陳思群

摘? ?要：高中通用技術(shù)課是一門立足實(shí)踐的課程。教師在課堂教學(xué)中不僅要傳授豐富的理論知識(shí)，更應(yīng)該設(shè)計(jì)豐富的實(shí)踐環(huán)節(jié)來提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。當(dāng)前學(xué)生實(shí)踐設(shè)備普遍不足，創(chuàng)客作為一種新興的項(xiàng)目活動(dòng)手段，為自制學(xué)具提供了廣闊的空間。本文通過闡述水溫控制系統(tǒng)學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作過程以及它在教學(xué)中的應(yīng)用，展示通用技術(shù)學(xué)科自制學(xué)具的獨(dú)特魅力。

關(guān)鍵詞：通用技術(shù);控制系統(tǒng);自制學(xué)具;創(chuàng)客

在高中通用技術(shù)教學(xué)中，“閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程”這部分內(nèi)容一直是一大難點(diǎn)，大部分學(xué)生對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程難以理解，造成這種情況的原因主要是：本節(jié)課內(nèi)容本身比較抽象，而且由于各種客觀原因，在當(dāng)前的教學(xué)中沒有一種合適的載體讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐，學(xué)生單憑方框圖的分析很難對(duì)控制過程產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)。捷克教育家夸美紐斯曾這樣說過：“在盡可能的范圍之內(nèi)一切事物都應(yīng)盡力地放在感官的跟前?！彼J(rèn)為知識(shí)是從感覺而來，只有通過感覺器官，才能得到真實(shí)可靠的且難以遺忘的知識(shí)。因此，教師在教學(xué)過程中必須想辦法讓“閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程”通過更直觀的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生更容易理解、掌握這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

“創(chuàng)客”通常指從自己的設(shè)計(jì)出發(fā)綜合運(yùn)用多種工具，為解決某個(gè)問題而設(shè)計(jì)作品，把創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的人[ 1 ]。而動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力則是一名合格的通用技術(shù)教師必須具備的基本素養(yǎng)。通用技術(shù)教師如果能把“創(chuàng)客”與“教師”這兩種角色融合在一起，讓自己化身成一個(gè)準(zhǔn)“創(chuàng)客”，利用豐富的創(chuàng)客工具設(shè)計(jì)制作教具、學(xué)具并有效地應(yīng)用于課堂，將創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)以解決教學(xué)中遇到的難題，那將是非常有意義的事情。水溫控制系統(tǒng)學(xué)具及其教學(xué)應(yīng)用就是筆者基于此目的 的一個(gè)創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

1? 水溫控制系統(tǒng)學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作

1.1? 設(shè)計(jì)的構(gòu)想

蘇教版《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》中“控制的設(shè)計(jì)”這一章多處使用了溫度控制的案例。在教材中“賓館電熱水器”“空調(diào)及電冰箱溫度控制系統(tǒng)”“加熱爐溫度控制系統(tǒng)”這些溫控案例雖然貼近生活，但由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足、實(shí)踐活動(dòng)時(shí)間有限、試驗(yàn)的安全性難以保證等問題始終不能讓學(xué)生在課堂中親身體驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的控制，這是一個(gè)遺憾之處?；谝陨系膯栴}，筆者在設(shè)計(jì)這套適合學(xué)生課堂分組、自主探究試驗(yàn)的水溫控制學(xué)具時(shí)，主要從三個(gè)方面入手：（1）材料易得，且制作成本不宜過高，必須要在學(xué)校經(jīng)費(fèi)允許的范圍之內(nèi);（2）學(xué)具應(yīng)盡可能模塊化，以便縮短實(shí)踐操作時(shí)間，提高課堂效率;（3）必須絕對(duì)保證學(xué)生在使用該學(xué)具進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)時(shí)的人身安全。

1.2? 學(xué)具的制作

本套學(xué)具包含對(duì)溫度的開環(huán)與閉環(huán)兩種控制，由三大部分組成（如圖1）：（1）低壓直流電源：采用12V安全電壓，10A的大電流保證了試驗(yàn)的進(jìn)行。（2）延時(shí)通斷開關(guān)：采用時(shí)間數(shù)顯繼電器（DH48S-1Z型）與電磁繼電器結(jié)合控制，低壓12V?？梢跃珳?zhǔn)地控制通斷時(shí)間，進(jìn)行開環(huán)控制系統(tǒng)的教學(xué)演示或?qū)W生的探究試驗(yàn)。（3）閉環(huán)溫度控制學(xué)具：此部分由12V低壓加熱棒、數(shù)字溫度控制器（XH-W3002型）、接線端子排（TB-4504）、固定有冷壓接線頭的若干導(dǎo)線、1000ml燒杯、以及3D打印的結(jié)構(gòu)件（力求拆卸組裝方便，以便讓學(xué)生用最短的時(shí)間感受原理圖與實(shí)物連接的不同）構(gòu)成（如圖2）。

