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高二通用技术 《控制系统方案的初步设计》教学案例


通用技术·必修二《控制系统方案的 初步设计》教学案例 ——活用 LEGO 机器人辅助教学
教材分析与设计
本节课是通用技术(地质出版社)必修 2《技术 与设计 2》 第四章第五节的内容。 这一节的目标是让 学生体验控制系统设计的实际过程,并以三个实例: (1)声控灯、自动门控制系统的开环设计; (2)指 南车自动控制系统的闭环设计展开教学,但是学校 通用技术实

验室多是一些钳工、木工等工具,这些 工具用于本章教学发挥不了多大作用,但以上三个 例子用我校现有的 12 套 LEGO 机器人配件实践教学, 正所谓是工欲善其事,必先利其器,用机器人辅助 教学可以起到事半功倍的效果,有利于教学处于轻 松、直观的情境下顺利进行,本节是以学生为主体 的课堂教学,亲自的参与、切身的体会,有利于学 生对本章节的理解和掌握。 课时 3 节。

中学,学中做。经历思维、实践过程,让学生在实 践中提高分析问题、解决问题的能力,锻炼学生的 逻辑思维能力和动手操作能力。 情感、态度和价值观: 通过多种形式的教学活动,提高学生学习技术 课的兴趣。体会团队合作的精神和使用技术的责任 感、使命感。体验科学探究的过程,激发学生对科 学的求知欲和探究科学的勇气。培养勇于实践、勇 于思考、勇于创新的精神和素质。 活动重点: 控制系统设计的一般思路,并通过三个学习任 务,学生在合作学习的基础上,自行设计,共同分 析问题、解决问题。 活动难点: 运用机械知识,拼装、搭建机器人模型,体会 开环系统与闭环系统的设计与区别以及适用场合。 活动器材: LEGO 套装、ROBOLAB 软件、计算机 活动课程设计: 活动过程中,4~5 人为一组,采用合作式学习 的教学方式,以问题为先导,任务驱动为动力,让 学生自己发现、自己探索。 教学策略设计: 本节从理论上讲内容较难,学生理解起来比较 困难,为了能有较好的课堂教学效果,设计如下: 1、使用 LEGO 机器人配件,指导搭建声控灯、 自动门控制系统的开环模型,指南车自动闭环控制 模型,从而引入课题。通过自主活动,引导研究一 些贴近学生生活实际和典型的案例,使学生了解, 尝试自主设计实验的活动过程。 2、引导学生进行“问题式学习” ,通过尝试— —发现,探索——研究的过程来掌握本节课的知识, 在老师的帮助下,把生活中的经验逐步与控制系统 联系起来,通过动手实践、改造,亲身体会,体验 成就感! 3、创设情境,帮助学生在快乐、轻松的氛围中 掌握知识。 实施教学:
爱心 用心 1

学情分析
1、通过本章已学过的内容,调查了解学生学习 情况如下:学生反映所学内容基本能掌握,但提及 自己是否想过尝试设计、制作控制系统时,少部分 同学直言不会做,但大部分同学表示不喜欢在教室 上通用技术学科课,希望有机会到实验室操作实践。 2、对于机器人,同学们早有耳闻。现在同学们 能够亲自体验机器人更是兴奋不已,激发同学们的 好奇心和动手做的欲望,开展机器人辅助通用技术 教学,学生们非常乐意投入其中。 活动目标: 知识技能目标: 通过互动操作让学生在实践过程中,领悟知识, 提高技能: 1、控制系统设计所经历的几个阶段和每个阶段 的各种任务 2、画出系统方框图,形成初步设计方案 3、能设计制作一个控制方法,尝试用机器人搭 建模型,并进行模拟控制和调试。 过程与方法: 通过在控制系统方案的设计、制作过程中,创 设情景,发挥学生自主学习的积极性,让学生在做
专心

1、乐高机器人简介 LEGO 机器人以积木式搭建为主,ROBOLAB 编程 以图形化界面呈现。通过电脑编程,可以依靠程序 完成一定操作或移动的机械装置,它可以有视觉、 触觉等感觉功能,有识别和自主行动的功能。搭建 机器人的主要零件有:微控制器、动力(马达) 、传 感器、齿轮及一些积木块。 乐高机器人易用、易于接受,机器人的制做都 是徒手进行的,不需要借助其他任何工具。这一点 使它非常容易被学生们接受,学生活动时可以很轻 松的上手。学生们用它来实现一个设计可以只用很 短的时间,这对于一节课 45 分钟来说是很有利的, 学生在更改设计时从拆到装也可以在很短时间完 成,这使学生们很快就可以看到他们的设计成果, 对他们自己的设想能在很短时间得到反馈,这对学 生的学习来说是很重要的。同时也在很大程度上减 轻了教师教学的负担。 编程方面 ROBOLAB 图形化的编程软件,学生们 只用十分钟可以很轻松的上手。 ROBOLAB 可以使机器 人“活起来” ,并且对学生图形化的思维方式也是一 种训练,使学生更关注程序中的逻辑关系。 2、用 LEGO 机器人辅助通用技术课堂教学 电脑机器人——通用技术课堂教学的“助推 器” ,它的亮相对通用技术课堂教学无疑是巨大的冲 击、无穷的震撼;它的加盟对教学研究确信是推波 助澜、不同凡响。 LEGO 机器人适用于通用技术学科《技术与设计 一》《技术与设计二》每一章节的辅助教学工具。 、 最近几年,许多中学把电脑机器人活动引入到 通用 技术课堂教学当中,许多教师都在不断探索如何进 行电脑机器人辅助通用技术教学,才能使这种跨学 科、高操作性、极具挑战的内容,真正适合通用技 术课程整合、综合创新活动的需要,提高学生的动 手能力、协作能力和创造能力,使他们在积极的学 习兴趣中不断探索和研究,实现自己的新创意、新 设想、新设计。 3、实践环节

有了前面的探究,这个环节显得水到渠成。同 学们已经初步具备了控制系统设计的能力,是一位 准设计师了。现在机器人就在大家的面前,同学们, 你们将怎么做? 这一环节的设计在于创设一个情境,激发学生 的探究欲望,提供一个机会,发挥学生的想象力和 创造力,引导学生主动探究。 实践一:声控灯控制系统 开环控制,被控对象是声控灯,输入是有声音/ 否,输出是灯亮/否,干扰因素是外界声源和电源电 压的波动等。绘制系统框图和机器人模型和编程如 下图:
输入 (声响) 传感器 控制器 常开接点 (执行器) 电灯 输出 亮/灭

