樂高科技活動(dòng)手冊

1、樂高科技活動(dòng)手冊 介紹： 為什么創(chuàng)建樂高科技活動(dòng)手冊？這本材料根據(jù)科技老師的需要而創(chuàng)建， 這些老師已經(jīng)意識到中學(xué)科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)教材中科技教 育的潛在力。創(chuàng)建這些新教材的目的是對早期的課程內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和延伸。我們?yōu)閷W(xué)生提供了一些簡單的工具并要求他們解決一些實(shí)際問題。 在解決這些問題的過 程中，我們預(yù)計(jì)學(xué)生將自學(xué)到一定的基礎(chǔ)科學(xué)概念和設(shè)想。 我們希望本手冊中提供的練習(xí)同 樣為學(xué)生提供了一個(gè)進(jìn)步的臺(tái)階，是他們在許多其他的問題上繼續(xù)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和實(shí)踐。本手冊適合的對象：本手冊中的活動(dòng)適合 11到 16歲的學(xué)生。本手冊需要科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)課程的經(jīng)驗(yàn)嗎？無疑，這份材料對于那些玩過quickstart cards （快速入門

2、卡片）或者看過科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)軟件提供的錄象的學(xué)生和老師來說， 是非常有益處的。 如果沒有接觸過， 你需要花三個(gè)小時(shí)的 時(shí)間使學(xué)生熟悉 快速入門卡片的內(nèi)容。卡片上的活動(dòng)內(nèi)容與溫控風(fēng)扇模型有關(guān)，這個(gè)模 型同樣在本手冊的 Wind Chill 實(shí)驗(yàn)中使用?？焖偃腴T卡片學(xué)習(xí)之后實(shí)驗(yàn)不是很難，所以可以根據(jù)你的課程順序安排活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)除了要求學(xué)生記錄數(shù)據(jù)還要求學(xué)生有其他能力嗎？還將利用馬達(dá)和這些由精確的采是的， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這一要求。 許多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅涉及到電腦控制傳感器， 光線。這就是說學(xué)生也要培養(yǎng)搭建和工程技術(shù)。樂高 Dacta 界面不是為了對樣品的數(shù)據(jù)采集及精確度的測量而設(shè)計(jì)的， 集儀器就可以完成了，正相反，樂

3、高 Dacta 的用途是非常廣泛的，通過學(xué)生們開動(dòng)腦筋可以 將它適用于許多用途。課程目的：科學(xué)學(xué)生們將會(huì)理解： 一些材料在一定的溫度會(huì)改變狀態(tài)。 狀態(tài)的變化與能量的轉(zhuǎn)化有關(guān)。 一些材料會(huì)隨著溫度的變化膨脹和收縮。 能量是能轉(zhuǎn)化的，而且可以被控制和利用。 隔離可以減少能量的轉(zhuǎn)化。怎樣測定力和功，以及怎樣計(jì)算功率。 怎樣確定速度、距離和時(shí)間之間的關(guān)系，怎樣用圖表將這些關(guān)系表示出來。 摩擦力是怎樣影響運(yùn)動(dòng)的。力可以使某一物體繞某一固定點(diǎn)（支點(diǎn)）轉(zhuǎn)動(dòng)。 光在某一種介質(zhì)中以一定的速度傳播。 光是怎樣反射和折射的。濾色片是怎樣影響白光的。 不同的生態(tài)環(huán)境適合不同的生物群體。 一些生物體是怎樣適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的

4、改變的。 太陽是地球上大多數(shù)能量資源的來源。 心臟的作用就像一個(gè)泵。運(yùn)動(dòng)和休息影響機(jī)體功能。課程目的： IT （信息技術(shù)）學(xué)生將會(huì)理解：怎樣選擇合適的設(shè)備，并且有效地利用它來完成特定的任務(wù)。 怎樣闡明、分析、顯示信息。怎樣評價(jià)信息的準(zhǔn)確度。怎樣創(chuàng)建如果有必要的話改進(jìn)控制某一事件的過程。 怎樣使用一個(gè)由傳感器獲取數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。 怎樣使用計(jì)算機(jī)來處理和記錄數(shù)據(jù)。怎樣使用一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠硌芯坎煌兞恐g的關(guān)系。 怎樣修改模型并對這些修改產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。 怎樣將由模型獲取的數(shù)據(jù)與通過其他渠道獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 某些模型技術(shù)中的固有限制。課程目的：設(shè)計(jì)技術(shù)學(xué)生將會(huì)理解：怎樣獨(dú)立工作和成為團(tuán)體的一份子。

