乐高积木在通用技术实验教学中的应用实践与思考

张春瑜

（福建省福州市第三中学，福建福州 350003）

引 言

关于通用技术课程，笔者认为将好的教学器材和教学配套实验应用于日常教学非常重要。乐高积木的可操作性强，有丰富多样的搭建结构，能满足学生学习结构、流程、系统、控制等章节的实践需求，同时能将不同章节的内容整合成一个整体，促进学生的全面发展，同时有利于教师完成通用技术课程的实验教学目标[1]。

一、以乐高梁和插销探究常见结构

“结构及其设计”是通用技术课程最重要和最基础的章节，通过该章节的学习，学生能从力学的角度理解结构及其强度和稳定性等问题。乐高积木有诸多的结构，可以让学生搭建各种简单造型，如三角支架、三节棍、云梯等。此外，乐高中还有四脚架、四角支架等结构，通过对这些结构进行对比，学生可以认识到结构设计中的许多性质，提高对结构的认识。

（一）基础结构的探究

学生用若干插销将三个乐高梁连接在一起，如果三个乐高梁首尾相连就组成了一个三角形，形成一个简单的三角架（如图1）。在三角架上施力，学生就会发现它稳定不易变形。

图1

如果三个乐高梁首尾不相连，就变成了三节棍（如图2），学生甩动三节棍，就发现它的性质是非常灵活的；如果学生仍然用插销将四个乐高梁首尾相连，就组成了四角架（如图3），在四角架上施力，它就容易变成菱形；如果学生在四角架中再增加一个斜的乐高梁（斜支撑），四角架又变得稳定不易变形了。这些探究实验充分说明了结构决定了物质的性质与存在的形式，为学生设计制作人字梯、云梯以及小板凳打下了基础。

图2

图3

（二）简单结构的探究实验

人字梯（如图4）是一种稳定且坚固的结构，采用了三角形的结构，以满足人踩踏时的强度要求。考虑到便于折叠存放的要求，中间的横梁必须是灵活可折叠的。

图4

云梯（如图5）是古代攻城的一种重要工具，是中国古人智慧的结晶。它的特点是上下可以升降，同时又有一定的强度和稳定性。这是因为云梯的中间采用容易变形的正方形结构（相同的两根乐高梁中间用插销交叉连接，首尾再与另外两根乐高梁用插销连接），当底部的乐高梁受压时正方形变成菱形，从而实现中间变窄、上下伸长的效果。最上面与最下面采用可以活动的三角形，以保证该结构的稳定性与强度。

图5

小板凳是日常生活中常见的结构，也是通用技术课程中学生的实践案例。用乐高积木搭建小板凳的模型有利于学生了解稳定结构，在制作木制小板凳的时候减少错误的发生。以往学生制作木制小板凳时，经常采用如下结构（如图6），中间的横梁使板凳形成了长方形结构，这样制作出来的板凳容易变形、损坏。学生如果将横梁变成三角形结构（如图7），就能增加板凳的强度。经过乐高积木的模型测试，学生在后期设计木制板凳时，就能设计出稳定性强的板凳。

图6

图7

二、以乐高齿轮、轴承、传送带等组件探究系统设计

与结构的设计相比，系统的设计更加注重各组成部分的有效搭配和排列，以形成一个具有一定功能的整体。

“逆风前进的小车”就是在没有其他动力源的基础上，仅仅依靠风能实现小车的逆风前进。学生设计“逆风前进的小车”时可能没有头绪，教师可以让学生用系统分析的方法，先判断这个系统应该由哪些子系统组成，引导学生得出这个系统至少有“小车”和“可以迎风转动的风车”两个子系统。当学生搭建出“小车”和“可以迎风转动的风车”之后，教师再引导他们考虑如何将风车转动的力传递给车轮上的轴承，引导他们发现只要车辆上的轴承转动，小车就可以前进了，学生根据提示想到齿轮传动或者传送带传动。学生在测试环节可能会遇到“风车”转动根本无法带动车轮转动的情况，教师引导学生探究齿轮比的概念，并用“风车”轴承上的小齿轮带动车轮上的大齿轮，使他们发现车轮的转速降低下来以后，需要提供的驱动力就小多了。

运用乐高组件完成系统设计中的探究实验具有良好的实践性和操作性，可以用比较短的时间和很低的经济成本完成复杂的系统实验，并达到预期的实验效果。

三、以乐高传感器、EV3 处理器、电机等组件探究闭环控制

人们按照自己的意愿改变条件，使事物向着期望的目标发展，就形成了控制。控制在生产、生活中应用非常广泛，如十字路口的红绿灯、无人驾驶汽车。通过自动控制的实验教学，学生能够了解自动控制、手动控制、智能控制的特点。

笔者任教的学校引入了一个比较经典的乐高实验项目——“沿黑线前进的小车”。这个实验项目的可操作强且易于学生理解：将两个光度传感器分别安装在小车头部左右两侧，传感器直接与EV3 处理器连接，EV3处理器又控制电机输出端。初始时学生可以让两个光度传感器分别位于黑线的两侧，小车前进过程中当左边光度传感器遇到黑线时，反馈的光度值下降，说明左边车轮已经遇到黑线了，这时左边车轮的电机停止转动，而右边的车轮继续前进，实现车子左向偏移；同理，当右边的光度传感器遇到黑线，右边车轮的停止转动，小车右向偏移，以此控制车轮沿黑线前进，不会冲出黑线。这种根据小车前进的结果判定是否沿车轮转动或停止的工作方式，就是典型的闭环控制，可以使学生更好地理解闭环控制系统中的控制器、执行器、被控对象以及检测反馈装置，画出闭环控制系统的方框图。

结 语

总而言之，学校应加强对学生实践能力、动手能力的培养。在通用技术实验课程教学中，教师要积极探索合适的教学方式与内容，合理地将乐高积木和通用技术实验课程相融合，为学生营造更有趣味、更具操作性的实验学习环境，从而不断提升通用技术实验课程的教学质量，锻炼学生的实践能力、动手能力，促使学他们的综合能力得到提升，为其今后的发展奠定良好的基础。