資源簡介

通用技術·必修二
《控制系統方案的初步設計》教學案例
——活用LEGO機器人輔助教學
林碧春
福建省莆田第一中學
教材分析與設計
本節課是通用技術（地質出版社）必修2《技術與設計2》第四章第五節的內容。這一節的目標是讓學生體驗控制系統設計的實際過程，并以三個實例：（1）聲控燈、自動門控制系統的開環設計；（2）指南車自動控制系統的閉環設計展開教學，但是學校通用技術實驗室多是一些鉗工、木工等工具，這些工具用于本章教學發揮不了多大作用，但以上三個例子用我校現有的12套LEGO機器人配件實踐教學，正所謂是工欲善其事，必先利其器，用機器人輔助教學可以起到事半功倍的效果，有利于教學處于輕松、直觀的情境下順利進行，本節是以學生為主體的課堂教學，親自的參與、切身的體會，有利于學生對本章節的理解和掌握。
課時3節。
學情分析
1、通過本章已學過的內容，調查了解學生學習情況如下：學生反映所學內容基本能掌握，但提及自己是否想過嘗試設計、制作控制系統時，少部分同學直言不會做，但大部分同學表示不喜歡在教室上通用技術學科課，希望有機會到實驗室操作實踐。
2、對于機器人，同學們早有耳聞?，F在同學們能夠親自體驗機器人更是興奮不已，激發同學們的好奇心和動手做的欲望，開展機器人輔助通用技術教學，學生們非常樂意投入其中。
活動目標：
知識技能目標：
通過互動操作讓學生在實踐過程中，領悟知識，提高技能：
1、控制系統設計所經歷的幾個階段和每個階段的各種任務
2、畫出系統方框圖，形成初步設計方案
3、能設計制作一個控制方法，嘗試用機器人搭建模型，并進行模擬控制和調試。
過程與方法：
通過在控制系統方案的設計、制作過程中，創設情景，發揮學生自主學習的積極性，讓學生在做中學，學中做。經歷思維、實踐過程，讓學生在實踐中提高分析問題、解決問題的能力，鍛煉學生的邏輯思維能力和動手操作能力。
情感、態度和價值觀：
通過多種形式的教學活動，提高學生學習技術課的興趣。體會團隊合作的精神和使用技術的責任感、使命感。體驗科學探究的過程，激發學生對科學的求知欲和探究科學的勇氣。培養勇于實踐、勇于思考、勇于創新的精神和素質。
活動重點：
控制系統設計的一般思路，并通過三個學習任務，學生在合作學習的基礎上，自行設計，共同分析問題、解決問題。
活動難點：
運用機械知識，拼裝、搭建機器人模型，體會開環系統與閉環系統的設計與區別以及適用場合。
活動器材：
LEGO套裝、ROBOLAB軟件、計算機
活動課程設計：
活動過程中，4～5人為一組，采用合作式學習的教學方式，以問題為先導，任務驅動為動力，讓學生自己發現、自己探索。
教學策略設計：
本節從理論上講內容較難，學生理解起來比較困難，為了能有較好的課堂教學效果，設計如下：
1、使用LEGO機器人配件，指導搭建聲控燈、自動門控制系統的開環模型，指南車自動閉環控制模型，從而引入課題。通過自主活動，引導研究一些貼近學生生活實際和典型的案例，使學生了解，嘗試自主設計實驗的活動過程。
2、引導學生進行“問題式學習”，通過嘗試——發現，探索——研究的過程來掌握本節課的知識，在老師的幫助下，把生活中的經驗逐步與控制系統聯系起來，通過動手實踐、改造，親身體會，體驗成就感！
3、創設情境，幫助學生在快樂、輕松的氛圍中掌握知識。
實施教學：
1、樂高機器人簡介
LEGO機器人以積木式搭建為主，ROBOLAB編程以圖形化界面呈現。通過電腦編程，可以依靠程序完成一定操作或移動的機械裝置，它可以有視覺、觸覺等感覺功能，有識別和自主行動的功能。搭建機器人的主要零件有：微控制器、動力（馬達）、傳感器、齒輪及一些積木塊。
樂高機器人易用、易于接受，機器人的制做都是徒手進行的，不需要借助其他任何工具。這一點使它非常容易被學生們接受，學生活動時可以很輕松的上手。學生們用它來實現一個設計可以只用很短的時間，這對于一節課45分鐘來說是很有利的，學生在更改設計時從拆到裝也可以在很短時間完成，這使學生們很快就可以看到他們的設計成果，對他們自己的設想能在很短時間得到反饋，這對學生的學習來說是很重要的。同時也在很大程度上減輕了教師教學的負擔。
編程方面ROBOLAB圖形化的編程軟件，學生們只用十分鐘可以很輕松的上手。ROBOLAB可以使機器人“活起來”，并且對學生圖形化的思維方式也是一種訓練，使學生更關注程序中的邏輯關系。
2、用LEGO機器人輔助通用技術課堂教學
電腦機器人——通用技術課堂教學的“助推器”，它的亮相對通用技術課堂教學無疑是巨大的沖擊、無窮的震撼；它的加盟對教學研究確信是推波助瀾、不同凡響。
