可以畢業了，論文在大家的督促下終於完成了，真的很開心，要感謝指 導教授廖本裕老師、李鴻亮老師、蔡東鐘老師及邱廷榮學長，還有智文及碧蓮同 學的幫忙。每當週六 meeting 時，廖老師還要犧牲假日時間來學校指導論文，而 廷榮學長也是常犧牲週末假期在屏東幫忙指導，都很辛苦，而且每次到台東 meeting 幾乎都是智文開車接送，真的很感動，還有口試當天更是感謝智文和碧蓮 同學的幫忙，才得以順利結束，當然還要感謝週遭的朋友及同事鼓勵，還有家人 的支持，我才能安心地完成論文。
回想在決定論文題目時，自己就像迷航在大海裡，毫無目標，多虧廖老師及 廷榮學長的建議及鼓勵，我才確定論文的方向，但對於第一次寫論文的我來說，
真的很辛苦，很感謝大家提供很多論文寫作的技巧，令我受益良多。
我也第一次體會到在職進修的辛苦，每當拖著疲憊的身軀回到家後，又要坐 在螢幕前想著論文怎麼寫，常常辛苦了半天，也才完成一兩頁的篇幅，也往往在 床上想著論文就睡著了，經過時間慢慢的累積，終於完成了人生中的第一篇論文。
黃文昌 謹致於台東 民國 101 年 8 月
科學積木遊戲教學對提升國中生 科學問題解決能力之行動研究
作者：黃文昌
國立臺東大學教育學系教學科技碩士在職專班
摘 要
本研究的目的在探究科學積木遊戲教學對提升國中生在科學問題 解決能力的影響，教師在教學歷程中遭遇的問題及解決策略，以及學 生對科學積木遊戲學習課程的學習接受度。
本研究採用行動研究法，以科學積木為教材，遊戲教學為策略，
國一生為研究對象，設計三個階段的教學活動，藉由行動研究的循環 歷程來反思修正。透過「問題解決能力自我檢核表」進行教學前以及 三階段教學後的測驗，一共有四次，以相依樣本 t 檢定分析，觀察其 顯著性；另外再整理學習單、科學積木作品設計表、科學積木問題解 決表、訪談、錄影、協同教師的觀察及研究日誌等質性資料，與量化 分析結果相互比較對照，所得的結論如下：
一、 適性課程設計與足夠教學資源能幫助學生提升科學問題解決能 力。
二、 教師活用週遭資源，精進教學設計，給予學生彈性的學習空間及 時間來解決所遭遇的問題。
三、 學生普遍喜歡有結合舊經驗及合作學習的科學積木遊戲學習課 程。
四、 研究者在行動研究的反思修正歷程可促進教師專業成長。
根據本研究結果，針對未來現場教學者及相關研究者提出建議，
來做為後續研究的參考。
關鍵詞：積木、遊戲、科學問題解決
Action Research on the Impact of Scientific Building Block Teaching Game on the Improvement of Scientific
Problem-solving Capabilities
Wen-Chen Huang Abstract
This research aimed at exploring the impact of scientific building block game teaching on the improvement of scientific problem-solving capabilities for junior high school students, the problems encountered by the teachers when carrying out the game teaching and the problem-solving strategies. Also the acceptance of the students regard to the curriculum of scientific building block game was studied too.
This research adopted the method of action research. The scientific building blocks were used as the teaching materials; the game teaching was adopted as the strategy. The study objects were the junior high school first grade students. Three phases of teaching were designed. Reflections and adjustments were performed through action research cycle.
Problem-solving self-checklist was utilized to test before teaching and after 3-phase teaching. There were four tests in total. Dependent sample t-test was performed to observe its significance. The analysis of worksheets, scientific building block design table, scientific building block problem-solving table, interviews, videos, teachers’ observation and study records etc. qualitative materials was compared with the results of quantitative analysis. The conclusions were made as below:
1. Adaptive curriculum design and sufficient teaching resources can help students to improve scientific problem-solving capabilities.
2. Teachers utilize available resources, develop sophisticated teaching designs, give the students flexible learning space and time to solve problems encountered.
3. In general, the students like the curriculum adopting scientific building block games which combine old experience and cooperative learning.
4. The procedure of reflections and adjustments in the action research can promote the professional growth of the teachers.
Based on the results of this study, suggestions were put forward as references for teachers and researchers in future field teaching and related studies.
Keywords: Building Block, Game, Scientific Problem-solving
目 次
摘 要 ... i
目 次 ... iii
表 次 ... v
圖 次 ... vii
第一章 緒論 ... 1
第一節 研究背景與動機 ... 1
第二節 研究目的與問題 ... 6
第三節 名詞釋義 ... 7
第四節 研究範圍與限制 ... 7
第二章 文獻探討 ... 9
第一節 科學積木 ... 9
第二節 遊戲教學 ... 16
第三節 問題解決能力 ... 25
第四節 動手做教學 ... 30
第三章 研究方法 ... 35
第一節 研究設計理念與架構 ... 35
第二節 研究流程 ... 38
第三節 研究場域與對象 ... 43
第四節 研究工具 ... 46
第五節 資料蒐集與分析編碼 ... 49
