基于樂高教育平臺的高中技術類課程教學

1、基于樂高教育平臺的高中技術類課程教學The Technological Course Teaching for High SchoolBased on the Lego Educational Platform談文超，吳俊，章森上海師范大學摘 要：在人類文明史上，科學技術的發(fā)展不斷地改變著人類的生活、思考方式。如何在高中教育中對青少年進行合理、有效的技術類課程教育將會引起教育界的關注。技術類課程的主要任務是培養(yǎng)學生以科學技術為基礎的實踐能力。由于學生對課堂知識的學習往往是限于書本范圍，而通過技術類課程的開展，則可使學生直觀地了解書本知識的現(xiàn)實運用，培養(yǎng)學生的技術素養(yǎng)。本文針對基于樂高教育平臺的

2、技術類課程的開展，從課程教學所涉及到的技術設計、電子控件技術和簡易機器人制作三個方面進行概述。其中，就技術設計方面著重進行課程設置的分析，可分為四個步驟：結構設計、流程設計、系統(tǒng)設計和控制設計，并提出了一些教學建議，以便教師在實際開展過程中運用。另外，文中還探討了技術類課程與其他高中課程的互相結合，為其他課程的開展提供更好的實踐平臺。關鍵詞：技術素養(yǎng) 高中技術類課程 實踐能力 樂高教育Abstracts: The development of science and technology transforms the way of peoples' living and thinkin

3、g in the history of human beings civilization. It will catch the attention of the educational field that working out the way to give the adolescents the reasonable and effective technologic course teaching for high school education. The course teachings main task is to cultivate the practice ability

4、 based on the science and technology. Generally, the study of students classroom knowledge is often limited to the books. The development of the technologic course teaching could let the students learn the practice application of the knowledge from the books and cultivate their technological capabil

5、ity. The passage is focus on the development of the technological course based on the Lego educational platform. It is summarized from the three different parts involved in the course teaching, including technological design, electronic control technology and the make of the simple robot. The settin

6、g of the course is analyzed from the aspect of the technological design. It can be divided into four processes as follows: structure, process, system and control design. And some teaching advises are proposed in order to be adopted by the teachers when they are conducting the programmer. Moreover, t

7、he discussion of the mutual integration between the course of technology and the other high school ones offers a better platform for the development of the other coursesKey words: Technologic course, Practice ability, Technological capability, the Lego educational platform9專心 愛心 用心一、提高我國青少年技術素養(yǎng)的重要性“

8、自然和自然的規(guī)律，隱藏在黑暗里。上帝說:生一個牛頓出來吧！于是，一切都變得光明了！”英國詩人蒲普道出了牛頓的出現(xiàn)對于我們整個自然科學世界具有的非凡意義。如同牛頓的科學理論給我們探索、研究世界萬物帶來了光明，哈格里夫斯的珍妮紡紗機、瓦特的蒸氣機改良所掀起的第一次工業(yè)革命，給人類技術發(fā)展帶來了巨大改革，開創(chuàng)了以機器為主代替以手工為主的蒸汽時代。之后，科學技術的發(fā)展突飛猛進，各種新技術、新發(fā)明層出不窮，并被迅速應用于工業(yè)生產(chǎn)，促成了第二次工業(yè)革命的爆發(fā)，使人類跨入了電氣時代。如今，科學技術已經(jīng)成為我們農(nóng)業(yè)和工業(yè)發(fā)展進步的重要組成部分，影響著各行各業(yè)。科學技術亦是社會發(fā)展的必要條件，并在經(jīng)濟全球化的社

