Technic系列─放在客廳茶几上的教育玩具

9Show-lego

[前言]coaltit提過樂高積木是一種「教具」，應該指的是我們常用的「教學用具」一詞，可是我覺得「教育玩具」來詮釋更貼切些，但試圖具體地舉出有說服力的實例時，卻又千頭萬緒。

汽車正好是理想的例子，或許是因為馬路上總是車水馬龍、讓人覺得它們像空氣一樣稀鬆平常，反而忽略其中巧奪天工的機械奧妙。查詢Wiki上才發現，原來人類在這種代步工具上設計了相當精巧的零件；令人訝異的不只是現實中的汽車，而是樂高積木將它「樂高化」，長期演進後已經很完整、成熟地用積木做出一部具體而微的汽車。

對樂高積木認識不深的旁人來說，主觀上認定它不過是一種玩具，自然聯想到用積木拼出一部汽車是理所當然的事，不過就是將一堆齒輪拼拼湊湊、再加上馬達就可以四處流竄了(註1)；的確如此，但拼出一部媲美真車般唯妙唯肖的積木汽車，可不是隨便一種玩具辦得到的(註2)；此外，我很難跟小孩子講解一部停在車庫的汽車為什麼需要4個輪子和引擎，以及如何轉彎、加速、爬坡、越過障礙物等(比手畫腳嗎？)，現在卻可以在客廳茶几上，讓小朋友透過Technic系列積木親身操作、體驗和領悟，並樂在其中。

接下來的文章會以Technic系列當例子，解釋一部汽車如何被「樂高化」。

[解說]首先，我承認自己對汽車一無所知，所以找到「HowStuffWorks」這類網站；顧名思義，裡面的資料清楚地列出一部汽車能向前跑所需要的系統：引擎(Engines)、離合器(Clutches)、變速箱(Transmission)、萬向接頭(U-joint，Universal Joint)、傳動軸(Drive Shaft)、差速器(Differnetials)等(如下圖所示，圖片來源：http://auto.howstuffworks.com)，當然，還有輪子(Wheel)。


不過，汽車還需要轉向(Steering)、懸吊(Suspension)和避震器(Shock Absorber)等次要系統，以提升其運動性能。上述這些零組件都已「樂高化」，但沒做到的部份則有煞車(Breaking)、排氣(Exhaust)等輔助系統(「HowStuffWorks」網站有各系統運作原理的詳細圖文解說，請參考註3)。

接下來一系列的圖，先將真車和樂高積木的零件做一個簡單比較。這些積木零件看起來沒什麼了不起，就像旁人第一眼看到積木玩具的印象一樣，但事實上它們功能和真車用的沒什麼兩樣(除了引擎套件模擬汽缸的活塞動作，只能當裝飾用)；把它們組合起來，可以說就是將車庫的汽車搬到客廳茶几上了。

◎圖1：下圖是引擎(Engine)運作動畫(圖左，圖片來源：http://auto.howstuffworks.com，網站中有更多真車用的引擎)，與樂高積木的引擎套件(圖右)，其中黃色的活塞零件會隨著車輪轉動而上下躍動。



◎圖2：下圖是離合器(Clutch)(圖左，圖片來源：http://auto.howstuffworks.com，文章中還有它的分解圖)，與樂高積木的離合器零件(圖右)，拆開這個零件會發現與真的零件，在機構設計上有異曲同工之妙，離合器零件在可動性上扮演關鍵性角色，代表積木玩具上的重大改革。(註4)



◎圖3：下圖是變速箱(Transmission)(圖左，圖片來源：http://auto.howstuffworks.com，網站上的圖片是互動式的操作)，與樂高積木的變速箱套件(圖右)，透過齒輪比確實能讓動力的輸入和輸出分段變化，紅色的變速控制桿和變速齒輪則代表積木玩具的另一項重大改革。
齒輪比？玩具店10元就可以買到幾顆拼出來了！先不要妄下定論，仔細看一下，樂高積木的齒輪長久運轉也不需要潤滑油，依然順暢。