第六節 教學設計 ... 52
第四章 結果與討論 ... 61
第一節 學生在提升科學問題解決能力的分析與討論 ... 61
第二節 教師在教學歷程中所遭遇的困難及解決策略 ... 88
第三節 學生對科學積木遊戲學習的接受度 ... 101
第四節 研究者的反思與專業成長 ... 111
第五章 結論與建議 ... 119
第一節 結論 ... 119
第二節 建議 ... 121
參考文獻 ... 123
中文部分 ... 123
外文部分 ... 129
附錄一、 問題解決能力自我檢核表 ... 132
附錄二、 訪談大綱 ... 135
附錄三、 科學積木作品設計表 ... 136
附錄四、 科學積木問題解決表 ... 137
附錄五、 科學積木基本款零件表 ... 138
附錄六、 科學積木能源動力零件表 ... 139
附錄七、 「問題解決能力自我檢核表」使用同意書 ... 140
附錄八、 科學積木「單擺製作」學習單 ... 141
附錄九、 科學積木「槓桿原理應用」學習單 ... 142
附錄十、 科學積木「彈珠軌道（上）」學習單 ... 143
附錄十一、 科學積木「彈珠軌道（下）」學習單 ... 144
附錄十二、 科學積木「小小機關王」學習單 ... 145
附錄十三、 科學積木「認識滑輪、鍊輪及齒輪」學習單 ... 146
附錄十四、 科學積木「電動車」學習單 ... 148
附錄十五、 科學積木「太陽能車」學習單 ... 149
附錄十六、 科學積木「氣壓水動車」學習單 ... 150
附錄十七、 科學積木「誰是全能機關王」學習單 ... 152
附錄十八、 第一階段課程-簡單機械動起來示範作品 ... 153
附錄十九、 第二階段課程-能源動力大作戰示範作品 ... 155
表 次
表 2-1-1 科學積木相關研究整理 ... 13
表 2-2-1 學者對遊戲的定義： ... 16
表 2-2-2PIAGET之幼兒「認知發展階段」與「遊戲分期」表 ... 19
表 2-2-3 現代遊戲理論 ... 21
表 2-2-4 遊戲教學與問題解決相關研究 ... 23
表 2-3-1 國內外學者對問題解決的定義 ... 26
表 2-3-2「問題解決步驟」比較表 ... 27
表 3-2-1 研究時程 ... 39
表 3-4-1 訪談大綱內容、問題設計理念及研究面向關係表 ... 47
表 3-5-1 資料編碼代號： ... 52
表 3-5-2 編碼格式： ... 52
表 3-6-1 參與相關研習表 ... 53
表 3-6-2 研究者之試探教學表 ... 54
表 3-6-3 簡單機械動起來課程摘要表 ... 55
表 3-6-4 能源動力大作戰課程摘要表 ... 57
表 3-6-5 誰是全能機關王課程摘要表 ... 59
表 4-1-1 學生「釐清問題」能力的第二次和第三次之相依樣本T檢定 ... 62
表 4-1-2 學生因為齒輪搭配而產生問題的人數統計表 ... 65
表 4-1-3 學生因為車子太重而跑不動的人數統計表 ... 67
表 4-1-4 釐清問題的第三次和第四次之相依樣本T檢定 ... 71
表 4-1-5 尋求資源的第一次和第二次之相依樣本T檢定 ... 72
表 4-1-6 尋求資源的第一次和第三次之相依樣本T檢定 ... 76
表 4-1-7 尋求資源的第一次和第四次之相依樣本T檢定 ... 78
表 4-1-8 產生可行的解決方案的第一次和第二次之相依樣本T檢定 ... 81
表 4-1-9 產生可行的解決方案的第二次和第三次之相依樣本T檢定 ... 81
表 4-1-10 學生未想清楚而產生的問題 ... 83
表 4-1-11 產生可行的解決方案的第二次和第四次之相依樣本T檢定 ... 84
表 4-1-12 學生在結束課程後的學習意願 ... 87
表 4-2-1 學生對太陽能車說明書的接受度 ... 95
表 4-2-2 學生在太陽能車問題解決表的表現 ... 95
表 4-2-3 因為太吵導致學生無法專心思考的人數統計表 ... 96
表 4-2-4 示範作品與學生的槓桿裝置比較示意圖 ... 101
表 4-3-1 學生第一階段課程單元喜愛程度統計表 ... 102
表 4-3-2 學生第二、三階段課程單元喜愛程度統計表 ... 104
表 4-3-3 小小機關王問題解決表整理 ... 110
表 4-4-1 學生在彈珠軌道（上）單元中產生挫折感之情形表 ... 113
表 4-4-2 學生在氣壓水動車單元中產生挫折感之情形表 ... 114
表 4-4-3 學生在「槓桿的應用」單元中的建議或想法 ... 114
圖 次
圖 2-1-1 科學積木機關王競賽相關發展能力 ... 13
圖 3-1-1 研究架構圖 ... 37
圖 3-2-1 研究流程圖 ... 40
圖 3-3-1 教室配置圖 ... 44
圖 3-5-1 問題解決能力自我檢核表施測情況 ... 50
圖 3-5-2 本研究三角檢正圖 ... 51
圖 3-6-1 簡單機械動起來課程架構圖 ... 55
圖 3-6-2 能源動力大作戰課程架構圖 ... 56
圖 3-6-3 誰是全能機關王課程架構圖 ... 58
圖 4-1-1 學生在檢核表分項中釐清問題能力的表現 ... 62
圖 4-1-2S06 利用小齒輪帶小齒輪 ... 64
圖 4-1-3S19 用大齒輪帶動小齒輪 ... 64
圖 4-1-4 利用大齒輪帶動小齒輪 ... 64
圖 4-1-5 應該修改成小鍊輪帶動中鍊輪 ... 64
圖 4-1-6 空氣壓縮瓶裝在側邊 ... 66
圖 4-1-7 將空氣壓縮瓶置於上方 ... 66
圖 4-1-8 管子裝錯，導致壓縮瓶凹陷 ... 66
圖 4-1-9 打氣筒與空氣壓縮瓶正確接法 ... 66
圖 4-1-10 管子接錯，導致漏水或噴水 ... 67
圖 4-1-11 螺帽鎖住，較不會漏水或噴水 ... 67
圖 4-1-12 小齒輪與車身需留有空隙 ... 68
圖 4-1-13 傳動軸未與車身固定，會滑動 ... 68
圖 4-1-14 十字軸未與超長條固定 ... 69
圖 4-1-15 利用小齒輪與方框抵住 ... 69
圖 4-1-16「第三階段」原規劃作品 ... 69
圖 4-1-17「第三階段」規定作品 ... 69
圖 4-1-18 起重機示範作品 ... 70
圖 4-1-19 載具與軌道距離越近越好，彈珠比較容易掉落軌道中 ... 71
圖 4-1-20 載具撞倒十字軸，傾斜後彈珠掉入軌道 ... 71
圖 4-1-21 學生在檢核表分項中尋求資源能力的表現 ... 72
圖 4-1-22 彈珠軌道（下）標準作品 ... 73
圖 4-1-23 使用較多超長條 ... 73
圖 4-1-24S30-投石車作品 ... 74
圖 4-1-25S01.S02.S03-剪刀作品 ... 74
圖 4-1-26 科學積木書中的斜力車及卡丁車的組裝步驟 ... 75
圖 4-1-27 數學科陳老師及自然科黃老師前來幫忙 ... 78
圖 4-1-28 電腦教室查資料 ... 78
圖 4-1-29 載具兩側沒有支架 ... 79
圖 4-1-30 載具兩側有支架 ... 79
圖 4-1-31 學生在檢核表分項中產生可能的解決方案能力的表現 ... 80
圖 4-1-32 替換結合鍵的方法 ... 84
圖 4-1-33 並排裝置以十字軸組裝 ... 84
圖 4-1-34 學生問題解決能力自我檢核表中分項能力變化的示意圖 ... 86
圖 4-1-35 四次問題解決能力自我檢核表的總分折線圖 ... 86
圖 4-2-1 科學積木遊戲教學之歷程圖 ... 88
圖 4-2-2 研究者與莊老師合作的機關王(三角形表支點) ... 89
圖 4-2-3 完工後的積木教室及科學積木書籍 ... 92
圖 4-2-4 將積木箱放隔板做積木分類 ... 93
圖 4-2-5 小零件自備容器分類 ... 93
圖 4-2-6 學生分組調整圖 ... 94
圖 4-2-7 電動車課程的參考書本 ... 95
圖 4-2-8 邊看太陽車說明書邊做 ... 95
圖 4-2-9 用板手（A）拆卸結合鍵 ... 98
圖 4-2-10C 型軸扣的用法 ... 98