实践二:自动门控制系统 开环控制,被控对象是门,输入是有人否,输出 是门开/关。绘制系统框图和机器人模型和编程如下 图:
输入 有人否 传 感 器 控 制 器 执 行 器
被 控 对 象

输出 开/关

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乐高机器人在《通用技术》教学中大显身手
——闭环控制系统辅教案例
张劲天 2

浙江省宁波市第三中学
摘要:文章通过对“闭环控制系统”课堂教学案例的展示,进而对《通用技术》课程的教学内容和课程特点 与乐高教学平台的优异品质作了比对,强调了乐高机器人在通用技术课堂教学中的巨大作用,提出了乐高教 学平台可以与通用技术教学做到“全程无缝啮合”的观点。文中的附件还介绍了“小水塔水位自动控制系统” 教具的具体制作方法。

一、 “闭环控制系统”辅教案例
“闭环控制系统”是普通高中《通用技术》课 程必修 2 教材第四单元“控制与设计”中的教学内 容,技术性较为突出,用传统的教学方法显得力不 从心。 1、教学内容简述 (1)闭环控制系统的定义:把系统的输出量返 回到输入端,并对控制过程产生影响的控制系统, 称为闭环控制系统。 (2)简单闭环控制系统的框图:
比较器 控制器 执行器 被控对象 被控量

这样,学生对本课的教学缺乏兴趣导致对通用技术 课程的学习失去信心便是顺理成章的了。 现在我们来瞧一瞧利用乐高教学平台辅助本课 的教学情景:我用乐高机器人套件制作了一个小水 塔闭环自动控制系统教具,然后,把它拆散并统统 装进一个乐高器材盒内,带上两个装满自来水的可 乐瓶,当我一踏进教室门口时就引来了学生们惊诧 的目光, “这是什么啊” ,有学生好奇地问,我用魔 术般的手法在一分钟内完成了教具的搭建,当一个 立体的模型呈现在讲台上时,学生们一下子活跃起 来了, “这好像是小水塔呀” !几位同学迫不及待地 猜测着。 我先用 RCX 的 1 号程序演示 一个开环控制的过程,起动水 泵, 水从水池中不断放进可乐瓶 “水塔”中,渐渐地,水快要溢 出瓶口了, 学生们心急了, 我关 了 RCX 解释说: 程序中水泵的工 作是定时的,时间未到它就不 停, 这就是我们上节课学的开环 控制系统的缺点。接着,我用 2 号程序演示了一个 闭环控制的过程,这时,小水泵就很懂事,该转则 转、该停则停,学生们真切地看到了“水塔”中的 水位始终在上下二个水位传感器之间,应用这样的 控制系统就具有了很实用的价值。对照控制系统的 动 作, 我 在 黑 板上 板 书 系 统的 I/O 真 值 表 ,把 LOBOLAB 程序放在大屏幕上并作了一番解释,然后, 要求同学们参照教材的描述分别指出在讲台上的这 套闭环控制系统中,控制器、执行器、检测装置、 比较器所对应的部件;给定量、被控量指的什么? 控制系统又是怎么样工作的?因为有实物作参照, 学生们分析理解就会轻松许多,互相讨论,回答问 题较热烈,在教学过程中同学们兴趣十足地上台重 组控制系统,自己启动控制程序,享受乐高机器人 带来的快乐。整个课堂教学过程,学生全身心参与, 始终沉浸在轻松愉快的氛围中,教学效果不言而喻, 理想地实现了教学目标。基于乐高的教具,不但实 现了既定目标,有时还可产生意想不到的效果。譬
用心 3

给定量

+

检测装置

— —

(3)工作原理:检测装置测量出被控量并返回 到系统的输入端; 是比较器,它将给定量与所检 测的被控量进行比较,求出偏差值;控制器将这一 偏差值进行运算处理,并向执行器下达控制指令; 执行器根据指令对被控对象进行控制,从而使被控 量稳定在一定的范围内。 2、教学要求与教情学情分析 教学要求一是熟悉闭环控制系统的基本组成, 二是理解闭环控制系统的工作原理与作用。对于学 生来说这是全新的内容以前从未接触过,面对众多 的技术术语感觉是一团雾水。而对于教师,也少有 控制技术方面的行家,普遍感到问题棘手,需要想 方设法寻找教学的突破口。 3、两种教学方法比对 先让我们看一看传统的教学方法:课堂上教师 照书念词,照图解说,空对空地问,空对空地答, 45 分钟的课堂教学就这样在沉闷枯燥的氛围中度 过。先进一点的做一个 PPT 课件,或是一个 FLASH 动画,也难逃隔靴搔痒、云里雾里的命运,结果是 教师痛苦,学生乏味,不求高效只求能通过省会考。
专心 爱心

如:在本教具中,水位传感器利用了水的导电性, 但在编程运行时发现水的导电性不等同于导线短 接;一根乐高电线接在输入端口,可将它看成触感 输入、也可看成光感或温感输入,学生亲手操作用 RCX 的显示屏证明了该观点的正确性, 等等。 乐高机 器人使学生体验到了科学的神奇,理解了《通用技 术》课程的重要意义。

二、 乐高教学平台与 《通用技术》 教学的 “全 程无缝啮合”
我们先来看一下课程的教学内容和特点: 《通用 技术》课程有两个必修模块,必修模块一强调的二 个重点是:对技术的理解和对设计过程的把握。必 修模块二有四个单元,它们分别是结构与设计、流 程与设计、系统与设计和控制与设计。 《通用技术》 课程的特点是:创新性、技术性和实践性。 我们再看乐高教学平台的优异品质:它有功能 强大的控制器 RCX、 易学易用的图形化编程软件、 众 多的传感器,使我们能轻而易举地实现对外界数据 的采集与处理,它的构件品种多而全、且色彩艳丽、 手感好、硬度适中、重量轻、零件间配合精度高、 拆装容易、便于现场搭建、就算是一个从没玩过乐 高的人,只要拥有它也能很快地上手,能做你所想, 让你的想象马上变成现实。乐高机器人是放大镜— —把教材中的重要概念放大得清清楚楚;乐高机器 人是望远镜——让学生看到科技的未来;乐高机器 人神通广大、教材中每一章节都有它的身影; 在课堂教学中,学生用它来加深对技术的理解、 想象技术的未来、实践设计的全过程,用它来构思 一个巧妙的结构、设计一个实用的系统、实施对某 个对象的控制。 《通用技术》课程的学习从此以快乐 代替枯燥,以实际代替空洞。几组图片能说明一二。 上图是学生们在《通用技术》课程的学习过程 中利用课余时间设计的作品选粹。 图一:能分拣三种颜色的流水线,与企业实际 的火柴包装流水线相近; 图二:乐高积木辅助制作的温控小电扇和磁控 小车; 图三:能在粉笔上钻孔并锯断粉笔的联合机床, 钻孔深度可设置; 图四:植树机与运输车,可完成树苗运输、挖
图一 图四 图三

