基于乐高教育平台的高中技术类课程教学

1、基于乐高教育平台的高中技术类课程教学The Technological Course Teaching for High SchoolBased on the Lego Educational Platform谈文超，吴俊，章森上海师范大学摘 要：在人类文明史上，科学技术的发展不断地改变着人类的生活、思考方式。如何在高中教育中对青少年进行合理、有效的技术类课程教育将会引起教育界的关注。技术类课程的主要任务是培养学生以科学技术为基础的实践能力。由于学生对课堂知识的学习往往是限于书本范围，而通过技术类课程的开展，则可使学生直观地了解书本知识的现实运用，培养学生的技术素养。本文针对基于乐高教育平台的

2、技术类课程的开展，从课程教学所涉及到的技术设计、电子控件技术和简易机器人制作三个方面进行概述。其中，就技术设计方面着重进行课程设置的分析，可分为四个步骤：结构设计、流程设计、系统设计和控制设计，并提出了一些教学建议，以便教师在实际开展过程中运用。另外，文中还探讨了技术类课程与其他高中课程的互相结合，为其他课程的开展提供更好的实践平台。关键词：技术素养 高中技术类课程 实践能力 乐高教育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专心 爱心 用心一、提高我国青少年技术素养的重要性“

8、自然和自然的规律，隐藏在黑暗里。上帝说:生一个牛顿出来吧！于是，一切都变得光明了！”英国诗人蒲普道出了牛顿的出现对于我们整个自然科学世界具有的非凡意义。如同牛顿的科学理论给我们探索、研究世界万物带来了光明，哈格里夫斯的珍妮纺纱机、瓦特的蒸气机改良所掀起的第一次工业革命，给人类技术发展带来了巨大改革，开创了以机器为主代替以手工为主的蒸汽时代。之后，科学技术的发展突飞猛进，各种新技术、新发明层出不穷，并被迅速应用于工业生产，促成了第二次工业革命的爆发，使人类跨入了电气时代。如今，科学技术已经成为我们农业和工业发展进步的重要组成部分，影响着各行各业。科学技术亦是社会发展的必要条件，并在经济全球化的社

9、会中发挥着决定性的作用，成为经济发展的推动力。科学技术已成为衡量一个国家竞争能力的重要标准。因此只有拥有高新技术的国家，才可能在世界舞台上立于不败之地。故而培养公民的技术素养就具有十分重要的意义。在美国“2061”计划和“科学文化”的标准中制定了包括教育与科学、设计与系统、技术中的问题等方面在内的技术教育内容，梁启超先生有云：“少年进步则国进步，少年胜于欧洲，则国胜于欧洲，少年雄于地球，则国雄于地球”。因此公民的技术素养应重点从青少年抓起。二、普通高中通用技术课程简介在现行的教育体制中，无论是九年制义务教育，还是三年的高中教育或成才教育，学生的科学素养是并不欠缺的。尤其是经过三年高中学习的学生

10、，他们的科学素养，人文素养培养内容可以说是十分丰富的，但只知道学术知识而缺乏动手能力。只是单一的纯理论的学习，并不是完整的学习，我们要注重学术性课程与技术课程的均衡性。好在近几年教育部门大力开展高中技术类课程的教育，并为高中技术类课程拟定了一个课程标准普通高中通用技术课程标准（试验），为我们开展高中技术类课程开启了一盏明灯。普通高中技术课程与九年义务教育中的信息技术教育和劳动技术教育相衔接，面向全体学生，注重学生的发展，提高学生的技术素养。以学生为主体，与生活实际相结合提高学生团队协作能力、创造能力、探究能力，使学生在接受技术教育的同时，进行人生观、价值观、世界观的培养塑造，为学生将来人生定位