圖 4-2-11 底盤結合鍵用法 ... 98
圖 4-2-12DV 連接單槍同步教學 ... 98
圖 4-2-13101.6.13 校外科學活動 ... 98
圖 4-2-14 彈珠掉落杯子，透過定滑輪改變力的方向，拉動過關宣言 ... 100
圖 4-2-15 在軌道上加上固定鈕，彈珠可停留在上面 ... 100
圖 4-2-16 學生的起動機槓桿裝置部份 ... 100
圖 4-3-1 驚奇的彈珠軌道作品 ... 103
圖 4-3-2 過關宣言示範作品及學生作品 ... 103
圖 4-3-3 積木車競速比賽 ... 105
圖 4-3-4 同學幫忙解決 S06 的彈珠軌道（上）作品 ... 106
圖 4-3-5 學生在彈珠軌道（下）單元所出現的問題 ... 109
圖 4-3-6 小小機關王設計圖與作品的對照 ... 109
圖 4-4-1S19 在不斷修改自己的作品後，做出了太陽能哈雷機車 ... 117
圖 4-4-2S26 中間彈珠啟動上層彈珠，從左右兩路滾到同一個地方 ... 117
圖 4-4-3MACHINE WITH 23SCRAPS OF PAPER ... 118
第一章 緒論
本章主要的目的是要說明本研究的研究背景及動機、研究目的與研究問題、
名詞釋義及研究範圍限制等，以下將分節敘述。
第一節 研究背景與動機 壹、 研究背景
一、 科學教育的重要性
2010 年 11 月 17 日天下雜誌第 460 期的「科學教育決勝未來」由吳怡靜整理 的「上太空，點燃孩子的科學熱情」一文中，物理大師史蒂芬．霍金（2008）提 到《勇闖宇宙首部曲：卡斯摩的秘密》的寫作動機只是要是關心兒童的科學教育，
並提到：「我們的社會越來越依賴科技，但是年輕人卻愈來愈不願意念科學」，為 鼓勵下一代對科學的興趣，希望透過寫科普童書來喚醒孩子對科學的熱情，史蒂 芬．露西在 2008 年 4 月與父親史蒂芬．霍金在大空總署（NASA）成立五十週年 的系列講座中提到科學對所有人的重要性，因為今日的小孩是未來做出影響眾人 決策的成年人，需要對科學有基本的了解。
教育部的科學教育白皮書（科學教育白皮書，2003）中提到科學教育是一項 全民教育，涵蓋所有的國民；強調培養全民的科學素養，發展每個人的「創新、
創造能力」與「關心、關懷態度」。Songer and Linn (1991)指出讓學生進行探索科 學原理的來源與關連性，可以有效幫助學生學習，而且對科學原理有較多理解的 學生，在面對問題時可以用類似科學家的問題解決方式來解決問題。Simon (2000) 認為學校的科學教育要使學生能夠主動去關心生活中的科學議題。天下雜誌第 460 期中「決戰科學教育」一文中，政治大學講座教授、美國約翰霍金斯大學教授錢 致榕曾經以『台灣社會理盲又濫情』一句話來說明科學教育扎根的重要性，並指 出目前學生缺乏邏輯和理性推理能力，出了社會就會缺乏足夠的科學基礎作理性 分析思考。以上學者的論述，皆顯示科學教育對學生的重要性。
臺灣知名科學家洪蘭學者也提出「科學教育無他，去除孩子頭上標準答案的 緊箍咒，恢復他的好奇與好問本能，歸真返璞，這時科學家就出現了」；行政院政 務委員曾志朗在《你我都是科學人》中強調科學態度是自我學習的能力，每一個 現代公民都應該有基本的科學素養。以「理想．啟蒙．奉獻」為基本理念的《科 學月刊》在慶祝創刊 40 周年之際，標定 2010 年為「科普閱讀年」，並在國家圖書 館與國立台灣師範大學圖書館的支持與合作下，推動「科普閱讀年」的活動，期
望把科學知識普及到社會各角落，增進民眾處理日常事物的科學態度，並引發青 少年從事科學探索的興趣與行動。
二、 科學學習自信心低落
為了解臺灣的科學教育成效，依據國際數學與科學教育成就趨勢調查（Trends in International Mathematics and Science Study，簡稱為 TIMSS）探討目前臺灣科學 學習的現況，其中 TIMSS 每四年舉行一次，最近一次為 2011 年，根據 TIMSS 2011 網站資料上的工作時程顯示，已完成施測，於 2011 年 12 月 IEA 公告國際調查結 果。本研究以 2007 施測結果做為目前臺灣科學教育現況與國際間的參考，TIMSS 的調查對象為各國四年級和八年級的學生（Olson, Martin, & Mullis, 2008），在 TIMSS 調查中顯示臺灣八年級學生在學科成就上表現優異，無論是整體或分科表 現都在四名之內，科學認知能力排名也在五名內，其中科學學習的認知推理能力 明顯比科學認識和應用能力弱，且評估自己在學校科學學習能力的自信卻遠低於 OECD 和全體國家學生的平均，八年級學生對科學持高評價的人數百分比與台灣 同樣實施統整課程的 29 各國家中名列倒數第三名（Martin 等, 2008），在科學學習 興趣上臺灣八年級學生對科學的正向態度遠低於國際全體學生。
李哲迪（2009）綜合臺灣國中生在 TIMSS 和 PISA 的科學學習成果指出臺灣 在科學教育上的學科知識內容表現優異，但認知能力和態度情意還有改善的空間，
其中科學學習自信心低落，可能反映出我國文化中自律自謙的特性及課程的高標 準，尤其要激發低學習成就學生的學習動機，提高其學習自信心是很重要的。在 教學方法上，建議學生主動學習，以學生為中心，讓學生有更多時間投入學習活 動（李哲迪，2009）。
商業周刊（2009）也在第 1109 期刊中（你有「第四名的小孩」嗎？）一文提 到，根據 OECD（經濟合作暨發展組織）2006 年對全球 57 國，超過 40 萬名、十 五歲學生進行學生能力國際評量計畫（The Programme for International Student Assessment，簡稱為 PISA）的調查，台灣學生數學測驗分數，全球第一名；科學 分數全球第四名，比美國、日本的學生都出色，但台灣學生的自我評價在全球都 呈現倒數第四、第三名！臺灣學生呈現如此兩極的現象代表著學習動機及自信心 低。
美國教育學家卡芬（M. V. Convington）的自我價值論提到要引發學生學習並 維持其學習活動首重培養學生的學習動機，且個人追求成功的內在動力來自於學 生心中對自我價值的維持，如果學生長期處於不成功的情境下，就會發展出失敗 的壓力政策。OECD（經濟合作暨發展組織）的國際學生評量計畫主持人史萊克
動機及自信心低」的學生，影響的是將來學生探索世界的動力。從 OECD 進行的 測驗中，可以知道臺灣的學生在長期升學壓力下，即使在學科測驗上表現不俗，
但在學習動機、態度及信心卻遠落後於其他國家，雖然現階段的學科測驗成績名 列前茅，但影響一個人未來的人生不是只有學科成績，而是在遇到問題時，勇於 面對，想解決問題，相信自己透過蒐集資料或討論中可以解決問題，一股持續成 長的動力才是影響一個人的關鍵，可見對科學學習的動機、態度及信心有其重要 性。以美國的學生來說，雖然學科成績中等，但確有很高的學習動機、態度和自 信，反觀臺灣的學生在學科測驗成績相當高，但學習動機、態度和信心卻不夠。
如果學生對自己沒信心，遇到困難時，也不會相信自己有能力去解決，但對自己 有信心的學生，即使在學科成績不突出，只要保有基本的學科知識，在遇到問題 時，也會相信自己可以透過其他方法解決，在這過程中反而學習到比課堂上更多 的知識，人要不斷的進步，就需要有持續學習的能力，這樣才可能有成功的機會。
若是對自己有信心，即使遇上不會的問題，也相信自己能透過詢問或找資料來解 決，認為自己能突破困境，這是一種持續學習能力，這樣的人就能夠不斷邁向成 功。
三、 科學動手做
天下雜誌於 2010 年 10 月 29 日的「2010 年教育特刊調查」對臺灣的國、高中 生進行問卷調查，採分層比率抽樣法，總計郵寄出 3200 份問卷，回收 2654 有效 問卷，回覆率有 83%。根據問卷分析結果顯示有 39%的學生「都沒做過」科學實 驗，「每週低於一次」的比例有 37.1%，但學生希望「每週做一到兩次」實驗的比 例為 45.5%，表示學生是喜歡做實驗的，目前臺灣的教育普遍停留到書本傳授為主，
未符合學生喜歡「動手做」的期待。
Singer and Golinkof and Hirsh-Pasek (2008)及 Ramani and Siegler(2008)皆指出，