坑、栽树、盖土、浇水功能。 在课堂教学中,教师用它制作教具、讲解教材 中的概念、化解教学难题、设计课堂练习、展现技

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术魅力、避免了空问空答的尴尬局面。 乐高机器人和通技教学能做到如此地“全程无 缝啮合” ,乐高教学平台为我们提供了安全、清洁、 高效、可以发挥无限想象力的创新、设计与实践的 舞台,用它来辅助教学能收到令人满意的效果,是 我们提高《通用技术》课程教学效果的最佳选择。 大家都来学做乐高机器人,让教师轻松、受益;让 学生快乐、长进。 (二)系统的制作 1、小水泵焊接一条 LEGO 电线,用 4 毫米螺丝 先与平板连接再扣在直角板上。 2、高低水位传感器直接用二根 LEGO 电线与 LEGO 梁固定,伸入水塔中,橡皮筋夹住瓶子。 3、橡皮管长短各一根端部以下 10 毫米用锯条 锯一圈槽,与可乐瓶孔的连接就不会漏水。 4、机架用于固定组件,照图示或用其它积木均 可。 5、低水位传感器接 RCX 的 1 号端口,高水位接 2 号端口;水泵接 A 端口。 (三)控制程序 1、输入输出真值表
输 1 号端口 低水位 0 0 1 1 入 2 号端口 高水位 0 1 0 1 输 A 端口 水泵 转 停 保 持 停 出 RCX 内喇叭 报 警

三、附件
“小水塔水位自动控制系统”教具制作介绍
本教具除了水泵、 水塔、 水管以外, 全都是 LEGO 机器人套件。具体做法如下: (一)系统的硬件构成 1、控制器——LEGO 控制器 RCX 一个。 2、传感器——LEGO 电线二根。 3、小水泵——DC 8—12V 一只。 4、小水塔——可乐瓶一个。 5、小水池——LEGO 材料箱一只。 6、机架——LEGO 积木若干。 7、水管——实验室橡皮管 50 厘米一根。
水泵与 LEGO 电线 二根 LEGO 电线作水位传感器

2、ROBOLAB 程序
读端口 1 子程 序 读端口 2 子程 序

主程序

整机图
控制器 RCX 可乐瓶 材料箱 小水泵

零件图

说明:检测高低水位的二个传感器,是利用两 条导线在水中会连通的原理制成,但连通的效果不 同于按钮短接,而是有一定的电阻。因此,在读端 口时将其作为模拟量来处理,所以在程序中用了光 电传感器的图标。

橡皮管

LEGO 积木

专心

爱心

用心

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乐高积木在通用技术课程上的有效使用
罗洁华 南京市第十三中学
摘要:随着进入通用技术新课程实验的队伍的日益壮大,教师们在感觉通用技术课程开设十分必要和有意义 的时候,总是期望能有好的教学器材有效地应用于通用技术课程,这里对有悠久历史和良好品质的乐高积木 在通用技术课程中的应用作一客观分析和评述,乐高积木良好的操作性和对结构需求几乎无所不能地满足能 力,为我们提供了很好的具有创造性和可持续发展性的教具资源。但有教具并不是最重要的,更重要的是有 效地使用教具达到课程目标,促进学生的发展,促进课程的发展。

通用技术新课程由于它显著的实践性和高度 综合性,需要融有现代技术,有助于教学目标实 现的好的教具和学具,在人们心目中的智能机器 人器材——乐高积木,就其自身的品种、结构、 质量和功能,能作为通用技术课程的好的教具和 学具吗?

为学生搭建了很好的成长平台。 目前乐高的积木主要是结构类,品种已达 6000 种以上。模型设计从桥梁到房屋到艺术雕塑,从古 代建筑到近现代建筑,从航天飞机到火车到汽车到 过山车,乐高积木几乎无所不能,不仅能很好地表 现结构原理,而且惟妙惟肖,十分逼真,尤其是他 的传动、连接部分科学的精致的设计,使拼搭出的 作品的吻合度、精致度、运动和控制功能的实现以 及良好的操作性,留给操作者的无限构思,无穷创 意,加上电子控制积木和图形软件的使用,使其他 器材无法与之相比。目前建在丹麦、 英国、德国、 美国、香港等国家和地区的多个大型乐高主题公园, 各种仿真建筑的展示,就是乐高积木功能的很好体 现,每年吸引着成千上万的游人欣赏和体验。乐高 积木有很好的通用性和延续性,无论是 1958 年的积 木还是 2008 年的积木,都可以无障碍地自然连接, 不会淘汰,体现着可持续发展的现代理念。 我国成功举办奥运会之时,乐高爱好者在香港 新世纪广场用乐高积木搭出了国家奧林匹克主体建 筑,虽然没有其他正式的乐高主题公园精致、气派, 但足可见乐高积木的功能。

一、乐高器材的功能和优势
已有 76 年历史的乐高积木,是世界公认的智力 玩具的品牌,在青少年教育上有着瞩人的成就。从 八十年代初成立乐高教育部以来,乐高教育一直与 国际顶尖的教育专家合作,研究和开发适合学校的 科学、技术、数学、物理等课程学习的积木产品, 近年来乐高教育又与美国麻省理工学院(MIT)多媒 体实验室及其他机构组织合作开发出了 RCX、NXT、 传感器、马达等一些电子及控制核心积木,开发出 了直观、简单、能实现编程的图形编程软件,形成 了人们所熟知的乐高智能机器人器材系列。但无论 如何发展,乐高教育始终发挥着其器材的优势,侧 重于在设计制作中培养使用者解决问题能力、沟通 表达能力、自我学习能力和创新实践能力,这无疑

