“乐高”在小学科学工程技术核心概念学习中的应用

“乐高”在小学科学工程技术核心概念学习中的应用

孙静

(杭州市西溪实验学校,浙江省杭州市,310030)

【摘要】人工智能技术在教育领域的应用越来越广泛，它丰富了传统教学的手段和教学内容。本文通过几个案例，分别介绍了“乐高”机器人在小学科学工程、技术与社会核心概念教学中的应用与实践。这些实践活动既能激发学生学习的兴趣又有利于学生理解技术与工程对人们生活、生产和社会的影响，还能利用创意作品进行自主探究。在反复探究和搭建作品活动中培养了学生的关键能力和必备品格。

【关键词】小学科学 乐高机器人 工程技术

【正文】

目前，小学科学工程、技术与社会的核心概念教学存在教与学方式单向，学生的体验活动开展不充分，学习视野狭窄，人文关注缺失等问题。笔者将“乐高”机器人引入课堂，融入到不同年段的科学教学中，大大增加了学生的学习兴趣，创造性地解决了工程、技术与社会核心概念教学中的材料、结构、测试以及功能实现等问题。将部分科学课与综合实践课和拓展课相结合，保证学生持续、深入、长时间的探究有充足的时间和技术支持。

（一）帮助学生多学科跨学科解决问题

制作“气象站”模型。该活动涉及到工程的选址、搭建，技术的应用，以及技术和工程对人们生活的影响。

四年级的观测和记录天气活动是持续一个月对天气现象进行观察和记录。教学中往往存在一些问题：学生在课后一个月的长时间探究里，温度计易破损、测量精准性差，学生因种种原因难以在每天的同一时间进行观测记录。为测风向而自制的风旗虽然丰富了学生的体验，但观测效果差，学生兴趣降低，记录不完整。每个班每周只有两个课时的科学课，笔者很难每天督促、指导、反馈。这些或直接或间接地导致长时间探究活动难以持续开展，最终影响了观测数据的科学性，并使得后续的数据分析失去了意义。

    基于以上问题，笔者在学生学会使用传统温度计测温度，自制风旗测风向，丰富了个体体验的基础上，决定鼓励学生自主设计和制作“气象站”模型，在课内完成一个月的观测和记录天气活动。

前期准备：了解温度计及风向风速仪的正确使用环境及使用方法

为学生提供传统气象站和现代气象站测量气温和风速风向方法的资料，以及一些气象网站。通过资料，知道传统百叶箱一般架设在离地1.5米的高度，避免地面温度对仪器的影响，也方便观测记录人员开箱记录。随着卫星技术、信息技术的发展，现代化的气象站可观测的天气要素更多、仪器更先进、数据传输更便捷、通过大数据分析得出的天气预报更准确。这些知识使学生在设计和制作“气象站”模型时更有的放矢。

活动开展：使用“乐高”机器人搭建“气象站”

“气象站”需要对温度、湿度、雨量、风速、PM2.5等均有测量，而学生只需选择一项进行设计、搭建和编程。最终举全班之力，将“气象站”搭建成功。 

这个“气象站”建在哪里，大概什么样？需要实现什么功能？这些问题的提出带给学生很大的冲击和挑战。在实现测量温度和湿度功能时，笔者介绍了两个传感器，温度和湿度传感器，一下子拓宽了学生的视野，从传统的温湿度计中突破出来。通过编写两个传感器的程序，可以将实时获得的温度和湿度数据读写出来，而学生需要考虑的就是怎样把这项技术应用到合适的场景里，使得到的数据更符合气象学的要求。比如，传感器要放置在通风、高处，避免太阳直射。它们都是学生在建构模型时需要考虑的问题。学生在搭建仪器支架时，为了仪器的稳定性，先后进行了多次尝试。从考虑上小下大、上轻下重的结构，到动手搭建测试，经过了几番对比和改进，最终选择在支架的底部添加“乐高”套材中的魔术贴，在底部增加配重，并将支架的每个榫头固定点错落分布，从而将支架与地面牢牢固定。在设计搭建过程中锻炼了学生的动手能力、选材能力，对结构的认知也不仅仅停留在理论层面，在反复实践中锻炼了解决问题的能力。至于数据的定时测量，如何输出等问题，则与信息技术课整合，由学生编写程序，实现该功能。

学生还给“气象站”添加了测量风速的功能。搭建模型，如图1。

              图1         图2

学生将该模型放置在室外通风处，发现齿轮下方使用马达搭建时，转动不灵敏，阻力较大，换成编码器，并在齿轮上方添加类似风杯的装置，效果更好。如图2。学生利用LEGO EV3编写程序，通过计算一定时间内转动的次数和齿轮比等换算出风速，并定时输出数据，成功解决了测量风速问题。

设计制作“气象站”的活动以核心素养为导向，使用整合的课程设计模式。将科学、信息技术、劳动技术、数学、艺术等整合在一起。“乐高”机器人材料在活动中起到很好的技术支撑作用。学生亲身经历搭建“气象站”，为“气象站”添加温度、湿度传感器，计算风杯转速、编写程序、收集数据等过程，让学生对人工智能技术影响改变我们的生活有了初步的认识。