要讓學生對教材感到興趣就要提高學習的內在動機，再用生動方式呈現教材來滿 足學生對教材的好奇心。洪振方與謝甫宜（2010）以結構方程式模式驗證與分析
「科學學習成效理論模式」，研究顯示科學學習動機會直接影響科學學習成就、科 學概念性學習及科學推理能力，而且科學學習動機透過科學推理能力及科學概念 性學習為中介間接對科學學習產生顯著效果。王美芬與熊召弟（2005）指出對喜 歡科學學習的學生，在進行科學活動和處理其他事物時能表現出正面的科學態度，
也願意花時間去探索。根據以上研究結果顯示，透過遊戲學習可以提高學生對科 學學習動機，進而達到寓教於樂的目的。
有學者在相關研究提出積木學習對學童在教育上有實質的意義，進一步對科 學理解能力也有所提升，例如：創辦第一所幼稚園（1840）的德國教育學家福祿
貝爾（Friedrich Froebel, 1782-1852）是最早以積木做為幼兒活動媒介的教育學家
（Wellhousen & Kieff, 2001）。Adams and Nesmith (1996)發現教師認為積木遊戲可 促進兒童創造力、數學學習、自我概念及解題能力等。許弘雨（2008）針對福祿 貝爾生平、及其著作《人的教育》及遊戲恩物（包含積木）在教育上的意義探討，
以文獻探討方式進行研究，指出以積木的多樣性來堆積與排列，帶給小孩子無限 的刺激和快樂，可以訓練邏輯思維能力，是幫助小孩子成長的基礎工具，也是讓 成年人重新是認識世界的媒介。可見積木遊戲在教育上有其幫助，透過積木為教 學媒介，容易引起學童的科學學習動機，促進相關科學能力。
目前市面上有很多積木，可以讓學童透過遊戲學習的方式融入科學教育，進 一步提升學童的理解能力和創造力。目前全球知名的樂高（LEGO）積木除了引發 學習者的創造力外，更透過樂高公司教育事業部（Lego Educational Division）開發 的樂高科學創意相關課程協助學童在科學上的學習，並研發 LEGO Mindstorms（樂 高機器人套件）適合 12 以上的小孩或大人，透過程式設計和積木組裝歷程，提升 學童創造力及問題解決能力，並了解相關科學原理。樂高公司也跟國際奧林匹克 機器人委員會（WRO, World Robot Olympiad Committee）合辦「國際奧林匹克機器 人大賽」國際性的科技及教育活動，以機器人設計的競賽活動，推動國內創意科 學教育之目的，並藉由電腦資訊及科學原理的運用，提升參賽者的科技運用及創 意。樂威（LOWE）積木源自德國的 LASY 積木，LASY 積木主要使用在幼兒的腦 力開發，在科技日新月異的時代，左右腦平衡發展越受重視，在如何提高智力發 展的同時可以兼顧創造力，使許多家長選擇使用 LASY 研究出的創造性訓練計畫。
LOWE 創意積木秉承 LASY 的高品質與高創意性，與樂高（LEGO）不同在於樂高 是以凸與凹的結合方式往重直或水平做連接，LOWE 創意積木可在任何部分連接，
使兒童創意不受到約束與限制。王心筠（2009）以準實驗研究探討 LASY 積木教 學方案對幼兒創造力的影響，結果顯示實驗組幼兒在獨創力、變通力、精密力、
流創力等面向的創造力表現皆優於對照組幼兒。而由國內智高實業股份有限公司 所發展的智高遊戲積木由原本的玩具市場跨足到學校教材市場，並與學校進行產 學合作，結合學校科學相關課程開發一系列與科學原理相關教材，透過積木遊戲 除了可以學習科學知識與相關原理外，進一步培養學童的問題解決能力和創造力，
以「玩具教材化，教材玩具化」的理念，讓學童在動手中學習，快樂中成長。並 與德國知名的 eitech、KOSMOS、日本的 Gakken 合作開發科學組合玩具，注重在 科學教育領域的教材研究，受到學校老師喜愛，使得智高積木成為課堂上的教具。
為使智高積木發揮其在科學教育上的特色，2006 年智高實業股份有限公司運用其
2007 申請到國科會支持，由中華創意發展協會推廣至全國高中職及國中小學，希 望藉由比賽來鼓勵學生實際動手操作，除了活用平常所學的科學原理知識，可以 培養問題解決能力及創造力。
四、 問題解決能力的重要性
裴斯塔洛齊認為教學的效能在於發揮學生的內在能力（彭震球，2000）。Deluca (1992)認為問題解決是人類重要的心智活動也是知識的重要泉源。為了迎接目前多 元及多變的世界，培養學童多元能力是必要的，尤其在問題解決的能力上，打從 出生就不斷遇到各種問題，每個人針對不同的問題都有不一樣的解決辦法，有人 選擇勇敢面對，尋求相關資源來解決問題，但不乏有逃避問題，習慣性依賴別人，
無法透過解決問題的歷程中自我成長，因此產生每個人對問題解決上的能力差異，
然而還是有大大小小的問題需面對，小到日常生活中的開啟水龍頭，大到如何修 理電風扇，從個人的問題再變成家庭的問題、學校的問題、社會的問題及國家的 問題等，如果從小不培養學童問題解決的能力，長大後無法獨立自主及自我成長，
但國家的問題需要人才來解決，因此問題解決能力對學童有其重要性。因此教育 部於 2003 年頒佈了九年一貫的課程綱要，課程設計以學生為主體，以生活經驗為 重心，培養現代國民需具備的十大基本能力，其中「主動探索與研究」是激發好 奇心及觀察力，主動探索和發現問題，並積極運用所學的知能於生活中。「獨立思 考與解決問題」是養成獨立思考及反省的能力與習慣，有系統地研判問題，並能 有效解決問題和衝突。本研究適逢政府大力推動十二年國民教育及高中職免試入 學，各級高中職學校積極發展本身的校園特色課程，以研究者服務學校是一所縣 立完全中學，包含國中部及高中部，於民國 100 申請「高中職適性學習社區教育 資源均質化實施方案」通過，計畫推動科學積木活動做為學校特色教學創新，以 推廣科學積木活動並辦理相關研習及競賽，使學童可以「做中學」，從遊戲中了解 科學相關原理，培養問題解決能力，使其在學校有學習的成就感。
貳、 研究動機
研究者本身擔任自然與生活科技領域的老師，平日對科學相關領域有濃厚的 興趣，在大學就讀工業科技教育學系期間，因為學校課程安排，多為實作課程，
從設計概念到構圖、選材、蒐集相關資料、實作及評鑑，每個步驟皆需親身參與，
尤其學校常常要繳交作品，分組討論，親自動手做，在期間也遇到很多問題，需 與同學間討論，來解決在製作中所遭遇的問題。到了大四畢業那年，每個同學需 自己找尋專題題目，並採自由分組，在製作專題的過程中，更是把大學四年所學 的東西，重新複習一遍，克服重重困難才得以完成作品。而本次科學積木遊戲教
學課程需要動手做，也要對科學原理有了解及擁有解決問題的能力，研究者可以 把大學實作課程中的經驗，融入在本次的研究中，在實際參與過科學積木相關研 習課程及本身利用閒暇時間自學後，覺得在組裝科學積木歷程中，很適合培養學 童的科學問題解決能力。
而研究者目前擔任國一導師，以自己的班級做為研究對象，採用行動研究方 法，紀錄及分析整理學童在動手做科學積木的過程中了解科學原理的程度為何，
是否在科學問題解決能力上有所提升，而且採用自己班級做為研究對象可以方便 觀察及記錄學童的改變，可以做為學校在推廣科學積木特色課程的參考依據。再 加上研究者之前在服務學校有過 5 年行政歷練，在進行科學積木活動的過程中於 行政業務較為熟悉，且與行政同仁互動也較為頻繁，並可以主動支援學校在推廣 科學積木的相關活動，除了增加組裝積木的經驗外，對研究者本身的科學解決問 題經驗也較為豐富。研究者本身也期望科學積木遊戲教學課程可以為學童注入另 一股學習動力，創造師生另一個互動的空間，進一步為學校帶來改變。
第二節 研究目的與問題
一、 研究目的
（一） 探究科學積木遊戲教學對提升國中生在科學問題解決能力的影響，
以及遭遇的問題及解決辦法。
（二） 探究教師在科學積木遊戲教學歷程中遭遇的問題及解決策略。
（三） 探究學生對科學積木遊戲學習課程的學習接受度。
二、 研究問題：
（一） 探討國中生在科學積木遊戲學習過程中，對於提升科學問題解決 能力的改變為何，以及國中生所遭遇的問題及解決辦法為何？
（二） 探討教師在進行科學積木遊戲教學的歷程中，所產生的問題及解 決策略為何？
（三） 探討學生經過科學積木遊戲教學課程後，學生對課程及合作學習 的接受情形為何，以及本研究課程設計對學生的適切性？
（四） 探討研究者之反省與成長為何？
第三節 名詞釋義 壹、 遊戲教學