乐高积木 50 周年纪念时间轴

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其设计的一般思想和方法;具有一定的技术探究、 运用技术原理解决实际问题以及终身进行技术学习 的能力;形成和保持对技术的兴趣和学习愿望,具 有正确的技术观和较强的技术创新意识;养成积极、 负责、安全地使用技术的行为习惯,发展初步的技 术能力和一定的职业规划能力,为迎接未来社会挑 战、提高生活质量、实现终生发展奠定基础。课程 的目标要落实到具体的课程中,除了课程标准、课 程计划和教材等基本要素的落实外,生动活泼的课 堂,引人入胜的教学,充满生机的互动,令人难忘 的实践,尤其是其立足实践、注重创造、高度综合、 科学与人文融合的特点,需要课程有相应的,能说 明问题、发挥作用的教具和学具作支撑。目前担任 课程教学的教师面临的最大的困难是,有教材和教 参,有些相关的资料也可以通过网络搜寻得到,但 对于新课程,没有现成的教具、学具,需要自己去 开发,去实施教学。 由于通用技术课程的特点,其教具和学具并不 像物理、化学、生物等传统课程的教具,是为了说 明问题,通过实验验证理论。而是要求:1)有设计 和技术的体现;2)有创新和发展的承载;3)能说明 相关问题;4)有利于学生研究挖掘;5)方便学生 操作和体验;6)能激发学生的学习热情,营造良好 的课堂学习氛围等。

三、乐高积木教具的开发
如前所述,乐高积木因其结构合理,质量好, 品种多,便于设计和搭建,更由于乐高教育的理念 和通用技术课程的立足实践、注重创造、高度综合、 科学与人文融合的特点相融合,自然成为通用技术 课程所考虑的对象。但乐高积木毕竟只是积木,其 本身并不是教具,也不是可以任意剪裁的材料,怎 样才能把乐高积木作为教具使用呢?其途径有以下 几种: 1) 借用别人已经设计制作好的样本。包括在 其他领域使用的成熟的作品,像乐高主题公园和奥

二、通用技术课程的需求
正在起步和发展的新课程——通用技术课程, 是在现代社会高速发展的基础上,应全球政治、经 济发展对人才的客观需求,为构建具有中国特色、 充满活力的普通高中课程体系所增设的新课程,其 课程设置的基本目标是以提高学生技术素养、促进 学生全面而富有个性的发展,即通过通用技术课程 的学习,学生将拓展技术学习的视野,学会和掌握 一些通用技术的基本知识和基本技能,掌握技术及
专心 爱心

运主体建筑中出现的可利用的作品; 2) 备课教师通过研究教材自己设计出的作 品。像我校在控制系统单元就根据教材内容,使用 乐高积木研究、设计出简易自动升旗装置,不仅完 成而且发展了教材的要求; 3) 让一部分比较熟悉乐高积木的学生根据教 材内容研究设计教具。我校就有学生研究设计并且 制作出了很能说明开环控制系统的工作过程的自 动栏杆装置,能说明三角形稳定性结构的塔式吊
用心 7

车等。设计制作的过程,本身就是学生的一个自 主学习过程,是技术和设计的体验过程,也是创 新的实践过程,学生从中获得的比通过教师教学 获得的多得多; 4) 作为全体学生的一项设计实践内容。让全 体学生在技术与设计中学习技术与设计,从而提高 技术素养,积累教具品种; 5) 直接作为设计材料使用。 由于通用技术既是新课程,又是发展的课程, 而且随着技术的发展,新技术、新材料的不断涌现, 课程的教具呈现不断的发展性和变化性,乐高积木 的方便搭建和拆卸,为教具的变化提供了很大的空 间。同时由于他的结构的通用性和延续性,使得旧 的积木不会被淘汰,新旧积木可以很好地融合,可 以有效地发展设计,节约资源。 这里值得一提的是,在通用技术课堂上,决不 是唯乐高积木为教具,凡教学需要,就把乐高积木 用上,这是一种形而上学的教条,或者说是在为乐 高产品作劣质的、 失败的广告。 比如在技术与设计 1 中,教材多次使用了灯的案例,有人提议提供乐高 积木(包括电子的和控制的积木),组织学生开展设 计制作等的活动。其实这不仅起不到提高学生技术 素养,理解教材内容和知识点的作用,还耽误了课 堂,空耗了时间,无意义地增加了组织教学的工作 量,无意义地耗费了器材。灯的设计和制作完全可 以用实物电子元件导线、发光二极管、电池等,除 了线路和功能设计,学生还可以充分利用辅助材料 设计灯罩和灯座,实践真实环境下的设计。 通用技术课程的教具是多元化的,乐高积木不 能作为通用技术教学的唯一教具选择,只有和课程 的目标,教学的内容,学生的发展紧密地、有机地 结合,才能成为好的教具和学具。

学生在设计实践中认识系统、构成的元素及其相互 之间的关系及系统的特点。有教师马上想到乐高积 木的巨大功能,把电子和控制积木全部搬上,让学 生实践设计手电筒,学生根据提供的器材,想到的 自然是要使用高级设备控制积木,还需要电脑编 程,花了将近 1 节课,只有部分同学完成了自动 控制电筒的设计制作。完成了课堂教学目标吗? 否。为什么?因为教师设计的实践目标不明确。 也有教师设计用乐高的马达、轴套和灯泡,再加 上一段棉线,很简单的器材,让 2 人一组设计制 作出能持续发光的手电,既不用电脑编程,也不 用微处理器和传感器,时间消耗也只有十分钟左 右,学生只要做了,就能完成,而且可以充分发 挥聪敏才智,能对所设计的系统进行分析,通过 经历和体验能掌握系统的组成和特点。所以使用 教具一定是要围绕教学目标的,对教学目标的实 现有促进的、 成本低 的 (含课堂成本、 时 间成本和智力成 本)、有效的。 其次,开发出的 教具怎样使用。比如 对前面提到的学生 开发出的自动栏杆的教具,教师都感觉很好。有教 师仅仅是为使用而使用,在大段讲解了开环控制系 统的概念后,展示一下,仅增加一个课堂学生观察 的实物而已。有教师在学生通过一定形式认识了开 环控制系统以后,让学生操作自动栏杆,分析并写 出控制系统工作过程方框图,再操作验证,判断控 制系统所属类别,让教具不仅是一件摆设,充分发 挥教具的帮助认识和理解的作用,同时动一动和看 一看所带给学生的是不同的吸引,不同的感受,不