◎圖4：下圖是萬向接頭(Universal Joint)，在圖中間黑色桿子兩端轉折處(圖左，圖片來源：Google和http://yotatech.com/f31/4cyl-diff-vs-high-pinion-diff-157972/)，與樂高積木的萬向接頭(圖右)，少了這個零件，動力傳遞會侷限在90度角上，因而限制了車身骨架的外形。



◎圖5：下圖是傳動軸(Drive Shaft)，圖中黑色桿子(圖左，圖片來源：同圖4)，與樂高積木的傳動軸(圖右)，其實就是我們常用的十字軸零件。



◎圖6：下圖是差速器(Differnetial)(圖左，圖片來源：http://auto.howstuffworks.com)，與樂高積木的差速器零件(圖右)之一，它則代表了積木玩具上的第3種重大改革，使積木汽車跟真車一樣，在轉彎時讓扭力達到平衡。
http://static.howstuffworks.com/gif/differential-ch.jpg


◎圖7：下圖是轉向(Steering)系統(圖左，圖片來源：http://auto.howstuffworks.com)，與樂高積木的轉向套件之一(以8297越野車前輪為例)。



◎圖8：下圖是懸吊(Suspension)系統(圖左，圖片來源：http://auto.howstuffworks.com)，與樂高積木的懸吊套件之一(圖中的深灰色零件，以8297越野車後輪為例)。



◎圖9：下圖是避震器(Shock Absorber)(圖左，圖片來源：http://auto.howstuffworks.com)，與樂高積木的避震器零件(部份)之一，這些避震器各有不同的參數。



從一系列比較圖，可以發覺樂高積木不僅模仿外型，更重要的賦予相當的實用功能，在玩具市場上，這是非常大的改變，「把玩具當真車一樣玩」。

接下來是Brickshelf玩家「industrialdesigner」的創作，將上述看似簡單的零件組合，也就是應用了前文提到的所有主要、次要系統，並彼此相互連動，我們可以看出這已經是一部具體而微的汽車。它比教科書中的照片與文字更真實、有趣，但又不像真車般死氣沈沈，樂高積木將原本很嚴肅的機械知識，轉化成可在手上把玩的作品。

◎圖10：





[結論]「汽車為什麼可以跑？」，通常多數人的答案是「因為有引擎」，不過人們不知道的是，汽車不只是一部裝了輪子的引擎，只是我們要怎麼向小孩子(初學者)解說這件事？帶他們去參觀汽車工廠，或者打開百科全書等？這些已經是舊式教育方法，只做到「知其然，而不知其所以然」，就像我們很難從參觀汽車組裝過程中去了解工程師最初是如何設計變速箱的齒輪，也無法從點亮燈泡就體會出當初愛迪生(Thomas Alva Edison)嘗試數百種材料的辛苦實驗一樣，但這些動手嘗試的過程才是智慧所在，更是啟蒙階段中最關鍵的步驟。

不過，這是很美化的說法，在教學過程還是需要有經驗的人循循善誘，或者像「HowStuffWorks」網站中生動資料的協助，但積木玩具扮演「建材」的角色，縮短想像和實踐之間的差距。

舉例來說，如何從下圖這堆零件，


堆砌成圖中的這部車，


少了積木這樣的建材，就只能停留在空想的階段了。樂高積木也不是盡善盡美，不是每一種車輛、工程機具的可動性都做得出來，例如自動排檔車，不過就學齡階段的小孩子來說，還沒有迫切需要去理解更複雜的機構，在基本的水準上，樂高積木其實相當稱職。

[補充說明]積木原始的目的是讓人們可以自由地堆砌出各種形狀的物體，但樂高積木開創了積木玩具的一項創舉：仿真(註5)，加上積木本身變化多端的特性，讓小孩子(初學者)在玩樂過程中同時體會現實世界的各項器材，舉凡汽車、怪手、推土機、吊車等，這裡要提醒一點，所謂「體會」不只是看看靜態模型、圖片或影片而已，而是真實地操作這些器具，感受機械結構運作、連動的結果。(註6)