遊戲教學法是藉由有趣的教材來改善教學情境，將教學活動轉變為遊戲活動 的教學方法，達到寓教於樂的效果(鄭雅心, 2009)。本研究透過科學積木遊戲教學 提供學童「做中學」的機會，從科學積木遊戲教學中引導學童了解科學相關原理，
進一步探究其科學問題解決能力的歷程，達到寓教於樂的遊戲教學目的。
貳、 科學積木
本研究的教材科學積木是採用臺灣智高實業股份有限公司所開發的”Gigo”積 木，智高積木的主要特色為採用「一凸五凹」的設計，每個積木彼此都可以做結 合，用有限的積木可以組合出多種不同的積木造型，並且成為學校在自然課程上 的教材，透過智高積木的多樣組合，學生可以更清楚地了解科學的相關原理，如：
單擺、槓桿、齒輪組等相關原理，讓學生在遊戲中快樂學習。
參、 問題解決能力
黃茂在及陳文典（2004）在「科學教育月刊」中指出問題解決能力就是一個 人在遇到問題時，能夠主動地且自主地謀求解決，可以有規劃、有條理、有方法 及有步驟地處理問題，能適切地、合理地及有效地解決問題。本研究所使用的問 題解決能力檢核表是採用（宗欣儀，2007）修訂李曉菁（2003）「問題解決能力自 我檢核表」作為測量學生問題解決能力的工具，探索學童在科學積木遊戲教學中
「釐清問題」、「尋求資源」、「產生可能的解決方案」、「決定最佳解決策略」、「採 取行動」、和「評鑑結果」的歷程。
第四節 研究範圍與限制 壹、 研究範圍
一、 研究對象
本研究對象以研究者本身服務的學校國一生及協同教師三位，國一生為研究 者本身所帶的班級，學生活潑好動，但學習成就普遍低落，家庭社經背景並不是 很好，且班上來自不一樣的族群，有平地人、原住民及外配子女彼此間存在著文 化上的差異。兩位協同教師分別為李老師與陳老師，李老師為自然與生活科技領 域教師，本身也是學校設備組長，同時也是本次均質化計畫的執行者，電腦科陳 老師平常熱心助人，觀察細微，數學科陳老師熱衷教學，喜愛嘗試不同教學方式。
二、 研究教材
本研究的教材採用智高實業股份有限公司所發展的智高積木，主要以基本款 當作本次研究的教材，額外搭配其他軌道組及能源動力組積木，教材的數量以一 個班分成七個組為準，搭配國立科學工藝博物館所提供相關機關王教材及機關王 網站內容，做為本研究參考的依據。
貳、 研究限制
一、 研究方法的限制
本研究係以行動研究的方式進行，需實施多次的課程教學和檢討改進，並針 對所蒐集的資料進行質性的深入分析。由於研究情境有所限制，故本研究不宜做 過多的類推，但仍可在研究結果中，探討科學積木遊戲教學的課程設計及修改的 歷程，以因應不同情境，提供教師作為教學上的運用。
二、 研究教材的限制
本研究教材是參考國立科學工藝博物館實施的科學積木相關活動教材為主，
依實際情境不同而做部份內容的修改，並且蒐集科學積木相關資料及各大出版社 出版的相關科學遊戲書籍或影音資料，以輔助課程不足部分。由於研究者任教之 學校為非市區繁華之地，爲使大多數學生有更多的參與感，教材設計上需考慮學 生易取得的材料或容易蒐集為考量方向。
第二章 文獻探討
本研究依照研究相關主題來做文獻探討，包含使用「科學積木」做為課程教 材，應用「遊戲教學」的策略實施教學來提升學生的科學問題解決能力，並透過
「動手做教學」使學生體會做中學的樂趣。
第一節 科學積木
本研究的教材為智高積木，因透過各式各樣積木的組合形式可以使學生具體 了解科學的原理，如槓桿原理、單擺運動、齒輪運動、氣壓及水壓的運用等，與 科學學習相關，故稱為科學積木。
壹、 積木的介紹
一、 積木的發展歷史
積木是許多人童年時光的玩伴，各式各樣的積木透過不同的組合堆疊可以產 生多變的造型，足以讓兒童發揮創意。郭春在（2006）研究幼兒玩具設計要素的 探討中發現，教保人員認為積木是最容易引起幼兒興趣的玩具。再追朔到十八世 紀的「幼稚園之父」福祿貝爾，他是第一位透過具體玩具將兒童教育、遊戲與玩 具加以明確形式化的教育家，福祿貝爾將適合兒童操作的玩具稱之為「恩物」，共 有 20 種，第 2 到 6 種恩物的設計都和積木有相關，含有立方體、長方體、圓柱及 圓球等各式各樣的形狀，積木的規格都依照尺寸來切割，可將恩物中的積木收成 一個大正方體（許弘雨，2008）。義大利教育家 Montessori (1870-1952)於羅馬創辦
「兒童之家」，其所使用的教具中就包含積木建構的概念，直到十九世紀末二十世 紀初，美國教育學家 Caroline Pratt 將積木廣泛應用於幼兒教育，並發明了單位積 木（unit blocks）和空心大積木（hollow blocks），其中單位積木即是大家所熟悉的 積木，標準的單位積木與福祿貝爾第四恩物原理類似，皆為 1：2：4 長方體（馬 祖琳、戴文青、臧瑩卓、林意紅、愛彌兒幼兒園教學團隊，2009）。到目前為止，
美國各地的學前教育機構中幼兒教室的最基本學習材料為單位積木，這種教材被 高度的肯定 (Beaty, 1996; Carwright, 1990)。國小國中甚至到成人階段積木對教育 的影響備受肯定，尤其已常見的塑膠積木為例，多位研究者也使用樂高、樂喜、
智高積木做為研究主題，除了增進學生科學知識上的理解外，也培養學生的問題 解決能力及創造力（王心筠，2009；王映人，2010；林智皓，2008；洪秋萍，2005；
黃信穎，2011；趙方麟＆王金傳，2007；蔡依琳，2002），由上述可知，積木在教 育上的應用普遍。
二、 積木的類型
研究者在全國博碩論文知識加值系統網站以論文名稱為搜尋欄位，「積木」為 關鍵字，搜尋結果共計有 29 篇，與教育相關有 16 篇，再依據王映人(2010)的研究 將積木的類型分為：
（一）塑膠積木：樂高（LEGO○R ）積木、樂喜（LASY○R ）積木。
（二）木製積木：福祿貝爾的「恩物」、單元積木、通道積木（彈珠）及棧板 積木。
（三）紙製積木：三角紙積木、多面體立體的積木及饕餮摺紙積木。
（四）型塊積木：五方連塊積木、形式積木（六型六色）。
（五）建築積木：M.B.H.系統積木、T.A.H.系統積木。
而研究者所使用的智高積木屬於塑膠積木的一種，以下就介紹常見的樂高
（LEGO○R ）積木、樂喜（LASY○R ）積木及研究者所使用的智高（GIGO○R ）積木。
1、 樂高積木
樂高（LEGO）積木陪伴很多人走過童年的時光，是利用不同形狀的塑膠塊進 行堆疊的玩具，這些塑膠塊包含正方體、長方體、半圓體、扇形等，還有其他的 零件所組成（林智皓，2008）。創立於 1932 年的丹麥玩具品牌「樂高」，至今超過 50 年的經營下，一直秉持著「給孩子最好的」的最高原則，樂高積木能持續包持 著新鮮感在於豐富的組合性，而且樂高積木不只是玩具，還可以培養兒童的好奇 心、創造力、協調性及社會性的教育玩具，連成人都喜愛（五十嵐 加奈子，2010）。
樂高積木設計多變且精美，透過六塊八顆凸起的長方體 LEGO 積木，可以砌出 102,981,500 多款組合，擁有廣大的成年玩家，大多是兒童時期深受樂高積木的吸 引，目前已在全球 125 國家擁有市場，大約有 3 億孩童曾經是他們的顧客，樂高 公司最早在 1988 年與麻省理工學院合作研發「智慧型可程式化積木」 （「維基百 科」，2012）。樂高公司希望除了生產具有教育意義的積木外，可以使積木進行更 多元的教學，1998 年因而推出 LEGO○R MINDSTORMS○R 一系列的產品，使學童及 早認識機器人的操作。2008 年 8 月開發新一代的 NXT 樂高機器人套件，使用 32 位元核心電腦控制器，使樂高機器人可以做更多的應用（邱信仁，2010）。
由國際奧林匹克機器人委員會（IROC）和丹麥樂高教育事業公司合辦的國際 性機器人比賽（World Robot Olympiad）簡稱 WRO，從 2004 年開始，以樂高 Mindstorms 為競賽器材，參賽者依據年齡分為國小組、國中組及高中組，比賽項 目分為競賽與創意兩種，競賽的比賽項目中參賽者需組裝積木並撰寫程式來解決 問題；創意的比賽項目中各組依據特定主題自由設計機器人模型並展示（「維基百
在國內許多博碩士也以樂高積木在教育上應用做為研究主題，黃信穎（2011）
以準實驗研究法透過樂高機器人對國小六年級學生在數的速度單元中，發現中程 度的學生進步最多，低程度的學生受影響最顯著。程臻寧（2009）也採質性研究 發現樂高機器人的教學情境可以促進國小學童的問題解決能力。
2、 Lasy 積木
