乐高设备在通用技术教学中的应用
——章初
摘要：“教学载体的选择”向来是高中通用技术课教学中的一个难点，而学生对技术知识和技能的掌握，以及技术思想的形成，都应该在技术实践和技术学习中获得。所以教学载体的选择直接关系到通用技术课堂教学的效果。以乐高设备辅助通用技术的课堂教学，不但实现了课堂教学的高效性，而且让学生充分地在实践过程中获取知识，突出主体地位，拉近了理论与实践的距离。
关键词：通用技术 乐高 教学载体
一、引言
高中课程改革已近十年，通用技术作为一门年轻而又极具魅力的课程已深入人心。在立足提高学生的技术素养、促进学生全面且富有个性的发展道路上，通用技术课也在不断地探索，不断地自我完善。目前在通用技术教学中，最让广大教师头疼的问题之一依然是教学载体的选择，全国各地通用技术课使用的载体各式各样，我们熟知的有传统的木工笔筒设计、别墅模型设计、台灯设计、桥体结构设计等等。但这些载体有着这样那样的不足，比如：实践受场地局限，购买大量耗材的经费不足，设计制作后的作品无处堆放……如何解决这个难题亟待全体通用技术教师思考。
自从1949年第一块乐高塑料积木问世以来，近70年的发展使乐高器材已经十分成熟。乐高机器人设备更是集合了可编程主机、电动马达、传感器、以及包括齿轮、轮轴、横梁、插销等乐高积木组件。合理的利用这些乐高设备可以有效解决通用技术课教学载体选择的难题。本文试从教学实例入手，阐述乐高器材在通用技术教学中的使用。
二、利用乐高设备助力通用技术教师课堂教学
作为一名通用技术教师，要将通用技术课程的目标切实地落实到每一节课程当中，在完成教学内容教授的同时，还应该考虑到如何让课堂更加生动活泼、如何让师生互动更加充满生机，而这一切就需要更多一些能说明问题、发挥作用的教具和学具作为支撑。
著名捷克教育家夸美纽斯于17世纪提出直观教学法， 从此自制教具便成为了教学过程中一个永恒的话题。乐高设备以它的趣味性、通用性、高效性让教师可以方便地制作出符合个人特点的课堂教学的特色教具。
1、用于课堂引入的教具
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一个好的课堂引入可以激发学生的认识兴趣和情感，启发和引导学生的思维，学生用最短的时间进入到课堂教学最佳状态中去。实践证明精心设计导课环节，可以起到先声夺人的效果，为整堂课的进行打好基础。例如在《控制的手段与应用》这节课当中，可以利用乐高设备搭建摇头风扇（如下图）作为这节课的引入，用一个电机同时控制风叶的转动和风扇的摇头。摇头扇是生活中常见的电器，但会去考虑它的工作原理的学生几乎没有，用这样一个既熟悉又陌生的机械装置作为引入，不但可以深深吸引住学生的眼球，帮助他们理解控制的含义和意义，而且教具的结构简单，教师在课间就可完成搭建及编程，充分体现了乐高设备的高效性。
2、用于课堂演示实验的教具
美国心理学家加德纳教授在1983年提出多元智力理论,该理论提出在教学中应该尽量抓住中学生的年龄特点，把理论性较强的原理采用活动的形式表演出来，这样不但能激起学生的学习热情，而且还能有效提高课堂教学效果。通用技术课配套的演示教具目前在大多数学校极为缺乏，而作为一门以实践为主的课程这些教具又是必不可少的。乐高设备涵盖了计算机、传感、智能信息处理、控制和机械等基础技术，如果教师们能够合理地利用这个资源，设计出一些适合课堂演示的教学用具，如：重心位置与稳定性演示仪、简易陀螺仪、声控灯、自动门开环控制系统、机器人巡线闭环控制系统等等。这样既可以活跃课堂气氛，提升课堂教学效率，教师又可以通过设计教具加深自身对课程的理解，一举两得。
三、乐高设备在学生课堂活动中的应用
乐高设备可以十分广泛地应用于通用技术教学，不仅可以作为教师演示教具，更可以让学生进行课堂体验。儿童心理学家皮亚杰认为：儿童认知发展是通过认知结构的不断建构和转化而实现的。通用技术课中的体验教学对于学生能力的培养、学习欲望的形成尤为重要，注重实践、注重动手、注重过程应该成为通用技术课的核心理念。下面笔者介绍几类乐高在学生课堂活动中的实际应用。
1、模仿体验
模仿体验是乐高设备在课堂活动中最简单的应用，就是让学生通过乐高积木的搭建进行体验，起到认识、理解本课要点的作用。活动时间大约控制在10分钟以内。
苏教版教材《技术与设计2》P39小试验：双色圆珠笔的安装。这个试验原来的目的是理解双色圆珠笔的安装时序，从而体验到流程的重要性。但这个试验的意义并不是很大，通过教学实践发现，学生普遍感到无趣，并且基本没有学生装错，也就体验不到流程设计的重要性。如果使用乐高积木搭建作为载体来替代这个小试验效果就大不一样。如图：让学生按照图纸来拼装一个乐高四驱车的基本结构模型，小小的模型其实存在着许多安装流程上的设计，不同的时序直接影响安装时间，甚至需要返工。这样学生在经历过多次挫折后取得成功，不仅通过这种建构方式使流程的重要性深入人心，而且提高了课堂教学中的趣味性。有关资料显示：学生在学习过程中，只靠听课能记住的只有5%，而在做中学、学中做的能记住达75%。如果再加上足够的趣味性，教学效果必定更佳。
2、试验探究