LEGO機器人適用于通用技術學科《技術與設計一》、《技術與設計二》每一章節的輔助教學工具。
最近幾年，許多中學把電腦機器人活動引入到通用
技術課堂教學當中，許多教師都在不斷探索如何進行電腦機器人輔助通用技術教學，才能使這種跨學科、高操作性、極具挑戰的內容，真正適合通用技術課程整合、綜合創新活動的需要，提高學生的動手能力、協作能力和創造能力，使他們在積極的學習興趣中不斷探索和研究，實現自己的新創意、新設想、新設計。
3、實踐環節
有了前面的探究，這個環節顯得水到渠成。同學們已經初步具備了控制系統設計的能力，是一位準設計師了。現在機器人就在大家的面前，同學們，你們將怎么做？
這一環節的設計在于創設一個情境，激發學生的探究欲望，提供一個機會，發揮學生的想象力和創造力，引導學生主動探究。
實踐一：聲控燈控制系統
開環控制，被控對象是聲控燈，輸入是有聲音/否，輸出是燈亮/否，干擾因素是外界聲源和電源電壓的波動等。繪制系統框圖和機器人模型和編程如下圖：
實踐二：自動門控制系統
開環控制，被控對象是門，輸入是有人否，輸出是門開/關。繪制系統框圖和機器人模型和編程如下圖：
(下轉第118頁)
樂高機器人在《通用技術》教學中大顯身手
——閉環控制系統輔教案例
張勁天
浙江省寧波市第三中學
摘要：文章通過對“閉環控制系統”課堂教學案例的展示，進而對《通用技術》課程的教學內容和課程特點與樂高教學平臺的優異品質作了比對，強調了樂高機器人在通用技術課堂教學中的巨大作用，提出了樂高教學平臺可以與通用技術教學做到“全程無縫嚙合”的觀點。文中的附件還介紹了“小水塔水位自動控制系統”教具的具體制作方法。
一、“閉環控制系統”輔教案例
“閉環控制系統”是普通高中《通用技術》課程必修2教材第四單元“控制與設計”中的教學內容，技術性較為突出，用傳統的教學方法顯得力不從心。
1、教學內容簡述
（1）閉環控制系統的定義：把系統的輸出量返回到輸入端，并對控制過程產生影響的控制系統，稱為閉環控制系統。
（2）簡單閉環控制系統的框圖：
（3）工作原理：檢測裝置測量出被控量并返回到系統的輸入端； 是比較器，它將給定量與所檢測的被控量進行比較，求出偏差值；控制器將這一偏差值進行運算處理，并向執行器下達控制指令；執行器根據指令對被控對象進行控制，從而使被控量穩定在一定的范圍內。
2、教學要求與教情學情分析
教學要求一是熟悉閉環控制系統的基本組成，二是理解閉環控制系統的工作原理與作用。對于學生來說這是全新的內容以前從未接觸過，面對眾多的技術術語感覺是一團霧水。而對于教師，也少有控制技術方面的行家，普遍感到問題棘手，需要想方設法尋找教學的突破口。
3、兩種教學方法比對
先讓我們看一看傳統的教學方法：課堂上教師照書念詞，照圖解說，空對空地問，空對空地答，45分鐘的課堂教學就這樣在沉悶枯燥的氛圍中度過。先進一點的做一個PPT課件，或是一個FLASH動畫，也難逃隔靴搔癢、云里霧里的命運，結果是教師痛苦，學生乏味，不求高效只求能通過省會考。這樣，學生對本課的教學缺乏興趣導致對通用技術課程的學習失去信心便是順理成章的了。
現在我們來瞧一瞧利用樂高教學平臺輔助本課的教學情景：我用樂高機器人套件制作了一個小水塔閉環自動控制系統教具，然后，把它拆散并統統裝進一個樂高器材盒內，帶上兩個裝滿自來水的可樂瓶，當我一踏進教室門口時就引來了學生們驚詫的目光，“這是什么啊”，有學生好奇地問，我用魔術般的手法在一分鐘內完成了教具的搭建，當一個立體的模型呈現在講臺上時，學生們一下子活躍起來了，“這好像是小水塔呀”！幾位同學迫不及待地猜測著。
我先用RCX的1號程序演示一個開環控制的過程，起動水泵，水從水池中不斷放進可樂瓶“水塔”中，漸漸地，水快要溢出瓶口了，學生們心急了，我關了RCX解釋說：程序中水泵的工作是定時的，時間未到它就不停，這就是我們上節課學的開環控制系統的缺點。接著，我用2號程序演示了一個閉環控制的過程，這時，小水泵就很懂事，該轉則轉、該停則停，學生們真切地看到了“水塔”中的水位始終在上下二個水位傳感器之間，應用這樣的控制系統就具有了很實用的價值。對照控制系統的動作，我在黑板上板書系統的I/O真值表，把LOBOLAB程序放在大屏幕上并作了一番解釋，然后，要求同學們參照教材的描述分別指出在講臺上的這套閉環控制系統中，控制器、執行器、檢測裝置、比較器所對應的部件；給定量、被控量指的什么？控制系統又是怎么樣工作的？因為有實物作參照，學生們分析理解就會輕松許多，互相討論，回答問題較熱烈，在教學過程中同學們興趣十足地上臺重組控制系統，自己啟動控制程序，享受樂高機器人帶來的快樂。整個課堂教學過程，學生全身心參與，始終沉浸在輕松愉快的氛圍中，教學效果不言而喻，理想地實現了教學目標。基于樂高的教具，不但實現了既定目標，有時還可產生意想不到的效果。譬如：在本教具中，水位傳感器利用了水的導電性，但在編程運行時發現水的導電性不等同于導線短接；一根樂高電線接在輸入端口，可將它看成觸感輸入、也可看成光感或溫感輸入，學生親手操作用RCX的顯示屏證明了該觀點的正確性，等等。樂高機器人使學生體驗到了科學的神奇，理解了《通用技術》課程的重要意義。