LASY 積木源自於德國，由一位 Peter Laws 工程師所研發，為幫助兒童左右腦 平衡發展，LASY 研究出創造性訓練計畫促進兒童創造力的提升，其成效受各國教 育界、兒童心理學家、醫生、工程師、教師及家長認同，並獲得西德的 Spiel Gut 獎，
LASY 積木的品質及多元無盡的遊戲價值也獲得加拿大玩具試驗理事會的最高評 價（「樂威官方網站」，2012）。王心筠（2009）指出 LASY 積木教學方案對幼兒有 助創造力的提升。而王映人（2010）指出對大學生進行「創意積木課程」的創造 力教學，使其在流暢力、獨創力、變通力有顯著成效。
LASY 積木是循著一套邏輯系統研發的，著重在教與學的互動，LASY 的積木 特色為（一）透過 3 度空間的結構使兒童有立體的概念。（二）設計與拼差實際模 型。（三）結合科學與技巧的運用。（四）包含物理與機械原理。（五）與電腦結合 操作（王心筠，2009）。LASY 積木還有兒童創造力訓練計畫四步驟：（一）學習運 用雙手，兒童經由玩積木訓練雙手。（二）摹仿範例模型，LASY 積木強調教與學，
所以兒童需有摹仿的能力。（三）改進模型，對摹仿好的模型加以改造。（四）創 造新模型，有了 LASY 的組裝經驗後，鼓勵兒童自行創造新模型（王心筠，2009）。
由上述可知，LASY 積木透過循序漸進的教學方式提升兒童的創造力，先從簡 單的積木模型開始，慢慢的引導兒童創造出新的模型，促使兒童左右腦的均衡發 展。
3、 智高積木：
智高實業公司成立於 1976 年，發展智高遊戲積木，多年來以”Gigo”自我品牌 製造及開發多元性、教育性及富功能性的新產品為經營主軸。榮獲台灣青年創業 協會頒贈”最佳創意獎”及”台灣精品獎”，並成立智高教學中心與德國、日本、法國、
美國等知名玩具公司：KOSMOS、Celda、BUKI、Gakken 均有合作。以「教材玩 具化、玩具教材化」的想法，讓小朋友體會「做中學」的樂趣，藉由遊戲中學習 到科學知識。智高所生產的產品中，一半賣到學校，另一半賣到玩具賣場，其中 積木都是依據學校的需求去研發，富涵教育意義，尤其在科學知識的注重，並以
「滾雪球」的方式開發新產品，不斷累積競爭力，這是智高成立 30 餘年所堅持的 理念（賴鴻洲、盧宏男、劉福田，2009）。
智高積木元件和其他品牌積木最大不同之處，在於它是屬於框架（frame）式 的結構積木，可以按自己的需求組合建構模型；以 10mm 為基數的零件設計，形 成軸向自由度的延伸，方便使用者組裝。框架的每一個圓孔以 8mm（7.94mm）為 基礎，以凹與凸的配合部分，也是傳動軸的支撐部分，所以可以輕易的找到需求 的組裝尺寸。另外智高積木合乎機械原理的各種傳動元件與動力來源元件，可以 容易地建立符合需求的動態（dynamic）結構。林文彬（2011）認為智高積木的最 大特色就是組裝模組化，在跟法國 Celda 公司合作後，發現智高積木模組很適合用 在自然科學的講解，學校教師也利用智高積木做為實驗教材，並寫成教案，兩者 相輔相成。
雖然智高積木是塑膠產品，但其可以隨時拆裝、調整、重建，也符合綠色設 計的核心價值”3R”，就是減量化（Reduce）、回收（Recycle）、重複使用（Reuse）
（賴鴻洲等人，2009）。林文彬（2011）制訂智高積木的標準化規格，使得舊積木 可以輕易的和新積木做結合，避免舊積木造成浪費。
智高積木為達寓教於樂的目的，智高公司與教育單位建教合作，發展更多智 高積木的模型，並贊助舉辦全國高中職及國中小的智高機關王比賽。機關王的歷 史源起要從 Crazy Machine 談起，Mr. Reuben Garret Lucius Goldberg 曾獲得 1948 普立茲獎（Pulittzer Prize）是一位美國漫畫家的創意，將簡單的動作透過複雜的層 層機關完成，以化簡為繁做為其漫畫風格（「機關王官網」，2011）。
Mr. Reuben Garret Lucius Goldberg 的漫畫意外成為國外大學機械系所或是訓 練創意思考的課程，西元 1987 年起成為美國全國性的比賽 Rube Goldberg Machine contest。後來這個活動從歐美傳回亞洲，經由日本一個機關王的節目而發揚光大。
而在台灣最有名的機關王比賽為智高公司在西元 2009 年的「全國中小學綠色能源 應用創作機關王比賽」，以綠色能源設計的素材，使創意思考及能源概念融入積木，
透過機關王的比賽促進學生的物理、化學概念、機械運作原理、系統思考、解決 問題的能力、創意思考及創造力的成長（「機關王官網」，2011）。
透過機關王的比賽可以讓學生在比賽過程中培養如下圖 2-1-1 的相關能力，包 含四個面相，分別為認知、思考、情意、技能。而本研究以科學積木遊戲對國中 生在認知面中的科學相關原理及思考面中的問題解決能力為研究主題。
圖 2-1-1 科學積木機關王競賽相關發展能力
貳、 科學積木的相關研究
本研究僅就積木相關論文進行限制查詢，就與本研究相關的主題共有 7 篇做 整理，除趙方麟與王金傳（2007）與本研究使用的是相同積木外，其餘都是樂高 積木，如表 2-1-1 所示：（林育沖、黃能堂，2007；林智皓，2008；施能木，2008；
洪秋萍，2005；趙方麟、王金傳，2007；謝建全、施能木、鄭承昌，2004）
表 2-1-1 科學積木相關研究整理
研究者 研究題目 研究結果
謝建全與 施能木與 鄭承昌
（2004）
機械人組合教學 輔具在國小學童 創意學習與問題 解決歷程教學上 之應用
以台東縣東海國小五、六年級二十七名學童為研究對 象，以三人為一組而分成九個組，利用「樂高天才小 發明家 2.0（Mindstorms RIS 2.0）機械人積木組合」
為教學媒體與教材，自行設計「創意與問題解決」課 程以進行教學活動，教學實施的時間為 20 週且每週三 小時。本研究利用教學活動檢核表、田野筆記、情境 地圖、攝影及照像以進行觀察及分析。
研究結果發現：
1.使用「概念圖（concept map）」於創意教學，可以促 進學童們在問題解決時彼此間的創意對話，有助於他 們問題解決能力的提昇。
思考面
認知面
情意面 技能
科學知識的理解 及應用能力
問題分析解決能力、
創造力、想像力
貫徹力、團隊 合作能力 手指靈巧度、手腕握力、
精密製作能力
2.使用樂高積木與 RCX 程式設計來創造不同功能的 機械人時，可增進學童的後設認知能力，以及他們可 更具體表達出創意發展、問題解決的歷程。
洪秋萍
（2005）
電腦樂高（LEGO Dacta）對學習創 造力的研究：以 功能性角色探討
將學生依不同性別分成三組，採用團隊合作的方式，
以內容分析法的方式來探討學生各種功能性角色的扮 演。研究結論顯示：
一、在電腦樂高課程的學習上可以採合作學習的方式 幫助學習。
二、在樂高課程的實施中，男生的組別功能性角色的 出現及創造力的進步遠大於只有女生的組別。
三、功能性角色的出現影響到創造力的進步，角色出 現的種類或次數愈多，創造力就進步的愈多。
黃世隆
（2005）
應用電腦樂高輔 助高中生程式設 計學習之行動研 究
以行動研究法進行，參與對象為某高中一年級正修習
「計算機概論」科目的兩個班級，共 79 位學生。所有 的教學單元均以電腦樂高程式的觀摩與實作，來輔助 學生驗證所學的觀念。
研究結果：
多數學生認為使用電腦樂高，有助於提升學習程式設 計興趣，並產生學習成就感。而應用電腦樂高輔助程 式設計教學時，須給予學生充分的實作時間，並提供 充足的軟硬體設備支援，以及適當的教學人力協助。
林育沖與 黃能堂
（2007）
透過樂高機器人 教學提昇國小學 生科技創造力之 研究
嘗試利用電腦樂高機器人為科技學習工具，以十四位 學生為對象，進行為期十次的社團活動教學；並以葉 玉珠（2005）所編製的「科技創造力測驗」對學生進 行前後測，經由相依樣本 t 考驗發現，在整體創造力 表現上達顯著水準。
總結而言，本研究顯示透過電腦樂高方式的教學，對 提升國小學生科技創造力的成效與學習興趣是有幫助 的。
趙方麟與 王金傳
（2007）
益智塑膠積木與 齒輪學習玩具特 徵移轉設計
調查國小學童接受度階段，受測者自由選擇組裝塑膠 積木與齒輪玩具，在操作時觀察遊戲進行中所遇到的 問題點，操作後再以問卷調查其接受度。
研究結果：
一、運用齒輪玩具有助於相關科學概念之接受與迷思 概念之去除。
二、調查結果顯示塑膠積木玩具仍有較高的接受程度。
