如何利用乐高器材丰富通用技术教学手段
陈磊
摘 要：高中通用技术课程是一门立足于实践、高度综合、注重创新的新兴课程，它以提高学生技术素养、促进学生全面而富有个性的发展为目标。作为一门年轻的学科，教学资源匮乏，一线教师在开发教具和学具上不断进行着探索。本文从教学实际出发，以苏教版《技术与设计2》中的部分知识内容为例，对如何利用乐高器材丰富通用技术教学手段进行了研究。
关键词：通用技术；乐高；教具；学具
隨着科学技术迅猛的发展，在我们日常生活中技术手段和技术产品无时不在、无处不在，深深融入了我们的生活，技术成为了社会发展和进步的重要因素。技术素养也成为了一个现代人所需要具备的基本素养。通用技术课程在这样一个科技大发展时代的背景下诞生。在课程标准中通用技术课程基本理念有这么几点，“关注全体学生的发展，着力提高学生的技术素养；注重学生创造潜能的开发，加强学生实践能力的培养；丰富学生的学习过程，倡导学习方式的多元化” [1 ]。说明通用技术课程有别于过去的劳动技术课程，也有别于其他自然科学学科课程。通用技术课程需要学生的主动动手参与，它的学习过程是学生在亲历过程中主动理解并建构知识、不断发展能力、产生情感，形成良好情感态度与价值观的过程。教科书、粉笔、黑板、语言、文字等传统教学手段远远无法满足通用技术教学。教师在通用技术教学的过程中需要给学生创设学习的情境，帮助学生在人、物、环境三个方面相互作用的过程中主动构建知识，为学生带来更多的可能性，鼓励创造与发现。
1 乐高器材与通用技术课堂结合的优点
2014年9月，我国教育部与丹麦乐高集团就继续在中国深入推进“技术教育创新人才培养计划”签署了第二份合作备忘录。在此之前，乐高教育在“2010-2014年技术教育创新人才培养计划”合作备忘录的指导下，为我国400所中小学和高校创建了科技实验室，并提供乐高教育器材。今后还将会有越来越多的学校配备乐高教育器材。
乐高器材的零件种类很多，常用的具有不同功能的结构件、连接件、传动类零件就有数百种之多。除此以外还有可编程积木、伺服电机、各种类型的传感器等。乐高积木精度公差仅为0.002毫米，具有良好的组合度。学生的设计方案可以通过乐高器材方便、快捷的呈现出功能模型或者结构模型。并且，乐高器材易组装易拆卸，材料的重复利用率极高，能很好的避免浪费。乐高的可视化编程软件对于初学者来说也很容易学习，容易掌握。乐高教育在2013年新发布的可编程积木——教育用LEGO Mindstorms EV3可兼容非乐高原装传感器，这意味着教师或者有能力的学生还可以自制传感器接入EV3，然后通过编程，实现一些较为复杂的、自动化程度高的设计方案。
2 乐高器材在通用技术课程部分章节中的应用
在通用技术教学中选用合适的教具和学具来有针对性的开展教学，不仅能够吸引学生的注意力、激发学生的学习兴趣、提高学生参与学习的热情，还能让师生在实践中分析、比较、改进、评价、讨论、总结，学生真正做到“做中学，学中做”。在实践中观察和思考，以学习掌握新知识。同时将学到的知识与具体的生活实践相联系，学以致用，活学活用。
下面以苏教版《技术与设计2》中的部分知识内容为例，介绍笔者设计制作的几种可用于课堂教学和学生实践活动的模型。
（1）探究结构稳定性的不倒翁模型
苏教版《技术与设计2》的第一单元——结构与设计，教材P15“探究结构的重心与稳定性的关系”的试验一。用气球中放置若干玻璃球，将其充气、封口的方式自制不倒翁。先用手扳动不倒翁，测试不倒翁不倾倒的最大倾角；再在不倒翁的脖子上挂铁环，逐渐增加铁环的个数，直到不倒翁翻倒 [2 ]。然后学生通过试验来总结出结构的重心与稳定性的关系。在实际操作时，因为气球中的玻璃球没有固定，扳动不倒翁或在不倒翁头部挂铁环时，玻璃球的位置会发生变化，试验中的不确定因素较多，重心的大概位置不易判断，试验结果不太理想。改用乐高器材中的轴、轴连接器、轮子等零件，可以让学生在课堂上根据教师提供的搭建图快速搭建出一个简易不倒翁模型。在利用这个模型进行教学时，先让学生根据物理知识粗略判断模型重心的位置，然后触碰不倒翁，观察其摇摆的姿态。然后引导学生通过移动重物（轮子）的位置来改变不倒翁模型的状态（图1），自己主动摸索和总结物体发生倾倒的根本原因。学生通过分析、比较、讨论之后，对原不倒翁模型进行改进，使其更加稳定。学生的想法和设计可以很快通过多样化的乐高零件在模型上得以实现并且测试。