5、 怎樣利用科學(xué)及其他學(xué)科中的技巧和知識。 怎樣利用搭建卡片來工作。工具和設(shè)備的用途是什么？ 怎樣將機(jī)械部件與電力及其他類型的系統(tǒng)緊密的聯(lián)系起來。 怎樣使用傳感器。含有輸入處理及輸出功能的系統(tǒng)。 反饋對于一個(gè)系統(tǒng)來說是多么重要。 怎樣將產(chǎn)品的功能與它的預(yù)期功能聯(lián)系起來。 系統(tǒng)中運(yùn)用科學(xué)原理。呼吸監(jiān)測器目的：將不同人的呼吸速率及呼吸深度作比較。 討論及研究影響呼吸速率及深度的因素。 學(xué)會(huì)怎樣解釋圖表。學(xué)會(huì)怎樣畫標(biāo)準(zhǔn)的圖表?；顒?dòng)步驟：打開“ Breath ”文件注意：先要按 on-screen 鍵使程序開始運(yùn)行，然后由學(xué)生來按觸碰傳感器來激活圖表。 提醒學(xué)生在病人呼吸到一半時(shí)開始繪制圖表。 按觸碰傳

6、感器開始， 再按一次則結(jié)束繪圖。注意：結(jié)果在項(xiàng)目頁面上顯示的速度取決于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，可能要等待幾秒才能見到結(jié)果。在停止觸碰傳感器之后補(bǔ)充測試內(nèi)容： 比較同一學(xué)生在運(yùn)動(dòng)之前、之中和之后的呼吸速率，要求同學(xué)們對這些變化進(jìn)行預(yù)測， 結(jié)果是否與這些預(yù)測相吻合呢？學(xué)生必須檢查他們的模型是否按照安裝的向?qū)нM(jìn)行連接。起重機(jī)目的：研究齒輪系統(tǒng)在提重物上的效果。 使用計(jì)算機(jī)來收集處理及顯示信息。 研究能量、功和輸出功率之間的關(guān)系。 研究機(jī)械系統(tǒng)中效率的概念?；顒?dòng)步驟： 目標(biāo)是無論重物的重量為多少，利用最小的馬達(dá)功率產(chǎn)生斜率最大的曲線。 學(xué)生可能會(huì)對馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生疑惑， 如果他們在下降的過程中放掉了過多的

7、線， 時(shí)線又緊緊地固定在了轉(zhuǎn)軸上，馬達(dá)將開始提起物體，而按鈕則可能顯示它仍在下降。 所以要求仔細(xì)地搭建。打開“erane”文件。不同的變量是怎樣影響馬達(dá)的輸出功率以及起重機(jī)所作的功的。 起重機(jī)可以按照學(xué)生們的要求建得復(fù)雜或簡單。建設(shè)開始時(shí)在馬達(dá)上使用3：1系統(tǒng)。在起重機(jī)上掛一個(gè) 100 克的物體來校準(zhǔn)系統(tǒng)。馬達(dá)功率調(diào)至6檔，單擊 <Test>，量提起的高度，在 Page2上的Distanee Box中選擇這個(gè)高度值。單擊Start，實(shí)驗(yàn)將自動(dòng)開始并結(jié)束。的減速然后測補(bǔ)充測試內(nèi)容： 改變物體是怎樣影響所做的功及輸出功率的。 改變齒輪怎樣影響所做的功及輸出功率的。 改變馬達(dá)功率設(shè)置怎樣