於是，「積木+仿真」跳脫了益智玩具的格局，使樂高積木成了「教育玩具」；它與一般「教具」不一樣的地方是，傳統教具過於嚴肅、昂貴、脆弱、制式(單用途)等，老師(或家中的大人)通常不會讓學生(家中小孩子)碰觸，可是積木卻有趣、便宜、耐用、甚至變化多端；有時候傳統教具與現實應用會有所差距，使學生(小孩)離開學校(家庭)後得重新理解，但樂高積木化解了這個藩籬。舉例來說，老師(家長)如果要在課堂(客廳)上講解一部汽車的運作，很難將汽車搬到講臺(客廳茶几)上，相對地，帶學生到汽車工廠參觀，卻又沒
有黑板可以解說細節。

(註1)如果樂高積木只能拼出一部可以動，但不像真車的汽車，那麼它跟一般益智玩具是沒什麼太大差別的，例如8183-遙控車(http://racers.lego.com/en-us/Pro ... Control/RC8183.aspx)。有些益智玩具過於偏重腦力導向，但不至於需要複雜的理論，通常只要不斷地嘗試錯誤就可以找到解答(例如拼圖)，但樂高積木這種教育玩具則是手腦並用導向，從想像到實踐，在關鍵步驟上需要理解「為什麼要這麼做」才能解決問題，盲目地嘗試反而適得其反。

(註2)樂高積木曾為教育市場推出單一系列，著名的8257-Mindstorm NXT就是其中之一，但我認為8257並不算是教育玩具，而是專業的開發套件，只是樂高積木做了簡化設計，讓一般非專業人士可以快速入門。它就好像視窗化的作業系統般，將命令列的操作方式以人們較容易認知的圖形化取代。

在定位上，8257可比喻成個人電腦，容易入門、但不容易理解，雖然每家都有電腦，但我們不會將電腦當家電；同理，8257雖然看起來像玩具，其實不容易駕馭，而且它的功能是由玩家透過程式控制所賦予的，而不是玩具公司出廠時就固定不變，所以我將它歸類為開發套件，而不傾向於教育玩具。更清楚地說，教育玩具的本質是將知識透過它傳遞給人，但開發套件卻是玩家將知識融會應用到它裡面，甚至重新定義它的角色，兩者在知識傳達上是不同方向。

(註3)「HowStuffWorks」網站上對汽車各部份運作的解說：
─引擎(Engine)：http://auto.howstuffworks.com/engine.htm
─離合器(Clutch)：http://auto.howstuffworks.com/clutch.htm
─變速器(Transmission)：http://auto.howstuffworks.com/transmission.htm
─差速器(Differnetial)：http://auto.howstuffworks.com/differential.htm
─轉向：http://auto.howstuffworks.com/steering.htm
─懸吊和避震：http://auto.howstuffworks.com/car-suspension.htm

(註4)雖然樂高積木的離合器具備與真實離合器相同的功能，但它並不是像真車一樣，接續在引擎套件之後，通常是裝在馬達附近，這是因為樂高積木的引擎只能當裝飾用，並不會真正輸出動力，其動力來源是馬達。例如，簡介和改裝8294-挖土機時，離合器齒輪(圖中白色齒輪)就接在距離馬達最近的位置上。


(註5)這或許是基於市場行銷上的考量，讓樂高積木能攻入成人領域市場，或者也可能是設計師為了簡化零件生產，直接將現實應用的零件加以樂高化就好，這種做法套句俗話：「不必重新發明輪子」。典型的例子就是萬向接頭(Universal Joint)與差速器(Differnetial)。

(註6)讓小孩子(初學者)觀察機械結構連動過程，這也是積木玩具的一項重要改變，但樂高卻更進一步做到「單一動力輸入、多路徑動力輸出」的機械傳動改革，使機具富有可動性，但保有緊緻外形，例如簡介8294-挖土機時，便運用了變速箱零件，讓單一人工輸入動力可以切換控制2支螺旋式伸縮臂。



由零件組裝成品，再到完成機械連動結果，每個階段都可以被觀察，這一點很重要。為何這一點很重要？比較一般玩具，就像一個黑盒子一樣，有一個輸入(遙控動力或手動)，然後經過玩具本體，最後就是輸出(輪子轉動、手臂上下擺動等)，但究竟盒子內究竟發生了什麼事，使輸入(動力)轉變為輸出(運動)，只有玩具公司知道，這樣的玩具是無法啟發智慧的，只能當消遣用。

