樂高科技活動手冊

1、樂高科技活動手冊 介紹： 為什么創(chuàng)建樂高科技活動手冊？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)實驗教材中科技教 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際問題。 在解決這些問題的過 程中，我們預(yù)計學(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)生提供了一個進(jìn)步的臺階，是他們在許多其他的問題上繼續(xù)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和實踐。本手冊適合的對象：本手冊中的活動適合 11到 16歲的學(xué)生。本手冊需要科創(chuàng)實驗課程的經(jīng)驗嗎？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)實驗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， 你需要花三個小時的 時間使學(xué)生熟悉 快速入門卡片的內(nèi)容?？ㄆ系幕顒觾?nèi)容與溫控風(fēng)扇模型有關(guān)，這個模 型同樣在本手冊的 Wind Chill 實驗中使用。快速入門卡片學(xué)習(xí)之后實驗不是很難，所以可以根據(jù)你的課程順序安排活動。實驗除了要求學(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。 許多實驗項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)生們將會理解： 一些材料在一定的溫度會改變狀態(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，以及怎樣計算功率。 怎樣確定速度、距離和時間之間的關(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動的。力可以使某一物體繞某一固定點（支點）轉(zhuǎn)動。 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泵。運動和休息影響機體功能。課程目的： IT （信息技術(shù)）學(xué)生將會理解：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。 怎樣使用一個由傳感器獲取數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。 怎樣使用計算機來處理和記錄數(shù)據(jù)。怎樣使用一個實驗?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)計技術(shù)學(xué)生將會理解：怎樣獨立工作和成為團(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)會怎樣解釋圖表。學(xué)會怎樣畫標(biāo)準(zhǔn)的圖表?；顒硬襟E：打開“ Breath ”文件注意：先要按 on-screen 鍵使程序開始運行，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)果在項目頁面上顯示的速度取決于計算機的運行速度，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充測試內(nèi)容： 比較同一學(xué)生在運動之前、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。起重機目的：研究齒輪系統(tǒng)在提重物上的效果。 使用計算機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。 研究機械系統(tǒng)中效率的概念?；顒硬襟E： 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)生可能會對馬達(dá)的運轉(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所作的功的。 起重機可以按照學(xué)生們的要求建得復(fù)雜或簡單。建設(shè)開始時在馬達(dá)上使用3：1系統(tǒng)。在起重機上掛一個 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中選擇這個高度值。單擊Start，實驗將自動開始并結(jié)束。的減速然后測補充測試內(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 界面不會被損壞， 馬達(dá)滿檔時使用的是 直流電，空載時需要約 50 毫安電流，可住時約 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?；顒硬襟E： 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)行光傳輸實驗。補充測試內(nèi)容： 預(yù)測并實驗看濕的纖維物通過的光更多還是更少。預(yù)測并實驗， 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 處理條件反射、體內(nèi)平衡及控制 同時控制兩條曲線 做一些時間較長的實驗活動步驟： 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”文件輸入溫度和時間值，然后按 Start 鍵，實驗在設(shè)定時間到時停止，暖房內(nèi)的溫度由燈的 開關(guān)，窗口的開關(guān)來調(diào)整。補充實驗的內(nèi)容：LEGO 的暖房

11、確實能加快種子和秧苗、發(fā)苗成長的速度嗎？設(shè)計一個控制實驗， 在暖房內(nèi)外分別培育種子，使其發(fā)芽。設(shè)計一個適合小盆植物，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？ 在整個實驗過程中或在晚上，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。在實驗中使用樂高發(fā)聲裝置或一臺小收音機。注意：確保計算機設(shè)備、 電線等一起不接觸到液體。 將實驗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?；顒硬襟E：光線昏暗

12、的房間最適合做這個實驗。 主要目的是減少干擾。 但學(xué)生們?nèi)詰?yīng)將周圍光線作 為影響實驗的一個因素來考慮。打開"Message”文件將光信息長距離傳輸?shù)淖詈梅椒ㄊ鞘裁?？若條件允許， 可在米尺的一端裝一只燈， 在華東裝置上裝一個光敏傳感器， 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， 或在傳感器上安裝聚 光鏡的情況下分別實驗。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）補充實驗內(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：研究一個鐘擺的運動。 研究重力的效果。 研究摩擦和阻尼。20cm 左右時效果最佳。 文件。5-20 秒內(nèi)?；顒硬襟E： 擺動裝置的桿長在 打開“ Pendulum ” 將實驗時間設(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)擺錘在運動時，描繪才進(jìn)行。使用原來4 倍的擺錘重復(fù)實驗。 擺錘的質(zhì)量對于擺動的周期有明顯效果嗎？擺動周期受桿長的影 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、補充實驗內(nèi)容：光學(xué)鐘。 重新搭建一個可以自由擺動的擺掛在一個光敏傳感器前， 在安裝頁及界面上將光敏 與 6 號輸入口連接。在擺動實驗中增加第三頁程序代碼。創(chuàng)建一個新的圖表，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)： 下面兩個練習(xí)使用和樂高機械結(jié)構(gòu)套件的部件來實現(xiàn)與上面不同的目的。風(fēng)力強度計 /流速計。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。 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)。活動步驟： 暗房能擴大實驗結(jié)果的變動范圍。要求學(xué)生用白、綠、紅、藍(lán)、黑紙包住障礙物分別實 驗。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驗。 常見問題是光敏傳感器會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算機繪制出一條寬度不斷增加的在保持車距值上下波動的曲 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？本實驗中的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，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)離小車會發(fā)生什么？ 小車會盡量保持原來的距離。 設(shè)定敏感度為高等時， 小車對于光線的細(xì)微變化也會有強 烈的反應(yīng)。 控制技術(shù)專家將這種現(xiàn)象稱為 “震顫”。“震顫”是由于輸出頻繁超過期望值。 敏感度越低“震顫”越不明顯。在一暗室中， 打開一個手補充實驗內(nèi)容： 如果障礙物的表面與小車的路程成一角度會發(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：理解運動與能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系。理解能量與輸出功率的關(guān)系。用計算機處理數(shù)據(jù)，并用一種合理的方法記錄結(jié)果?；顒硬襟E：人運動時會消耗多少

17、能量？本實驗最大的難度是建造一個“光門” 。當(dāng)腳擋住光線時能記錄下光線的變化。如亮堂 的房間，白色的包寫都會造成影響。確保觸碰傳感器上的導(dǎo)線足夠長。打開“ Fitness”文件。程序會自動將以千在相應(yīng)的文本框中輸入踏步的高度。人的重量及實驗持續(xù)的時間。 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，將光強測定值調(diào)至中間強度作為起始點。 把觸碰傳感器交給實驗者，由他或她決定何時開始。聽到蜂鳴聲時監(jiān)測器會停止記錄。 程序計算步數(shù)時，將光敏傳感器擋住的次數(shù)除以 2。注意：本實驗計算克服重力的有用功，為了簡化問題，下落時的無用功忽略不計。補充實驗內(nèi)容：在 2 分鐘的實驗過程

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)計其他可以用光門記錄次數(shù)的健身運動。 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 計算功的情況下進(jìn)行）溫度目的：研究日常物品混合時的溫度變化。監(jiān)測溫度變化，找到最高和最低溫度?；顒硬襟E： 冰水中加入鹽溫度會怎樣變化？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？補充實驗內(nèi)容在糖水中加入酵母，溫度會有何變化？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：確保計算機設(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