高中通用技术教学案例
《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
（一）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，亲自地参与、切身的体会，有利于学生对本章节的理解和掌握。
（二）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。
（三）活动目标
1.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。
2.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。
3.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。
（四）活动重、难点
1.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。
2.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。
（五）活动器材
LEGO套装、ROBOLAB软件、计算机
（六）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。
（七）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。
（八）实施教学
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，机器人的制作都是徒手进行的，不需要借助其他任何工具。这一点使它非常容易被学生接受，学生活动时可以很轻松地上手。学生用它来实现一个设计可以只用很短的时间，这对于一节课45min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，这使学生很快就可以看到他们的设计成果，对他们自己的设想能在短时间得到反馈，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10min可以很轻松地上手。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通用技术课堂教学中，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图8-10所示。
图8-10
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图8-11所示。
图8-11
智能风扇的设计
（一）教学内容分析
随着社会的发展，人工智能逐步融入我们的生活，并越来越深刻地影响我们的生活状态。让高中学生了解人工智能的相关知识，学习并掌握智能控制设计与制作的基本技能是新课标背景下通用技术课程教学的一个重要任务和目标。本课是基于通用技术课程必修与选修模块的衔接、STEAMS教育理念与通用技术教学的融和，立足对生活中普通产品进行智能化创意设计的项目，为进一步深入培养学生的技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力等核心素养而开发出的校本课程。
（二）学情分析
本课的教学对象为高二年级下期的学生，他们已经学习了通用技术必修一和必修二的课程，掌握了基本的技术设计和实践能力，并在本期前一阶段的学习中初步体验了makeblock软件编程，对人工智能也有一定感性上的认识，具备本课学习的知识技能和心理基础。但是他们从未经历过智能产品创意设计的过程，本课的任务对他们有一定的挑战性，需要老师进行知识技能的提升和思路方法的恰当引导。
（三）教学目标
1.知识与技能
（1）了解人工智能的基本原理及其在生活中的普遍应用。
（2）认识常见传感器并能灵活运用到产品设计中。
（3）熟悉makeblock软件并能编写简单程序。
（4）能够运用结构、流程、系统、控制等知识对现有产品进行智能化的改进设计。
2.过程与方法
通过智能风扇的设计与制作，体验产品智能化的思路与过程，在实践中理解科学、技术、工程、艺术、数学、社会之间的紧密联系和科技人文融合创新的重要性，逐步形成结构与功能、协调与控制、权衡与优化、设计与创新等技术思想和方法。
3.情感、态度和价值观
通过简单智能产品的设计，体验和感知智能控制的神奇，增强学生探索和学习人工智能的兴趣，在对产品不断的改进优化中培养挑战困难的勇气和开拓创新精神，形成严谨务实、协作共享的做事态度。
（四）教学重、难点
1.教学重点：智能风扇的创新设计与制作
2.教学难点：传感器的灵活运用及相应程序的编写
（五）教学方法
项目式学习、进阶式学习、“做—学—思—创”融合策略
（六）教学用具
多媒体计算机、网络、展示台、makeblock创客套件、电子感应件等
（七）教学学时
2课时
（八）教学过程
第一课时
课程导入
同学们，科技改变人类的生活，当今世界，随着人工智能时代的到来，越来越多的智能产品应用到我们的生活中，下面请观看一段视频，看完后请告诉我，你看到了什么？
视频中，我们看到语音控制的咖啡机、人机对话的无人驾驶汽车等，无一不体现人工智能技术，从而让我们的生活更人性化，更便捷。可以预见到，人工智能将不断改变人类的生活方式，交通、医疗、居家环境等，可以说智能生活无处不在。
同学们，你们想象中的智能生活是什么样子呢？
学生：智能化的家电、智能化购物……
问题引入
师：智能生活必然离不开智能家用电器，有同学就说到了风扇，随着天气逐渐变热，人们会用风扇来降温，目前家里或教室的风扇的方式控制是什么呢？
生：按钮、遥控器、旋钮。
师：那你们觉得风扇智能吗？
生：不智能。
师：我们能不能设想一下：怎样使风扇智能呢？
（学生七嘴八舌回答，老师简单点评）
很好，同学们提到了利用传感器，那我们先来回顾一下前面学到的传感器。我们可以用传感器与其他设备相结合，设计一款智能风扇。
请同学们想一想，设计智能风扇需要哪些步骤？
学生思考，教师引导得出：
1.设计方案（画出草图）
2.结构搭建
3.硬件连接
4.程序设计
5.检测调试
师：下面我们首先完成项目。
活动一：请根据老师发的表格完成智能风扇的设计方案。
教师点评方案：从材料（节约材料）、结构（稳定）、功能（选用的传感器）等方面展开评价
师：好，停下来，我们请小组来展示一下自己的设计方案
下面各个小组根据自己的设计方案搭建智能风扇的结构
任务二：完成智能风扇的结构搭建。
教师巡视，协助解决问题。
第二课时
问题引入
师：基于上节课搭建的结构，同学们思考一下如何来实现风扇的智能呢？
生：编程设计。
师：是的，我们就要通过编程来探究风扇的大脑是怎么思考的，请同学们分析一下智能风扇如何工作的？
师：刚才看见同学们选用超声波传感器的较多，我们就以它为例，请同学们分析一下？
生：人的距离小于设定的值时，风扇转动，人的距离大于设定值时，风扇停止。
任务三：绘制超声波传感器控制风扇的程序流程图。
师：我们来看一下3小组的流程图（如图8-12所示）。
图8-12
任务四：请同学们根据程序流程图完成程序编写并调试。
师：如果编写程序有困难的同学，可以查看D盘老师的微课。
教师巡视，协助解决问题。
问题引入
如何改进使我们的风扇更智能？
我们可不可以增加传感器呢？
任务五：请各个小组进行结构改进，并完成实践活动记录表的填写。
学生小组合作改进结构，增加传感器，教师巡视。
刚才看到我们各个小组都增加了传感器，请同学们分析一下智能风扇如何工作的？（两个传感器条件只要满足一个，程序符合运算逻辑，风扇就可以转动）
任务六：请根据分析绘制程序流程图（如图8-13所示）。
图8-13
任务七：请同学们根据程序流程图完成程序编写并调试。
教师巡视，协助解决问题。
师：如果编写程序有困难的同学可以查看D盘老师的微课。
任务八：产品推介。
好，我们可以看到各个小组都完成了自己的产品设计，现在请同学们以产品经理的身份从结构、功能、创意点等方面推销自己的智能风扇。
师：你们愿意买第几小组的智能风扇？
教师点评学生的表现。
课堂回顾：
（1）传感器的使用。
（2）智能风扇的设计原理与编程。
（3）智能风扇的结构搭建。
拓展：
（1）智能风扇能够控制转速吗？我们如何设计？
（2）智能风扇还可以具备哪些功能？