樂(lè)高積木在通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐與思考

張春瑜

（福建省福州市第三中學(xué)，福建福州 350003）

引 言

關(guān)于通用技術(shù)課程，筆者認(rèn)為將好的教學(xué)器材和教學(xué)配套實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于日常教學(xué)非常重要。樂(lè)高積木的可操作性強(qiáng)，有豐富多樣的搭建結(jié)構(gòu)，能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)、控制等章節(jié)的實(shí)踐需求，同時(shí)能將不同章節(jié)的內(nèi)容整合成一個(gè)整體，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，同時(shí)有利于教師完成通用技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)[1]。

一、以樂(lè)高梁和插銷探究常見(jiàn)結(jié)構(gòu)

“結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)”是通用技術(shù)課程最重要和最基礎(chǔ)的章節(jié)，通過(guò)該章節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生能從力學(xué)的角度理解結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度和穩(wěn)定性等問(wèn)題。樂(lè)高積木有諸多的結(jié)構(gòu)，可以讓學(xué)生搭建各種簡(jiǎn)單造型，如三角支架、三節(jié)棍、云梯等。此外，樂(lè)高中還有四腳架、四角支架等結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，學(xué)生可以認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的許多性質(zhì)，提高對(duì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

（一）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的探究

學(xué)生用若干插銷將三個(gè)樂(lè)高梁連接在一起，如果三個(gè)樂(lè)高梁首尾相連就組成了一個(gè)三角形，形成一個(gè)簡(jiǎn)單的三角架（如圖1）。在三角架上施力，學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)它穩(wěn)定不易變形。

圖1

如果三個(gè)樂(lè)高梁首尾不相連，就變成了三節(jié)棍（如圖2），學(xué)生甩動(dòng)三節(jié)棍，就發(fā)現(xiàn)它的性質(zhì)是非常靈活的；如果學(xué)生仍然用插銷將四個(gè)樂(lè)高梁首尾相連，就組成了四角架（如圖3），在四角架上施力，它就容易變成菱形；如果學(xué)生在四角架中再增加一個(gè)斜的樂(lè)高梁（斜支撐），四角架又變得穩(wěn)定不易變形了。這些探究實(shí)驗(yàn)充分說(shuō)明了結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的性質(zhì)與存在的形式，為學(xué)生設(shè)計(jì)制作人字梯、云梯以及小板凳打下了基礎(chǔ)。

圖2

圖3

（二）簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的探究實(shí)驗(yàn)

人字梯（如圖4）是一種穩(wěn)定且堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，采用了三角形的結(jié)構(gòu)，以滿足人踩踏時(shí)的強(qiáng)度要求?？紤]到便于折疊存放的要求，中間的橫梁必須是靈活可折疊的。

圖4

云梯（如圖5）是古代攻城的一種重要工具，是中國(guó)古人智慧的結(jié)晶。它的特點(diǎn)是上下可以升降，同時(shí)又有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。這是因?yàn)樵铺莸闹虚g采用容易變形的正方形結(jié)構(gòu)（相同的兩根樂(lè)高梁中間用插銷交叉連接，首尾再與另外兩根樂(lè)高梁用插銷連接），當(dāng)?shù)撞康臉?lè)高梁受壓時(shí)正方形變成菱形，從而實(shí)現(xiàn)中間變窄、上下伸長(zhǎng)的效果。最上面與最下面采用可以活動(dòng)的三角形，以保證該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強(qiáng)度。

圖5

小板凳是日常生活中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，也是通用技術(shù)課程中學(xué)生的實(shí)踐案例。用樂(lè)高積木搭建小板凳的模型有利于學(xué)生了解穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在制作木制小板凳的時(shí)候減少錯(cuò)誤的發(fā)生。以往學(xué)生制作木制小板凳時(shí)，經(jīng)常采用如下結(jié)構(gòu)（如圖6），中間的橫梁使板凳形成了長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，這樣制作出來(lái)的板凳容易變形、損壞。學(xué)生如果將橫梁變成三角形結(jié)構(gòu)（如圖7），就能增加板凳的強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)樂(lè)高積木的模型測(cè)試，學(xué)生在后期設(shè)計(jì)木制板凳時(shí)，就能設(shè)計(jì)出穩(wěn)定性強(qiáng)的板凳。

