陳磊

摘 要：高中通用技術(shù)課程是一門立足于實(shí)踐、高度綜合、注重創(chuàng)新的新興課程，它以提高學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生全面而富有個(gè)性的發(fā)展為目標(biāo)。作為一門年輕的學(xué)科，教學(xué)資源匱乏，一線教師在開發(fā)教具和學(xué)具上不斷進(jìn)行著探索。本文從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，以蘇教版《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》中的部分知識(shí)內(nèi)容為例，對(duì)如何利用樂高器材豐富通用技術(shù)教學(xué)手段進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：通用技術(shù)；樂高；教具；學(xué)具

隨著科學(xué)技術(shù)迅猛的發(fā)展，在我們?nèi)粘Ｉ钪屑夹g(shù)手段和技術(shù)產(chǎn)品無時(shí)不在、無處不在，深深融入了我們的生活，技術(shù)成為了社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的重要因素。技術(shù)素養(yǎng)也成為了一個(gè)現(xiàn)代人所需要具備的基本素養(yǎng)。通用技術(shù)課程在這樣一個(gè)科技大發(fā)展時(shí)代的背景下誕生。在課程標(biāo)準(zhǔn)中通用技術(shù)課程基本理念有這么幾點(diǎn)，“關(guān)注全體學(xué)生的發(fā)展，著力提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)；注重學(xué)生創(chuàng)造潛能的開發(fā)，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)；豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，倡導(dǎo)學(xué)習(xí)方式的多元化” [1 ]。說明通用技術(shù)課程有別于過去的勞動(dòng)技術(shù)課程，也有別于其他自然科學(xué)學(xué)科課程。通用技術(shù)課程需要學(xué)生的主動(dòng)動(dòng)手參與，它的學(xué)習(xí)過程是學(xué)生在親歷過程中主動(dòng)理解并建構(gòu)知識(shí)、不斷發(fā)展能力、產(chǎn)生情感，形成良好情感態(tài)度與價(jià)值觀的過程。教科書、粉筆、黑板、語言、文字等傳統(tǒng)教學(xué)手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足通用技術(shù)教學(xué)。教師在通用技術(shù)教學(xué)的過程中需要給學(xué)生創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)的情境，幫助學(xué)生在人、物、環(huán)境三個(gè)方面相互作用的過程中主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)，為學(xué)生帶來更多的可能性，鼓勵(lì)創(chuàng)造與發(fā)現(xiàn)。

1 樂高器材與通用技術(shù)課堂結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)

2014年9月，我國教育部與丹麥樂高集團(tuán)就繼續(xù)在中國深入推進(jìn)“技術(shù)教育創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)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(shù)教育創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃”合作備忘錄的指導(dǎo)下，為我國400所中小學(xué)和高校創(chuàng)建了科技實(shí)驗(yàn)室，并提供樂高教育器材。今后還將會(huì)有越來越多的學(xué)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(dòng)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(jī)、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(xué)生的設(shè)計(jì)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(fù)利用率極高，能很好的避免浪費(fèi)。樂高的可視化編程軟件對(duì)于初學(xué)者來說也很容易學(xué)習(xí)，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(xué)生還可以自制傳感器接入EV3，然后通過編程，實(shí)現(xiàn)一些較為復(fù)雜的、自動(dòng)化程度高的設(shè)計(jì)方案。

2 樂高器材在通用技術(shù)課程部分章節(jié)中的應(yīng)用

在通用技術(shù)教學(xué)中選用合適的教具和學(xué)具來有針對(duì)性的開展教學(xué)，不僅能夠吸引學(xué)生的注意力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生參與學(xué)習(xí)的熱情，還能讓師生在實(shí)踐中分析、比較、改進(jìn)、評(píng)價(jià)、討論、總結(jié)，學(xué)生真正做到“做中學(xué)，學(xué)中做”。在實(shí)踐中觀察和思考，以學(xué)習(xí)掌握新知識(shí)。同時(shí)將學(xué)到的知識(shí)與具體的生活實(shí)踐相聯(lián)系，學(xué)以致用，活學(xué)活用。