二、樂高教學平臺與《通用技術》教學的“全程無縫嚙合”
我們先來看一下課程的教學內容和特點：《通用技術》課程有兩個必修模塊，必修模塊一強調的二個重點是：對技術的理解和對設計過程的把握。必修模塊二有四個單元，它們分別是結構與設計、流程與設計、系統與設計和控制與設計。《通用技術》課程的特點是：創新性、技術性和實踐性。
我們再看樂高教學平臺的優異品質：它有功能強大的控制器RCX、易學易用的圖形化編程軟件、眾多的傳感器，使我們能輕而易舉地實現對外界數據的采集與處理，它的構件品種多而全、且色彩艷麗、手感好、硬度適中、重量輕、零件間配合精度高、拆裝容易、便于現場搭建、就算是一個從沒玩過樂高的人，只要擁有它也能很快地上手，能做你所想，讓你的想象馬上變成現實。樂高機器人是放大鏡——把教材中的重要概念放大得清清楚楚；樂高機器人是望遠鏡——讓學生看到科技的未來；樂高機器人神通廣大、教材中每一章節都有它的身影；
在課堂教學中，學生用它來加深對技術的理解、想象技術的未來、實踐設計的全過程，用它來構思一個巧妙的結構、設計一個實用的系統、實施對某個對象的控制?！锻ㄓ眉夹g》課程的學習從此以快樂代替枯燥，以實際代替空洞。幾組圖片能說明一二。
上圖是學生們在《通用技術》課程的學習過程中利用課余時間設計的作品選粹。
圖一：能分揀三種顏色的流水線，與企業實際的火柴包裝流水線相近；
圖二：樂高積木輔助制作的溫控小電扇和磁控小車；
圖三：能在粉筆上鉆孔并鋸斷粉筆的聯合機床，鉆孔深度可設置；
圖四：植樹機與運輸車，可完成樹苗運輸、挖坑、栽樹、蓋土、澆水功能。
在課堂教學中，教師用它制作教具、講解教材中的概念、化解教學難題、設計課堂練習、展現技術魅力、避免了空問空答的尷尬局面。
樂高機器人和通技教學能做到如此地“全程無縫嚙合”，樂高教學平臺為我們提供了安全、清潔、高效、可以發揮無限想象力的創新、設計與實踐的舞臺，用它來輔助教學能收到令人滿意的效果，是我們提高《通用技術》課程教學效果的最佳選擇。大家都來學做樂高機器人，讓教師輕松、受益；讓學生快樂、長進。
三、附件
“小水塔水位自動控制系統”教具制作介紹
本教具除了水泵、水塔、水管以外，全都是LEGO機器人套件。具體做法如下：
（一）系統的硬件構成
1、控制器——LEGO控制器RCX一個。
2、傳感器——LEGO電線二根。
3、小水泵——DC 8—12V一只。
4、小水塔——可樂瓶一個。
5、小水池——LEGO材料箱一只。
6、機架——LEGO積木若干。
7、水管——實驗室橡皮管50厘米一根。
（二）系統的制作
1、小水泵焊接一條LEGO電線，用4毫米螺絲先與平板連接再扣在直角板上。
2、高低水位傳感器直接用二根LEGO電線與LEGO梁固定，伸入水塔中，橡皮筋夾住瓶子。
3、橡皮管長短各一根端部以下10毫米用鋸條鋸一圈槽，與可樂瓶孔的連接就不會漏水。
4、機架用于固定組件，照圖示或用其它積木均可。
5、低水位傳感器接RCX的1號端口，高水位接2號端口；水泵接A端口。
（三）控制程序
1、輸入輸出真值表
輸 入 輸 出
1號端口低水位 2號端口高水位 A端口水泵 RCX內喇叭
0 0 轉
0 1 停 報 警
1 0 保 持
1 1 停
2、ROBOLAB程序
說明：檢測高低水位的二個傳感器，是利用兩條導線在水中會連通的原理制成，但連通的效果不同于按鈕短接，而是有一定的電阻。因此，在讀端口時將其作為模擬量來處理，所以在程序中用了光電傳感器的圖標。
樂高積木在通用技術課程上的有效使用
羅潔華
南京市第十三中學
摘要：隨著進入通用技術新課程實驗的隊伍的日益壯大，教師們在感覺通用技術課程開設十分必要和有意義的時候，總是期望能有好的教學器材有效地應用于通用技術課程，這里對有悠久歷史和良好品質的樂高積木在通用技術課程中的應用作一客觀分析和評述，樂高積木良好的操作性和對結構需求幾乎無所不能地滿足能力，為我們提供了很好的具有創造性和可持續發展性的教具資源。但有教具并不是最重要的，更重要的是有效地使用教具達到課程目標，促進學生的發展，促進課程的發展。