樂高積木運用「堆砌」的方式，讓機械傳動結構一步一步地搭建，小孩子(初學者)可以在整個成品過程中，瞭解到輸入和輸出之間的因果關係，又因為積木是自由組合的，所以我們還可以任意改變因果關係，不讓想像受到限制。

當然，我們也可以拆開一般玩具，瞭解裡面的運作，但又能如何？裡面都是特化的零件，甚至組裝位置也是固定無法更動的，就算充滿設計上的巧思，我們也沒有辦法讓這些知識內化成為小孩子的智慧，除非它像樂高積木一樣，採用通用型材料，物美價廉且隨手可取得。

jose660923

這麼多零件複雜度可見一般~~買下去怕會組不起來 @@

meowmeowmeow

機械科技工程
可大可小

dunhill9839

棒！精彩的文章。

AHA羽流之

非常精彩的文章!!!
這方面的資訊其實板上感覺是比較少的
希望大大能有更多的作品和講解
非常有具有教育意義 連我都想學習呢!!
對我來說 科技類的運用 真的是需要去測試嘗試和完全了解機構的設計
由於我本身其實也是玩"造型"類的玩家
相對的這類"機構"運用上 希望改天能像您請教請教
受用無窮!
感謝分享^_^"

腳踏車小弟

謝謝大大分享  說明的很詳細

shinme

真的是很用心的文章, 感動中.

godway

經典文章！感謝。

g01921v08

講解的真詳細 科技最棒

cheekai4u

這篇文，太強大了真的是佛心來的

cj6jo3xjp6

太精闢了
整輛車的物理結構無一不缺
深入淺出的說法真棒
受教了
前輪的轉向懸吊真的很有學問
我也搞不懂其中原理
但有一項最基本的問題
也就是前輪轉向時的兩個輪子角度並不相同
內圈的輪子角度較大外圈較小
因為官方set大部分都是做相同角度的
導致行走時反而增加了一些阻力
尤其是角度越大越嚴重
這大概也是set往往轉向角度都不大的原因
我玩過的set不多
但印象中類似8436的轉向就比較好一些

照片轉至「中國沙灘車網」

teach9213

非常詳實、用心！
受教許多，感恩～

Ywm

好棒的文章，獲益良多，受教了。

54132321

[前言]coaltit提過樂高積木是一種「教具」，應該指的是我們常用的「教學用具」一詞，可是我覺得「教育玩具」來詮釋更貼切些，但試圖具體地舉出有說服力的實例時，卻又千頭萬緒。

汽車正好是理想的例子，或許是因為 ...
9Show-lego 發表於 2009-7-2 07:47

有一幅圖好像活X運動~~

godway

這是你自己寫的嗎？好詳細喔，寶庫文章，值得收藏！

tjjcw

佩服，请教个问题，最近看了五十川的书，觉得很多创意很好，想用上面的方法和孩子一起玩，可是从来没买过科技套装，有个教育套装9632，貌似不错。请给个建议，谢谢！

underredsky

以前看过 但是今天又对照着8258认真拜读了一遍
真是精彩

yamato3388

lego　education 的訂價標準,可以從玩具版的動力套件與教育版的動力配件訂價看出來差多少．．．．．．．．

renchiou

原帖由 9Show-lego 於 2009-7-6 07:00 發表
圖中馬達旁的灰色零件應該只是LED燈，這個我沒有，但PowerFunctions中有附車燈用的LED燈，可以當替代來源；最旁邊的應該是發出聲音的零件，這在Creator系列的恐龍Sets有出現過(聽起來像鬼哭郎嚎)，不過這兩者我都沒有，至少讓積木動的零件很完整啦。 ...

謝謝9Show-lego大大的文章介紹，非常詳細也是非常精彩的講解說明文。

這一盒9580是WEDO，馬達旁邊的是Motion Sensor（紅外線動作感應）和Tilt Sensor（傾斜感應），可以透過USB介面連接到電腦，接收感應器數值，控制馬達轉動。

小猴先生

Eduction 系列是不是有附上教材
如果是的話
可能智慧財產也是造成它高貴的部分原因