后续活动：对收集的数据进行整理分析

因为在编程过程中编写了对测量数据的定时输出功能，使得在长时间探究过程中最难解决的数据记录问题得到了很好的解决。学生可以将获得的数据，用自己擅长的方式进行统计和分析，方便汇报和交流。

设计和制作“气象站”模型活动，是一次项目化学习活动，既激发了学生对天气观测的兴趣，又为长时间探究降低了难度，容易让孩子持续探究。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。亲历搭建，动手实践，不断改进技术，根据所学解决各种突发问题，这真正是培养学生的科学素养，为他们的终身发展奠定基础。

（二）帮助学生深入理解科技促进技术，技术改变生活

制作“太阳能热水器”模型。太阳能热水器是学生认识阳光具有热能，阳光强弱和温度有关系的一个很好的载体。教学时，会存在重视产品设计，忽略制作过程的问题。因为受到材料的制约，很难实现进出水管与贮水箱和集热器的连接。导致制成的“太阳能热水器”，多数都是鞋盒+泡沫塑料+矿泉水瓶+涂黑的堆砌，作品缺乏结构感、科技感。

怎样使“太阳能热水器”结构合理，连接紧密，有设计的美感呢？引入“乐高”机器人，用积木搭建结构，在结构上安装温度传感器、光照传感器，使我们的设计更智能。它既解决了结构的问题，又利用温度传感器获得的数据对学生的“太阳能热水器”升温速度和保温能力两方面的功效进行准确的评价。

前期准备：了解太阳能热水器的好设计

学生通过观察太阳能热水器的构造，发现颜色、摆放角度在提升吸热能力上的应用以及不同材料对保温的影响。自行绘制太阳能热水器的设计图。向学生明确乐高积木块搭建，手工绘制设计图，包括但不局限搭建的形状（角度），采用的积木颜色，增强光照的方法以及保温措施等等。

模型搭建： 制作“太阳能热水器”

在活动中，学生能从众多形状的积木中挑选出自己需要的，适合自己的积木搭建稳定、具有一定摆放角度的支架。选择深色的积木块作为集热装置，在水箱上添加温度传感器，实时监测温度的变化是大部分同学都能想到的。令人惊喜的是活动总能引起学生思维的碰撞，甚至产生具有颠覆传统设计的新发明。学生提出可以在集热管的底座上增加光照感应器，能感应不同强度的光线。电动机可以旋转360度，并记录数据进行比对，最终回到光最强的位置接受光照。

根据光线强弱来调节集热器朝向的想法非常棒。如果用传统材料制作“太阳能热水器”，这个想法可能无法实现，但是使用“乐高”机器人材料，很快就能让这个想法变成事实。

在这个过程中，学习的意义就不单纯是学习知识用知识，而是深刻感知到科学可以促进技术的发展，技术的发展可以改变我们的生活，技术、工程和社会是相互促进，互相影响的。

后续活动：对太阳能热水器进行评价

看看哪组热水器升温快的比赛活动，它的目的不是比赛，而是让学生看看自己的设计目标是否达成。如果没有达成，应该怎样改进。在这一过程中，学生不断经历分析——优化——再分析——再优化的过程，不断地调试改进。从而更好地理解学到的知识和技能。温度传感器的应用，加速了比赛活动的过程，使过程便于操作，留下充足的时间用于改进和优化自己作品。

学生制作的“太阳能热水器”可能不会有很大的使用价值，但这会促使学生像科学家或工程师那样思考、工作。从原理到材料选择，从计划到制作的每一个细节，从自己做到同学之间相互合作，这次活动对学生来说是历练，也是成长。立足单元主题，整合课程资源，利用“乐高机器人”，让学生省时高效地学习教材内容，进行有意义的知识建构，真正实践着“用教材”而非“教教材”的理念。

（三）帮助学生建立与生活的联系，体验知识的意义

设计和建造“我们的家园”模型。在学习了关于流水、风等力量会对土地产生侵蚀之后的一个应用活动。学生对侵蚀的认识多停留在事物的表面，如何将它与学生的生活联系起来呢？那就为应对侵蚀，避免强降雨、洪水、泥石流等对土地产生影响而设计和建造我们自己的家园吧！

学生通过网络查询，知道灾害性天气对人们生产生活都具体的危害和影响。假如是自己的家园正遭受这些灾害，怎么避免危害？如何降低影响？在受灾之后怎么能保障基本的生活？在没有受灾的时候又是怎样满足日常生活的？这些都是在设计的时候需要考虑的问题。

