开放式材料游戏促进幼儿自发性STEM行为的实证研究

《Communications Psychology》：Loose parts play encourages spontaneous science, technology, engineering, and mathematics (STEM) behaviours

本研究针对室内环境中幼儿STEM行为研究不足的问题，通过采用被试内实验设计，系统观察了60名幼儿（Mage=58.6个月）在松散材料（loose parts）与功能受限玩具（toy percussion instruments）条件下的自发STEM行为差异。研究发现松散材料游戏能显著提升幼儿的STEM参与度（STEM Engagement Score），特别是建构行为和数学概念探索。认知功能（FSIQ）和执行功能（EF）是重要预测因子，家庭游戏态度亦影响建构行为。该研究为早期STEM教育的材料选择提供了实证依据，强调需关注个体认知差异与家庭环境的影响。

　　

在当今注重科学、技术、工程和数学（STEM）教育的时代，如何为幼儿奠定坚实的STEM基础成为教育者和研究者关注的焦点。游戏，尤其是非结构化游戏，被广泛认为是幼儿学习的天然途径。然而，并非所有游戏材料都能同等有效地激发幼儿的STEM潜能。日常生活中常见的、可随意组合的“松散材料”（Loose Parts），如纸板、管子、纽扣、木棍等，因其开放性和多功能性，被理论认为能极大地促进儿童的探索、创造和问题解决能力，是支持早期STEM学习的理想工具。但一个关键问题悬而未决：在室内环境中，与传统的、功能固定的玩具相比，松散材料是否真的能更有效地引发幼儿自发的STEM行为？这种促进作用是否受到儿童自身认知能力或家庭环境的影响？目前，缺乏严格的实证研究来回答这些问题。

为了填补这一空白，由加拿大麦科文大学的Ozlem Cankaya博士领导的研究团队在《Communications Psychology》上发表了一项开创性研究。研究人员采用了一种严谨的“被试内实验设计”（within-subjects experimental design），对60名平均年龄约58个月的幼儿进行了系统观察。每个孩子都参与了两种不同的游戏情境：一次是玩由各种日常物品组成的“松散材料”（如瓶盖、布料、绳子、石头），另一次是玩功能相对单一的“玩具打击乐器”（作为对照条件）。每次游戏持续约30分钟，孩子们独自玩耍，研究人员则通过视频记录下他们的一举一动。随后，研究团队使用一套精心开发的“STEM游戏行为量表”（STEM Play Behaviour Scale）对视频进行编码，详细分析孩子们在游戏中表现出的11种不同类型的STEM行为，例如“解释事物如何工作”、“探索数学概念”、“建构结构”、“沟通目标”等。此外，研究人员还使用韦氏幼儿智力量表第四版加拿大版（WPPSI-IV）评估了孩子们的总体认知功能（FSIQ）及其各分项能力（如言语理解VCI、视觉空间VSI、流体推理FRI、工作记忆WMI、加工速度PSI），并通过“头-脚-膝-肩任务”（HTKS Task）测量了他们的“执行功能”（EF）——这是一组包括工作记忆、抑制控制和认知灵活性在内的高级认知能力。同时，家长也填写了问卷，提供了关于家庭学习环境、父母对游戏和学习的态度等信息。

这项研究主要运用了行为观察法、认知能力标准化评估（WPPSI-IV和HTKS任务）以及家长问卷调查等关键技术方法。研究对象来自加拿大西部大城市的私立和非营利日托中心。

研究结果

描述性统计与相关性分析

研究首先展示了参与儿童的基本情况和各项测量指标的集中趋势和离散程度。相关性分析发现，儿童的年龄与他们的总体认知功能（FSIQ）和执行功能（EF）表现呈显著正相关。更重要的是，在松散材料游戏条件下的STEM参与总分（STEM Engagement Score）与FSIQ显著相关，并且与对照条件下的STEM参与总分也呈正相关。

