樂高積木在通用技術實驗教學中的應用實踐與思考

張春瑜

（福建省福州市第三中學，福建福州 350003）

引 言

關于通用技術課程，筆者認為將好的教學器材和教學配套實驗應用于日常教學非常重要。樂高積木的可操作性強，有豐富多樣的搭建結構，能滿足學生學習結構、流程、系統、控制等章節的實踐需求，同時能將不同章節的內容整合成一個整體，促進學生的全面發展，同時有利于教師完成通用技術課程的實驗教學目標[1]。

一、以樂高梁和插銷探究常見結構

“結構及其設計”是通用技術課程最重要和最基礎的章節，通過該章節的學習，學生能從力學的角度理解結構及其強度和穩定性等問題。樂高積木有諸多的結構，可以讓學生搭建各種簡單造型，如三角支架、三節棍、云梯等。此外，樂高中還有四腳架、四角支架等結構，通過對這些結構進行對比，學生可以認識到結構設計中的許多性質，提高對結構的認識。

（一）基礎結構的探究

學生用若干插銷將三個樂高梁連接在一起，如果三個樂高梁首尾相連就組成了一個三角形，形成一個簡單的三角架（如圖1）。在三角架上施力，學生就會發現它穩定不易變形。

圖1

如果三個樂高梁首尾不相連，就變成了三節棍（如圖2），學生甩動三節棍，就發現它的性質是非常靈活的；如果學生仍然用插銷將四個樂高梁首尾相連，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；如果學生在四角架中再增加一個斜的樂高梁（斜支撐），四角架又變得穩定不易變形了。這些探究實驗充分說明了結構決定了物質的性質與存在的形式，為學生設計制作人字梯、云梯以及小板凳打下了基礎。

圖2

圖3

（二）簡單結構的探究實驗

人字梯（如圖4）是一種穩定且堅固的結構，采用了三角形的結構，以滿足人踩踏時的強度要求。考慮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，是中國古人智慧的結晶。它的特點是上下可以升降，同時又有一定的強度和穩定性。這是因為云梯的中間采用容易變形的正方形結構（相同的兩根樂高梁中間用插銷交叉連接，首尾再與另外兩根樂高梁用插銷連接），當底部的樂高梁受壓時正方形變成菱形，從而實現中間變窄、上下伸長的效果。最上面與最下面采用可以活動的三角形，以保證該結構的穩定性與強度。

圖5

小板凳是日常生活中常見的結構，也是通用技術課程中學生的實踐案例。用樂高積木搭建小板凳的模型有利于學生了解穩定結構，在制作木制小板凳的時候減少錯誤的發生。以往學生制作木制小板凳時，經常采用如下結構（如圖6），中間的橫梁使板凳形成了長方形結構，這樣制作出來的板凳容易變形、損壞。學生如果將橫梁變成三角形結構（如圖7），就能增加板凳的強度。經過樂高積木的模型測試，學生在后期設計木制板凳時，就能設計出穩定性強的板凳。

圖6

圖7

二、以樂高齒輪、軸承、傳送帶等組件探究系統設計

與結構的設計相比，系統的設計更加注重各組成部分的有效搭配和排列，以形成一個具有一定功能的整體。

“逆風前進的小車”就是在沒有其他動力源的基礎上，僅僅依靠風能實現小車的逆風前進。學生設計“逆風前進的小車”時可能沒有頭緒，教師可以讓學生用系統分析的方法，先判斷這個系統應該由哪些子系統組成，引導學生得出這個系統至少有“小車”和“可以迎風轉動的風車”兩個子系統。當學生搭建出“小車”和“可以迎風轉動的風車”之后，教師再引導他們考慮如何將風車轉動的力傳遞給車輪上的軸承，引導他們發現只要車輛上的軸承轉動，小車就可以前進了，學生根據提示想到齒輪傳動或者傳送帶傳動。學生在測試環節可能會遇到“風車”轉動根本無法帶動車輪轉動的情況，教師引導學生探究齒輪比的概念，并用“風車”軸承上的小齒輪帶動車輪上的大齒輪，使他們發現車輪的轉速降低下來以后，需要提供的驅動力就小多了。

運用樂高組件完成系統設計中的探究實驗具有良好的實踐性和操作性，可以用比較短的時間和很低的經濟成本完成復雜的系統實驗，并達到預期的實驗效果。

三、以樂高傳感器、EV3 處理器、電機等組件探究閉環控制

人們按照自己的意愿改變條件，使事物向著期望的目標發展，就形成了控制。控制在生產、生活中應用非常廣泛，如十字路口的紅綠燈、無人駕駛汽車。通過自動控制的實驗教學，學生能夠了解自動控制、手動控制、智能控制的特點。

筆者任教的學校引入了一個比較經典的樂高實驗項目——“沿黑線前進的小車”。這個實驗項目的可操作強且易于學生理解：將兩個光度傳感器分別安裝在小車頭部左右兩側，傳感器直接與EV3 處理器連接，EV3處理器又控制電機輸出端。初始時學生可以讓兩個光度傳感器分別位于黑線的兩側，小車前進過程中當左邊光度傳感器遇到黑線時，反饋的光度值下降，說明左邊車輪已經遇到黑線了，這時左邊車輪的電機停止轉動，而右邊的車輪繼續前進，實現車子左向偏移；同理，當右邊的光度傳感器遇到黑線，右邊車輪的停止轉動，小車右向偏移，以此控制車輪沿黑線前進，不會沖出黑線。這種根據小車前進的結果判定是否沿車輪轉動或停止的工作方式，就是典型的閉環控制，可以使學生更好地理解閉環控制系統中的控制器、執行器、被控對象以及檢測反饋裝置，畫出閉環控制系統的方框圖。

結 語

總而言之，學校應加強對學生實踐能力、動手能力的培養。在通用技術實驗課程教學中，教師要積極探索合適的教學方式與內容，合理地將樂高積木和通用技術實驗課程相融合，為學生營造更有趣味、更具操作性的實驗學習環境，從而不斷提升通用技術實驗課程的教學質量，鍛煉學生的實踐能力、動手能力，促使學他們的綜合能力得到提升，為其今后的發展奠定良好的基礎。