四、乐高教具的有效使用
事实上,由于乐高积木的悠久历史和广泛应用, 开发乐高教具已不是难事,有了乐高教具以后怎样 有效使用,这才是解决问题的关键。 首先,要明确教具使用的目的。只要能达到目 的,有简单的,绝不用复杂的,控制积木微处理器 能不用则尽量不要上场。这不仅在于绝大多数学校 没有那样多的微处理器,不能在课程中普及,更是 在于对达到目的是帮助还是干扰。比如在系统与设 计单元,书中有自发电手电筒的设计,其目的是让
马达 栏杆 蜗杆变速箱 传感器 手摇柄

同的收获,谁更有效,不言自明。每一件教具的使 用都有着使用效益的问题,要有效地使用教具,需 要教师很好地理解教学目标,认识教具,理解教材, 理解学生。 (下转第 122 页)

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基于乐高教育平台的高中技术类课程教学
The Technological Course Teaching for High School Based on the Lego Educational Platform
谈文超,吴俊,章森 上海师范大学
摘 要:在人类文明史上,科学技术的发展不断地改变着人类的生活、思考方式。如何在高中教育中对青少

年进行合理、有效的技术类课程教育将会引起教育界的关注。技术类课程的主要任务是培养学生以科学技术 为基础的实践能力。由于学生对课堂知识的学习往往是限于书本范围,而通过技术类课程的开展,则可使学 生直观地了解书本知识的现实运用,培养学生的技术素养。本文针对基于乐高教育平台的技术类课程的开展, 从课程教学所涉及到的技术设计、电子控件技术和简易机器人制作三个方面进行概述。其中,就技术设计方 面着重进行课程设置的分析,可分为四个步骤:结构设计、流程设计、系统设计和控制设计,并提出了一些 教学建议,以便教师在实际开展过程中运用。另外,文中还探讨了技术类课程与其他高中课程的互相结合, 为其他课程的开展提供更好的实践平台。 关键词:技术素养 高中技术类课程 实践能力 乐高教育

Abstracts: The development of science and technology transforms the way of peoples' living and thinking in the history of human beings’ civilization. It will catch the attention of the educational field that working out the way to give the adolescents the reasonable and effective technologic course teaching for high school education. The course teaching’s main task is to cultivate the practice ability based on the science and technology. Generally, the study of students’ classroom knowledge is often limited to the books. The development of the technologic course teaching could let the students learn the practice application of the knowledge from the books and cultivate their technological capability. The passage is focus on the development of the technological course based on the Lego educational platform. It is summarized from the three different parts involved in the course teaching, including technological design, electronic control technology and the make of the simple robot. The setting of the course is analyzed from the aspect of the technological design. It can be divided into four processes as follows: structure, process, system and control design. And some teaching advises are proposed in order to be adopted by the teachers when they are conducting the programmer. Moreover, the discussion of the mutual integration between the course of technology and the other high school ones offers a better platform for the development of the other courses Key words: Technologic course, Practice ability, Technological capability, the Lego educational platform

一、提高我国青少年技术素养的重要性
“自然和自然的规律,隐藏在黑暗里。上帝说: ‘生一个牛顿出来吧! ’于是,一切都变得光明了! ” 英国诗人蒲普道出了牛顿的出现对于我们整个自然 科学世界具有的非凡意义。如同牛顿的科学理论给 我们探索、研究世界万物带来了光明,哈格里夫斯 的珍妮纺纱机、瓦特的蒸气机改良所掀起的第一次 工业革命,给人类技术发展带来了巨大改革,开创 了以机器为主代替以手工为主的蒸汽时代。之后, 科学技术的发展突飞猛进,各种新技术、新发明层
专心 爱心

出不穷,并被迅速应用于工业生产,促成了第二次 工业革命的爆发,使人类跨入了电气时代。 如今,科学技术已经成为我们农业和工业发展 进步的重要组成部分,影响着各行各业。科学技术 亦是社会发展的必要条件,并在经济全球化的社会 中发挥着决定性的作用,成为经济发展的推动力。 科学技术已成为衡量一个国家竞争能力的重要标 准。因此只有拥有高新技术的国家,才可能在世界 舞台上立于不败之地。故而培养公民的技术素养就 具有十分重要的意义。在美国“2061”计划和“科
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学文化”的标准中制定了包括教育与科学、设计与 系统、技术中的问题等方面在内的技术教育内容, 梁启超先生有云: “少年进步则国进步,少年胜于欧 洲, 则国胜于欧洲, 少年雄于地球, 则国雄于地球” 。 因此公民的技术素养应重点从青少年抓起。 选修课程是在必修课程的基础上,针对不同地 区、不同学校的条件,为满足学生的不同兴趣和不 同发展需要而开设的课程。 共有 7 个模块:电子控 制技术、建筑及其设计、简易机器人制作、现代农 业技术、家政与生活技术、服装及其设计、汽车驾 驶与保养。 这些课程拓展了学生的素质教育基础, 有助于进 一步提高学生的技术素养, 培养学生学习兴趣。 目前, 乐高教育平台最为系统和经典的应用主要有四方面, 同时也是四门通用技术教育系列: 分别是技术与设计 1 和 2、电子控制技术以及简易机器人制作。
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二、普通高中通用技术课程简介
在现行的教育体制中,无论是九年制义务教育, 还是三年的高中教育或成才教育,学生的科学素养 是并不欠缺的。尤其是经过三年高中学习的学生, 他们的科学素养,人文素养培养内容可以说是十分 丰富的,但只知道学术知识而缺乏动手能力。只是 单一的纯理论的学习,并不是完整的学习,我们要 注重学术性课程与技术课程的均衡性。好在近几年 教育部门大力开展高中技术类课程的教育,并为高 中技术类课程拟定了一个课程标准——普通高中通 用技术课程标准(试验) ,为我们开展高中技术类课 程开启了一盏明灯。 普通高中技术课程与九年义务教育中的信息技 术教育和劳动技术教育相衔接,面向全体学生,注 重学生的发展,提高学生的技术素养。以学生为主 体,与生活实际相结合提高学生团队协作能力、创 造能力、探究能力,使学生在接受技术教育的同时, 进行人生观、价值观、世界观的培养塑造,为学生 将来人生定位、服务社会打下良好的基础。 通用技术的学科教育涉及多门学科教育,分为 必修和选修两部分。 必修课程为技术与设计 1 和 2, 是全体高中生必 学且必须达到的最低技术素养水平,并为学生学习 后续的选修课提供了必备的基础。我们通过图 2-1 (a)和图 2-1(b)可以清楚地了解到这两个必修模 块的主题组成。