1.3? 教具的亮點(diǎn)

（1）該學(xué)具采用了12V10A直流電壓，同時(shí)為兩根12V50W低壓加熱棒供電，保證了技術(shù)試驗(yàn)的安全性，教師可以放心地讓學(xué)生在課堂上體驗(yàn)溫度控制的過程，教具解決了教師教授教材“溫度控制”內(nèi)容時(shí)，實(shí)踐載體缺乏的尷尬問題。

（2）學(xué)具的結(jié)構(gòu)部件采用3D打印，3D繪圖設(shè)計(jì)時(shí)考慮到學(xué)具拼接時(shí)間問題，全部采用套接組裝，節(jié)省時(shí)間，大大提高了課堂效率。

（3）該學(xué)具通用性強(qiáng)，適用于教材《控制與設(shè)計(jì)》中“控制手段”“開閉環(huán)控制系統(tǒng)”“閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋與干擾”“黑箱”等多個(gè)教學(xué)演示與學(xué)生探究試驗(yàn)，既是可供學(xué)生課堂實(shí)踐使用的學(xué)具，又是供教師教學(xué)演示的教具。

1.4? 創(chuàng)客的手段

學(xué)具的設(shè)計(jì)制作不同于教具，學(xué)具的數(shù)量首先應(yīng)滿足班級(jí)分組試驗(yàn)數(shù)。對(duì)于教師來說使用創(chuàng)客手段，能夠減輕不少工作量，使自制學(xué)具的小規(guī)模生產(chǎn)成為可能。如：本套教具的結(jié)構(gòu)件，采用了3D打印技術(shù)，只需設(shè)計(jì)好3D圖形，就可以不斷重復(fù)制件。延時(shí)通斷開關(guān)的亞克力外殼采用激光切割機(jī)加工，制作快速，規(guī)格統(tǒng)一，省時(shí)省力。創(chuàng)客手段的應(yīng)用還可讓課堂更為智慧，現(xiàn)有的這套學(xué)具有很大的改進(jìn)空間。如：可以利用Arduino開源硬件配合水溫傳感器實(shí)時(shí)記錄水溫值并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，通用技術(shù)課實(shí)現(xiàn)與信息技術(shù)的整合，智能化地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，打造通用技術(shù)智慧課堂。

2? 水溫控制系統(tǒng)學(xué)具的教學(xué)應(yīng)用

2.1? 創(chuàng)設(shè)情境基于真實(shí)問題解決

約翰·杜威在他的《民主主義與教育》一書中說：“教育不能脫離現(xiàn)實(shí)環(huán)境，不能孤立地、抽象地訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的思維力。學(xué)生的學(xué)習(xí)行為應(yīng)在真實(shí)問題解決中發(fā)生[ 2 ]?！比绻麙侀_現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行教學(xué)來實(shí)現(xiàn)普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)中通用技術(shù)核心素養(yǎng)是不科學(xué)的。因此，在應(yīng)用學(xué)具時(shí)首先要與現(xiàn)實(shí)聯(lián)系起來，讓學(xué)生覺得親切、覺得有趣，進(jìn)而教師再引導(dǎo)學(xué)生使用該學(xué)具去進(jìn)行探究。

在現(xiàn)實(shí)生活中，熱帶魚缸普遍存在于家庭、商場和公共休閑場所。教學(xué)中在創(chuàng)設(shè)情境時(shí)教師可以提出一些問題：熱帶魚缸是怎么加熱的？魚缸加熱棒用多少伏的電壓？如果加熱棒漏電怎么辦？通過現(xiàn)實(shí)問題的提出，引發(fā)學(xué)生的思考，激發(fā)學(xué)生對(duì)技術(shù)的渴望，為學(xué)具的使用做好鋪墊。

2.2? 核心素養(yǎng)形成源于學(xué)具應(yīng)用

根據(jù)《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的課程要求：新課標(biāo)首要任務(wù)是培養(yǎng)提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括技術(shù)意識(shí)、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、圖樣表達(dá)、物化能力五個(gè)方面[ 3 ]。如何在通用技術(shù)教學(xué)中切實(shí)貫徹新課標(biāo)的理念，落實(shí)通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，是每個(gè)通用技術(shù)教師應(yīng)該考慮的問題。學(xué)具是死的，如何活用才是關(guān)鍵。筆者在教學(xué)設(shè)計(jì)中規(guī)劃本學(xué)具的使用時(shí)，力求從以下幾個(gè)方面來落實(shí)學(xué)科核心的培養(yǎng)：主動(dòng)學(xué)習(xí)，自主感悟，形成技術(shù)意識(shí);運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法思考問題，培養(yǎng)工程思維;分析方案優(yōu)劣提出改進(jìn)意見，提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力;繪制常見的技術(shù)圖樣，強(qiáng)化圖樣表達(dá)能力;將圖樣表達(dá)轉(zhuǎn)化為實(shí)物，鍛煉物化能力。

