如何利用樂高器材豐富通用技術教學手段

陳磊

摘 要：高中通用技術課程是一門立足于實踐、高度綜合、注重創(chuàng)新的新興課程，它以提高學生技術素養(yǎng)、促進學生全面而富有個性的發(fā)展為目標。作為一門年輕的學科，教學資源匱乏，一線教師在開發(fā)教具和學具上不斷進行著探索。本文從教學實際出發(fā)，以蘇教版《技術與設計2》中的部分知識內(nèi)容為例，對如何利用樂高器材豐富通用技術教學手段進行了研究。

關鍵詞：通用技術；樂高；教具；學具

隨著科學技術迅猛的發(fā)展，在我們?nèi)粘Ｉ钪屑夹g手段和技術產(chǎn)品無時不在、無處不在，深深融入了我們的生活，技術成為了社會發(fā)展和進步的重要因素。技術素養(yǎng)也成為了一個現(xiàn)代人所需要具備的基本素養(yǎng)。通用技術課程在這樣一個科技大發(fā)展時代的背景下誕生。在課程標準中通用技術課程基本理念有這么幾點，“關注全體學生的發(fā)展，著力提高學生的技術素養(yǎng)；注重學生創(chuàng)造潛能的開發(fā)，加強學生實踐能力的培養(yǎng)；豐富學生的學習過程，倡導學習方式的多元化” [1 ]。說明通用技術課程有別于過去的勞動技術課程，也有別于其他自然科學學科課程。通用技術課程需要學生的主動動手參與，它的學習過程是學生在親歷過程中主動理解并建構(gòu)知識、不斷發(fā)展能力、產(chǎn)生情感，形成良好情感態(tài)度與價值觀的過程。教科書、粉筆、黑板、語言、文字等傳統(tǒng)教學手段遠遠無法滿足通用技術教學。教師在通用技術教學的過程中需要給學生創(chuàng)設學習的情境，幫助學生在人、物、環(huán)境三個方面相互作用的過程中主動構(gòu)建知識，為學生帶來更多的可能性，鼓勵創(chuàng)造與發(fā)現(xiàn)。

1 樂高器材與通用技術課堂結(jié)合的優(yōu)點

2014年9月，我國教育部與丹麥樂高集團就繼續(xù)在中國深入推進“技術教育創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃”簽署了第二份合作備忘錄。在此之前，樂高教育在“2010-2014年技術教育創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃”合作備忘錄的指導下，為我國400所中小學和高校創(chuàng)建了科技實驗室，并提供樂高教育器材。今后還將會有越來越多的學校配備樂高教育器材。

樂高器材的零件種類很多，常用的具有不同功能的結(jié)構(gòu)件、連接件、傳動類零件就有數(shù)百種之多。除此以外還有可編程積木、伺服電機、各種類型的傳感器等。樂高積木精度公差僅為0.002毫米，具有良好的組合度。學生的設計方案可以通過樂高器材方便、快捷的呈現(xiàn)出功能模型或者結(jié)構(gòu)模型。并且，樂高器材易組裝易拆卸，材料的重復利用率極高，能很好的避免浪費。樂高的可視化編程軟件對于初學者來說也很容易學習，容易掌握。樂高教育在2013年新發(fā)布的可編程積木——教育用LEGO Mindstorms EV3可兼容非樂高原裝傳感器，這意味著教師或者有能力的學生還可以自制傳感器接入EV3，然后通過編程，實現(xiàn)一些較為復雜的、自動化程度高的設計方案。

2 樂高器材在通用技術課程部分章節(jié)中的應用

在通用技術教學中選用合適的教具和學具來有針對性的開展教學，不僅能夠吸引學生的注意力、激發(fā)學生的學習興趣、提高學生參與學習的熱情，還能讓師生在實踐中分析、比較、改進、評價、討論、總結(jié)，學生真正做到“做中學，學中做”。在實踐中觀察和思考，以學習掌握新知識。同時將學到的知識與具體的生活實踐相聯(lián)系，學以致用，活學活用。