三、基于乐高教育平台的技术类课程教学
(一)技术与设计 在教学过程中,我们可以将技术与设计 1 的思 想融入技术与设计 2 的课程中,使得两门必修课程 可以交叉渗透,免去了技术与设计 1 纯理论教学的 乏味,使得教学的成果更为显著。我们可以将整个 教学过程分为构建前、构建模型和构建后三个主要 部分。设计前可以分为发现与明确问题、制定设计 方案两个部分。构建后又可分方案优化、产品使用 说明或是产品的构建思想以及产品评价。这样即可 将两个课程的内容有机地结合起来。下面我就技术 与设计 2 的课程设置结合案例来讲述一下乐高平台 下必修课教学。 按课程设置分为: 1、结构与设计 从我们坐的凳子到我们吃饭、放物品的桌子, 从我们居住的房子到我们出行乘坐的交通工具,可 以说我们的生活处处包含着结构。在这个部分的教 学中,我们可以联系学生熟悉的事物,从最简单的 结构开始构建。让他们了解技术、运用技术、认识 结构与设计的魅力以及构建结构的乐趣。图3-1-1 (a)是最为简单的桌子结构。图3-1-1(b)是斜拉 桥结构。图3-1-1(c)是桁架塔机构。图3-1-1(d) 为房梁框架结构。

图 2-1(a)

图 2-1(b)
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普通高中通用技术课程标准(试验)

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些流程设计的案例,画出流程框图,说明它们的设 计特点。例如:煮一道菜的流程、家用电器工作流 程、小区巴士运作的流程、ATM 机取款的流程等等。 案例 1 认识流程——小区巴士运作 教学目标: ? 通过一个机器人巴士的行驶,理解流程的 概念。
图3-1-1(a) 图3-1-1(b) 图3-1-1(c) 图3-1-1(d)

? 通过机器人的运动方式的设计, 初步理解流 程的设计。 ? 通过图形化编程的方法, 初步学会简单系统 设计的基本方法。 任务描述: 一辆巴士,要经过四个站台,完成一个完整的 线路行驶,四个站台呈正方形格局。如图 3-2-1 所示。结合巴士运动方式,想一想,这辆巴士的 工作流程是怎么样的?(图 3-2-2 为巴士工作的 流程设计)如果这辆巴士是无人驾驶的智能汽车, 你是否可以按照巴士的工作流程简单的设计一个 简单系统呢?

在这四组图形中,每组图形的上图是我们生活 中常见的结构,而下图就是利用乐高零件构建的结 构。在我们利用这些零件构建结构的时候,通常会 用稳固、牢固这两个词。我们可以通过上图的这个 模型结构发现,这四个机构有两个共同的特点,运 用了层叠连接的方式和三角形结构,这些都可以使 结构起到稳固和牢固的作用。图3-1-2(a)为三角 形结构,用乐高的梁形成一个三角形,其形状是不会 改变的。图3-1-2(b)为层叠连接结构,使用更多 的板来连接,可以对材料强度起到加固作用。通过这 些结构构建的学习,学生就可了解结构是如何承受 应力,通过反复的构建测试他们更会发现影响结构 的强度和稳定性的因素具体的几个方面,等等。

图3-1-2(a)

设计参考: 这里需要学生制作乐高机器人, 并利用 ROBOLAB 进行程序编写,从而学习流程的初步设计。由于本 节机器人的搭建不是我们的主要目的,所以尽可能 简化地要求学生设计并搭建出机器人。运用两个 马达,连接在 NXT 主体上,插上轮子便可以让“机
图3-1-2(b)

器人巴士”移动(如图 3-2-4 所示) 。同时我们也 构建出 RCX 机器人巴士(如图 3-2-5 所示) ,也可 以达到相同的效果。这样一来打开 ROBOLAB2.9 就 完全可以给这两个机器人编辑程序。

2、流程与设计 在这个模块的学习中,我们首先要让学生了解 流程的含义及其对生产、生活的意义。通过分析某
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图3-2-7

八步的流程,在我们的 ROBOLAB 的软件中就显 示为 8 个过程: 第一步,也就是流程的第一步,机器人巴士前 进,时间可以根据场地条件来设定。

程序编写: 打开 ROBOLAB 选择导航者级别 4

图3-2-8

图3-2-9 图3-2-6

第二步,当机人巴士转弯90度,转弯时,一个 马达转动,一个马达停止,转弯所需要的时间视场 地和机器人而定。

导航者级别4就是一个非常好的流程化设计的 环境,在这里可以随性地添加步骤。

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图3-2-12

在本小节中还有一个重要的内容就是能解释流
图3-2-10

程的改进与设备、材料等之间的关系,能概括某种 简单生产流程优化过程中所应考虑的主要问题。因 此 我 们 需 要 一 个 辅 助 软 件 — — 乐 高 CAD ( 如 图 3-2-13) 。这个软件可以将设计思想快速地展现出 来,主要有以下功能:仿真搭建、零件统计、自动 绘图、生成效果图。这些功能具有一定的延续性, 往往需要一步步完成才会有下一个功能。同时它还 拥有四个方面的主要应用:进行辅助设计、解决缺 少器材的问题、保留有价值的作品、为编写教材提 供工具。可以说乐高CAD的运用是十分广泛的。在本 课程中,学生主要的运用是前三项。

教学建议: 1、让学生分析机器人巴士的运动过程,引导学 生自己分析出其工作流程。建立流程的概念。 2、通过机器人的测试,学生自己去寻找到两个 时间,逐步调整强化对流程中每一个步骤的了解。 3、当学生发现,这个四边形的流程中,后几步 是在不断地重复前两步,这时候,可以向学生介绍 循环的概念,这也是一种流程的优化。

