搭建救援機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容分析隨著電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，利用機(jī)器人進(jìn)行搶險和救 援已經(jīng)成為可能。本節(jié)課主要介紹救援機(jī)器人的組成、搭建方法和工作原理，以及開 源硬件在機(jī)器人中的應(yīng)用，編寫程序讓簡易機(jī)器人能直線前進(jìn)，遇到障礙物時能轉(zhuǎn)向 避開，最終實(shí)現(xiàn)利用機(jī)器人來完成搜索和救援任務(wù)。本節(jié)課硬件主要涉及麥昆小車和超聲波傳感器。通過編程能使麥昆小車電機(jī)轉(zhuǎn)動， 實(shí)現(xiàn)直線前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等功能，而超聲波傳感器相當(dāng)于麥昆小車的眼睛，通過超 聲波傳感器，麥昆小車遇到障礙物時能轉(zhuǎn)向避開。從本節(jié)課開始，為了能更好地支持 機(jī)器人套裝與物聯(lián)網(wǎng)模塊等多種擴(kuò)展硬件，教材采用 Mind編程平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和操 作。Mind 也是一種 micro：bit 的集成開發(fā)環(huán)境，基于 Scratch3.0 開發(fā)，操作方 法及存儲格式與 Scratch 基本相同。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，旨在讓學(xué)生初步了解救援機(jī)器人的組成、搭建方法和工作原 理，掌握有關(guān)超聲波傳感器的基功能，了解開源硬件在機(jī)器人中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的 探索精神，增強(qiáng)他們的動手能力。教學(xué)對象分析本節(jié)課是學(xué)生第一次接觸機(jī)器人，學(xué)生在生活中多有接觸機(jī)器人這個名字，但多 數(shù)學(xué)生會認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)該是一個人。有些學(xué)生有玩過遙控玩具的經(jīng)驗(yàn)，對理解開源硬 件執(zhí)行人的“程序指令”完成特定任務(wù)的工作原理有一定的幫助。使用開源硬件來搭建機(jī)器人，對于大部分的學(xué)生來說都是第一次。本節(jié)課首先通 過自己組裝機(jī)器人，可以迅速讓學(xué)生對機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所了解，減少陌生感。 Mind 是基于 Scratch3.0 開發(fā)的一套集成開發(fā)軟件，大部分學(xué)生小學(xué)已經(jīng)學(xué)過 Seratch 編程，相對比較容易上手。超聲波傳感器是本節(jié)課要接觸到的一種新的傳感 器。本節(jié)課我們要讓學(xué)生學(xué)會利用 Mind編寫程序讀取超聲波傳感器的數(shù)據(jù)，從而 控制小車行進(jìn)的路線。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，能幫助學(xué)生初步掌握機(jī)器人的操控方法， 提升學(xué)生動手能力和信息素養(yǎng)，進(jìn)一步感受開源硬件給我們生活帶來的變化。教學(xué)目標(biāo)1理解機(jī)器人的分類，應(yīng)用情況，感受機(jī)器人的應(yīng)用價值。2了解超聲波傳感器的工作原理，能使用超聲波傳感器進(jìn)行測距。3了解電動馬達(dá)及應(yīng)用。4簡易救援機(jī)器人搭建。5救援任務(wù)程序的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1教學(xué)重點(diǎn)。讀取超聲波傳感器數(shù)據(jù)，控制小車前進(jìn)。2. 教學(xué)難點(diǎn)。救援任務(wù)程序的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。教學(xué)方法1 比較觀察法：展示救援機(jī)器人等各種開源硬件的圖片，讓學(xué)生感性認(rèn)識機(jī)器 人的外觀形狀和結(jié)構(gòu)，初步了解各種類型機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境。