下面以蘇教版《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》中的部分知識(shí)內(nèi)容為例，介紹筆者設(shè)計(jì)制作的幾種可用于課堂教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)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(shù)與設(shè)計(jì)2》的第一單元——結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，教材P15“探究結(jié)構(gòu)的重心與穩(wěn)定性的關(guān)系”的試驗(yàn)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(dòng)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(gè)數(shù)，直到不倒翁翻倒 [2 ]。然后學(xué)生通過試驗(yàn)來總結(jié)出結(jié)構(gòu)的重心與穩(wěn)定性的關(guān)系。在實(shí)際操作時(shí)，因?yàn)闅馇蛑械牟Ａ驔]有固定，扳動(dòng)不倒翁或在不倒翁頭部掛鐵環(huán)時(shí)，玻璃球的位置會(huì)發(fā)生變化，試驗(yàn)中的不確定因素較多，重心的大概位置不易判斷，試驗(yàn)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(xué)生在課堂上根據(jù)教師提供的搭建圖快速搭建出一個(gè)簡易不倒翁模型。在利用這個(gè)模型進(jìn)行教學(xué)時(shí)，先讓學(xué)生根據(jù)物理知識(shí)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(dǎo)學(xué)生通過移動(dòng)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(dòng)摸索和總結(jié)物體發(fā)生傾倒的根本原因。學(xué)生通過分析、比較、討論之后，對(duì)原不倒翁模型進(jìn)行改進(jìn)，使其更加穩(wěn)定。學(xué)生的想法和設(shè)計(jì)可以很快通過多樣化的樂高零件在模型上得以實(shí)現(xiàn)并且測試。

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

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

蘇教版《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》的第四單元——控制與設(shè)計(jì)，這部分內(nèi)容是通用技術(shù)必修內(nèi)容中廣大師生普遍認(rèn)為最難理解、爭議問題最多、對(duì)專業(yè)依賴程度最高的章節(jié)。通過教材中對(duì)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(dòng)控制，也不在于是否重復(fù)工作。二者的根本差別在于是否存在反饋對(duì)控制過程產(chǎn)生影響。如何設(shè)計(jì)制作合適的教具來開展這部分內(nèi)容的教學(xué)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(diǎn)，設(shè)計(jì)了智能電風(fēng)扇模型（圖2）用于輔助課堂教學(xué)。樂高教育套裝自帶的觸動(dòng)傳感器作為電源開關(guān)，控制整個(gè)智能電風(fēng)扇進(jìn)入工作狀態(tài)或進(jìn)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(fēng)扇前方，當(dāng)前方?jīng)]有人時(shí)，智能電風(fēng)扇處于待機(jī)狀態(tài)，扇葉不轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器檢測到前方有人時(shí)，智能電風(fēng)扇扇葉開始轉(zhuǎn)動(dòng)。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(fēng)扇電機(jī)功率（即轉(zhuǎn)速）。當(dāng)氣溫低于設(shè)定溫度T0時(shí)，智能電風(fēng)扇處于待機(jī)狀態(tài)，扇葉停止轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)氣溫高于設(shè)定溫度T0時(shí)，氣溫越低電風(fēng)扇電機(jī)功率越?。崔D(zhuǎn)速越慢），氣溫越高電風(fēng)扇電機(jī)功率越大（即轉(zhuǎn)速越快）。

這樣的一個(gè)智能電風(fēng)扇在課堂上能夠很快吸引學(xué)生注意力，教師引導(dǎo)學(xué)生分析這里所包含的幾個(gè)子控制系統(tǒng)，然后通過類比和對(duì)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(duì)象、輸出量所對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，以及控制過程。上述三個(gè)子控制系統(tǒng)中的前兩個(gè)可以類比電燈開關(guān)控制電燈亮滅、紅外感應(yīng)自動(dòng)門或紅外感應(yīng)自動(dòng)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(gè)子控制系統(tǒng)——智能電風(fēng)扇氣溫-風(fēng)量自動(dòng)控制系統(tǒng)，這一控制系統(tǒng)很容易被學(xué)生誤認(rèn)為是一個(gè)閉環(huán)控制，教師可以對(duì)比家用電冰箱溫度控制系統(tǒng)和類比音樂噴泉自動(dòng)控制系統(tǒng)，幫助學(xué)生突破這個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)和難點(diǎn)。