下面以蘇教版《技術與設計2》中的部分知識內(nèi)容為例，介紹筆者設計制作的幾種可用于課堂教學和學生實踐活動的模型。

（1）探究結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不倒翁模型

蘇教版《技術與設計2》的第一單元——結(jié)構(gòu)與設計，教材P15“探究結(jié)構(gòu)的重心與穩(wěn)定性的關系”的試驗一。用氣球中放置若干玻璃球，將其充氣、封口的方式自制不倒翁。先用手扳動不倒翁，測試不倒翁不傾倒的最大傾角；再在不倒翁的脖子上掛鐵環(huán)，逐漸增加鐵環(huán)的個數(shù)，直到不倒翁翻倒 [2 ]。然后學生通過試驗來總結(jié)出結(jié)構(gòu)的重心與穩(wěn)定性的關系。在實際操作時，因為氣球中的玻璃球沒有固定，扳動不倒翁或在不倒翁頭部掛鐵環(huán)時，玻璃球的位置會發(fā)生變化，試驗中的不確定因素較多，重心的大概位置不易判斷，試驗結(jié)果不太理想。改用樂高器材中的軸、軸連接器、輪子等零件，可以讓學生在課堂上根據(jù)教師提供的搭建圖快速搭建出一個簡易不倒翁模型。在利用這個模型進行教學時，先讓學生根據(jù)物理知識粗略判斷模型重心的位置，然后觸碰不倒翁，觀察其搖擺的姿態(tài)。然后引導學生通過移動重物（輪子）的位置來改變不倒翁模型的狀態(tài)（圖1），自己主動摸索和總結(jié)物體發(fā)生傾倒的根本原因。學生通過分析、比較、討論之后，對原不倒翁模型進行改進，使其更加穩(wěn)定。學生的想法和設計可以很快通過多樣化的樂高零件在模型上得以實現(xiàn)并且測試。

樂高不倒翁模型，搭建簡單迅速，可操作性強。試驗過程中現(xiàn)象明顯、直觀，有利于學生觀察、分析。

（2）判斷開環(huán)控制和閉環(huán)控制的智能電風扇模型與兩輪自平衡車模型

蘇教版《技術與設計2》的第四單元——控制與設計，這部分內(nèi)容是通用技術必修內(nèi)容中廣大師生普遍認為最難理解、爭議問題最多、對專業(yè)依賴程度最高的章節(jié)。通過教材中對于開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義，以及教材中的案例的比較，我們發(fā)現(xiàn)區(qū)別開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要因素不在于是否自動控制，也不在于是否重復工作。二者的根本差別在于是否存在反饋對控制過程產(chǎn)生影響。如何設計制作合適的教具來開展這部分內(nèi)容的教學成為教師們的難題。

筆者利用LEGO Mindstorms EV3可兼容各種自制傳感器這一特點，設計了智能電風扇模型（圖2）用于輔助課堂教學。樂高教育套裝自帶的觸動傳感器作為電源開關，控制整個智能電風扇進入工作狀態(tài)或進入休眠狀態(tài)。RE200B人體紅外熱釋電傳感器判斷是否有人位于在智能電風扇前方，當前方?jīng)]有人時，智能電風扇處于待機狀態(tài)，扇葉不轉(zhuǎn)；當傳感器檢測到前方有人時，智能電風扇扇葉開始轉(zhuǎn)動。LM35DZ溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度，并根據(jù)氣溫高低來控制電風扇電機功率（即轉(zhuǎn)速）。當氣溫低于設定溫度T0時，智能電風扇處于待機狀態(tài)，扇葉停止轉(zhuǎn)動；當氣溫高于設定溫度T0時，氣溫越低電風扇電機功率越?。崔D(zhuǎn)速越慢），氣溫越高電風扇電機功率越大（即轉(zhuǎn)速越快）。

這樣的一個智能電風扇在課堂上能夠很快吸引學生注意力，教師引導學生分析這里所包含的幾個子控制系統(tǒng)，然后通過類比和對比教材中的例子，分析輸入量、控制器、執(zhí)行器、控制量、被控對象、輸出量所對應的內(nèi)容，以及控制過程。上述三個子控制系統(tǒng)中的前兩個可以類比電燈開關控制電燈亮滅、紅外感應自動門或紅外感應自動出水水龍頭分析出是較為明顯的開環(huán)控制系統(tǒng)。第三個子控制系統(tǒng)——智能電風扇氣溫-風量自動控制系統(tǒng)，這一控制系統(tǒng)很容易被學生誤認為是一個閉環(huán)控制，教師可以對比家用電冰箱溫度控制系統(tǒng)和類比音樂噴泉自動控制系統(tǒng)，幫助學生突破這個易錯點和難點。