9、會中發(fā)揮著決定性的作用，成為經(jīng)濟發(fā)展的推動力?？茖W技術已成為衡量一個國家競爭能力的重要標準。因此只有擁有高新技術的國家，才可能在世界舞臺上立于不敗之地。故而培養(yǎng)公民的技術素養(yǎng)就具有十分重要的意義。在美國“2061”計劃和“科學文化”的標準中制定了包括教育與科學、設計與系統(tǒng)、技術中的問題等方面在內(nèi)的技術教育內(nèi)容，梁啟超先生有云：“少年進步則國進步，少年勝于歐洲，則國勝于歐洲，少年雄于地球，則國雄于地球”。因此公民的技術素養(yǎng)應重點從青少年抓起。二、普通高中通用技術課程簡介在現(xiàn)行的教育體制中，無論是九年制義務教育，還是三年的高中教育或成才教育，學生的科學素養(yǎng)是并不欠缺的。尤其是經(jīng)過三年高中學習的學生

10、，他們的科學素養(yǎng)，人文素養(yǎng)培養(yǎng)內(nèi)容可以說是十分豐富的，但只知道學術知識而缺乏動手能力。只是單一的純理論的學習，并不是完整的學習，我們要注重學術性課程與技術課程的均衡性。好在近幾年教育部門大力開展高中技術類課程的教育，并為高中技術類課程擬定了一個課程標準普通高中通用技術課程標準（試驗），為我們開展高中技術類課程開啟了一盞明燈。普通高中技術課程與九年義務教育中的信息技術教育和勞動技術教育相銜接，面向全體學生，注重學生的發(fā)展，提高學生的技術素養(yǎng)。以學生為主體，與生活實際相結合提高學生團隊協(xié)作能力、創(chuàng)造能力、探究能力，使學生在接受技術教育的同時，進行人生觀、價值觀、世界觀的培養(yǎng)塑造，為學生將來人生定位

11、、服務社會打下良好的基礎。通用技術的學科教育涉及多門學科教育，分為必修和選修兩部分。必修課程為技術與設計1和2，是全體高中生必學且必須達到的最低技術素養(yǎng)水平，并為學生學習后續(xù)的選修課提供了必備的基礎。我們通過圖2-1（a）和圖2-1（b）可以清楚地了解到這兩個必修模塊的主題組成。圖2-1（a）圖2-1（b）選修課程是在必修課程的基礎上，針對不同地區(qū)、不同學校的條件，為滿足學生的不同興趣和不同發(fā)展需要而開設的課程。 普通高中通用技術課程標準（試驗）共有7個模塊：電子控制技術、建筑及其設計、簡易機器人制作、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術、家政與生活技術、服裝及其設計、汽車駕駛與保養(yǎng)。這些課程拓展了學生的素質教育基礎

12、，有助于進一步提高學生的技術素養(yǎng)，培養(yǎng)學生學習興趣。目前，樂高教育平臺最為系統(tǒng)和經(jīng)典的應用主要有四方面，同時也是四門通用技術教育系列：分別是技術與設計1和2、電子控制技術以及簡易機器人制作。三、基于樂高教育平臺的技術類課程教學（一）技術與設計在教學過程中，我們可以將技術與設計1的思想融入技術與設計2的課程中，使得兩門必修課程可以交叉滲透，免去了技術與設計1純理論教學的乏味，使得教學的成果更為顯著。我們可以將整個教學過程分為構建前、構建模型和構建后三個主要部分。設計前可以分為發(fā)現(xiàn)與明確問題、制定設計方案兩個部分。構建后又可分方案優(yōu)化、產(chǎn)品使用說明或是產(chǎn)品的構建思想以及產(chǎn)品評價。這樣即可將兩個課程

13、的內(nèi)容有機地結合起來。下面我就技術與設計2的課程設置結合案例來講述一下樂高平臺下必修課教學。按課程設置分為：1、結構與設計從我們坐的凳子到我們吃飯、放物品的桌子，從我們居住的房子到我們出行乘坐的交通工具，可以說我們的生活處處包含著結構。在這個部分的教學中，我們可以聯(lián)系學生熟悉的事物，從最簡單的結構開始構建。讓他們了解技術、運用技術、認識結構與設計的魅力以及構建結構的樂趣。圖3-1-1（a）是最為簡單的桌子結構。圖3-1-1（b）是斜拉橋結構。圖3-1-1（c）是桁架塔機構。圖3-1-1（d）為房梁框架結構。圖3-1-1（a） 圖3-1-1（b） 圖3-1-1（c） 圖3-1-1（d）在這四組圖