性别差异分析

一个有趣的发现是，研究没有找到可信的证据表明男孩和女孩在执行功能（EF）或两种游戏条件下的STEM参与度上存在差异。贝叶斯分析结果为“无性别效应”提供了中等强度的支持。这意味着，松散材料对男女幼儿的STEM行为激发作用可能是同等的。

游戏材料对STEM行为的影响

这是本研究最核心的发现。通过威尔科克森符号秩检验（Wilcoxon signed-rank tests）比较，研究人员发现，与玩玩具打击乐器相比，幼儿在玩松散材料时：

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  表现出显著更多的“解释事物如何建造或工作”的行为。
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  更频繁地“探索数学概念”。
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  花更多时间进行“建构结构”。
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  更善于“沟通他们的游戏目标”。
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  总体“STEM参与总分”显著更高。
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  游戏持续时间也更长。
  这些差异具有统计学意义且效应量较大，强有力地证明了松散材料在激发幼儿多种STEM行为方面的优越性。

各条件下STEM行为的内部差异

在松散材料游戏中，“建构结构”是孩子们投入时间最多的行为，显著高于其他所有STEM行为。其次是“解释事物如何工作”和“探索数学概念”。而在玩具打击乐器游戏中，最常见的行为是“提问”，其次是“解释事物如何工作”，“建构结构”则不再占据主导地位且与其他行为无显著差异。这表明材料特性深刻影响着幼儿游戏行为的焦点。

影响STEM参与度的预测因素

通过线性回归分析（采用前向选择法），研究发现影响STEM参与度的因素因游戏材料而异：

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  在玩具打击乐器（对照） 条件下，只有“言语理解指数”（VCI）能够预测STEM参与度。这可能是因为在这种限制性较强的游戏中，孩子更多地通过语言来表达他们的行动和想法。
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  在松散材料条件下，儿童的“总体认知功能”（FSIQ）是预测其STEM参与度的最强因子。这表明玩松散材料需要调动更广泛的认知资源。
  此外，针对最突出的STEM行为——“建构结构”，研究发现儿童的“执行功能”（EF）表现和“父母的游戏态度与参与度”（来自家长问卷的因子分析结果）共同预测了他们在松散材料游戏中的建构频率。这意味着，认知能力更强、家庭环境中游戏更受重视的孩子，在建构行为上表现更活跃。

讨论与结论

本研究通过严谨的实验设计提供了确凿证据：松散材料确实比功能受限的玩具更能激发幼儿在独自游戏时产生丰富的自发STEM行为。这不仅体现在行为种类的多样性上，也体现在行为的复杂性和持久性上。

研究结果挑战了“所有孩子都能从松散材料中同等受益”的假设。相反，它揭示了儿童STEM行为背后的个体差异机制。在松散材料游戏中，需要广泛认知能力（FSIQ）的参与；而具体的建构行为，则与需要计划、执行和调整的“执行功能”（EF）紧密相关，并且受到家庭游戏文化的显著影响。在功能受限的玩具游戏中，则更依赖于孩子的语言能力（VCI）。

这些发现对早期教育实践具有重要启示。首先，它为教育工作者和家长选择游戏材料提供了强有力的实证依据，鼓励在室内外学习环境中更多地引入松散材料。其次，它提醒教育者需要关注儿童的个体差异，为不同认知特点的孩子提供适当的支架，以最大化他们的STEM学习体验。最后，强调了家庭环境，特别是父母对游戏的价值认同和积极参与，在培养幼儿STEM兴趣和能力中的重要作用。

总之，这项研究不仅证实了松散材料在促进幼儿STEM探索方面的巨大潜力，更深入地揭示了认知与环境因素如何共同塑造幼儿的早期学习经历。它为设计更公平、有效、响应个体需求的早期STEM教育方案奠定了科学基础，指明了未来研究的方向，例如需要在更自然的环境中和更多样化的群体中进行长期追踪研究。