三、一般學童雖多優先選擇嚐試齒輪組玩具，但於使 用之後，因為齒輪難度較高，導致對齒輪組特性不了 解而造成使用意願下降。
四、善用教具輔助學習有助於引導學童做深入的觀 察，並促進推理思考，有助於科學概念建構。
林智皓
（2008）
樂 高 (LEGO) 動 手做教學對國小 學童科學創造力 影響之研究
以動手操作為主的教學設計，輔以問題解決導向的情 境學習與評量。採準實驗研究設計，研究對象為國小 高年級學童二十六名。
研究結果：
一、實驗組學童之「物理學科能力」、「問題解決能力」
與「科學創造力」，優於對照組學童之成就。
二、實驗組學童於教學後，其學習動機與態度、問題 解決能力和創意思維上，均感受到有別於過去接受講 述式教學時期的成長。
三、動手做教學模式在科學創造力的培養、學習動機 與態度的增強、學科知識和問題解決能力的遷移以及 整體教學效能的提升上，亦明顯優於傳統教學模式。
施能木
（2008）
應用樂高教學方 案在國小生活科 技課程對學童創 造力影響之研究
採取準實驗研究法，以台東縣東海國小六年級兩個班 級（各 35 名學童）為研究對象，隨機分派為實驗組與 控制組。實驗組學童接受樂高教學方案教學，控制組 學童接受傳統教學，教學實驗時間為期六週（24 節 課）。
研究結果：
讓學童從實際動手製作作品的過程去體會「從做中學」
的意義，同時對作品進行不斷的測試、修正及改進的 工作，如此可增進學童在作品精進與統合、問題解決、
實作等方面的能力。
資料來源：研究者整理
綜合上述，以積木作為教學的教材有助於提昇學生的問題解決能力。藉由「做 中學」的過程來培養學生的問題解決能力，而且透過積木的特性也可以促進學生 的創造力，但實行課程時應該給予充足的實作時間。
第二節 遊戲教學
其實「遊戲」一詞出現由來已久，許多學者的意見也是相當分歧，在文獻中 可以看出每位學者有不同角度的詮釋和看法，很難有一定的論調和共識。所以在 整個教學實施前，必定要先了解遊戲的定義及其理論的發展。因此，本小節先從 遊戲的定義、理論及遊戲教學的定義、特性來做探討彙整，最後再整理相關的研 究。
壹、 遊戲的定義
從小到大生活中幾乎離不開「遊戲」這個名詞，遊戲一直陪伴在我們的身邊，
張淑媛（2001）指出在兒童的成長歷程中，身旁的玩物從未缺席，近代的心理學 家則是強調遊戲像是催化劑和潤滑劑一樣可以讓兒童無壓力地學習，藉由遊戲的 學習不至於造成反效果，可見兒童經由遊戲的歷程來學習是必需的。
但何謂遊戲的定義，由古至今各學者對遊戲的定義或解釋都有不同的看法。
如：Froebel (1887) 認為藉由遊戲來引導兒童的自我活動、自我發展與社會參與，
使兒童在各方面的能力都可以均衡發展。而遊戲是兒童自我主動的表徵，將內心 世界的衝動及需要表現於外，猶如種子的萌發一樣，遊戲會使兒童的心理像種子 一樣自然開展。Dewey (1938) 認為兒童是為了遊戲而遊戲，將其心理上的態度表 現出來，並沒有其他目的，亦即「生活即遊戲、遊戲及生活」。Bruner (1960) 認為 遊戲是一種可以任意地且有力地表現出現實的模式。Eisner (1982) 認為遊戲可以 讓兒童去探索可能發生的經驗，是一項童年的自然活動，也是理解世界的一種途 徑。維基百科全書（Wikipedia）認為遊戲有一定的規則和目標，參加的人可以自 由決定是否要參與。但遊戲如果沒有規則，很難進行，所以遊戲規則很重要，而 且要參與者自願參加，如果不是自願參與遊戲，那遊戲不是遊戲，就變成了工作
（李芳樂，2011）。其他學者對遊戲的定義，如表 2-2-1 所示：
表 2-2-1 學者對遊戲的定義：
學者 主張遊戲的定義
劉真秀 (2009)
遊戲是一種兒童內心表達出來的複雜行為，經由探索、學習來形 成經驗，理解事物，應付未來的預習，唯將人類的智慧應用於遊
鄭英傑 (2009)
1.遊戲具非嚴肅、有或無規則、自由的，且需有「場域」提供；
2.重內在動機的引發 3.除獨自遊戲外，遊戲多半需與其他遊戲者 互動，以建立社會關係；4.遊戲是構成人類生活經驗的基礎之一。
蔡宗信 (2007)
在遊戲的歷程中，歷程比預定的目標或結果還重要，因為遊戲是 沒有的外在目標，而且必須是遊戲者自由決定的，它是有趣的、
開放的、即興的、富有意義的、爲遊戲而遊戲的。
Sutton-Smith (1979)
認為遊戲是一種無目標導向且自願參與的活動。
Garvey (1977)
認為遊戲的特色是好玩的、是自願參與的、無外在目地的。
資料來源：（引自劉真秀，2009；蔡宗信，2007；鄭英傑，2009）
本研究的科學積木以遊戲的方式進行教學可提升學生的科學原理概念及科學 問題解決能力，加強與同儕間的人際互動，訓練手指靈活度，利用社團課時間讓 學童在沒有壓力的情境下進行科學積木的課程，並鼓勵在教師指定的目標內學生 盡量創作，透過小組的腦力激盪來完成作品。
貳、 遊戲的理論
遊戲和學習是很有關係的，人類甚至於動物的學習，本來就是藉著遊戲來進 行，隨著人類的文明進步，遊戲發展出愈來愈多的變化，許多學者的理論也慢慢 影響遊戲的發展。所以想要深入探討兒童遊戲，除了要先瞭解遊戲的定義外，對 於遊戲的理論也要多加以著墨，從相關研究中顯示，有關遊戲的理論和遊戲在童 年生活中所扮演的角色的論點，可以分成兩大類：第一類為古典理論，第二類為 現代動力理論。Barnerd and Gilmore 在 1966 年對此兩類的定義下了定論：古典 理論在嘗試瞭解人們為何遊戲；現代動力理論則探究人們如何遊戲（引自楊文貴 等譯，2003）。
一、 古典理論
遊戲的古典理論盛行於十七世紀到十九世紀末，主要在解釋遊戲存在具有何 種目的，不注重實驗結果，較注重哲學思想。有能量過剩論、休養論、重演化論、
演練論等四家學說，其中能量過剩論和休養論認為遊戲是作為調整精力之用途，
而重演化論和演練論將遊戲視為一種人的本能行為，說明如下：（郭靜晃譯與吳幸 玲譯，2003；蔡淑苓，2009）
(一) 能量過剩論（Surplus Energy Theory）
Schiller 假設人和動物以滿足食慾為基本需求，遊戲是剩餘精力所發生的結果，
精力不是用在工作就是遊戲中；Spencer 認為當生物體滿足其基本需求後，若有剩 餘能量即是多餘的，過剩的能力不消耗掉會造成壓力，所以遊戲是無目的的行為，
只是生物體用來消耗能力的方式。所以遊戲是在生物體滿足基本需求後，用來消 耗剩餘能量的方式。例如：兒童在上課完後，下課時間需要追逐、奔跑來消耗多 餘的能量。
(二) 休養論（Recreation Theory）
為 Lazarus 所倡導，他認為人需要靠遊戲恢復工作所需消耗的能量。人為了生 存需消耗能量，耗費精力工作，長時間下來造成疲勞，可以經由休息或遊戲來消 除疲勞，獲得暫時的放鬆。例如：人在長時間工作後，可以透過遊戲轉移注意力，
藉此儲存工作所需的能量。但是小孩子和成人不同，遊戲是小孩子生活中的一部 分。
(三) 重演化論（Practice Theory）
源於個體胚胎學，Hall 認為人類發展的過程，會重現種族演化的情形，遊戲 也是人類的演化的一部分，透過遊戲的方式重演著過去的活動，延續人類的習慣。
遊戲的目的在替代不適合存在於現代中的原始活動，如：小孩玩水是祖先在海邊 活動的表徵，兒童打棒球可以消除原始祖先打獵的本能。
(四) 演練論（Practice Theory）
由瑞士心理學家 Groos 所倡導，其認為個體藉由遊戲的過程中練習日後生活 所需的能力，在遊戲中所表現的行為的，是做為適應未來的準備，而不是在消除 原始本能。例如：兒童玩辦家家酒遊戲，是一種做為日後為人父母的練習。
二、 現代理論
在郭靜晃譯（2003）兒童遊戲-遊戲發展的理論與實務一書中指出，1920 年代 後現代學派發展出遊戲的現代理論，主要的理論有心理分析論、認知發展理論、
警覺調節理論及 Bateson 的系統理論等，注重在人為什麼要遊戲，且試著定義兒童 遊戲在其發展的角色，說明如下：（吳幸玲，2011；郭靜晃譯、吳幸玲譯，2003：
蔡淑苓，2009）
(一) 心理分析論
由 Freud 所提出，認為遊戲可以讓兒童忘卻不愉快的經驗，撫平其受創的心靈，
作為兒童情緒上的發洩管道，遊戲可以幫助兒童暫時擺脫現實環境的困擾，由被
動或負面的角色轉變，可以達到淨化心靈的效果。例如：小孩子被父母處罰後，