11、、服务社会打下良好的基础。通用技术的学科教育涉及多门学科教育，分为必修和选修两部分。必修课程为技术与设计1和2，是全体高中生必学且必须达到的最低技术素养水平，并为学生学习后续的选修课提供了必备的基础。我们通过图2-1（a）和图2-1（b）可以清楚地了解到这两个必修模块的主题组成。图2-1（a）图2-1（b）选修课程是在必修课程的基础上，针对不同地区、不同学校的条件，为满足学生的不同兴趣和不同发展需要而开设的课程。 普通高中通用技术课程标准（试验）共有7个模块：电子控制技术、建筑及其设计、简易机器人制作、现代农业技术、家政与生活技术、服装及其设计、汽车驾驶与保养。这些课程拓展了学生的素质教育基础

12、，有助于进一步提高学生的技术素养，培养学生学习兴趣。目前，乐高教育平台最为系统和经典的应用主要有四方面，同时也是四门通用技术教育系列：分别是技术与设计1和2、电子控制技术以及简易机器人制作。三、基于乐高教育平台的技术类课程教学（一）技术与设计在教学过程中，我们可以将技术与设计1的思想融入技术与设计2的课程中，使得两门必修课程可以交叉渗透，免去了技术与设计1纯理论教学的乏味，使得教学的成果更为显著。我们可以将整个教学过程分为构建前、构建模型和构建后三个主要部分。设计前可以分为发现与明确问题、制定设计方案两个部分。构建后又可分方案优化、产品使用说明或是产品的构建思想以及产品评价。这样即可将两个课程

13、的内容有机地结合起来。下面我就技术与设计2的课程设置结合案例来讲述一下乐高平台下必修课教学。按课程设置分为：1、结构与设计从我们坐的凳子到我们吃饭、放物品的桌子，从我们居住的房子到我们出行乘坐的交通工具，可以说我们的生活处处包含着结构。在这个部分的教学中，我们可以联系学生熟悉的事物，从最简单的结构开始构建。让他们了解技术、运用技术、认识结构与设计的魅力以及构建结构的乐趣。图3-1-1（a）是最为简单的桌子结构。图3-1-1（b）是斜拉桥结构。图3-1-1（c）是桁架塔机构。图3-1-1（d）为房梁框架结构。图3-1-1（a） 图3-1-1（b） 图3-1-1（c） 图3-1-1（d）在这四组图

14、形中，每组图形的上图是我们生活中常见的结构，而下图就是利用乐高零件构建的结构。在我们利用这些零件构建结构的时候，通常会用稳固、牢固这两个词。我们可以通过上图的这个模型结构发现，这四个机构有两个共同的特点，运用了层叠连接的方式和三角形结构，这些都可以使结构起到稳固和牢固的作用。图3-1-2（a）为三角形结构，用乐高的梁形成一个三角形,其形状是不会改变的。图3-1-2（b）为层叠连接结构，使用更多的板来连接,可以对材料强度起到加固作用。通过这些结构构建的学习，学生就可了解结构是如何承受应力，通过反复的构建测试他们更会发现影响结构的强度和稳定性的因素具体的几个方面，等等。 图3-1-2（a）图3-1

15、-2（b）2、流程与设计在这个模块的学习中，我们首先要让学生了解流程的含义及其对生产、生活的意义。通过分析某些流程设计的案例，画出流程框图，说明它们的设计特点。例如：煮一道菜的流程、家用电器工作流程、小区巴士运作的流程、ATM机取款的流程等等。案例1 认识流程小区巴士运作教学目标: 通过一个机器人巴士的行驶，理解流程的概念。 通过机器人的运动方式的设计，初步理解流程的设计。 通过图形化编程的方法，初步学会简单系统设计的基本方法。 任务描述：一辆巴士，要经过四个站台，完成一个完整的线路行驶，四个站台呈正方形格局。如图3-2-1所示。结合巴士运动方式，想一想，这辆巴士的工作流程是怎么样的？（图3-