2.3? 精心設(shè)計(jì)學(xué)具實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)

根據(jù)高二學(xué)生的認(rèn)知，針對(duì)通用技術(shù)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，筆者在實(shí)踐教學(xué)中設(shè)計(jì)了三個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)：

第一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，根據(jù)電路原理圖（如圖3）組裝試驗(yàn)器材。由于教具中的結(jié)構(gòu)組件是由3D打印一體成型的，拼接簡單，且直流電源、溫度控制器和電熱棒的連接均采用U型冷壓絕緣端子，節(jié)省連接花費(fèi)的時(shí)間。實(shí)踐中每個(gè)小組學(xué)生主要考慮如何按照?qǐng)D紙接對(duì)連線，教師關(guān)注通電前每個(gè)小組溫控器輸入端正負(fù)極的接線是否正確，從而減輕了教師實(shí)踐課中的工作量。設(shè)計(jì)這個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)的目的是讓學(xué)生通過動(dòng)手組裝認(rèn)識(shí)實(shí)物，從紙上談兵到感受勞動(dòng)。實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)物化能力的教學(xué)目標(biāo)。

第二個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，開環(huán)控制系統(tǒng)。這個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)中筆者安排學(xué)生嘗試將燒杯內(nèi)的水加熱到某一溫度，學(xué)生必須要事先確定一個(gè)目標(biāo)溫度（目標(biāo)溫度不能太高，否則加熱時(shí)間會(huì)太長，影響課堂效率，一般加熱到30-35攝氏度），再預(yù)估達(dá)到這個(gè)溫度所需的時(shí)間，最后記錄實(shí)際達(dá)到的溫度。這個(gè)環(huán)節(jié)教師引導(dǎo)學(xué)生分析開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，引發(fā)學(xué)生思考及對(duì)設(shè)備改進(jìn)的渴望，培養(yǎng)技術(shù)意識(shí)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。試驗(yàn)中學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)開環(huán)控制很難達(dá)到對(duì)溫度的準(zhǔn)確控制，這樣就很自然地引出了后續(xù)的實(shí)踐環(huán)節(jié)——閉環(huán)控制系統(tǒng)試驗(yàn)（“控制與設(shè)計(jì)”的教學(xué)重點(diǎn)）。

第三個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，閉環(huán)控制系統(tǒng)試驗(yàn)。學(xué)生首先通過溫控器設(shè)置好控制的溫度區(qū)間。為了模擬干擾因素，在燒杯外部加裝有冰水的套盆，其優(yōu)點(diǎn)是既可以保持燒杯內(nèi)的水量不變，起到控制變量的作用，又可以讓燒杯內(nèi)溫度快速下降，試驗(yàn)可以反復(fù)進(jìn)行。學(xué)生通過不斷觀察電源的通斷，燒杯內(nèi)溫度的不斷變化，感受閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)水溫的準(zhǔn)確控制，學(xué)生通過數(shù)據(jù)的采集與分析，繪制控制系統(tǒng)方框圖，達(dá)到自主學(xué)習(xí)的目的，以此培養(yǎng)他們的圖樣表達(dá)、工程思維能力。

創(chuàng)客為通用技術(shù)教師自制學(xué)具的開發(fā)提供了有力的手段。教師可以通過自制學(xué)具和基于自制學(xué)具的教學(xué)設(shè)計(jì)將自己個(gè)性化的教學(xué)風(fēng)格充分發(fā)揮，同時(shí)通過學(xué)具的設(shè)計(jì)制作也給學(xué)生樹立良好的榜樣，激發(fā)了學(xué)生的動(dòng)手欲望。體驗(yàn)技術(shù)問題的解決過程是通用技術(shù)課程的一個(gè)重要目標(biāo)，只有讓學(xué)生走出課本、走近真實(shí)世界，獲得更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，才能充分落實(shí)通用技術(shù)新課標(biāo)中對(duì)于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，創(chuàng)客背景下的自制學(xué)具正是為此而生，這就是它的魅力所在。

參考文獻(xiàn)：

[1]王奇?zhèn)?，朱亞萍，陳蕾?創(chuàng)客教育背景下的創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程實(shí)施——以初中《3D 打印制作感應(yīng)風(fēng)扇》課程為例[J]. 中小學(xué)信息技術(shù)教育，2016（8）：60-63.

[2]約翰 杜威.民主主義與教育[M].北京：人民教育出版社，2001.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.