14、形中，每組圖形的上圖是我們生活中常見的結構，而下圖就是利用樂高零件構建的結構。在我們利用這些零件構建結構的時候，通常會用穩(wěn)固、牢固這兩個詞。我們可以通過上圖的這個模型結構發(fā)現(xiàn)，這四個機構有兩個共同的特點，運用了層疊連接的方式和三角形結構，這些都可以使結構起到穩(wěn)固和牢固的作用。圖3-1-2（a）為三角形結構，用樂高的梁形成一個三角形,其形狀是不會改變的。圖3-1-2（b）為層疊連接結構，使用更多的板來連接,可以對材料強度起到加固作用。通過這些結構構建的學習，學生就可了解結構是如何承受應力，通過反復的構建測試他們更會發(fā)現(xiàn)影響結構的強度和穩(wěn)定性的因素具體的幾個方面，等等。 圖3-1-2（a）圖3-1

15、-2（b）2、流程與設計在這個模塊的學習中，我們首先要讓學生了解流程的含義及其對生產(chǎn)、生活的意義。通過分析某些流程設計的案例，畫出流程框圖，說明它們的設計特點。例如：煮一道菜的流程、家用電器工作流程、小區(qū)巴士運作的流程、ATM機取款的流程等等。案例1 認識流程小區(qū)巴士運作教學目標: 通過一個機器人巴士的行駛，理解流程的概念。 通過機器人的運動方式的設計，初步理解流程的設計。 通過圖形化編程的方法，初步學會簡單系統(tǒng)設計的基本方法。 任務描述：一輛巴士，要經(jīng)過四個站臺，完成一個完整的線路行駛，四個站臺呈正方形格局。如圖3-2-1所示。結合巴士運動方式，想一想，這輛巴士的工作流程是怎么樣的？（圖3-

16、2-2為巴士工作的流程設計）如果這輛巴士是無人駕駛的智能汽車，你是否可以按照巴士的工作流程簡單的設計一個簡單系統(tǒng)呢？設計參考：這里需要學生制作樂高機器人，并利用ROBOLAB進行程序編寫，從而學習流程的初步設計。由于本節(jié)機器人的搭建不是我們的主要目的，所以盡可能簡化地要求學生設計并搭建出機器人。運用兩個馬達，連接在NXT主體上，插上輪子便可以讓“機器人巴士”移動（如圖3-2-4所示）。同時我們也構建出RCX機器人巴士（如圖3-2-5所示），也可以達到相同的效果。這樣一來打開ROBOLAB2.9就完全可以給這兩個機器人編輯程序。程序編寫：打開ROBOLAB選擇導航者級別4圖3-2-6導航者級別4

17、就是一個非常好的流程化設計的環(huán)境，在這里可以隨性地添加步驟。圖3-2-7八步的流程，在我們的ROBOLAB的軟件中就顯示為8個過程：第一步，也就是流程的第一步，機器人巴士前進，時間可以根據(jù)場地條件來設定。圖3-2-8圖3-2-9第二步，當機人巴士轉彎90度，轉彎時，一個馬達轉動，一個馬達停止，轉彎所需要的時間視場地和機器人而定。 圖3-2-10教學建議:1、讓學生分析機器人巴士的運動過程，引導學生自己分析出其工作流程。建立流程的概念。2、通過機器人的測試，學生自己去尋找到兩個時間，逐步調整強化對流程中每一個步驟的了解。3、當學生發(fā)現(xiàn)，這個四邊形的流程中，后幾步是在不斷地重復前兩步，這時候，可以