通用技術新課程由于它顯著的實踐性和高度綜合性，需要融有現代技術，有助于教學目標實現的好的教具和學具，在人們心目中的智能機器人器材——樂高積木，就其自身的品種、結構、質量和功能，能作為通用技術課程的好的教具和學具嗎？
一、樂高器材的功能和優勢
已有76年歷史的樂高積木，是世界公認的智力玩具的品牌，在青少年教育上有著矚人的成就。從八十年代初成立樂高教育部以來，樂高教育一直與國際頂尖的教育專家合作，研究和開發適合學校的科學、技術、數學、物理等課程學習的積木產品，近年來樂高教育又與美國麻省理工學院（MIT）多媒體實驗室及其他機構組織合作開發出了RCX、NXT、傳感器、馬達等一些電子及控制核心積木，開發出了直觀、簡單、能實現編程的圖形編程軟件，形成了人們所熟知的樂高智能機器人器材系列。但無論如何發展，樂高教育始終發揮著其器材的優勢，側重于在設計制作中培養使用者解決問題能力、溝通表達能力、自我學習能力和創新實踐能力，這無疑為學生搭建了很好的成長平臺。
目前樂高的積木主要是結構類，品種已達6000種以上。模型設計從橋梁到房屋到藝術雕塑，從古代建筑到近現代建筑，從航天飛機到火車到汽車到過山車，樂高積木幾乎無所不能，不僅能很好地表現結構原理，而且惟妙惟肖，十分逼真，尤其是他的傳動、連接部分科學的精致的設計，使拼搭出的作品的吻合度、精致度、運動和控制功能的實現以及良好的操作性，留給操作者的無限構思，無窮創意，加上電子控制積木和圖形軟件的使用，使其他器材無法與之相比。目前建在丹麥、 英國、德國、美國、香港等國家和地區的多個大型樂高主題公園，各種仿真建筑的展示，就是樂高積木功能的很好體現，每年吸引著成千上萬的游人欣賞和體驗。樂高積木有很好的通用性和延續性，無論是1958年的積木還是2008年的積木，都可以無障礙地自然連接，不會淘汰，體現著可持續發展的現代理念。
我國成功舉辦奧運會之時，樂高愛好者在香港新世紀廣場用樂高積木搭出了國家奧林匹克主體建筑，雖然沒有其他正式的樂高主題公園精致、氣派，但足可見樂高積木的功能。
二、通用技術課程的需求
正在起步和發展的新課程——通用技術課程，是在現代社會高速發展的基礎上，應全球政治、經濟發展對人才的客觀需求，為構建具有中國特色、充滿活力的普通高中課程體系所增設的新課程，其課程設置的基本目標是以提高學生技術素養、促進學生全面而富有個性的發展，即通過通用技術課程的學習，學生將拓展技術學習的視野，學會和掌握一些通用技術的基本知識和基本技能，掌握技術及其設計的一般思想和方法；具有一定的技術探究、運用技術原理解決實際問題以及終身進行技術學習的能力；形成和保持對技術的興趣和學習愿望，具有正確的技術觀和較強的技術創新意識；養成積極、負責、安全地使用技術的行為習慣，發展初步的技術能力和一定的職業規劃能力，為迎接未來社會挑戰、提高生活質量、實現終生發展奠定基礎。課程的目標要落實到具體的課程中，除了課程標準、課程計劃和教材等基本要素的落實外，生動活潑的課堂，引人入勝的教學，充滿生機的互動，令人難忘的實踐，尤其是其立足實踐、注重創造、高度綜合、科學與人文融合的特點，需要課程有相應的，能說明問題、發揮作用的教具和學具作支撐。目前擔任課程教學的教師面臨的最大的困難是，有教材和教參，有些相關的資料也可以通過網絡搜尋得到，但對于新課程，沒有現成的教具、學具，需要自己去開發，去實施教學。
由于通用技術課程的特點，其教具和學具并不像物理、化學、生物等傳統課程的教具，是為了說明問題，通過實驗驗證理論。而是要求：1）有設計和技術的體現；2）有創新和發展的承載；3)能說明相關問題；4）有利于學生研究挖掘；5）方便學生操作和體驗；6）能激發學生的學習熱情，營造良好的課堂學習氛圍等。
三、樂高積木教具的開發
如前所述，樂高積木因其結構合理，質量好，品種多，便于設計和搭建，更由于樂高教育的理念和通用技術課程的立足實踐、注重創造、高度綜合、科學與人文融合的特點相融合，自然成為通用技術課程所考慮的對象。但樂高積木畢竟只是積木，其本身并不是教具，也不是可以任意剪裁的材料，怎樣才能把樂高積木作為教具使用呢？其途徑有以下幾種：
借用別人已經設計制作好的樣本。包括在其他領域使用的成熟的作品，像樂高主題公園和奧運主體建筑中出現的可利用的作品；
備課教師通過研究教材自己設計出的作品。像我校在控制系統單元就根據教材內容，使用樂高積木研究、設計出簡易自動升旗裝置，不僅完成而且發展了教材的要求；