圖6

圖7

二、以樂(lè)高齒輪、軸承、傳送帶等組件探究系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相比，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加注重各組成部分的有效搭配和排列，以形成一個(gè)具有一定功能的整體。

“逆風(fēng)前進(jìn)的小車”就是在沒(méi)有其他動(dòng)力源的基礎(chǔ)上，僅僅依靠風(fēng)能實(shí)現(xiàn)小車的逆風(fēng)前進(jìn)。學(xué)生設(shè)計(jì)“逆風(fēng)前進(jìn)的小車”時(shí)可能沒(méi)有頭緒，教師可以讓學(xué)生用系統(tǒng)分析的方法，先判斷這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該由哪些子系統(tǒng)組成，引導(dǎo)學(xué)生得出這個(gè)系統(tǒng)至少有“小車”和“可以迎風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)車”兩個(gè)子系統(tǒng)。當(dāng)學(xué)生搭建出“小車”和“可以迎風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)車”之后，教師再引導(dǎo)他們考慮如何將風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)的力傳遞給車輪上的軸承，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)只要車輛上的軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，小車就可以前進(jìn)了，學(xué)生根據(jù)提示想到齒輪傳動(dòng)或者傳送帶傳動(dòng)。學(xué)生在測(cè)試環(huán)節(jié)可能會(huì)遇到“風(fēng)車”轉(zhuǎn)動(dòng)根本無(wú)法帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，教師引導(dǎo)學(xué)生探究齒輪比的概念，并用“風(fēng)車”軸承上的小齒輪帶動(dòng)車輪上的大齒輪，使他們發(fā)現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)速降低下來(lái)以后，需要提供的驅(qū)動(dòng)力就小多了。

運(yùn)用樂(lè)高組件完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的探究實(shí)驗(yàn)具有良好的實(shí)踐性和操作性，可以用比較短的時(shí)間和很低的經(jīng)濟(jì)成本完成復(fù)雜的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，并達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

三、以樂(lè)高傳感器、EV3 處理器、電機(jī)等組件探究閉環(huán)控制

人們按照自己的意愿改變條件，使事物向著期望的目標(biāo)發(fā)展，就形成了控制。控制在生產(chǎn)、生活中應(yīng)用非常廣泛，如十字路口的紅綠燈、無(wú)人駕駛汽車。通過(guò)自動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能夠了解自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、智能控制的特點(diǎn)。

筆者任教的學(xué)校引入了一個(gè)比較經(jīng)典的樂(lè)高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——“沿黑線前進(jìn)的小車”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的可操作強(qiáng)且易于學(xué)生理解：將兩個(gè)光度傳感器分別安裝在小車頭部左右兩側(cè)，傳感器直接與EV3 處理器連接，EV3處理器又控制電機(jī)輸出端。初始時(shí)學(xué)生可以讓兩個(gè)光度傳感器分別位于黑線的兩側(cè)，小車前進(jìn)過(guò)程中當(dāng)左邊光度傳感器遇到黑線時(shí)，反饋的光度值下降，說(shuō)明左邊車輪已經(jīng)遇到黑線了，這時(shí)左邊車輪的電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而右邊的車輪繼續(xù)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)車子左向偏移；同理，當(dāng)右邊的光度傳感器遇到黑線，右邊車輪的停止轉(zhuǎn)動(dòng)，小車右向偏移，以此控制車輪沿黑線前進(jìn)，不會(huì)沖出黑線。這種根據(jù)小車前進(jìn)的結(jié)果判定是否沿車輪轉(zhuǎn)動(dòng)或停止的工作方式，就是典型的閉環(huán)控制，可以使學(xué)生更好地理解閉環(huán)控制系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象以及檢測(cè)反饋裝置，畫(huà)出閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。

結(jié) 語(yǔ)

總而言之，學(xué)校應(yīng)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力、動(dòng)手能力的培養(yǎng)。在通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，教師要積極探索合適的教學(xué)方式與內(nèi)容，合理地將樂(lè)高積木和通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程相融合，為學(xué)生營(yíng)造更有趣味、更具操作性的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，從而不斷提升通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力、動(dòng)手能力，促使學(xué)他們的綜合能力得到提升，為其今后的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。