图 3-2-13 MLCad 主窗口视图

图3-2-11

4、如果学生有更多时间,已经对这个简单的流 程有所认识了,可以给他们类似的、更加复杂的流 程进行设计: 例如:多边形、五角星。

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图 3-2-14 MLCad 编辑车模视图

想大部分的人都会回答汽车。的确,汽车已成为我 们生活中不可缺少的交通工具。在流程与设计的模 块中我们已经搭建了一个最为简单的NXT巴士机器 人(图3-2-4) ,可以说这辆巴士机器人是个比较简 单的动力系统。 能源危机是当今世界遇到的主要问题,节能已 成为一个十分时尚的话题。我们还可以利用乐高组 件中的太阳能电池板、电容、光感来制作一个简易 的路灯。 4、控制与设计 在这个模块的教学中主要让学生知道控制的分 类:手动控制、自动控制,熟悉简单的开环控制系 统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。 在上个模块中,我们所讨论的简易手电筒制作就是 一个典型的手动控制系统,而太阳能节能路灯即是 自动控制系统。学生很容易即可了解这些概念。在 这个模块的学习中要让学生深刻了解到自动化工作 的优越性,让学生对技术有更新更深刻的认识。图 3-4-1为温控电风扇的模型,RCX内置的程序可让电 风扇根据温度的变化改变电风扇的马力,当温度高 于30度时,风扇高速旋转;当温度低于30度高于27 度时中速旋转;当温度低于27度时慢速旋转。程序 如图3-4-3所示。图3-4-2为又超声传感器控制的自 动交通门。

3、系统与设计 在这个模块的学习中,不一定要将所有系统都 一一罗列,中学物理主要以机械运动为主,我们可 以结合学生熟悉的机械系统以及动力系统进行主要 的分析与评价。再结合当今社会十分重视的一个环 节——能源系统,可让学生了解技术是不断发展以 及鲜明的时代性,增强对当代先进技术及其文化的 理解,实现由感性认识到理性认识的飞跃。 首先,要让学生懂得系统的概念,我们可以举 个最为简单的例子,手电筒可以称为一个简单的工 作系统。手电筒最为简单的模型便是一个小电珠、 一根长导线以及一个开关,我们利用乐高部件将这 个系统更简单地表达出来,如图3-3-2(b)所示,乐 高小电珠、触感就可以做到。我们用NXT充当电池功 能,连接导线、小电珠以及触感,简单地编辑下程 序,一个简易的手电筒就这样制作完成了,如图 3-3-2(c)所示。

待学生明白简单系统后,我们便可以让他们深 入地了解更多的系统。在整个太阳系中,日、地、 月就是我们的一个十分熟知的运动系统,那么我们 是否可以也用乐高部件将这个系统表现出来呢?当 然可以!首先,我们需要简单地了解公转自转,明 白哪颗行星在自转的同时还围绕着哪颗星公转,当 然,我们还需知道行星公转与自转的方向,接下来 就是考验动手能力以及创造能力的时候了。图3-3-3 为日地月三个星球公转自转的模型。

(二)电子控件技术 平时生活中,我们常见的动力系统是什么?我 14 电子控件技术主要分为一下几个主题:传感器、

数字电路、电磁继电器、电子控件系统及其应用。 乐高部件中标准传感器有角度位移传感器、光电传 感器、温度传感器、触动传感器、声音传感器、CLI 触动传感器、超声波传感器等等。它们也是机器人 制作时不可缺少的组成部分。在给学生介绍传感器 的时侯可以用这些传感器设计简易机器人,作为一 种授课方式既形象又生动,使得学生对传感器的了 解直接跨越到理性认识。 我们可以通过简单的乐高部件的搭建,配合 ROBOLAB图形化编程即可制作出一个逻辑门电路,读 者不妨自行构建一下。通过这些部件以及传感器制 作出的机器人,就是一个简单的电子控件系统了, 在整个系统中,有传感器,有触发,更有输出。因 此,将乐高组件运用于电子技术选修课程并结合电 子技术本身的特点进行教学将会给整个课程增添无 穷的乐趣与惊喜。 (三)简易机器人制作 在前两个模块的课程介绍中,都有提到机器人 制作。乐高教育平台最终的目的就是让学生制作出 一个拥有个人特色的机器人出来,从中培养学生各 个方面的能力。在这个平台的基础上制作机器人非 常容易,学生只要简单了解单片机的知识,利用乐 高部件构建出他们想要的模型,通过简单易学的图 形化计算机编程软件ROBOLAB在计算机上编写程序, 最后通过与计算机相连的红外发射器或数据线将程 序下载到机器人的大脑——RCX或NXT中,这样学生 们就可以设计出专属于自己的机器人。在技术与设 计模块的介绍中,我们已经介绍了不少机器人制作 的例子。在这个领域里没有尽头,还有许许多多的 模型结构等待着我们去创造,许许多多的新颖好玩 的方案等待着我们去设计与开发。希望学生在机器 人制作的过程中成长,希望每个喜欢机器人制作的 学生们通过进一步学习后可以为社会服务,奉献出 自己的一份力量,更希望它可以成为每个喜欢这门 课程的朋友们的终生玩伴。

是个从未接触过的领域。学生还需学习有关单片机 方面的知识,加重了他们的课业负担,但利用乐高 教育部件来教授简易机器人课程就与之截然不同。 在整个活动过程中,学生们只需拥有初中物理学科 电学部分知识就可以完成乐高平台下的机器人制作 中的电路,它无需动用电烙铁、钳子等工具,比起 制作复杂的集成电路而言相对容易了许多,同时也 安全了许多。ROBOLAB图形化软件易学易懂,学生只 需要掌握简单的循环、分支、套嵌、变量等编程基 础,便可以轻松地进行编程,与枯燥无味的计算机 语言相比可谓大相径庭,更增添了许多的乐趣。 杜威主张“从做中学”的理论,他重视学生的 主动性、创造性。如今得到很多教育人的关注,而 “做中学”也是乐高教育理念。学生在边学习机器 人制作的同时他们会慢慢接触到很多还未学习到的 知识,在这种带着疑问与好奇的情形下即可学习到 很多课本以外知识。机器人教学以学生为主体,与 以往“听中学”的教学方式有很大不同。老师在一 旁并不是告诉学生一步步应该怎么做,而是让学生 以小组的形式共同讨论来完成一个任务,当学生有 困难时进行点拨,再让学生们自己完成。整个教学 没有教材,更没有任何的标准答案,每节课后总会 有个比赛,看哪组学生的作品的方案好,通过比赛 不仅调动了每个同学的积极性与课堂气氛,还可让 学生看看其他机器人的方案与结构,学习其他小组 的优点再做改进。在这个过程中,不但培养学生的 思考问题的能力、团体协作能力与沟通能力,还增 强了学生解决问题的能力、创新意识及竞争意识。