8、影響所做的有用功及輸出功率。 滑輪系統(tǒng)怎樣影響起重機(jī)的工作？為什么要用這些系統(tǒng)？注意：如果馬達(dá)被卡住， 樂高馬達(dá)和樂高 Daeta 界面不會(huì)被損壞， 馬達(dá)滿檔時(shí)使用的是 直流電，空載時(shí)需要約 50 毫安電流，可住時(shí)約 500 毫安電流。9 伏特纖維和光目的：學(xué)習(xí)光的傳播和測量 測量一系列材料光的性質(zhì)。學(xué)習(xí)校準(zhǔn)測準(zhǔn)測量設(shè)備的意義。活動(dòng)步驟： 樂高光敏傳感器有自己的光線發(fā)射器來探測近距物體。注意確保纖維物不能靠得太近， 否則將導(dǎo)致讀到的光值當(dāng)中包含了反射及透射的光線。 套管起到了兩個(gè)作用： 增加距離 以及減少室內(nèi)光線的干擾。 在光敏傳感器前面放置一個(gè)兩節(jié)的棒， 同樣可以遮掩光發(fā)射 器的干擾。打開&

9、quot;Fabrics”文件。 用不受干擾的光線和被一張黑紙阻擋的光線來校準(zhǔn)測試設(shè)備。這就設(shè)置了100%和 0%的光值。適用于任何背景光的情況。有多少光通過不同的纖維物被傳送過來了呢？ 學(xué)生們可以帶來他們自己的纖維物， 一些應(yīng)是彈性纖維物。 光的傳輸會(huì)受到纖維物彈性 程度的影響嗎？在彈性纖維物未被拉伸、 輕微拉伸及完全拉伸的情況下進(jìn)行測試。 顏色對光的傳輸有影 響嗎？將一種纖維物染成不同的顏色并對其進(jìn)行光傳輸實(shí)驗(yàn)。補(bǔ)充測試內(nèi)容： 預(yù)測并實(shí)驗(yàn)看濕的纖維物通過的光更多還是更少。預(yù)測并實(shí)驗(yàn)， 看鋅是否能阻擋所有的光。 將一種阻光性能很好的防曬油與一種阻光性能 較差的進(jìn)行比較。 （注意：樂高光敏傳感

10、器對于光譜最后的紫外線不產(chǎn)生效應(yīng)）單面鏡 真的僅有一面讓光通過。暖房 目的：研究光照和溫度之間的關(guān)系 處理?xiàng)l件反射、體內(nèi)平衡及控制 同時(shí)控制兩條曲線 做一些時(shí)間較長的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)步驟： 暖房保持恒溫的性能如何？有沒有超過設(shè)定的高、低溫度？ 搭建一個(gè)暖房，包括加熱燈和光敏傳感器。 （注意：為了得到最理想的效果，暖房應(yīng)置 于溫度適中或偏低的室內(nèi)使用， LEGO 加熱燈需要約 5 分鐘的時(shí)間將暖房內(nèi)的溫度提升 5 攝氏度）打開"Greenhouse”文件輸入溫度和時(shí)間值，然后按 Start 鍵，實(shí)驗(yàn)在設(shè)定時(shí)間到時(shí)停止，暖房內(nèi)的溫度由燈的 開關(guān)，窗口的開關(guān)來調(diào)整。補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容：LEGO 的暖房

11、確實(shí)能加快種子和秧苗、發(fā)苗成長的速度嗎？設(shè)計(jì)一個(gè)控制實(shí)驗(yàn)， 在暖房內(nèi)外分別培育種子，使其發(fā)芽。設(shè)計(jì)一個(gè)適合小盆植物，種 在土里或營養(yǎng)液中的植物等等的暖房。光對于發(fā)芽過程有什么作用，特別是在晚上？ 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中或在晚上，用厚的黑布將加熱燈罩住。 一些園藝家認(rèn)為音樂有助于植物生長。在實(shí)驗(yàn)中使用樂高發(fā)聲裝置或一臺(tái)小收音機(jī)。注意：確保計(jì)算機(jī)設(shè)備、 電線等一起不接觸到液體。 將實(shí)驗(yàn)裝置安置在低盤上進(jìn)行， 不能在超 過 50 攝氏度的情況下使用溫度傳感器，不要使用有機(jī)溶液。光信息目的：研究光作為一種傳播媒介的性質(zhì) 檢查傳輸過程中影響信息質(zhì)量的因素 看光信息是怎樣有效繞過障礙物傳播的。活動(dòng)步驟：光線昏暗