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(dòng)控制系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

智能電風(fēng)扇氣溫-風(fēng)量自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖如圖5所示。

通過分析比較，智能電風(fēng)扇的氣溫-風(fēng)量自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸出量為風(fēng)量而不是空氣溫度，這個(gè)控制系統(tǒng)中不存在反饋，所以是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。學(xué)生在老師的引導(dǎo)下通過對(duì)具體模型的觀察、分析、比較，對(duì)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(shè)計(jì)制作模型，樂高編程軟件LEGO MINDSTORMS Education EV3當(dāng)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(shí)物模型應(yīng)用于課堂。例如，范例當(dāng)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(dòng)平衡車（又稱思維車）的外觀非常接近。課堂上引用當(dāng)下比較前沿的技術(shù)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(xué)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(xué)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(diǎn)評(píng)完學(xué)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(duì)于平衡控制的程序段展示給學(xué)生，對(duì)兩輪自平衡車平衡控制系統(tǒng)這一閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(yīng)用最廣泛的閉環(huán)自動(dòng)控制算法。通過了解控制在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，能讓學(xué)生更加體會(huì)到技術(shù)在促進(jìn)社會(huì)發(fā)展、改變社會(huì)生活方式中所起到的重要作用。

智能電風(fēng)扇和兩輪自平衡車這兩個(gè)“控制與設(shè)計(jì)”方

面的模型既調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生充分感受技術(shù)的魅力，又可以幫助師生共同突破教學(xué)上的難點(diǎn)。

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(shè)計(jì)制作出各種教具和學(xué)具，大大提高課堂效率。

3 樂高器材應(yīng)用于通用技術(shù)課堂應(yīng)注意的問題

應(yīng)用樂高器材制作教具、學(xué)具來開展通用技術(shù)教學(xué)或開展學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)，豐富了通用技術(shù)教學(xué)的手段，使通用技術(shù)課堂形式、教學(xué)載體更加多樣化。但如果把器材的使用和應(yīng)用作為教學(xué)重點(diǎn)，花大量時(shí)間和精力在學(xué)習(xí)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(xué)載體推廣至通用技術(shù)所有章節(jié)的教學(xué)中。通用技術(shù)是一門體現(xiàn)了綜合性和通用性的學(xué)科，教師在開展教學(xué)時(shí)應(yīng)嘗試使用更多不同的載體和更多不同的技術(shù)手段來豐富我們的課堂，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)通用技術(shù)課時(shí)能體驗(yàn)和應(yīng)用不同的技術(shù)，以及感受技術(shù)給我們的學(xué)習(xí)、生產(chǎn)、生活所帶來的變化。

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

4 對(duì)未來通用技術(shù)課堂的展望

隨著各種新技術(shù)的不斷成熟，國家對(duì)教育投入的不斷加大，各種新設(shè)備、新器材逐步進(jìn)入校園。一些學(xué)校陸陸續(xù)續(xù)配備了樂高機(jī)器人、3D打印機(jī)、激光雕刻、激光切割機(jī)等等設(shè)備。這讓我們的通用技術(shù)課堂變成一個(gè)充滿創(chuàng)造性、充滿活力、充滿無限可能的創(chuàng)客空間，學(xué)生的發(fā)明、創(chuàng)意、設(shè)計(jì)更加容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，教師的教學(xué)手段也越來越豐富。這對(duì)通用技術(shù)教師應(yīng)用技術(shù)的能力和自身技術(shù)素養(yǎng)提出了新的要求，我們通用技術(shù)老師要適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，不斷學(xué)習(xí)，不斷創(chuàng)新。相信在廣大教師的共同努力下，通用技術(shù)課程將會(huì)迎來新的發(fā)展，通用技術(shù)課堂將會(huì)成為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的主陣地。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2]顧建軍.技術(shù)與設(shè)計(jì)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(shù)課程上的有效使用[J].中國教育技術(shù)裝備，2008（21）：110—112.