18、向學生介紹循環(huán)的概念，這也是一種流程的優(yōu)化。圖3-2-114、如果學生有更多時間，已經(jīng)對這個簡單的流程有所認識了，可以給他們類似的、更加復雜的流程進行設計：例如：多邊形、五角星。圖3-2-12在本小節(jié)中還有一個重要的內(nèi)容就是能解釋流程的改進與設備、材料等之間的關系，能概括某種簡單生產(chǎn)流程優(yōu)化過程中所應考慮的主要問題。因此我們需要一個輔助軟件樂高CAD（如圖3-2-13）。這個軟件可以將設計思想快速地展現(xiàn)出來，主要有以下功能：仿真搭建、零件統(tǒng)計、自動繪圖、生成效果圖。這些功能具有一定的延續(xù)性，往往需要一步步完成才會有下一個功能。同時它還擁有四個方面的主要應用：進行輔助設計、解決缺少器材的問題、保

19、留有價值的作品、為編寫教材提供工具?？梢哉f樂高CAD的運用是十分廣泛的。在本課程中，學生主要的運用是前三項。圖3-2-13 MLCad主窗口視圖圖3-2-14 MLCad編輯車模視圖3、系統(tǒng)與設計在這個模塊的學習中，不一定要將所有系統(tǒng)都一一羅列，中學物理主要以機械運動為主，我們可以結合學生熟悉的機械系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)進行主要的分析與評價。再結合當今社會十分重視的一個環(huán)節(jié)能源系統(tǒng)，可讓學生了解技術是不斷發(fā)展以及鮮明的時代性，增強對當代先進技術及其文化的理解，實現(xiàn)由感性認識到理性認識的飛躍。首先，要讓學生懂得系統(tǒng)的概念，我們可以舉個最為簡單的例子，手電筒可以稱為一個簡單的工作系統(tǒng)。手電筒最為簡單的模

20、型便是一個小電珠、一根長導線以及一個開關，我們利用樂高部件將這個系統(tǒng)更簡單地表達出來，如圖3-3-2(b)所示，樂高小電珠、觸感就可以做到。我們用NXT充當電池功能，連接導線、小電珠以及觸感，簡單地編輯下程序，一個簡易的手電筒就這樣制作完成了，如圖3-3-2（c）所示。待學生明白簡單系統(tǒng)后，我們便可以讓他們深入地了解更多的系統(tǒng)。在整個太陽系中，日、地、月就是我們的一個十分熟知的運動系統(tǒng)，那么我們是否可以也用樂高部件將這個系統(tǒng)表現(xiàn)出來呢？當然可以！首先，我們需要簡單地了解公轉自轉，明白哪顆行星在自轉的同時還圍繞著哪顆星公轉，當然，我們還需知道行星公轉與自轉的方向，接下來就是考驗動手能力以及創(chuàng)造能

21、力的時候了。圖3-3-3為日地月三個星球公轉自轉的模型。平時生活中，我們常見的動力系統(tǒng)是什么？我想大部分的人都會回答汽車。的確，汽車已成為我們生活中不可缺少的交通工具。在流程與設計的模塊中我們已經(jīng)搭建了一個最為簡單的NXT巴士機器人（圖3-2-4），可以說這輛巴士機器人是個比較簡單的動力系統(tǒng)。能源危機是當今世界遇到的主要問題，節(jié)能已成為一個十分時尚的話題。我們還可以利用樂高組件中的太陽能電池板、電容、光感來制作一個簡易的路燈。4、控制與設計在這個模塊的教學中主要讓學生知道控制的分類：手動控制、自動控制，熟悉簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和簡單的工作過程。在上個模塊中，我們所討論的簡