16、2-2为巴士工作的流程设计）如果这辆巴士是无人驾驶的智能汽车，你是否可以按照巴士的工作流程简单的设计一个简单系统呢？设计参考：这里需要学生制作乐高机器人，并利用ROBOLAB进行程序编写，从而学习流程的初步设计。由于本节机器人的搭建不是我们的主要目的，所以尽可能简化地要求学生设计并搭建出机器人。运用两个马达，连接在NXT主体上，插上轮子便可以让“机器人巴士”移动（如图3-2-4所示）。同时我们也构建出RCX机器人巴士（如图3-2-5所示），也可以达到相同的效果。这样一来打开ROBOLAB2.9就完全可以给这两个机器人编辑程序。程序编写：打开ROBOLAB选择导航者级别4图3-2-6导航者级别4

17、就是一个非常好的流程化设计的环境，在这里可以随性地添加步骤。图3-2-7八步的流程，在我们的ROBOLAB的软件中就显示为8个过程：第一步，也就是流程的第一步，机器人巴士前进，时间可以根据场地条件来设定。图3-2-8图3-2-9第二步，当机人巴士转弯90度，转弯时，一个马达转动，一个马达停止，转弯所需要的时间视场地和机器人而定。 图3-2-10教学建议:1、让学生分析机器人巴士的运动过程，引导学生自己分析出其工作流程。建立流程的概念。2、通过机器人的测试，学生自己去寻找到两个时间，逐步调整强化对流程中每一个步骤的了解。3、当学生发现，这个四边形的流程中，后几步是在不断地重复前两步，这时候，可以

18、向学生介绍循环的概念，这也是一种流程的优化。图3-2-114、如果学生有更多时间，已经对这个简单的流程有所认识了，可以给他们类似的、更加复杂的流程进行设计：例如：多边形、五角星。图3-2-12在本小节中还有一个重要的内容就是能解释流程的改进与设备、材料等之间的关系，能概括某种简单生产流程优化过程中所应考虑的主要问题。因此我们需要一个辅助软件乐高CAD（如图3-2-13）。这个软件可以将设计思想快速地展现出来，主要有以下功能：仿真搭建、零件统计、自动绘图、生成效果图。这些功能具有一定的延续性，往往需要一步步完成才会有下一个功能。同时它还拥有四个方面的主要应用：进行辅助设计、解决缺少器材的问题、保

19、留有价值的作品、为编写教材提供工具。可以说乐高CAD的运用是十分广泛的。在本课程中，学生主要的运用是前三项。图3-2-13 MLCad主窗口视图图3-2-14 MLCad编辑车模视图3、系统与设计在这个模块的学习中，不一定要将所有系统都一一罗列，中学物理主要以机械运动为主，我们可以结合学生熟悉的机械系统以及动力系统进行主要的分析与评价。再结合当今社会十分重视的一个环节能源系统，可让学生了解技术是不断发展以及鲜明的时代性，增强对当代先进技术及其文化的理解，实现由感性认识到理性认识的飞跃。首先，要让学生懂得系统的概念，我们可以举个最为简单的例子，手电筒可以称为一个简单的工作系统。手电筒最为简单的模

20、型便是一个小电珠、一根长导线以及一个开关，我们利用乐高部件将这个系统更简单地表达出来，如图3-3-2(b)所示，乐高小电珠、触感就可以做到。我们用NXT充当电池功能，连接导线、小电珠以及触感，简单地编辑下程序，一个简易的手电筒就这样制作完成了，如图3-3-2（c）所示。待学生明白简单系统后，我们便可以让他们深入地了解更多的系统。在整个太阳系中，日、地、月就是我们的一个十分熟知的运动系统，那么我们是否可以也用乐高部件将这个系统表现出来呢？当然可以！首先，我们需要简单地了解公转自转，明白哪颗行星在自转的同时还围绕着哪颗星公转，当然，我们还需知道行星公转与自转的方向，接下来就是考验动手能力以及创造能