乐高不倒翁模型，搭建简单迅速，可操作性强。试验过程中现象明显、直观，有利于学生观察、分析。
（2）判断开环控制和闭环控制的智能电风扇模型与两轮自平衡车模型
苏教版《技术与设计2》的第四单元——控制与设计，这部分内容是通用技术必修内容中广大师生普遍认为最难理解、争议问题最多、对专业依赖程度最高的章节。通过教材中对于开环控制系统和闭环控制系统的定义，以及教材中的案例的比较，我们发现区别开环控制系统与闭环控制系统的重要因素不在于是否自动控制，也不在于是否重复工作。二者的根本差别在于是否存在反馈对控制过程产生影响。如何设计制作合适的教具来开展这部分内容的教学成为教师们的难题。
笔者利用LEGO Mindstorms EV3可兼容各种自制传感器这一特点，设计了智能电风扇模型（图2）用于辅助课堂教学。乐高教育套装自带的触动传感器作为电源开关，控制整个智能电风扇进入工作状态或进入休眠状态。RE200B人体红外热释电传感器判断是否有人位于在智能电风扇前方，当前方没有人时，智能电风扇处于待机状态，扇叶不转；当传感器检测到前方有人时，智能电风扇扇叶开始转动。LM35DZ温度传感器用于检测环境温度，并根据气温高低来控制电风扇电机功率（即转速）。当气温低于设定温度T0时，智能电风扇处于待机状态，扇叶停止转动；当气温高于设定温度T0时，气温越低电风扇电机功率越小（即转速越慢），气温越高电风扇电机功率越大（即转速越快）。
这样的一个智能电风扇在课堂上能够很快吸引学生注意力，教师引导学生分析这里所包含的几个子控制系统，然后通过类比和对比教材中的例子，分析输入量、控制器、执行器、控制量、被控对象、输出量所对应的内容，以及控制过程。上述三个子控制系统中的前两个可以类比电灯开关控制电灯亮灭、红外感应自动门或红外感应自动出水水龙头分析出是较为明显的开环控制系统。第三个子控制系统——智能电风扇气温-风量自动控制系统，这一控制系统很容易被学生误认为是一个闭环控制，教师可以对比家用电冰箱温度控制系统和类比音乐喷泉自动控制系统，帮助学生突破这个易错点和难点。
家用电冰箱温度控制系统方框图如图3所示。
音乐喷泉自动控制系统方框图如图4所示。
智能电风扇气温-风量自动控制系统方框图如图5所示。
通过分析比较，智能电风扇的气温-风量自动控制系统的输出量为风量而不是空气温度，这个控制系统中不存在反馈，所以是一个开环控制系统。学生在老师的引导下通过对具体模型的观察、分析、比较，对开环控制系统和闭环控制系统概念的建立起到了很好的作用。
除了自己设计制作模型，乐高编程软件LEGO MINDSTORMS Education EV3當中还提供了很多范例，教师可以从中选取合适的范例，根据软件所提供的搭建步骤制作实物模型应用于课堂。例如，范例当中的乐高两轮自平衡车Gyro Boy。该模型的外观与近两年才刚刚兴起的电动平衡车（又称思维车）的外观非常接近。课堂上引用当下比较前沿的技术产品，并且用乐高制作模型展示出来，能够很好的引发学生的讨论。教师在简单介绍模型中陀螺仪传感器的功能后，让学生尝试分析两轮自平衡的控制过程，并画出两轮自平衡车平衡控制系统方框图。教师点评完学生所画的控制系统方框图，还可以将乐高编程软件中两轮自平衡车Gyro Boy对于平衡控制的程序段展示给学生，对两轮自平衡车平衡控制系统这一闭环控制系统进行深入的分析。两轮自平衡车用到的PID控制算法作为最早实用化的控制算法已有近百年历史，这种算法现在仍然是在工业上应用最广泛的闭环自动控制算法。通过了解控制在生产生活中的广泛应用，能让学生更加体会到技术在促进社会发展、改变社会生活方式中所起到的重要作用。
智能电风扇和两轮自平衡车这两个“控制与设计”方
面的模型既调动了学生的学习兴趣，让学生充分感受技术的魅力，又可以帮助师生共同突破教学上的难点。
乐高器材以其便捷稳固的搭建方式、良好的组合度、丰富的零件种类，让我们能根据课程的需要，设计制作出各种教具和学具，大大提高课堂效率。