22、易手電筒制作就是一個典型的手動控制系統(tǒng)，而太陽能節(jié)能路燈即是自動控制系統(tǒng)。學生很容易即可了解這些概念。在這個模塊的學習中要讓學生深刻了解到自動化工作的優(yōu)越性，讓學生對技術有更新更深刻的認識。圖3-4-1為溫控電風扇的模型，RCX內(nèi)置的程序可讓電風扇根據(jù)溫度的變化改變電風扇的馬力，當溫度高于30度時，風扇高速旋轉；當溫度低于30度高于27度時中速旋轉；當溫度低于27度時慢速旋轉。程序如圖3-4-3所示。圖3-4-2為又超聲傳感器控制的自動交通門。（二）電子控件技術電子控件技術主要分為一下幾個主題：傳感器、數(shù)字電路、電磁繼電器、電子控件系統(tǒng)及其應用。樂高部件中標準傳感器有角度位移傳感器、光電傳感器

23、、溫度傳感器、觸動傳感器、聲音傳感器、CLI觸動傳感器、超聲波傳感器等等。它們也是機器人制作時不可缺少的組成部分。在給學生介紹傳感器的時侯可以用這些傳感器設計簡易機器人，作為一種授課方式既形象又生動，使得學生對傳感器的了解直接跨越到理性認識。我們可以通過簡單的樂高部件的搭建，配合ROBOLAB圖形化編程即可制作出一個邏輯門電路，讀者不妨自行構建一下。通過這些部件以及傳感器制作出的機器人，就是一個簡單的電子控件系統(tǒng)了，在整個系統(tǒng)中，有傳感器，有觸發(fā)，更有輸出。因此，將樂高組件運用于電子技術選修課程并結合電子技術本身的特點進行教學將會給整個課程增添無窮的樂趣與驚喜。（三）簡易機器人制作在前兩個模塊

24、的課程介紹中，都有提到機器人制作。樂高教育平臺最終的目的就是讓學生制作出一個擁有個人特色的機器人出來，從中培養(yǎng)學生各個方面的能力。在這個平臺的基礎上制作機器人非常容易，學生只要簡單了解單片機的知識，利用樂高部件構建出他們想要的模型，通過簡單易學的圖形化計算機編程軟件ROBOLAB在計算機上編寫程序，最后通過與計算機相連的紅外發(fā)射器或數(shù)據(jù)線將程序下載到機器人的大腦RCX或NXT中，這樣學生們就可以設計出專屬于自己的機器人。在技術與設計模塊的介紹中，我們已經(jīng)介紹了不少機器人制作的例子。在這個領域里沒有盡頭，還有許許多多的模型結構等待著我們?nèi)?chuàng)造，許許多多的新穎好玩的方案等待著我們?nèi)ピO計與開發(fā)。希望

25、學生在機器人制作的過程中成長，希望每個喜歡機器人制作的學生們通過進一步學習后可以為社會服務，奉獻出自己的一份力量，更希望它可以成為每個喜歡這門課程的朋友們的終生玩伴。四、利用樂高教育平臺的優(yōu)越性首先其產(chǎn)品本身就具有很突出的特點，雖然樂高部件是以塑料為材料，但是它卻具有穩(wěn)定、耐磨、高韌性等特點，可長久地保持色彩鮮艷。其凸點就有很好的配合度，每個零件的公差精度小于5m，保證了構件之間的聯(lián)接牢固可靠。產(chǎn)品的種類齊全，可以通過不同年齡段，不同需要的玩家們使用。普通高中通用技術課程中的簡易機器人制作主要以單片機為主，但單片機對于普通的高中生而言是個從未接觸過的領域。學生還需學習有關單片機方面的知識，加重

26、了他們的課業(yè)負擔，但利用樂高教育部件來教授簡易機器人課程就與之截然不同。在整個活動過程中，學生們只需擁有初中物理學科電學部分知識就可以完成樂高平臺下的機器人制作中的電路，它無需動用電烙鐵、鉗子等工具，比起制作復雜的集成電路而言相對容易了許多，同時也安全了許多。ROBOLAB圖形化軟件易學易懂，學生只需要掌握簡單的循環(huán)、分支、套嵌、變量等編程基礎，便可以輕松地進行編程，與枯燥無味的計算機語言相比可謂大相徑庭，更增添了許多的樂趣。杜威主張“從做中學”的理論，他重視學生的主動性、創(chuàng)造性。如今得到很多教育人的關注，而“做中學”也是樂高教育理念。學生在邊學習機器人制作的同時他們會慢慢接觸到很多還未學習到

