創(chuàng)客背景下通用技術學具的設計與教學應用

陳思群

摘? ?要：高中通用技術課是一門立足實踐的課程。教師在課堂教學中不僅要傳授豐富的理論知識，更應該設計豐富的實踐環(huán)節(jié)來提高學生的技術素養(yǎng)。當前學生實踐設備普遍不足，創(chuàng)客作為一種新興的項目活動手段，為自制學具提供了廣闊的空間。本文通過闡述水溫控制系統(tǒng)學具的設計與制作過程以及它在教學中的應用，展示通用技術學科自制學具的獨特魅力。

關鍵詞：通用技術;控制系統(tǒng);自制學具;創(chuàng)客

在高中通用技術教學中，“閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程”這部分內容一直是一大難點，大部分學生對閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程難以理解，造成這種情況的原因主要是：本節(jié)課內容本身比較抽象，而且由于各種客觀原因，在當前的教學中沒有一種合適的載體讓學生進行實踐，學生單憑方框圖的分析很難對控制過程產生感性認識。捷克教育家夸美紐斯曾這樣說過：“在盡可能的范圍之內一切事物都應盡力地放在感官的跟前?！彼J為知識是從感覺而來，只有通過感覺器官，才能得到真實可靠的且難以遺忘的知識。因此，教師在教學過程中必須想辦法讓“閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程”通過更直觀的方式呈現給學生，使學生更容易理解、掌握這個知識點。

“創(chuàng)客”通常指從自己的設計出發(fā)綜合運用多種工具，為解決某個問題而設計作品，把創(chuàng)意轉變?yōu)楝F實的人[ 1 ]。而動手能力和設計能力則是一名合格的通用技術教師必須具備的基本素養(yǎng)。通用技術教師如果能把“創(chuàng)客”與“教師”這兩種角色融合在一起，讓自己化身成一個準“創(chuàng)客”，利用豐富的創(chuàng)客工具設計制作教具、學具并有效地應用于課堂，將創(chuàng)意轉變?yōu)楝F實以解決教學中遇到的難題，那將是非常有意義的事情。水溫控制系統(tǒng)學具及其教學應用就是筆者基于此目的 的一個創(chuàng)意設計。

1? 水溫控制系統(tǒng)學具的設計與制作

1.1? 設計的構想

蘇教版《技術與設計2》中“控制的設計”這一章多處使用了溫度控制的案例。在教材中“賓館電熱水器”“空調及電冰箱溫度控制系統(tǒng)”“加熱爐溫度控制系統(tǒng)”這些溫控案例雖然貼近生活，但由于教學經費不足、實踐活動時間有限、試驗的安全性難以保證等問題始終不能讓學生在課堂中親身體驗對系統(tǒng)溫度的控制，這是一個遺憾之處?；谝陨系膯栴}，筆者在設計這套適合學生課堂分組、自主探究試驗的水溫控制學具時，主要從三個方面入手：（1）材料易得，且制作成本不宜過高，必須要在學校經費允許的范圍之內;（2）學具應盡可能模塊化，以便縮短實踐操作時間，提高課堂效率;（3）必須絕對保證學生在使用該學具進行技術試驗時的人身安全。

1.2? 學具的制作

本套學具包含對溫度的開環(huán)與閉環(huán)兩種控制，由三大部分組成（如圖1）：（1）低壓直流電源：采用12V安全電壓，10A的大電流保證了試驗的進行。（2）延時通斷開關：采用時間數顯繼電器（DH48S-1Z型）與電磁繼電器結合控制，低壓12V。可以精準地控制通斷時間，進行開環(huán)控制系統(tǒng)的教學演示或學生的探究試驗。（3）閉環(huán)溫度控制學具：此部分由12V低壓加熱棒、數字溫度控制器（XH-W3002型）、接線端子排（TB-4504）、固定有冷壓接線頭的若干導線、1000ml燒杯、以及3D打印的結構件（力求拆卸組裝方便，以便讓學生用最短的時間感受原理圖與實物連接的不同）構成（如圖2）。

1.3? 教具的亮點

（1）該學具采用了12V10A直流電壓，同時為兩根12V50W低壓加熱棒供電，保證了技術試驗的安全性，教師可以放心地讓學生在課堂上體驗溫度控制的過程，教具解決了教師教授教材“溫度控制”內容時，實踐載體缺乏的尷尬問題。

（2）學具的結構部件采用3D打印，3D繪圖設計時考慮到學具拼接時間問題，全部采用套接組裝，節(jié)省時間，大大提高了課堂效率。

（3）該學具通用性強，適用于教材《控制與設計》中“控制手段”“開閉環(huán)控制系統(tǒng)”“閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋與干擾”“黑箱”等多個教學演示與學生探究試驗，既是可供學生課堂實踐使用的學具，又是供教師教學演示的教具。

1.4? 創(chuàng)客的手段

學具的設計制作不同于教具，學具的數量首先應滿足班級分組試驗數。對于教師來說使用創(chuàng)客手段，能夠減輕不少工作量，使自制學具的小規(guī)模生產成為可能。如：本套教具的結構件，采用了3D打印技術，只需設計好3D圖形，就可以不斷重復制件。延時通斷開關的亞克力外殼采用激光切割機加工，制作快速，規(guī)格統(tǒng)一，省時省力。創(chuàng)客手段的應用還可讓課堂更為智慧，現有的這套學具有很大的改進空間。如：可以利用Arduino開源硬件配合水溫傳感器實時記錄水溫值并導入數據庫，通用技術課實現與信息技術的整合，智能化地進行數據分析，打造通用技術智慧課堂。