透過玩具來發洩情緒，把負面的情感轉移到遊戲中的人事物。後來 Erikson (1950) 將 Freud 的理論加以推廣，認為遊戲可以幫助兒童認識自我，透過遊戲，兒童在不 同的發展階段與現實環境產生互動，發展自我的能力，學習適應周遭的一切，達 到自我探索的功能。所以每個人從小到大，都是透過遊戲做為一面鏡子，探索自 我的內心世界（蘇秀玲、謝秀月，2006）。
(二) 認知發展理論（congnitive developmental theory）
1、 Piaget 理論：
Piaget (1962) 認為遊戲可以反應及促進小孩的認知發展，且提出一個對幼兒
「認知發展階段」及「遊戲分期」的順序過程，列述如表 2-2-2 所示，Piaget 認知 理論是指有機體在適應環境的一種過程，亦即同化和調適之間的平衡，Piaget 認為 遊戲是一種不平衡的狀態，而且同化作用大於調適作用，因為遊戲無適應問題，
無須學習新技巧，但可透過遊戲去練習並鞏固最新的技巧，達到熟練的地步。從 Piaget 的遊戲理論得知，遊戲可以讓幼兒發展，幼兒就會學習，可以從遊戲中自我 調適，所以成人在陪伴幼兒遊戲的過程中，是觀察而不是指導。
表 2-2-2 Piaget 之幼兒「認知發展階段」與「遊戲分期」表 發展年齡 認知階段 遊戲型態 舉例
0~2 感覺動作期 感覺動作、熟練性遊戲 嬰兒不斷敲打物體
2~7 前操作期 想像、象徵遊戲 掃把當馬騎，樹葉當車票 7~11 具體運思期 有規則的遊戲 嗜好、競賽、戲劇
11~15 形式運思期
資料來源：（郭靜晃譯、吳幸玲譯，2003；蔡淑苓，2009）
2、 Vygotsky 理論：
Vygotsky (1976) 認為遊戲可以促進兒童的認知發展，且提出表徵想像性遊戲 對兒童的抽象思考很重要，Vygostky 的整體性（holistic）遊戲觀對兒童在社會、
情緒及認知發展有其影響力，三種發展層面還是息息相關。進一步將兩遊戲區分 兩個發展層次：實際發展及潛在發展，近似發展區（ZPD）為這兩種的差距，透過 遊戲兒童可以自我創造他們的鷹架，遊戲可提升新的潛在發展能力，尤其在學校 課業上。
3、 Burner 理論：
Bruner (1972) 認為遊戲的過程及方法比其結果來得重要，在遊戲中可以嘗試 新的行為及方法，以利應用及解決實際生活情境，所以遊戲可以增加兒童行為的 自由度而增長其變通力。
4、 Sutton-Smith 理論：
Brian Sutton-Smith (1967) 認為「假裝是……」遊戲可以促進兒童廣收創意並 創意聯想來增加心智的彈性以協助未來成人生活所需，所以國外教育常鼓勵孩子 打破傳統，以新奇、創意來嘗試各式各樣的情境，增加對科學的探究能力。
Sutton-Smith (1998) 指出遊戲可讓大腦腦神經功能增加突觸的機會，好比嬰兒早期 腦神經處於高亢的適應潛能發展狀態。
5、 Singer 理論：
Jerome Singer (1973) 提出建構認知－情緒遊戲，認為遊戲（尤其是想像遊戲）
對兒童發展有其正面及實質上的意義，可以增強幼兒內外在刺激的流通，因此 Singer 認為想像遊戲可以增加製造幻想的能力，隨著年齡的增長會產生很大的個別 差異。
(三) 警覺調節理論（arousal modulation theory）
由 Berlyne (1960) 發展，Ellis (1973) 修正，強調遊戲者與玩物之間的關係。
遊戲是一種尋求刺激的行為，當刺激不夠遊戲便開始，反之亦然，使用新的或不 尋常的遊戲方法運用在物體和活動上，刺激就增加了。對成人而言，遊戲並沒有 消失，只是換種方式。Ellis 認為遊戲是一種尋求刺激的活動，可以藉由新鮮的方 式操作物體及行動來增加刺激。
(四) Bateson 的系統理論
Bateson (1955) 認為遊戲是矛盾的，遊戲過程中的活動並不能代表真實生活的 活動，所以必須先發展一套「組織」或脈絡關係的遊戲，讓大家知道遊戲如何進 行，了解是假裝的不是真實的，遊戲時需同時操作「遊戲中的意義」和「真實生 活的意義」這兩種不同層面。
綜合上述，現代遊戲理論分為心理、認知及其他理論，整理如下表 2-2-3 所示：
表 2-2-3 現代遊戲理論
理論 遊戲在兒童發展的角色
心理分析論
佛洛依德（Freud）
艾力克遜（Erikson）
調節受挫經驗
接觸內在的自我，使自我能力發展 認知發展論
皮亞傑（Piaget）
維高斯基（Vygotsky）
布魯納、桑頓-史密斯及辛格
（Brunner/Sutton-Smith/Singer）
熟練且鞏固所學的技巧及概念
透過區別意義和實物來提高想像思考；自我 調節；近似發展區的學習
在思考及行為上產生變通能力；想像及故事 描述；調節內外刺激的速率
其它特定理論
柏藍（Berlyne）的警覺理論 貝蒂生（Bateson）的系統理論
增加刺激使個體保持最佳警覺程度 提升瞭解各層面意義的能力
資料來源：引自（吳幸玲，2011；郭靜晃譯、吳幸玲譯，2003）
參、 遊戲教學法的定義
Aufschnaiter and Prum and Schwedes (1984) 是最早提出「遊戲導向教學法」的，
主張開發有趣味的單元活動教材來改進教學與學習情境。根據學者徐長安（1996）
和饒見維（2008）認為遊戲教學就是要配合學生的程度及適合的教材所設計出富 有教育意義的遊戲活動，遊戲要有適當的趣味性、刺激性、競爭性及挑戰性，讓 學生可以接觸到教具（陳杭生，1993）。鄭雅心（2009）認為遊戲教學法就是改善 教學情境，透過有趣的教材，以寓教於樂的方式進行教學，讓學生進行一場有意 義且會思考的遊戲活動。遊戲教學的設計就是遊戲與教育結合，藉由玩遊戲的快 樂時光，讓學生輕鬆學習教師所要傳達的課程內容，已達到寓教於樂的目的。（周 仿敏，1986；孫春望，1998；陳怡靜、計惠卿，1997）。
林嘉玲（2000）指出遊戲導向的教學中教師是學生在整個學習環境中最重要 的部份，並不是純粹的讓學生盡情地在玩，教師透過相關的教具來連結各學習要 素的關係，並影響學生的活動和推理思考過程。本研究中以科學積木為教具，融 入遊戲的元素，透過遊戲教學的方式提升學生的科學問題解決能力。
陳杭生（1993）在「視聽媒體與教學正常化」一文中提到遊戲導向教學應該 從教學方法、課程內容及運用教具三方面著手，並且建議（1）教法遊戲化：藉由 遊戲學習，學生可得到實際參與學習合作的經驗，透過小組討論、角色扮演及分 組比賽等寓教於樂的方法，可成為學習的啟導過程。（2）教材遊戲化：應該將教 材靈活善用，使教材跟學生有直接關係，讓學生有親自參與活動的機會。（3）教 具玩具化：教師手中的教具是學生心中的玩具，而學生手中的玩具是教師手中的 教具，除上課聽講外，應該讓學生自製簡易教具，讓學生有機會直接操作教具，
進而吸收有目的之直接經驗。
遊戲導向教學除了可以提高學生的學習興趣外，依據蘇育任（1993）提出遊 戲導向教學的原則還能建構學生認知結構中各概念間的關係，原則有以下三個：
1. 雖由教師引導遊戲教學，但教師的主要任務在建置學習環境，使大部分 學生都能建構本身的遊戲系統。
2. 如果想要使更多學生可以建構其遊戲系統，教師可以合理地干涉遊戲系 統，或者刻意佈置遊戲系統來引導學生。
3. 即使無法替所有學生設定強迫性的共同學習目標，有時也似乎沒辦法看 到每個學生所獲得的學習成效，但教師仍然需要堅持遊戲導向教學的重 要性，不斷堅持才會成功。
肆、 遊戲教學法的特性
洪榮昭、劉明洲（1992）認為遊戲本身就有積極性的活動，遊戲教學法可以 將學習過程設計成像遊戲般的好玩，是一種理想中的學習方式，也是長久以來被 教育學者認定最能夠引起學生學習動機的教學方式。而遊戲的表面好像讓學生自 由的活動，但在背後還是由教師在掌控（銀林浩，2001）。
遊戲教學法和一般的遊戲不一樣，需兼顧遊戲與教學的特性。提出具有遊戲 特性的教學活動才能叫做遊戲教學，所以提出遊戲教學法的以下特性：
一、 趣味性與機遇性
在遊戲的過程中具有某些因素，可以造成趣味的效果。機遇性可以減少因為 孩子資質上的差異而造成遊戲結果的巨大落差，因為具機遇性的遊戲每次都讓小 孩抱持期待感，每次遊戲結果不盡相同，使得遊戲有耐玩性。
二、 合作性與競賽性
有適當的合作才是良好的遊戲，可以避免導致個人或小組間太過激烈的競爭。
因為大部分的遊戲含有競賽的成分，使得遊戲有挑戰性和趣味性，也會激起好勝