家用電冰箱溫度控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示。

音樂噴泉自動控制系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

智能電風扇氣溫-風量自動控制系統(tǒng)方框圖如圖5所示。

通過分析比較，智能電風扇的氣溫-風量自動控制系統(tǒng)的輸出量為風量而不是空氣溫度，這個控制系統(tǒng)中不存在反饋，所以是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。學生在老師的引導下通過對具體模型的觀察、分析、比較，對開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)概念的建立起到了很好的作用。

除了自己設計制作模型，樂高編程軟件LEGO MINDSTORMS Education EV3當中還提供了很多范例，教師可以從中選取合適的范例，根據(jù)軟件所提供的搭建步驟制作實物模型應用于課堂。例如，范例當中的樂高兩輪自平衡車Gyro Boy。該模型的外觀與近兩年才剛剛興起的電動平衡車（又稱思維車）的外觀非常接近。課堂上引用當下比較前沿的技術產(chǎn)品，并且用樂高制作模型展示出來，能夠很好的引發(fā)學生的討論。教師在簡單介紹模型中陀螺儀傳感器的功能后，讓學生嘗試分析兩輪自平衡的控制過程，并畫出兩輪自平衡車平衡控制系統(tǒng)方框圖。教師點評完學生所畫的控制系統(tǒng)方框圖，還可以將樂高編程軟件中兩輪自平衡車Gyro Boy對于平衡控制的程序段展示給學生，對兩輪自平衡車平衡控制系統(tǒng)這一閉環(huán)控制系統(tǒng)進行深入的分析。兩輪自平衡車用到的PID控制算法作為最早實用化的控制算法已有近百年歷史，這種算法現(xiàn)在仍然是在工業(yè)上應用最廣泛的閉環(huán)自動控制算法。通過了解控制在生產(chǎn)生活中的廣泛應用，能讓學生更加體會到技術在促進社會發(fā)展、改變社會生活方式中所起到的重要作用。

智能電風扇和兩輪自平衡車這兩個“控制與設計”方

面的模型既調(diào)動了學生的學習興趣，讓學生充分感受技術的魅力，又可以幫助師生共同突破教學上的難點。

樂高器材以其便捷穩(wěn)固的搭建方式、良好的組合度、豐富的零件種類，讓我們能根據(jù)課程的需要，設計制作出各種教具和學具，大大提高課堂效率。

3 樂高器材應用于通用技術課堂應注意的問題

應用樂高器材制作教具、學具來開展通用技術教學或開展學生實踐活動，豐富了通用技術教學的手段，使通用技術課堂形式、教學載體更加多樣化。但如果把器材的使用和應用作為教學重點，花大量時間和精力在學習使用上，這樣的器材就失去了作為教具的意義 [3 ]。我們還需要注意的是，不能將這種教學載體推廣至通用技術所有章節(jié)的教學中。通用技術是一門體現(xiàn)了綜合性和通用性的學科，教師在開展教學時應嘗試使用更多不同的載體和更多不同的技術手段來豐富我們的課堂，讓學生在學習通用技術課時能體驗和應用不同的技術，以及感受技術給我們的學習、生產(chǎn)、生活所帶來的變化。

目前，有配備樂高器材的學校大多是將器材用于參加競賽或是第二課堂，樂高器材對于部分學生而言還比較陌生。教師在用樂高器材開展學生實踐活動時，應盡量選用制作難度相對簡單的模型，以免教學重難點發(fā)生偏離。

4 對未來通用技術課堂的展望

隨著各種新技術的不斷成熟，國家對教育投入的不斷加大，各種新設備、新器材逐步進入校園。一些學校陸陸續(xù)續(xù)配備了樂高機器人、3D打印機、激光雕刻、激光切割機等等設備。這讓我們的通用技術課堂變成一個充滿創(chuàng)造性、充滿活力、充滿無限可能的創(chuàng)客空間，學生的發(fā)明、創(chuàng)意、設計更加容易實現(xiàn)。同時，教師的教學手段也越來越豐富。這對通用技術教師應用技術的能力和自身技術素養(yǎng)提出了新的要求，我們通用技術老師要適應技術的發(fā)展，不斷學習，不斷創(chuàng)新。相信在廣大教師的共同努力下，通用技術課程將會迎來新的發(fā)展，通用技術課堂將會成為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的主陣地。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中技術課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2]顧建軍.技術與設計2 [M].南京：江蘇教育出版社，2009.

[3]羅潔華.樂高積木在通用技術課程上的有效使用[J].中國教育技術裝備，2008（21）：110—112.