利用積木式機器人器材豐富通用技術教具資源

摘要通用技術是一門年輕而又充滿魅力的學科。剛起步的通用技術，各方面都需要不斷改進和完善。目前條件下，利用積木式機器人器材可以為通用技術提供具有良好創(chuàng)造性和可持續(xù)發(fā)展性的教具資源，使教學面貌為之一新。

關鍵詞通用技術；積木式機器人器材；教具

通用技術是一門年輕而又充滿魅力的學科。自國家進行普通高中新課程改革以來，通用技術作為一門新學科躋身其中。通用技術立足于實踐，力圖增強學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。廣大通用技術教師通過自己的潛心鉆研、認真教學，無論是對教學理念的理解、教學內容的把握，還是對教學手段的選擇和運用，都開始日趨成熟，通用技術學科也走上了良性發(fā)展的軌道。

但是處于剛起步的通用技術教學，存在著許多需要改進和完善的地方，其中一個突出的問題就是教具資源的匱乏。教具資源的匱乏使得通用技術教學的理論性過強，許多實踐性很強的案例只能進行理論性分析，以至于“說而不明、點而不透”；通用技術教具資源的匱乏使得課程的“技術含量”難以提高，對部分知識的深入挖掘和拓展變得比較困難，學生進一步深入探究的意愿不強等。通用技術教學所面臨的問題棘手而又緊迫，需要廣大通用技術教師進行認真研究和不斷探索。

筆者在通用技術教學過程中，嘗試利用積木式機器人器材制作教具，以深化教學的內容、豐富教學的手段和形式、激發(fā)學生學習和探究的興趣。

積木式機器人器材應用于通用技術教學的可行性

隨著我國教育事業(yè)的快速發(fā)展，教育機器人開始進入教育教學的視野，積木式機器人在各級各類學校日益普及。這些積木式機器人器材主要包括板、塊、梁、軸、齒輪、連接件、輪子等結構類積木（構件）；除此之外，還包括了簡單可編程的單片機控制器、各類傳感器、電機馬達等核心控制積木（參見圖1），使其非常適合用來設計和搭建各種建筑、車輛、機械等產品的模型。不僅外形惟妙惟肖，而且在連接、傳動和控制等方面的精度、仿真度非常高，可以一定程度上模擬實現產品的功能。

這些積木式機器人器材非常有助于培養(yǎng)學生發(fā)現問題和解決問題的能力、溝通表達的能力、自我學習的能力和創(chuàng)新實踐的能力，實現“做中學，學中做”。這與通用技術的“立足實踐、注重創(chuàng)造、高度綜合、科學與人文融合”的課程理念和學科特點非常吻合，將其引入通用技術教學是可行的。

使用積木式機器人器材制作通用技術教具的嘗試

從全國范圍內來看，通用技術的教學開展尚不足10年，教具的種類和數量十分有限。這就使教師對教學內容進一步的細化和深入變得比較困難，學生對于相關內容的理解往往比較抽象，容易片面化。如果能在教學中選用合適的教具開展有針對性的教學，既有助于吸引學生的興趣和注意力，也能為師生提供分析、討論、評價、比較和改進的實體對象，必將大大提高教學的有效性。

積木式機器人器材以其方便和可靠的拼搭方式、豐富的積木類型，使我們的設計能迅速、方便地轉化為實體對象或模型。筆者根據教學的需要，制作了一批教學用具。

籃球架模型

在蘇教版《技術與設計2》的P23有一道練習題，要學生思考并分析籃球架的穩(wěn)定性。籃球架對學生來說非常熟悉，完全可以拿來作為教學案例詳加分析。但是書上只有一張圖片，如果不經過適當處理直接用來進行案例分析，未免有點“紙上談兵”；而將籃球架實物拿到教室或去實地教學也不太現實。

利用積木式機器人器材中的板、塊、梁、軸、連接件等構件就可以拼搭出籃球架模型（圖2）。筆者在利用這個模型進行教學時，先取一顆稍大的彈珠當做籃球，請學生上臺來模擬投籃；在投籃的過程中，彈珠可能會砸中籃板也可能會砸中籃框，籃球架模型會因其穩(wěn)定性不好而翻到，籃球架立柱也會變形。這時學生就有了實體對象去進行分析，為什么會這樣？可以怎么辦？從而使學生能自己去建構、總結關于穩(wěn)定性、強度的相關知識。并且學生在提出解決方案之后，他們的想法和設計可以很快在模型上得以實現并測試。

旋轉飛椅模型

《技術與設計2》的第三單元——系統(tǒng)與設計涉及系統(tǒng)相關的內容。系統(tǒng)本身是一個抽象的概念，如果教師不使用教具進行教學，就無法幫助學生有效理解系統(tǒng)的概念，無法進行系統(tǒng)的優(yōu)化和系統(tǒng)設計，教學的有效性就會大大降低。

在“系統(tǒng)的優(yōu)化”這塊內容的教學中，筆者使用由積木式機器人器材搭建而成的旋轉飛椅模型（圖3）來開展教學。旋轉飛椅是游樂場中常見的一種游樂設施，在許多學生心中留下了美好難忘的記憶。選擇這一教具進行教學，首先能喚起學生美好的回憶，激發(fā)學習的興趣。