21、力的时候了。图3-3-3为日地月三个星球公转自转的模型。平时生活中，我们常见的动力系统是什么？我想大部分的人都会回答汽车。的确，汽车已成为我们生活中不可缺少的交通工具。在流程与设计的模块中我们已经搭建了一个最为简单的NXT巴士机器人（图3-2-4），可以说这辆巴士机器人是个比较简单的动力系统。能源危机是当今世界遇到的主要问题，节能已成为一个十分时尚的话题。我们还可以利用乐高组件中的太阳能电池板、电容、光感来制作一个简易的路灯。4、控制与设计在这个模块的教学中主要让学生知道控制的分类：手动控制、自动控制，熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。在上个模块中，我们所讨论的简

22、易手电筒制作就是一个典型的手动控制系统，而太阳能节能路灯即是自动控制系统。学生很容易即可了解这些概念。在这个模块的学习中要让学生深刻了解到自动化工作的优越性，让学生对技术有更新更深刻的认识。图3-4-1为温控电风扇的模型，RCX内置的程序可让电风扇根据温度的变化改变电风扇的马力，当温度高于30度时，风扇高速旋转；当温度低于30度高于27度时中速旋转；当温度低于27度时慢速旋转。程序如图3-4-3所示。图3-4-2为又超声传感器控制的自动交通门。（二）电子控件技术电子控件技术主要分为一下几个主题：传感器、数字电路、电磁继电器、电子控件系统及其应用。乐高部件中标准传感器有角度位移传感器、光电传感器

23、、温度传感器、触动传感器、声音传感器、CLI触动传感器、超声波传感器等等。它们也是机器人制作时不可缺少的组成部分。在给学生介绍传感器的时侯可以用这些传感器设计简易机器人，作为一种授课方式既形象又生动，使得学生对传感器的了解直接跨越到理性认识。我们可以通过简单的乐高部件的搭建，配合ROBOLAB图形化编程即可制作出一个逻辑门电路，读者不妨自行构建一下。通过这些部件以及传感器制作出的机器人，就是一个简单的电子控件系统了，在整个系统中，有传感器，有触发，更有输出。因此，将乐高组件运用于电子技术选修课程并结合电子技术本身的特点进行教学将会给整个课程增添无穷的乐趣与惊喜。（三）简易机器人制作在前两个模块

24、的课程介绍中，都有提到机器人制作。乐高教育平台最终的目的就是让学生制作出一个拥有个人特色的机器人出来，从中培养学生各个方面的能力。在这个平台的基础上制作机器人非常容易，学生只要简单了解单片机的知识，利用乐高部件构建出他们想要的模型，通过简单易学的图形化计算机编程软件ROBOLAB在计算机上编写程序，最后通过与计算机相连的红外发射器或数据线将程序下载到机器人的大脑RCX或NXT中，这样学生们就可以设计出专属于自己的机器人。在技术与设计模块的介绍中，我们已经介绍了不少机器人制作的例子。在这个领域里没有尽头，还有许许多多的模型结构等待着我们去创造，许许多多的新颖好玩的方案等待着我们去设计与开发。希望

25、学生在机器人制作的过程中成长，希望每个喜欢机器人制作的学生们通过进一步学习后可以为社会服务，奉献出自己的一份力量，更希望它可以成为每个喜欢这门课程的朋友们的终生玩伴。四、利用乐高教育平台的优越性首先其产品本身就具有很突出的特点，虽然乐高部件是以塑料为材料，但是它却具有稳定、耐磨、高韧性等特点，可长久地保持色彩鲜艳。其凸点就有很好的配合度，每个零件的公差精度小于5m，保证了构件之间的联接牢固可靠。产品的种类齐全，可以通过不同年龄段，不同需要的玩家们使用。普通高中通用技术课程中的简易机器人制作主要以单片机为主，但单片机对于普通的高中生而言是个从未接触过的领域。学生还需学习有关单片机方面的知识，加重