讓一部分比較熟悉樂高積木的學生根據教材內容研究設計教具。我校就有學生研究設計并且制作出了很能說明開環控制系統的工作過程的自動欄桿裝置，能說明三角形穩定性結構的塔式吊車等。設計制作的過程，本身就是學生的一個自主學習過程，是技術和設計的體驗過程，也是創新的實踐過程，學生從中獲得的比通過教師教學獲得的多得多；
作為全體學生的一項設計實踐內容。讓全體學生在技術與設計中學習技術與設計，從而提高技術素養，積累教具品種；
直接作為設計材料使用。
由于通用技術既是新課程，又是發展的課程，而且隨著技術的發展，新技術、新材料的不斷涌現，課程的教具呈現不斷的發展性和變化性，樂高積木的方便搭建和拆卸，為教具的變化提供了很大的空間。同時由于他的結構的通用性和延續性，使得舊的積木不會被淘汰，新舊積木可以很好地融合，可以有效地發展設計，節約資源。
這里值得一提的是，在通用技術課堂上，決不是唯樂高積木為教具，凡教學需要，就把樂高積木用上，這是一種形而上學的教條，或者說是在為樂高產品作劣質的、失敗的廣告。比如在技術與設計1中，教材多次使用了燈的案例，有人提議提供樂高積木(包括電子的和控制的積木)，組織學生開展設計制作等的活動。其實這不僅起不到提高學生技術素養，理解教材內容和知識點的作用，還耽誤了課堂，空耗了時間，無意義地增加了組織教學的工作量，無意義地耗費了器材。燈的設計和制作完全可以用實物電子元件導線、發光二極管、電池等，除了線路和功能設計，學生還可以充分利用輔助材料設計燈罩和燈座，實踐真實環境下的設計。
通用技術課程的教具是多元化的，樂高積木不能作為通用技術教學的唯一教具選擇，只有和課程的目標，教學的內容，學生的發展緊密地、有機地結合，才能成為好的教具和學具。
四、樂高教具的有效使用
事實上，由于樂高積木的悠久歷史和廣泛應用，開發樂高教具已不是難事，有了樂高教具以后怎樣有效使用，這才是解決問題的關鍵。
首先，要明確教具使用的目的。只要能達到目的，有簡單的，絕不用復雜的，控制積木微處理器能不用則盡量不要上場。這不僅在于絕大多數學校沒有那樣多的微處理器，不能在課程中普及，更是在于對達到目的是幫助還是干擾。比如在系統與設計單元，書中有自發電手電筒的設計，其目的是讓學生在設計實踐中認識系統、構成的元素及其相互之間的關系及系統的特點。有教師馬上想到樂高積木的巨大功能，把電子和控制積木全部搬上，讓學生實踐設計手電筒，學生根據提供的器材，想到的自然是要使用高級設備控制積木，還需要電腦編程，花了將近1節課，只有部分同學完成了自動控制電筒的設計制作。完成了課堂教學目標嗎？否。為什么？因為教師設計的實踐目標不明確。也有教師設計用樂高的馬達、軸套和燈泡，再加上一段棉線，很簡單的器材，讓2人一組設計制作出能持續發光的手電，既不用電腦編程，也不用微處理器和傳感器，時間消耗也只有十分鐘左右，學生只要做了，就能完成，而且可以充分發揮聰敏才智，能對所設計的系統進行分析，通過經歷和體驗能掌握系統的組成和特點。所以使用教具一定是要圍繞教學目標的，對教學目標的實現有促進的、成本低的（含課堂成本、時間成本和智力成本）、有效的。
其次，開發出的教具怎樣使用。比如對前面提到的學生開發出的自動欄桿的教具，教師都感覺很好。有教師僅僅是為使用而使用，在大段講解了開環控制系統的概念后，展示一下，僅增加一個課堂學生觀察的實物而已。有教師在學生通過一定形式認識了開環控制系統以后，讓學生操作自動欄桿，分析并寫出控制系統工作過程方框圖，再操作驗證，判斷控制系統所屬類別，讓教具不僅是一件擺設，充分發揮教具的幫助認識和理解的作用，同時動一動和看一看所帶給學生的是不同的吸引，不同的感受，不同的收獲，誰更有效，不言自明。每一件教具的使用都有著使用效益的問題，要有效地使用教具，需要教師很好地理解教學目標，認識教具，理解教材，理解學生。
(下轉第122頁)
基于樂高教育平臺的高中技術類課程教學
The Technological Course Teaching for High School
Based 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實運用，培養學生的技術素養。本文針對基于樂高教育平臺的技術類課程的開展，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 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 thinking 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 teaching’s main task is to cultivate the practice ability 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 capability. 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 setting 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, the 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 courses