12、的房間最適合做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。 主要目的是減少干擾。 但學(xué)生們?nèi)詰?yīng)將周圍光線作 為影響實(shí)驗(yàn)的一個(gè)因素來考慮。打開"Message”文件將光信息長距離傳輸?shù)淖詈梅椒ㄊ鞘裁矗咳魲l件允許， 可在米尺的一端裝一只燈， 在華東裝置上裝一個(gè)光敏傳感器， 這可以使測 量更精確。在燈放置或不放置拋物形反射片的情況下， 使用黑或白的管子時(shí)， 或在傳感器上安裝聚 光鏡的情況下分別實(shí)驗(yàn)。煙霧對信號接受有何影響？怎樣最大程度地清除這些影響？ 在燈上安置濾色片（記得防霧燈是黃色的）補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 使光轉(zhuǎn)角傳輸信息，使用前面深銀和后面深銀的鏡子。 光纖的使用。使用一種較粗型的（1.5-2.0mm ）在灰色連接栓中放置

13、光纖（使用Blu Tac保護(hù)）將栓放在樂高積木中，然后要在傳感器前面。鐘擺目的：研究一個(gè)鐘擺的運(yùn)動(dòng)。 研究重力的效果。 研究摩擦和阻尼。20cm 左右時(shí)效果最佳。 文件。5-20 秒內(nèi)?；顒?dòng)步驟： 擺動(dòng)裝置的桿長在 打開“ Pendulum ” 將實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定在 重新設(shè)定角度傳感器，使用黑色軸干將擺托在水平位置。2 倍、 3 倍和單擊 Tesrt1 鍵，釋放擺錘。只有當(dāng)擺錘在運(yùn)動(dòng)時(shí)，描繪才進(jìn)行。使用原來4 倍的擺錘重復(fù)實(shí)驗(yàn)。 擺錘的質(zhì)量對于擺動(dòng)的周期有明顯效果嗎？擺動(dòng)周期受桿長的影 響嗎？連接紅色 LEGO 條搭建不同長度的桿。 減少摩擦的效果是什么？在需要的地方使用水或稀釋的清潔劑作潤滑油。

14、補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：光學(xué)鐘。 重新搭建一個(gè)可以自由擺動(dòng)的擺掛在一個(gè)光敏傳感器前， 在安裝頁及界面上將光敏 與 6 號輸入口連接。在擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)中增加第三頁程序代碼。創(chuàng)建一個(gè)新的圖表，在對話框內(nèi)， 將圖表與 light6 相連，單擊 Plot 圖標(biāo)，看系統(tǒng)能否記錄振幅和周期。拓展練習(xí)： 下面兩個(gè)練習(xí)使用和樂高機(jī)械結(jié)構(gòu)套件的部件來實(shí)現(xiàn)與上面不同的目的。風(fēng)力強(qiáng)度計(jì) /流速計(jì)。用輪片代替擺錘。怎樣用它來監(jiān)測風(fēng)力或液體流速呢？ 風(fēng)向標(biāo)。重建一擺桿作為一個(gè)平衡的風(fēng)向標(biāo)。怎樣用它來測定風(fēng)向？智能小車目的：研究不同表面反射的光強(qiáng)。 研究傳感器不同敏感度的效果。 利用并理解反饋控制來作為保持狀態(tài)的方法。 研究趨光性的正、

15、負(fù)面效應(yīng)?；顒?dòng)步驟： 暗房能擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變動(dòng)范圍。要求學(xué)生用白、綠、紅、藍(lán)、黑紙包住障礙物分別實(shí) 驗(yàn)。由于反射率同樣取決于表面的質(zhì)地，所以要求他們用涂有不同深淺的紙分別實(shí)驗(yàn)。 常見問題是光敏傳感器會(huì)受車前燈燈光的影響。 充分保證傳感器不收到直接由車前燈發(fā) 出的光線。注意：靈敏度滑條能控制計(jì)算機(jī)繪制出一條寬度不斷增加的在保持車距值上下波動(dòng)的曲 線。打開“ Smart ”文件。 怎樣編程使小車在直線路程中避免撞上障礙物？ 那種顏色和材料對光的反射效果最佳？本實(shí)驗(yàn)中的LEGO小車模型的速度設(shè)為 2。敏感度設(shè)為中等，車距值設(shè)為60。按Start 鍵。小車停止時(shí)，按Stop鍵。記錄到使小車停止的障礙物