为了应对突发的灾害性天气，学生们设身处地，从自身需求出发，首先用乐高积木搭建了一块平整的土地，运用一定的结构，建造了结实的房屋，避免了因水土流失而导致的房屋损坏。在土地上“种植”了大量的“植物”，用以涵养水源。还在社区配置了救护车、工程车用于应急抢险。甚至是搭建了大的风车，用来解决灾后的用电问题。这些都是将所学习的科学知识用于解决生活中遇到的问题，可谓是学以致用。在汇报交流过程中，培养学生大胆表达自己想法的能力。同时，表达过程中再一次运用所学科学知识解释自己设计的理由，使所学的内容得到内化和升华。 设计制作“我们的家园”作为一项工程，“乐高”作为一个载体，再一次体会到工程由多个系统组成，其核心是建造。

搭建模型过程中，学生从自身角度出发，探索、认识世界。教学的出发点不是课本，不是抽象的知识，而是学生与自然、社会、他人和自我的相互作用。现实生活是教学的源泉，是科学世界的根基，教学只有联系生活，走进生活，才能使人真正体验和理解知识的内在意义和价值。

（四）帮助学生主动解决问题，形成个性化创意作品。

设计和建造“垃圾处理厂”模型。基于书本的模拟简单的垃圾填埋的实验中，可以观察到埋在细石子中的墨水纸巾经过喷水后，把原来瓶底的清水弄成墨水色了，从而说明垃圾被简单地埋在地下，有害的物质仍会浸滤出来，进而污染地下水。源源不断运来的垃圾要占据大量的空间，散发出恶臭，污染空气，滋生蚊蝇，引发疾病；还会造成土壤污染，影响农业生产等。于是，我们提出了新的问题：改进垃圾填埋，设计一个合理、清洁的垃圾处理模型。利用乐高积木，尝试应用所学的科学原理设计一个“垃圾处理厂”模型,并能进行模拟演示。

怎么能最大限度地压缩垃圾？如何防止垃圾对周围环境和地下水的污染？用什么方法将被填埋的垃圾与周围的环境隔离开来？这些都是学生要在工程设计阶段需要考虑和解决的问题。实践过程中，有的同学利用乐高积木搭建深坑，有的同学选择了乐高套材的收纳盒直接作为深坑。有的同学在思考选不选择衬垫，需要选择什么材料，有的同学就地取材，选好了乐高包装上的防水衬板做垃圾填埋场的衬垫。我们需要鼓励学生们不同的思维方式，鼓励差异化设计。有的模型设计时考虑到了数据采集、垃圾腐烂过程中产生的气体如何处理等问题。有的学生考虑虽然人们在社区投放垃圾时已经进行了初步的分类，但是还需要对进入填埋场的垃圾做进一步的分拣，于是垃圾填埋场前置装置应运而生。这个前置的垃圾分拣装置可以区分易腐和不易腐的垃圾并进行分拣。学生针对简单的垃圾填埋会产生的问题做出改进，形成了第一代有科技内涵并富有创意的“垃圾处理厂”模型。

与现代新型填埋场相比，学生们设计虽有独特之处，但有些问题考虑的并不是很到位。于是，让学生通过实地走访、资料查阅等方式调查杭州天子岭垃圾填埋场的设计理念和结构，然后对自己的第一代“垃圾处理厂”模型进行改进。垃圾场用不透水的衬垫把“垃圾屋”与周围土层隔开来；建有垃圾过滤液收集池和处理池，能把从地面渗入垃圾屋并被垃圾污染了的水收集起来进行处理；垃圾堆集发酵会产生大量气体包括可燃性气体和有毒气体，垃圾场安装有气体排放管及时排除这些有危害的气体；还有监测井随时监测垃圾填埋场附近的土壤和地下水的状况。这些讯息给了学生很好的启示。他们利用“乐高”机器人搭建结构、编写程序、实现数据收集与处理。最终“垃圾处理厂”2.0版本出现了，甚至迭代出3.0版本。

这种先让学生尝试设计，而后再作调查，再来改进产品的学习过程有利于提高学生主动解决问题的能力。可以改变学生人云亦云，依葫芦画瓢，缺乏独立思考能力的状态，可以改变不敢大胆质疑和推测，不会自己发现问题、思考问题的现状，有利于帮助学生变通地分析问题和处理问题。 “乐高”机器人因为具有方便搭建，利于改进，容易将想法转变成现实的优点，降低了学生搭建模型的难度，提升了学生建模的兴趣，更容易收获成功的喜悦和成就感。

以上建立模型案例均借助“乐高机器人”教学套材，是基于项目的学习。它能有效提高学生实际思考和解决问题的能力。它有一个或一系列最终作品。它关注的是多学科知识在技术、工程与社会核心概念学习中的综合运用。它强调学习的过程，也重视过程中的合作。完成一个项目往往需要教师与学生，学生与学生的密切合作。

【参考文献】

[1] 余文森 核心素养导向的课堂教学

[2] 夏雪梅 项目化学习设计：学习素养视角下的国际与本土实践

[3] [美]阿莱克斯·彭特兰智慧社会：大数据与社会物理学

[4]龙婷 张伟楠 从人脑到人工智能

[5]任友群 乐高教育STEAM基础教程

孙静，女，汉族，籍贯：山东烟台,生于：1981-10-06 职称：一级教师，本科学历，研究方向：小学科学教育教学