Key words: Technologic course, Practice ability, Technological capability, the Lego educational platform
一、提高我國青少年技術素養的重要性
“自然和自然的規律，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革命，給人類技術發展帶來了巨大改革，開創了以機器為主代替以手工為主的蒸汽時代。之后，科學技術的發展突飛猛進，各種新技術、新發明層出不窮，并被迅速應用于工業生產，促成了第二次工業革命的爆發，使人類跨入了電氣時代。
如今，科學技術已經成為我們農業和工業發展進步的重要組成部分，影響著各行各業?？茖W技術亦是社會發展的必要條件，并在經濟全球化的社會中發揮著決定性的作用，成為經濟發展的推動力。科學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。故而培養公民的技術素養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、技術中的問題等方面在內的技術教育內容，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應重點從青少年抓起。
二、普通高中通用技術課程簡介
在現行的教育體制中，無論是九年制義務教育，還是三年的高中教育或成才教育，學生的科學素養是并不欠缺的。尤其是經過三年高中學習的學生，他們的科學素養，人文素養培養內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，注重學生的發展，提高學生的技術素養。以學生為主體，與生活實際相結合提高學生團隊協作能力、創造能力、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、世界觀的培養塑造，為學生將來人生定位、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水平，并為學生學習后續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、不同學校的條件，為滿足學生的不同興趣和不同發展需要而開設的課程。 [1] 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、現代農業技術、家政與生活技術、服裝及其設計、汽車駕駛與保養。
這些課程拓展了學生的素質教育基礎，有助于進一步提高學生的技術素養，培養學生學習興趣。目前，樂高教育平臺最為系統和經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。設計前可以分為發現與明確問題、制定設計方案兩個部分。構建后又可分方案優化、產品使用說明或是產品的構建思想以及產品評價。這樣即可將兩個課程的內容有機地結合起來。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，通常會用穩固、牢固這兩個詞。我們可以通過上圖的這個模型結構發現，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現影響結構的強度和穩定性的因素具體的幾個方面，等等。
圖3-1-2（a）
圖3-1-2（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、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，初步學會簡單系統設計的基本方法。
任務描述：