3 乐高器材应用于通用技术课堂应注意的问题
应用乐高器材制作教具、学具来开展通用技术教学或开展学生实践活动，丰富了通用技术教学的手段，使通用技术课堂形式、教学载体更加多样化。但如果把器材的使用和应用作为教学重点，花大量时间和精力在学习使用上，这样的器材就失去了作为教具的意义 [3 ]。我们还需要注意的是，不能将这种教学载体推广至通用技术所有章节的教学中。通用技术是一门体现了综合性和通用性的学科，教师在开展教学时应尝试使用更多不同的载体和更多不同的技术手段来丰富我们的课堂，让学生在学习通用技术课时能体验和应用不同的技术，以及感受技术给我们的学习、生产、生活所带来的变化。
目前，有配备乐高器材的学校大多是将器材用于参加竞赛或是第二课堂，乐高器材对于部分学生而言还比较陌生。教师在用乐高器材开展学生实践活动时，应尽量选用制作难度相对简单的模型，以免教学重难点发生偏离。
4 对未来通用技术课堂的展望
随着各种新技术的不断成熟，国家对教育投入的不断加大，各种新设备、新器材逐步进入校园。一些学校陆陆续续配备了乐高机器人、3D打印机、激光雕刻、激光切割机等等设备。这让我们的通用技术课堂变成一个充满创造性、充满活力、充满无限可能的创客空间，学生的发明、创意、设计更加容易实现。同时，教师的教学手段也越来越丰富。这对通用技术教师应用技术的能力和自身技术素养提出了新的要求，我们通用技术老师要适应技术的发展，不断学习，不断创新。相信在广大教师的共同努力下，通用技术课程将会迎来新的发展，通用技术课堂将会成为培养创新人才的主阵地。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中技术课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003.
[2]顾建军.技术与设计2 [M].南京：江苏教育出版社，2009.
[3]罗洁华.乐高积木在通用技术课程上的有效使用[J].中国教育技术装备，2008（21）：110—112.
摘 要：高中通用技术课程是一门立足于实践、高度综合、注重创新的新兴课程，它以提高学生技术素养、促进学生全面而富有个性的发展为目标。作为一门年轻的学科，教学资源匮乏，一线教师在开发教具和学具上不断进行着探索。本文从教学实际出发，以苏教版《技术与设计2》中的部分知识内容为例，对如何利用乐高器材丰富通用技术教学手段进行了研究。
关键词：通用技术；乐高；教具；学具
隨着科学技术迅猛的发展，在我们日常生活中技术手段和技术产品无时不在、无处不在，深深融入了我们的生活，技术成为了社会发展和进步的重要因素。技术素养也成为了一个现代人所需要具备的基本素养。通用技术课程在这样一个科技大发展时代的背景下诞生。在课程标准中通用技术课程基本理念有这么几点，“关注全体学生的发展，着力提高学生的技术素养；注重学生创造潜能的开发，加强学生实践能力的培养；丰富学生的学习过程，倡导学习方式的多元化” [1 ]。说明通用技术课程有别于过去的劳动技术课程，也有别于其他自然科学学科课程。通用技术课程需要学生的主动动手参与，它的学习过程是学生在亲历过程中主动理解并建构知识、不断发展能力、产生情感，形成良好情感态度与价值观的过程。教科书、粉笔、黑板、语言、文字等传统教学手段远远无法满足通用技术教学。教师在通用技术教学的过程中需要给学生创设学习的情境，帮助学生在人、物、环境三个方面相互作用的过程中主动构建知识，为学生带来更多的可能性，鼓励创造与发现。
1 乐高器材与通用技术课堂结合的优点
2014年9月，我国教育部与丹麦乐高集团就继续在中国深入推进“技术教育创新人才培养计划”签署了第二份合作备忘录。在此之前，乐高教育在“2010-2014年技术教育创新人才培养计划”合作备忘录的指导下，为我国400所中小学和高校创建了科技实验室，并提供乐高教育器材。今后还将会有越来越多的学校配备乐高教育器材。