16、的距離。障礙物由不同顏色 及質(zhì)地的紙包著。將障礙物靠近或遠(yuǎn)離小車會(huì)發(fā)生什么？ 小車會(huì)盡量保持原來的距離。 設(shè)定敏感度為高等時(shí)， 小車對于光線的細(xì)微變化也會(huì)有強(qiáng) 烈的反應(yīng)。 控制技術(shù)專家將這種現(xiàn)象稱為 “震顫”?！罢痤潯笔怯捎谳敵鲱l繁超過期望值。 敏感度越低“震顫”越不明顯。在一暗室中， 打開一個(gè)手補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 如果障礙物的表面與小車的路程成一角度會(huì)發(fā)生什么情況？ 排列順序。 用兩輛或以上的小車，為它們設(shè)定不同的趨光值，電，看他們怎樣調(diào)整自己的位置。 登步健身練習(xí)目的：理解運(yùn)動(dòng)與能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系。理解能量與輸出功率的關(guān)系。用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，并用一種合理的方法記錄結(jié)果?；顒?dòng)步驟：人運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)消耗多少

17、能量？本實(shí)驗(yàn)最大的難度是建造一個(gè)“光門” 。當(dāng)腳擋住光線時(shí)能記錄下光線的變化。如亮堂 的房間，白色的包寫都會(huì)造成影響。確保觸碰傳感器上的導(dǎo)線足夠長。打開“ Fitness”文件。程序會(huì)自動(dòng)將以千在相應(yīng)的文本框中輸入踏步的高度。人的重量及實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間。 克為單位的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成以牛頓為單位的重量）單擊<Start>鍵，將光強(qiáng)測定值調(diào)至中間強(qiáng)度作為起始點(diǎn)。 把觸碰傳感器交給實(shí)驗(yàn)者，由他或她決定何時(shí)開始。聽到蜂鳴聲時(shí)監(jiān)測器會(huì)停止記錄。 程序計(jì)算步數(shù)時(shí)，將光敏傳感器擋住的次數(shù)除以 2。注意：本實(shí)驗(yàn)計(jì)算克服重力的有用功，為了簡化問題，下落時(shí)的無用功忽略不計(jì)。補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：在 2 分鐘的實(shí)驗(yàn)過程

18、中，第 1 分鐘的平均輸出功率與第 2 分鐘的相比有何不同？ 設(shè)計(jì)其他可以用光門記錄次數(shù)的健身運(yùn)動(dòng)。 例如： 仰臥起坐和俯臥撐 （必須在可以用距 離乘以質(zhì)量（ kg） *9.8 計(jì)算功的情況下進(jìn)行）溫度目的：研究日常物品混合時(shí)的溫度變化。監(jiān)測溫度變化，找到最高和最低溫度?；顒?dòng)步驟： 冰水中加入鹽溫度會(huì)怎樣變化？打開“Temp”文件。4 塊冰。在漏水盤上放置一玻璃杯或一小杯水，然后加 放置溫度傳感器，使它的底部正好浸于水中。監(jiān)測溫度，不停攪拌直到溫度到達(dá)或非常接近零攝氏度。 單擊 <Start> 激活溫度圖表。等待幾秒， 然后往水中加入幾茶匙鹽，并攪拌，發(fā)生了什么變化？加入更多鹽，攪拌又 發(fā)生了什么？為什么？補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在糖水中加入酵母，溫度會(huì)有何變化？在最大值、最小值框中分別輸入35和20,按Set graph scale。在玻璃杯或燒杯中倒入一小杯溫水（ 25攝氏度）放置溫度傳感器并激活圖表。加入一茶匙糖和一小袋干酵母，攪拌并監(jiān)測溫度，持續(xù)至少10 分鐘。注意：確保計(jì)算機(jī)設(shè)備電線等儀器不接觸液體，不能在超過 50 攝氏度的情況下使用溫度傳