一輛巴士，要經過四個站臺，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3-2-2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就是一個非常好的流程化設計的環境，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、當學生發現，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，可以向學生介紹循環的概念，這也是一種流程的優化。
圖3-2-11
4、如果學生有更多時間，已經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
在本小節中還有一個重要的內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流程優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出來，主要有以下功能：仿真搭建、零件統計、自動繪圖、生成效果圖。這些功能具有一定的延續性，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、保留有價值的作品、為編寫教材提供工具。可以說樂高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、系統與設計
在這個模塊的學習中，不一定要將所有系統都一一羅列，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以及動力系統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節——能源系統，可讓學生了解技術是不斷發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，實現由感性認識到理性認識的飛躍。
首先，要讓學生懂得系統的概念，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。手電筒最為簡單的模型便是一個小電珠、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后，我們便可以讓他們深入地了解更多的系統。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，那么我們是否可以也用樂高部件將這個系統表現出來呢？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造能力的時候了。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。
能源危機是當今世界遇到的主要問題，節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，熟悉簡單的開環控制系統和閉環控制系統的基本組成和簡單的工作過程。在上個模塊中，我們所討論的簡易手電筒制作就是一個典型的手動控制系統，而太陽能節能路燈即是自動控制系統。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內置的程序可讓電風扇根據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、數字電路、電磁繼電器、電子控件系統及其應用。樂高部件中標準傳感器有角度位移傳感器、光電傳感器、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了，在整個系統中，有傳感器，有觸發，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射器或數據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去創造，許許多多的新穎好玩的方案等待著我們去設計與開發。希望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越性