乐高器材的零件种类很多，常用的具有不同功能的结构件、连接件、传动类零件就有数百种之多。除此以外还有可编程积木、伺服电机、各种类型的传感器等。乐高积木精度公差仅为0.002毫米，具有良好的组合度。学生的设计方案可以通过乐高器材方便、快捷的呈现出功能模型或者结构模型。并且，乐高器材易组装易拆卸，材料的重复利用率极高，能很好的避免浪费。乐高的可视化编程软件对于初学者来说也很容易学习，容易掌握。乐高教育在2013年新发布的可编程积木——教育用LEGO Mindstorms EV3可兼容非乐高原装传感器，这意味着教师或者有能力的学生还可以自制传感器接入EV3，然后通过编程，实现一些较为复杂的、自动化程度高的设计方案。
2 乐高器材在通用技术课程部分章节中的应用
在通用技术教学中选用合适的教具和学具来有针对性的开展教学，不仅能够吸引学生的注意力、激发学生的学习兴趣、提高学生参与学习的热情，还能让师生在实践中分析、比较、改进、评价、讨论、总结，学生真正做到“做中学，学中做”。在实践中观察和思考，以学习掌握新知识。同时将学到的知识与具体的生活实践相联系，学以致用，活学活用。
下面以苏教版《技术与设计2》中的部分知识内容为例，介绍笔者设计制作的几种可用于课堂教学和学生实践活动的模型。
（1）探究结构稳定性的不倒翁模型
苏教版《技术与设计2》的第一单元——结构与设计，教材P15“探究结构的重心与稳定性的关系”的试验一。用气球中放置若干玻璃球，将其充气、封口的方式自制不倒翁。先用手扳动不倒翁，测试不倒翁不倾倒的最大倾角；再在不倒翁的脖子上挂铁环，逐渐增加铁环的个数，直到不倒翁翻倒 [2 ]。然后学生通过试验来总结出结构的重心与稳定性的关系。在实际操作时，因为气球中的玻璃球没有固定，扳动不倒翁或在不倒翁头部挂铁环时，玻璃球的位置会发生变化，试验中的不确定因素较多，重心的大概位置不易判断，试验结果不太理想。改用乐高器材中的轴、轴连接器、轮子等零件，可以让学生在课堂上根据教师提供的搭建图快速搭建出一个简易不倒翁模型。在利用这个模型进行教学时，先让学生根据物理知识粗略判断模型重心的位置，然后触碰不倒翁，观察其摇摆的姿态。然后引导学生通过移动重物（轮子）的位置来改变不倒翁模型的状态（图1），自己主动摸索和总结物体发生倾倒的根本原因。学生通过分析、比较、讨论之后，对原不倒翁模型进行改进，使其更加稳定。学生的想法和设计可以很快通过多样化的乐高零件在模型上得以实现并且测试。
乐高不倒翁模型，搭建简单迅速，可操作性强。试验过程中现象明显、直观，有利于学生观察、分析。
（2）判断开环控制和闭环控制的智能电风扇模型与两轮自平衡车模型
苏教版《技术与设计2》的第四单元——控制与设计，这部分内容是通用技术必修内容中广大师生普遍认为最难理解、争议问题最多、对专业依赖程度最高的章节。通过教材中对于开环控制系统和闭环控制系统的定义，以及教材中的案例的比较，我们发现区别开环控制系统与闭环控制系统的重要因素不在于是否自动控制，也不在于是否重复工作。二者的根本差别在于是否存在反馈对控制过程产生影响。如何设计制作合适的教具来开展这部分内容的教学成为教师们的难题。
笔者利用LEGO Mindstorms EV3可兼容各种自制传感器这一特点，设计了智能电风扇模型（图2）用于辅助课堂教学。乐高教育套装自带的触动传感器作为电源开关，控制整个智能电风扇进入工作状态或进入休眠状态。RE200B人体红外热释电传感器判断是否有人位于在智能电风扇前方，当前方没有人时，智能电风扇处于待机状态，扇叶不转；当传感器检测到前方有人时，智能电风扇扇叶开始转动。LM35DZ温度传感器用于检测环境温度，并根据气温高低来控制电风扇电机功率（即转速）。当气温低于设定温度T0时，智能电风扇处于待机状态，扇叶停止转动；当气温高于设定温度T0时，气温越低电风扇电机功率越小（即转速越慢），气温越高电风扇电机功率越大（即转速越快）。
这样的一个智能电风扇在课堂上能够很快吸引学生注意力，教师引导学生分析这里所包含的几个子控制系统，然后通过类比和对比教材中的例子，分析输入量、控制器、执行器、控制量、被控对象、输出量所对应的内容，以及控制过程。上述三个子控制系统中的前两个可以类比电灯开关控制电灯亮灭、红外感应自动门或红外感应自动出水水龙头分析出是较为明显的开环控制系统。第三个子控制系统——智能电风扇气温-风量自动控制系统，这一控制系统很容易被学生误认为是一个闭环控制，教师可以对比家用电冰箱温度控制系统和类比音乐喷泉自动控制系统，帮助学生突破这个易错点和难点。