26、了他们的课业负担，但利用乐高教育部件来教授简易机器人课程就与之截然不同。在整个活动过程中，学生们只需拥有初中物理学科电学部分知识就可以完成乐高平台下的机器人制作中的电路，它无需动用电烙铁、钳子等工具，比起制作复杂的集成电路而言相对容易了许多，同时也安全了许多。ROBOLAB图形化软件易学易懂，学生只需要掌握简单的循环、分支、套嵌、变量等编程基础，便可以轻松地进行编程，与枯燥无味的计算机语言相比可谓大相径庭，更增添了许多的乐趣。杜威主张“从做中学”的理论，他重视学生的主动性、创造性。如今得到很多教育人的关注，而“做中学”也是乐高教育理念。学生在边学习机器人制作的同时他们会慢慢接触到很多还未学习到

27、的知识，在这种带着疑问与好奇的情形下即可学习到很多课本以外知识。机器人教学以学生为主体，与以往“听中学”的教学方式有很大不同。老师在一旁并不是告诉学生一步步应该怎么做，而是让学生以小组的形式共同讨论来完成一个任务，当学生有困难时进行点拨，再让学生们自己完成。整个教学没有教材，更没有任何的标准答案，每节课后总会有个比赛，看哪组学生的作品的方案好，通过比赛不仅调动了每个同学的积极性与课堂气氛，还可让学生看看其他机器人的方案与结构，学习其他小组的优点再做改进。在这个过程中，不但培养学生的思考问题的能力、团体协作能力与沟通能力，还增强了学生解决问题的能力、创新意识及竞争意识。五、机器人教学与其它学科的

28、相互渗透（一）生物光感一直充当着RCX或NXT眼睛，帮助他们寻线、探路、辨明方面。在教学生安装光感的同时可以和他们简单介绍一下眼睛的基本结构，从感性认识到理性认识。图5-1-1为光感的安装方法。与此同时，在构建机器人的时候，有时还需构建手与脚的结构，都需要结合生物特点。图5-1-2为乐高积木构建出了DNA分子结构模型。图5-1-1 图5-1-2（二）数学学生利用ROBOLAB进行编程的时候，可以培养其逻辑思维能力。崔运生，浙江省余姚市实验学校教师，他利用乐高及ROBOLAB编程软件进行逻辑数学相关知识的教学研究，很好地解决了许多学生逻辑数学方面的不足。而逻辑数学方面的知识加强了，就可以更好地帮

29、助学生对自己的机器人进行编程，做出他们满意的方案。乐高CAD软件是一款计算机辅助设计软件。在乐高模型的设计与制作的过程中有时需使用到这些软件，它可以很快将设计者的构思显现出来，其三维的显示模式可以将乐高模型的方方面面一一体现。在设计的过程中，设计者需要一定的空间思维能力，因此在学习这个软件进行设计模型的同时，还可以提高学生的空间思维能力，这对学生学习立体几何将会有很大的帮助。如图3-2-14所示的MLCad编辑车模视图从不同的角度将乐高积木搭建的小车展现出来。（三）物理在整个技术类课程的学习或是教学过程中，物理学科知识可以说是贯穿于整个环节。在构建模型的过程中，结构、动力机械、电路等方面知识和

30、物理学科知识相互渗透，相辅相成。例如在技术与设计模块中，我们所提到的结构与设计中的结构就与力学知识有关联。图3-1-1（b）是斜拉桥的结构模型，拥有高中一年级知识水平的高中生都知道斜拉桥蕴含着力的合成与分解的相关知识。除了搭建时构建的稳固性是个难点之外，还有一个难点就是如何有效地将绳连接于桥墩与桥面之间，绳子的倾斜度为多大，需要几根绳子等等。待学生通过不断地设计不断地构建之后，相信其对力的合成与分解的知识又有了更多认识，再次由感性认识飞跃到理性认识。除结构外，动力机械也是物理学科知识发挥的一片沃土。结合高中物理的课程结构，将动力机械分为：杠杆、滑轮（组）、齿轮、斜面、机械传动等五个部分。图5-3-1为简单的杠杆模型，分别由钳子、