首先其產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5μm，保證了構件之間的聯接牢固可靠。產品的種類齊全，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，加重了他們的課業負擔，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、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，學習其他小組的優點再做改進。在這個過程中，不但培養學生的思考問題的能力、團體協作能力與溝通能力，還增強了學生解決問題的能力、創新意識及競爭意識。
五、機器人教學與其它學科的相互滲透
（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）數學
學生利用ROBOLAB進行編程的時候，可以培養其邏輯思維能力。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學相關知識的教學研究，很好地解決了許多學生邏輯數學方面的不足。而邏輯數學方面的知識加強了，就可以更好地幫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。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節。在構建模型的過程中，結構、動力機械、電路等方面知識和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。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、多級鉗子、天平、杠桿組成。圖5-3-2為機械傳動裝置，皮帶輪。學生可以通過在皮帶輪上放置一輕質物體，觀察輕質物體的運動情況。圖5-3-3為動滑輪和定滑輪，或稱為滑輪組。通過齒輪和鏈條連接同時也運用了齒輪的知識，同樣可以觀察大齒輪運動一周時小齒輪運動了多少，他們的角速度、線速度同樣也是一個值得觀察的物理問題。
六、結束語
在為期幾個月的畢業設計過程中，經過我的努力和我們機器人課程小組的通力合作以及吳俊老師的幫助，我的畢業論文設計順利完成。在我設計論文的過程中，還學習到了很多未曾學習到的知識，更體會到了團體合作的力量和其優越性，這也正是樂高教育的一個特色：在做中學的同時培養學生的團隊協作能力以及創新意識。通過老師指導、點撥和我自己翻閱資料歸類總結的過程中，我更深深體會到了作為一個教育人的不易，我要將最好最精華最先進的教育帶給所有的渴望獲取知識孩子們又或者是對學習有抵抗情緒的孩子們，讓渴望獲取知識的孩子們學習得更輕松更科學，讓對學習有抵抗情緒的孩子從中獲得對學習的興趣。
在論文設計的過程中，我也深深感受到了技術素養的重要性。從起初拿起兩個積木不知干什么，不知怎么做，到現在可以按照自己的想法搭建出可以令自己滿意的模型。我不但提高了自己的動手能力，更讓我對技術素養有了更新更為全面的認識。在這個過程中要感謝章森老師對我的指點和幫助，感謝吳俊老師和我們整個小組的成員，因為他們，我才會明白純理論的學習是不完整的學習，“填鴨式”的教學方法是應該否定的，我們要將所學的知識與生活實際相結合，我們要將灌輸式的教育模式變為“做中學”教育理念。這樣才可以讓孩子們對學習有了更新的認識，讓我們教育人有了更為科學的教學方法。
參考文獻
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[3] 劉全良主編，《基于LEGO的工程創新設計》，機械工業出版社，2006
[4] 盧梅，于曉紅，李威，崔興山，史鐵軍，基于LEGO可編程控制器開展機械創新設計的教學改革,《實驗技術與管理》，2004(06)
[5] 林建祥，LOGO思想方法論指導中小學機器人教育——林建祥教授訪談，《信息技術教育》，2005(11)
[6] Dave B, John H. NOC Programmer’s Guide. http://bricxcc.
[7] http://www. 西覓亞網站，機器人教學資源
[8] http://www.robodtiy.com 機器人發燒友天地
比較器
+
給定量
被控對象
被控量
執行器
控制器
——
檢測裝置
圖一
圖二
圖三
圖四
二根LEGO電線作水位傳感器
水泵與LEGO電線
零件圖
整機圖
控制器RCX
可樂瓶
材料箱
小水泵
LEGO積木
橡皮管
讀端口1子程序
讀端口2子程序
主程序
樂高積木50周年紀念時間軸
手搖柄
蝸桿變速箱
傳感器
馬達
欄桿
^1 普通高中通用技術課程標準（試驗）

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