五、机器人教学与其它学科的相互渗透
(一)生物 光感一直充当着RCX或NXT眼睛,帮助他们寻线、 探路、辨明方面。在教学生安装光感的同时可以和 他们简单介绍一下眼睛的基本结构,从感性认识到 理性认识。图5-1-1为光感的安装方法。与此同时, 在构建机器人的时候,有时还需构建手与脚的结构, 都需要结合生物特点。图5-1-2为乐高积木构建出了 DNA分子结构模型。

四、利用乐高教育平台的优越性
首先其产品本身就具有很突出的特点,虽然乐 高部件是以塑料为材料,但是它却具有稳定、耐磨、 高韧性等特点,可长久地保持色彩鲜艳。其凸点就 有很好的配合度,每个零件的公差精度小于5μ m, 保证了构件之间的联接牢固可靠。产品的种类齐全, 可以通过不同年龄段,不同需要的玩家们使用。 普通高中通用技术课程中的简易机器人制作主 要以单片机为主,但单片机对于普通的高中生而言
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一片沃土。结合高中物理的课程结构,将动力机械 分为:杠杆、滑轮(组) 、齿轮、斜面、机械传动等 五个部分。 图5-3-1为简单的杠杆模型, 分别由钳子、 多级钳子、天平、杠杆组成。图5-3-2为机械传动装 置,皮带轮。学生可以通过在皮带轮上放置一轻质 物体,观察轻质物体的运动情况。图5-3-3为动滑轮 和定滑轮,或称为滑轮组。通过齿轮和链条连接同 时也运用了齿轮的知识,同样可以观察大齿轮运动
图 5-1-1 图 5-1-2

一周时小齿轮运动了多少,他们的角速度、线速度 同样也是一个值得观察的物理问题。

(二)数学 学生利用ROBOLAB进行编程的时候,可以培养其 逻辑思维能力。崔运生,浙江省余姚市实验学校教 师,他利用乐高及ROBOLAB编程软件进行逻辑数学相 关知识的教学研究,很好地解决了许多学生逻辑数 学方面的不足。而逻辑数学方面的知识加强了,就 可以更好地帮助学生对自己的机器人进行编程,做 出他们满意的方案。 乐高CAD软件是一款计算机辅助设计软件。在乐 高模型的设计与制作的过程中有时需使用到这些软 件,它可以很快将设计者的构思显现出来,其三维 的显示模式可以将乐高模型的方方面面一一体现。 在设计的过程中,设计者需要一定的空间思维能力, 因此在学习这个软件进行设计模型的同时,还可以 提高学生的空间思维能力,这对学生学习立体几何 将会有很大的帮助。如图3-2-14所示的MLCad编辑车 模视图从不同的角度将乐高积木搭建的小车展现出 来。 (三)物理 在整个技术类课程的学习或是教学过程中,物 理学科知识可以说是贯穿于整个环节。在构建模型 的过程中,结构、动力机械、电路等方面知识和物 理学科知识相互渗透,相辅相成。 例如在技术与设计模块中,我们所提到的结构 与设计中的结构就与力学知识有关联。图3-1-1(b) 是斜拉桥的结构模型,拥有高中一年级知识水平的 高中生都知道斜拉桥蕴含着力的合成与分解的相关 知识。除了搭建时构建的稳固性是个难点之外,还 有一个难点就是如何有效地将绳连接于桥墩与桥面 之间,绳子的倾斜度为多大,需要几根绳子等等。 待学生通过不断地设计不断地构建之后,相信其对 力的合成与分解的知识又有了更多认识,再次由感 性认识飞跃到理性认识。 除结构外,动力机械也是物理学科知识发挥的

六、结束语
在为期几个月的毕业设计过程中,经过我的努 力和我们机器人课程小组的通力合作以及吴俊老师 的帮助,我的毕业论文设计顺利完成。在我设计论 文的过程中,还学习到了很多未曾学习到的知识, 更体会到了团体合作的力量和其优越性,这也正是 乐高教育的一个特色:在做中学的同时培养学生的 团队协作能力以及创新意识。通过老师指导、点拨 和我自己翻阅资料归类总结的过程中,我更深深体 会到了作为一个教育人的不易,我要将最好最精华 最先进的教育带给所有的渴望获取知识孩子们又或 者是对学习有抵抗情绪的孩子们,让渴望获取知识 的孩子们学习得更轻松更科学,让对学习有抵抗情 绪的孩子从中获得对学习的兴趣。 在论文设计的过程中,我也深深感受到了技术 素养的重要性。从起初拿起两个积木不知干什么, 不知怎么做,到现在可以按照自己的想法搭建出可 以令自己满意的模型。我不但提高了自己的动手能 力,更让我对技术素养有了更新更为全面的认识。 在这个过程中要感谢章森老师对我的指点和帮助, 感谢吴俊老师和我们整个小组的成员,因为他们, 我才会明白纯理论的学习是不完整的学习, “填鸭 式”的教学方法是应该否定的,我们要将所学的知 识与生活实际相结合,我们要将灌输式的教育模式 变为“做中学”教育理念。这样才可以让孩子们对 学习有了更新的认识,让我们教育人有了更为科学 的教学方法。 参考文献
[1] 林宏华,开好《通用技术》课程 提升学生技术 素养, 《湖南教育(教育综合),2007(09) 》

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[2] 王秀红,人的发展——普通高中技术教育所追 求的最高目标,《天津科技》 ,2004(05) [3] 刘全良主编, 《基于LEGO的工程创新设计》 ,机械 工业出版社,2006 [4] 卢梅, 于晓红, 李威, 崔兴山, 史铁军, 基于LEGO 可编程控制器开展机械创新设计的教学改革,《实验技术 与管理》 ,2004(06) [5] 林建祥, LOGO思想方法论指导中小学机器人教育

——林建祥教授访谈, 《信息技术教育》 ,2005(11) [6] Dave B, John H. NOC Programmer ’s Guide. http://bricxcc.sourceforce.net [7] http://www.semia.com 教学资源 [8] http://www.robodtiy.com 机器人发烧友天地 西觅亚网站,机器人

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