乐高机械组件在《航空机械基础》中的应用

乐高机械组件在《航空机械基础》中的应用

陶理，高春瑾

(广州民航职业技术学院广东广州510407)

摘要

《航空机械基础》中涉及的机械原理部分是课程的重点和难点，传统教学无法直观的展示其动态过程及原理。本文将乐高机械组件引入“四杆机构”的教学，以学生为中心，通过小组合作学习的方式，对教学过程进行了重新设计。通过拼装组件、画图、测量、计算和讨论，让学生在学中做，做中学，并对此次教学实践进行了反思。

引言

《航空机械基础》是一门专业基础课，对飞机机电维修专业的学生至关重要，但是学起来普遍感到抽象、存在困难。主要原因是课本上的图都是平面图，课件里即使有动图，也只是作为展示使用，无法全面立体的展现一个机械装置的运动原理。要解决这个问题，需要将原理与机械实体联系起来，让学生能够动手操作机械，但是专业的机械教具大部分学校无法提供。通过使用乐高机械组教具，可以实现基本的原理模拟与动手操作，实现“学中做，做中学”的更高级的教学目标。学生也可以在自由，开放的学习氛围中自主建立个性化的知识体系。

一、乐高教学相关理论

1.乐高教学

乐高积木机械组件是将典型机械零件系列化与标准化，其结构具备很好的通用性和延续性。它的传动、连接部分科学精致的设计，使拼搭出的作品的吻合度高，有良好的操作性，可以使很多创意得以实现。乐高教学的原则简称为“4C原则”：联系（CONNECT）、建构（CONSTRUCT）、反思（CONTEMPLATE）、延续（CONTINUE）。可以很好地去激励学生探索[1]。乐高教学是创客教育的一种形式。国内的创客教育来源于美国，为解决传统教育无法有效培养学生的动手能力、独立思考能力这一弊端而提出，倡导以学生兴趣为基础，进行项目化学习，以团队合作的方式，提升解决问题的能力[2]。

2.项目式学习（PBL）

“基于项目式学习”即Project-based-learning，简称PBL，被广泛应用于探究性学习课堂中。项目式学习注重创建基于真实问题的情景，教师引导学生小组合作探索，在学习过程中搜集多学科知识，开展探究活动，并逐步解决问题。项目式学习的基本流程大致如下：确定项目-分析问题-搜集资料-确定解决方案-解决问题，整个学习过程即问题解决的过程，在课程结束，学习者通常会形成一定的成果，如设计的作品模型、调查报告等[3]。

二、乐高教学在《航空机械基础》课程的实践过程

以《航空机械基础》中“四杆机构”知识模块为例，引入乐高教具，通过小组合作学习的方式，对教学过程进行重新设计。图1是使用乐高机械组教具进行教学的全部过程。

表1教学设计过程

1、准备阶段

首先将教师录制的微课与套件拼装教程上传到网络平台，安排学生自主学习，完成视频后的测试题。该测试题可反复做，直至全部正确，保证学生在上课前已经了解各类型四杆机构的基本概念与性质。其中的知识点包括：四杆机构类型、四杆机构有曲柄的条件和四杆机构的传动特性。

2、实施过程

（1）分组。学生自由结组，每组5人。

（2）各组在不同长度的梁类积木中挑选合适长度的梁及相关乐高积木零件，使得拼装的四杆机构能够形成曲柄连杆机构。学生需要保证最短杆与最长杆长度之和小于等于另外两杆长度之和，并且最短杆作为曲柄，以此来考察学生对有曲柄条件的理解。

（3）完成任务，任务包括以下几项：

各组将套件按照要求进行拼装。

按实物勾画出曲柄与连杆共线的两个极限位置轮廓图，在图中量出曲柄在两个极限位置所夹锐角（考察极位夹角），并计算行程速比系数（考察急回特性）；

按实物勾画出曲柄与机架共线的两个极限位置轮廓图，画出两个极限位置的压力角与传动角，找出压力角最大位置，了解曲柄在不同位置下机构传动效果的变化。

将各组的计算的极位夹角与行程速比系数的结果进行汇总，讨论影响急回特性大小的相关因素。

体会“死点”状态：在曲柄摇杆机构中，以摇杆为原动件时会出现死点状态，以曲柄为原动件时，机构不存在死点状态；讨论消除死点的方法，例如多组错位排列、惯性飞轮等。

图1所展示的为一组学生拼搭的四杆机构实物及其完成任务所提交的图稿。

图1四杆机构实物图与图稿

（4）单元测验。教师在不同班级使用同一试题进行测试，以验证使用乐高组件教学的教学成果。

三、教学反思

首先，通过使用乐高机械组件进行教学，可以更加直观的展现四杆机构的传动过程与特性。例如，通过绘制曲柄与连杆、机架分别共线的极限位置，可以让学生直观的理解四杆机构的急回特性以及压力角的性质。而这些性质都是由真实的几何关系所约束，无法通过观察教材中的机构运动简图来理解。

其次，基于乐高的教学可以寓教于乐。学生愿意动手完成实物拼装，就会更加积极地去思考其中的原理。通过小组的合作学习，学生的互相讨论使课堂做到“以学生为中心”，促使学生构建个性化知识体系。

最后，同教师的不同班级进行的单元测验结果显示，使用乐高机械组件教学的班级成绩平均分显著高于其他班级。此结果是可以预见的，因为在教学的过程中，教师可以准确的发现学生的理解偏差，进行过程性评价，并及时给予纠正，这是传统的教学无法实现的效果。

参考文献

[1]赵瑞.运用乐高教具提高中职机械制图课程的教学效果[J].计算机光盘软件与应用,2015,18(01):248-249.

[2]杨晓哲,任友群.数字化时代的STEM教育与创客教育[J].开放教育研究,2015,21(05):35-40.

[3]陈宝红.基于乐高的技术体验教学模式探究——以“系统的结构”教学设计为案例[J].福建教育学院学报,2013,14(02):83-86.

作者简介：

陶理（1987-），男，汉族，江西，专职教师/助教，硕士研究生，广州民航职业技术学院飞机机电设备维修工程系，飞机结构与航空工程材料。