家用电冰箱温度控制系统方框图如图3所示。
音乐喷泉自动控制系统方框图如图4所示。
智能电风扇气温-风量自动控制系统方框图如图5所示。
通过分析比较，智能电风扇的气温-风量自动控制系统的输出量为风量而不是空气温度，这个控制系统中不存在反馈，所以是一个开环控制系统。学生在老师的引导下通过对具体模型的观察、分析、比较，对开环控制系统和闭环控制系统概念的建立起到了很好的作用。
除了自己设计制作模型，乐高编程软件LEGO MINDSTORMS Education EV3當中还提供了很多范例，教师可以从中选取合适的范例，根据软件所提供的搭建步骤制作实物模型应用于课堂。例如，范例当中的乐高两轮自平衡车Gyro Boy。该模型的外观与近两年才刚刚兴起的电动平衡车（又称思维车）的外观非常接近。课堂上引用当下比较前沿的技术产品，并且用乐高制作模型展示出来，能够很好的引发学生的讨论。教师在简单介绍模型中陀螺仪传感器的功能后，让学生尝试分析两轮自平衡的控制过程，并画出两轮自平衡车平衡控制系统方框图。教师点评完学生所画的控制系统方框图，还可以将乐高编程软件中两轮自平衡车Gyro Boy对于平衡控制的程序段展示给学生，对两轮自平衡车平衡控制系统这一闭环控制系统进行深入的分析。两轮自平衡车用到的PID控制算法作为最早实用化的控制算法已有近百年历史，这种算法现在仍然是在工业上应用最广泛的闭环自动控制算法。通过了解控制在生产生活中的广泛应用，能让学生更加体会到技术在促进社会发展、改变社会生活方式中所起到的重要作用。
智能电风扇和两轮自平衡车这两个“控制与设计”方
面的模型既调动了学生的学习兴趣，让学生充分感受技术的魅力，又可以帮助师生共同突破教学上的难点。
乐高器材以其便捷稳固的搭建方式、良好的组合度、丰富的零件种类，让我们能根据课程的需要，设计制作出各种教具和学具，大大提高课堂效率。
3 乐高器材应用于通用技术课堂应注意的问题
应用乐高器材制作教具、学具来开展通用技术教学或开展学生实践活动，丰富了通用技术教学的手段，使通用技术课堂形式、教学载体更加多样化。但如果把器材的使用和应用作为教学重点，花大量时间和精力在学习使用上，这样的器材就失去了作为教具的意义 [3 ]。我们还需要注意的是，不能将这种教学载体推广至通用技术所有章节的教学中。通用技术是一门体现了综合性和通用性的学科，教师在开展教学时应尝试使用更多不同的载体和更多不同的技术手段来丰富我们的课堂，让学生在学习通用技术课时能体验和应用不同的技术，以及感受技术给我们的学习、生产、生活所带来的变化。
目前，有配备乐高器材的学校大多是将器材用于参加竞赛或是第二课堂，乐高器材对于部分学生而言还比较陌生。教师在用乐高器材开展学生实践活动时，应尽量选用制作难度相对简单的模型，以免教学重难点发生偏离。
4 对未来通用技术课堂的展望
随着各种新技术的不断成熟，国家对教育投入的不断加大，各种新设备、新器材逐步进入校园。一些学校陆陆续续配备了乐高机器人、3D打印机、激光雕刻、激光切割机等等设备。这让我们的通用技术课堂变成一个充满创造性、充满活力、充满无限可能的创客空间，学生的发明、创意、设计更加容易实现。同时，教师的教学手段也越来越丰富。这对通用技术教师应用技术的能力和自身技术素养提出了新的要求，我们通用技术老师要适应技术的发展，不断学习，不断创新。相信在广大教师的共同努力下，通用技术课程将会迎来新的发展，通用技术课堂将会成为培养创新人才的主阵地。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中技术课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003.
[2]顾建军.技术与设计2 [M].南京：江苏教育出版社，2009.
[3]罗洁华.乐高积木在通用技术课程上的有效使用[J].中国教育技术装备，2008（21）：110—112.