在教學中，從模型的飛椅旋轉速度太快、起步和停止過快、傳動皮筋（皮帶）容易打滑斷裂等問題出發(fā)，引導學生分析系統(tǒng)優(yōu)化的約束條件，明確系統(tǒng)優(yōu)化的目標，提出系統(tǒng)優(yōu)化的方法和手段。學生會提出用齒輪傳動代替皮帶傳動、用NXT可編程單片機控制電機工作（圖4）等設想來解決系統(tǒng)存在的問題。通過不斷地“設計—驗證—改進”，讓系統(tǒng)一步步向預定的優(yōu)化目標靠近。優(yōu)化后的系統(tǒng)模型真實地再現了游樂場旋轉飛椅的工作過程，學生的注意力被牢牢地吸引住，不知不覺中按照教師的教學設計經歷了系統(tǒng)優(yōu)化的整個過程，原來枯燥、乏味的內容頓時變得輕松愉快。

水箱水位控制系統(tǒng)模型[1]

《技術與設計2》中的第四單元——控制與設計，是通用技術必修模塊中的難點，而其中的閉環(huán)控制系統(tǒng)更是難點中的難點。對于閉環(huán)控制系統(tǒng)這塊內容，若能選用合適的教具進行教學，則會事半功倍，使學生容易理解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成、工作過程和方式。但是，生活中的控制采用開環(huán)控制的居多；適合用于閉環(huán)控制教學的實體要么體積過大，要么包裝過于嚴密而無法展示其控制系統(tǒng)的組成和工作過程。筆者結合課本的案例，使用積木式機器人器材以及其他易得材料制作了水位控制系統(tǒng)模型（此教具為寧波三中張勁天老師原創(chuàng)，筆者對其進行了適當改進）（圖5）。

NXT可編程單片機在這里起控制器的作用，既可以當開關，也可以作定時器使用。當開關打開或定時器工作時，NXT控制器輸出控制電流，簡單電路板上的繼電器開始工作，接通電池組和直流微型水泵的電路，抽水泵開始從低位水池抽水并注入高位水箱中。當按下停止按鈕或定時器停止工作時，抽水結束。但是這兩種控制方式仍然是開環(huán)控制。

對于教師演示的這兩種水位控制方式，學生首先感到很新奇，緊接著就意識到這兩種控制方式可能存在的問題——控制自動化程度不夠、精度不高。很多學生對此提出了自己的改進意見——引入水位傳感器，通過判斷實際水位是否達到設定水位從而決定水泵是否要抽水工作。水位傳感器可以用數據連接線（圖6）來代替（若水位沒過數據線的連接點，會使水位傳感器所在的電路接通，從而感知水位）。再在NXT控制器中輸入簡單的程序（圖7），根據水位傳感器的信號來決定水泵是否要抽水。最后進行測試，發(fā)現該模型很好地實現了學生的設計預期。

學生在不知不覺中自己建構出了有別于開環(huán)控制的新的控制方式——閉環(huán)控制；教師也從知識的灌輸者轉變成了教學的組織者和引導者。

其實這個控制系統(tǒng)還是存在著問題，觀察敏銳的學生還會提出，如果出水管少量、持續(xù)地放水，就會使控制系統(tǒng)處于“抽水—停止—抽水”的間歇性工作狀態(tài)，時間一長水泵很容易燒壞。若要解決這個問題，可以使用2個（或多個）水位傳感器，使控制系統(tǒng)在水位低于“最低水位”時抽水，高于或達到“最高水位”時停止抽水。讓學生運用所學知識對實際問題進行拓展和深入研究，有助于提高學生發(fā)現問題、解決問題的能力。

以上籃球架模型、旋轉飛椅模型和水位控制系統(tǒng)模型只是使用積木式機器人器材所搭建的眾多通用技術教具的其中三個。積木式機器人器材因其自身的特點，為通用技術的教具設計提供了無限可能。

積木式機器人器材應用于通用技術教學的總結與展望

經過教學實踐，筆者認為，當前條件下積木式機器人器材非常有助于通用技術教學。

有助于激發(fā)學生學習興趣

這些器材以其魔術般的魅力，深深吸引著學生。他們非常期待教師能夠在教學中向他們展示使用積木式機器人器材制作的教具，更盼望自己能動手操作這些器材。學生在教學中所表現出來的認真、投入的精神令人難忘。

為通用技術教學提供了有效的平臺

使用積木式機器人器材制作的教具很好地改善了當前教具匱乏的現狀，使教師對案例的分析具體化，使教學的深入、細化成為可能，增強了教師對課堂教學的把握能力。

有助于通用技術教師的專業(yè)水平的提高

積木式機器人器材提供的僅僅是各種零件，需要設計搭建才能得到所需的教具。在這個反復的搭建-拆除-搭建的過程中，其實也是在對課程理念、教學目標、教學方法等方面進行深入體會、認真思考、反復實踐，必定能大大提高教師的教學水平和能力。

如果更進一步的話，將積木式機器人器材用于學生的動手實踐活動也未嘗不可。這些器材本身所具備的靈活性、趣味性和科技性必將深深地吸引學生，使他們全身心地投入到實踐和創(chuàng)新中來。

在目前情況下，將積木式機器人器材應用于通用技術教學，不失為一種明智的選擇。

參考文獻

[1]羅潔華.樂高積木在通用技術課程上的有效使用[J].中國教育技術裝備，2008(21):110-112.

[2]張勁天.樂高機器人在通用技術教學中大顯身手[C]//機器人技術與應用.第三屆機器人國際教育研

討會（中國區(qū)）征文文集，2008.

[3]顧建軍.技術與設計2[M].南京:江蘇教育出版社，2009:23.

（作者單位：浙江省寧波市四明中學）