探究式教学是在教师的启发下，以学生独立自主学习和合作讨论为前提，以教材内容为探究对象的一种教学方式。以乐高为载体的探究式教学，具有直观、安全、省时等优点。在通用技术的课堂教学中有着广阔的空间。
苏教版教材《技术与设计2》第三章第二节《系统的分析》这节课中的“系统的优化”这部分内容在课标中的要求是：理解系统优化的意义，能结合实例分析影响系统优化的因素。在实际教学中，很多老师对这部分内容都十分头疼，由于众所周知的原因实践项目很难开展，教学中只能按照课本的内容给学生介绍一些既抽象、又缺乏乐趣的数学函数应用。对于这个难点笔者充分利用了乐高器材简便、灵活的特点对课堂教学加以处理。
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课程首先引入山地车广告片，引出在不同道路骑行山地车时对其变速传动子系统的优化，给出系统优化的概念。而后利用设计好的绞盘（如图2），用各种不同规格的齿轮（如图3）对绞盘系统进行改进，使绞盘对重物的抬升性能达到最佳。实践中学生充分发挥自己的创造力，在探究中将自己所学习的知识应用于解决实际的问题。在教学中，通过各种齿轮的结合使用，从绞盘抬升重物的速度、费力程度、齿轮咬合等问题出发，引导学生对系统优化的约束条件进行分析，明确绞盘系统优化的整体目标，在抬升速度与使用力量之间找到平衡点，提出系统优化的方法和手段（图4、5），通过不断地“设计—试验—改进”，使目标值达到最大化，让系统一步步得到优化。学生在实践中还可以使用乐高EV3主机控制电机工作来设想、解决系统实际存在的问题。学生通过探究感受系统优化的精髓，并且学会学习，体验成功的喜悦，原来枯燥、乏味的一节课程顿时变得轻松愉快。
3、构思设计
构思设计能力是学生通过通用技术课学习后必须具备的技术素养。通用技术课如果讲授多、思考少，演示多、动手少，必然严重地影响和限制学生的学习欲望，设计能力也得不到提高。
在《普通高中通用技术课程标准》中提到：“技术与设计2”更关注设计过程中结构、流程、系统和控制的基本思想和设计的基本方法，注重学生对这些思想和方法的应用及实际问题的解决。利用乐高设备在通用技术教学中应用，使课堂上针对某种课程内容的现场设计成为可能，大大提高了课堂教学效率。苏教版教材《技术与设计2》第四章第二节《控制系统的工作过程与方式》这节课中开环控制系统的设计是通用技术必修模块中的一个重点，如果能选用一个合适的教学载体进行教学，则会事半功倍，使学生更容易理解开环控制系统的组成、工作过程和方式。但在现实教学过程中，适合开环控制系统设计的教学载体要不过于简单缺乏趣味性，要不就是制作成本过高，耗材昂贵造成浪费。鉴于此种情况笔者设计了以乐高EV3机器人设备为素材的课堂构思设计活动：设计一个自动道闸，分析道闸的工作过程，画出反映其工作过程的方框图。（如下图）
在这个课堂活动中，学生只需设计一个简单的道闸结构，可以让教师的遥控玩具车安全通过，利用课堂学过的知识，EV3主机作为控制器，伺服电机作为执行器，闸门作为被控对象。利用乐高EV3机器人设备进行现场设计搭建，不仅能在课堂有限的时间内把书本知识付诸实践，而且学生还可在课内对设计进行优化，实现多方案。通过简单的改装，就可以达到优化目的，如：用颜色传感器代替超声波传感器就可以实现刷卡出入，用蜗轮蜗杆系统可以使闸门的机械结构更加可靠。乐高设备的灵活性、趣味性给学生提供了广阔的想象空间。
四、乐高设备与更为有效的STEAM教育
通用技术课程的核心目标是：提高学生的技术素养。如果每节课只停留在书本上的那些知识，那是远远不够的，我们必须考虑如何深化学生对技术的认识,如何开拓学生的视野，如何让课程升华。笔者认为STEAM是一个非常好的教育理念，STEAM教育指的是五个单词，即科学、技术、工程、艺术以及数学，它要求学生创新，而这些创新是需要与现实生活有联系的。STEAM真实内涵其实就是注重跨学科知识的综合运用、建构主义教学以及学习过程。由于乐高设备有着强大的综合性，教师可以适当的将这个教育理念引入课堂教学，运用现成的乐高设备设计课堂活动以实现多学科的整合。
例如利用机器人巡线来让学生体验闭环控制系统，教师可以引导学生从数学逻辑上来研究巡线效率更高的方法，机器人制作时帮助他们将艺术融入设计，在拼装时指导学生如何合理运用工程学的知识让机器结构更加合理，这样学生在单独做完一个机器巡线闭环控制系统后已经独立运用很多学科知识。这样的教学方式不仅开拓了学生的视野，也体现了通用技术作为一门横向学科的特色。
结束语
最后，必须指出的是，虽然使用乐高设备作为一个教学载体运用在通用技术教学中，有着诸多的优势，但我们不能忽视了通用技术课程教学本身的多元化，乐高设备只是一个平台，在这个平台上可以让通用技术课变得活泼有趣，如果只把乐高设备作为唯一的教具、载体，那将是灾难性的。如何更加合理地使用乐高设备是老师们值得推敲的问题，只有结合教学目标，教学内容，综合考虑学生实际情况，将他们有机联系在一起，才能将乐高设备的优点发挥到极致。
参考文献
[1]《普通高中技术课程标准》（实验）
[2]《通用技术教学研究与案例》高等教育出版社
[3]《LEGO机器人结构与程序设计》 清华大学出版社
[3]《乐高教育—技术与设计2学生活动用书》 西觅亚教育
[5]《乐高EV3机器人设计》 西觅亚教育