27、的知識，在這種帶著疑問與好奇的情形下即可學習到很多課本以外知識。機器人教學以學生為主體，與以往“聽中學”的教學方式有很大不同。老師在一旁并不是告訴學生一步步應該怎么做，而是讓學生以小組的形式共同討論來完成一個任務，當學生有困難時進行點撥，再讓學生們自己完成。整個教學沒有教材，更沒有任何的標準答案，每節(jié)課后總會有個比賽，看哪組學生的作品的方案好，通過比賽不僅調動了每個同學的積極性與課堂氣氛，還可讓學生看看其他機器人的方案與結構，學習其他小組的優(yōu)點再做改進。在這個過程中，不但培養(yǎng)學生的思考問題的能力、團體協(xié)作能力與溝通能力，還增強了學生解決問題的能力、創(chuàng)新意識及競爭意識。五、機器人教學與其它學科的

28、相互滲透（一）生物光感一直充當著RCX或NXT眼睛，幫助他們尋線、探路、辨明方面。在教學生安裝光感的同時可以和他們簡單介紹一下眼睛的基本結構，從感性認識到理性認識。圖5-1-1為光感的安裝方法。與此同時，在構建機器人的時候，有時還需構建手與腳的結構，都需要結合生物特點。圖5-1-2為樂高積木構建出了DNA分子結構模型。圖5-1-1 圖5-1-2（二）數(shù)學學生利用ROBOLAB進行編程的時候，可以培養(yǎng)其邏輯思維能力。崔運生，浙江省余姚市實驗學校教師，他利用樂高及ROBOLAB編程軟件進行邏輯數(shù)學相關知識的教學研究，很好地解決了許多學生邏輯數(shù)學方面的不足。而邏輯數(shù)學方面的知識加強了，就可以更好地幫

29、助學生對自己的機器人進行編程，做出他們滿意的方案。樂高CAD軟件是一款計算機輔助設計軟件。在樂高模型的設計與制作的過程中有時需使用到這些軟件，它可以很快將設計者的構思顯現(xiàn)出來，其三維的顯示模式可以將樂高模型的方方面面一一體現(xiàn)。在設計的過程中，設計者需要一定的空間思維能力，因此在學習這個軟件進行設計模型的同時，還可以提高學生的空間思維能力，這對學生學習立體幾何將會有很大的幫助。如圖3-2-14所示的MLCad編輯車模視圖從不同的角度將樂高積木搭建的小車展現(xiàn)出來。（三）物理在整個技術類課程的學習或是教學過程中，物理學科知識可以說是貫穿于整個環(huán)節(jié)。在構建模型的過程中，結構、動力機械、電路等方面知識和

30、物理學科知識相互滲透，相輔相成。例如在技術與設計模塊中，我們所提到的結構與設計中的結構就與力學知識有關聯(lián)。圖3-1-1（b）是斜拉橋的結構模型，擁有高中一年級知識水平的高中生都知道斜拉橋蘊含著力的合成與分解的相關知識。除了搭建時構建的穩(wěn)固性是個難點之外，還有一個難點就是如何有效地將繩連接于橋墩與橋面之間，繩子的傾斜度為多大，需要幾根繩子等等。待學生通過不斷地設計不斷地構建之后，相信其對力的合成與分解的知識又有了更多認識，再次由感性認識飛躍到理性認識。除結構外，動力機械也是物理學科知識發(fā)揮的一片沃土。結合高中物理的課程結構，將動力機械分為：杠桿、滑輪（組）、齒輪、斜面、機械傳動等五個部分。圖5-3-1為簡單的杠桿模型，分別由鉗子、