2? 水溫控制系統(tǒng)學具的教學應用

2.1? 創(chuàng)設情境基于真實問題解決

約翰·杜威在他的《民主主義與教育》一書中說：“教育不能脫離現實環(huán)境，不能孤立地、抽象地訓練學習者的思維力。學生的學習行為應在真實問題解決中發(fā)生[ 2 ]?！比绻麙侀_現實環(huán)境進行教學來實現普通高中新課程標準中通用技術核心素養(yǎng)是不科學的。因此，在應用學具時首先要與現實聯系起來，讓學生覺得親切、覺得有趣，進而教師再引導學生使用該學具去進行探究。

在現實生活中，熱帶魚缸普遍存在于家庭、商場和公共休閑場所。教學中在創(chuàng)設情境時教師可以提出一些問題：熱帶魚缸是怎么加熱的？魚缸加熱棒用多少伏的電壓？如果加熱棒漏電怎么辦？通過現實問題的提出，引發(fā)學生的思考，激發(fā)學生對技術的渴望，為學具的使用做好鋪墊。

2.2? 核心素養(yǎng)形成源于學具應用

根據《普通高中通用技術課程標準（2017年版）》的課程要求：新課標首要任務是培養(yǎng)提升學生學科核心素養(yǎng)，學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現，通用技術學科核心素養(yǎng)主要包括技術意識、工程思維、創(chuàng)新設計、圖樣表達、物化能力五個方面[ 3 ]。如何在通用技術教學中切實貫徹新課標的理念，落實通用技術學科核心素養(yǎng)，是每個通用技術教師應該考慮的問題。學具是死的，如何活用才是關鍵。筆者在教學設計中規(guī)劃本學具的使用時，力求從以下幾個方面來落實學科核心的培養(yǎng)：主動學習，自主感悟，形成技術意識;運用系統(tǒng)分析的方法思考問題，培養(yǎng)工程思維;分析方案優(yōu)劣提出改進意見，提高創(chuàng)新設計的能力;繪制常見的技術圖樣，強化圖樣表達能力;將圖樣表達轉化為實物，鍛煉物化能力。

2.3? 精心設計學具實際教學環(huán)節(jié)

根據高二學生的認知，針對通用技術核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標，筆者在實踐教學中設計了三個試驗環(huán)節(jié)：

第一個實踐環(huán)節(jié)，根據電路原理圖（如圖3）組裝試驗器材。由于教具中的結構組件是由3D打印一體成型的，拼接簡單，且直流電源、溫度控制器和電熱棒的連接均采用U型冷壓絕緣端子，節(jié)省連接花費的時間。實踐中每個小組學生主要考慮如何按照圖紙接對連線，教師關注通電前每個小組溫控器輸入端正負極的接線是否正確，從而減輕了教師實踐課中的工作量。設計這個試驗環(huán)節(jié)的目的是讓學生通過動手組裝認識實物，從紙上談兵到感受勞動。實現培養(yǎng)物化能力的教學目標。

第二個實踐環(huán)節(jié)，開環(huán)控制系統(tǒng)。這個試驗環(huán)節(jié)中筆者安排學生嘗試將燒杯內的水加熱到某一溫度，學生必須要事先確定一個目標溫度（目標溫度不能太高，否則加熱時間會太長，影響課堂效率，一般加熱到30-35攝氏度），再預估達到這個溫度所需的時間，最后記錄實際達到的溫度。這個環(huán)節(jié)教師引導學生分析開環(huán)控制系統(tǒng)的特點，引發(fā)學生思考及對設備改進的渴望，培養(yǎng)技術意識、創(chuàng)新設計能力。試驗中學生會發(fā)現開環(huán)控制很難達到對溫度的準確控制，這樣就很自然地引出了后續(xù)的實踐環(huán)節(jié)——閉環(huán)控制系統(tǒng)試驗（“控制與設計”的教學重點）。

第三個實踐環(huán)節(jié)，閉環(huán)控制系統(tǒng)試驗。學生首先通過溫控器設置好控制的溫度區(qū)間。為了模擬干擾因素，在燒杯外部加裝有冰水的套盆，其優(yōu)點是既可以保持燒杯內的水量不變，起到控制變量的作用，又可以讓燒杯內溫度快速下降，試驗可以反復進行。學生通過不斷觀察電源的通斷，燒杯內溫度的不斷變化，感受閉環(huán)控制系統(tǒng)對水溫的準確控制，學生通過數據的采集與分析，繪制控制系統(tǒng)方框圖，達到自主學習的目的，以此培養(yǎng)他們的圖樣表達、工程思維能力。

創(chuàng)客為通用技術教師自制學具的開發(fā)提供了有力的手段。教師可以通過自制學具和基于自制學具的教學設計將自己個性化的教學風格充分發(fā)揮，同時通過學具的設計制作也給學生樹立良好的榜樣，激發(fā)了學生的動手欲望。體驗技術問題的解決過程是通用技術課程的一個重要目標，只有讓學生走出課本、走近真實世界，獲得更多的實踐機會，才能充分落實通用技術新課標中對于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，創(chuàng)客背景下的自制學具正是為此而生，這就是它的魅力所在。

參考文獻：

[1]王奇?zhèn)?，朱亞萍，陳蕾?創(chuàng)客教育背景下的創(chuàng)意設計課程實施——以初中《3D 打印制作感應風扇》課程為例[J]. 中小學信息技術教育，2016（8）：60-63.

[2]約翰 杜威.民主主義與教育[M].北京：人民教育出版社，2001.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中通用技術課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.