2講授法：講述救援機(jī)器人的類型、工作原理、應(yīng)用情況、應(yīng)用價值3 任務(wù)驅(qū)動法：以教材內(nèi)容為主題，學(xué)生根據(jù)任務(wù)的具體要求，開展小組合作 的探究性學(xué)習(xí)，各組成員圍繞教材范例和老師提出的問題，做好交流和活動成果展示4交流、評價法：展示學(xué)生的活動成果，鼓勵學(xué)生參與評價教學(xué)準(zhǔn)備1教學(xué)環(huán)境：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教室、互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境、轉(zhuǎn)播控制系統(tǒng)。2 資源準(zhǔn)備：資源包（視頻：麥昆機(jī)器人超聲波避障機(jī)器人滅火機(jī)器 人），有關(guān)開源硬件應(yīng)用的文字資料、各種開源硬件圖片課件學(xué)生作品。3實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備：麥昆機(jī)器人若干臺（含超聲波傳感器），數(shù)據(jù)線若干條，建筑 物模型一個。教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)情境第 1 課時教師活動1.播放視頻:麥昆機(jī)器人滅火 機(jī)等。2講解：這是用開源硬件制作的救 援機(jī)器人，它展現(xiàn)了開源硬件幫助人們處 理危險、繁雜的事務(wù)的能力。學(xué)生活動 設(shè)計意圖 觀賞有關(guān)機(jī)器 以機(jī)器人視頻人視頻，了解開源 片斷為切入點(diǎn)，將 硬件的作品形態(tài)。 學(xué)生的思路引向現(xiàn)實(shí)生活，鼓勵學(xué)生 說一說自己的所見導(dǎo)入新課 3機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)你的許多創(chuàng)意，解 決你生活中的一些問題，說說你生活中見 到的機(jī)器人。4請小組長分發(fā)麥昆機(jī)器人套件， 兩至三人一臺。1播放視頻：超聲波避障機(jī)器 人，引導(dǎo)學(xué)生從視頻中發(fā)現(xiàn)機(jī)器人是如 何進(jìn)行自動避障，引出超聲波傳感器。2引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材 P38 的內(nèi)容，交流討論，說 所聞，再過渡到本 說機(jī)器人能幫人們 課課題。解決的問題。領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)器材。觀看視頻。 學(xué)生觀看視 頻，帶著問題閱讀 教材，了解超聲波帶著問題閱讀 傳感器的原理，結(jié)認(rèn)識超聲波傳感器提問：什么是超聲波傳感器。展示超聲波 傳感器的工作原理圖片，試著運(yùn)用物理知 識推導(dǎo)出超聲波測距的距離計算公式： （聲音在空氣中的傳播速度 x 傳播的時間 差）/2，初步了解超聲波傳感器測距的原 理以及一些應(yīng)用場景。3上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，引導(dǎo)學(xué)生分 組交流討論。提問：你見過的超聲波傳感 器還有哪些？它們有哪些共同特征？教材內(nèi)容，了解超 合物理知識推導(dǎo)出 聲波傳感器的工作 距離計算公式，嘗 原理。運(yùn)用已學(xué)的 試多學(xué)科知識的融 物理知識，分析超 合運(yùn)用。聲波傳感器的測距方法。分組討論，不同的超聲波傳感器有什么異同點(diǎn)。1請組長分發(fā)機(jī)器人套件，23 個 學(xué)生接收設(shè) 通過動手實(shí) 人一組：micro：bit 板、超聲波傳感 備，檢查設(shè)備的完 踐，學(xué)生組裝機(jī)器 器、輪子、電池盒、3 節(jié) 7 號電池、雙面 整性。 人，了解機(jī)器人的膠、擴(kuò)展板。內(nèi)部結(jié)構(gòu)。動手實(shí)2 指導(dǎo)學(xué)生搭建機(jī)器人。按照教材 取出螺絲刀， 學(xué)生第一次接 P39 40 第二步至第四步安裝機(jī)器人套 小組合作，按照安 觸 Mind，操作方踐：調(diào)試 件。提醒學(xué)生注意擴(kuò)展板不要插反了，正 裝步驟，開始安 法與 MakeCode 有 超聲波傳 確的做法是 LED 屏與超聲波傳感器在同一 裝。 比較大的差異，雖感器側(cè)。檢查機(jī)器人小車各部件連接的牢固 性。與 Scratch 有點(diǎn)類 似，但涉及硬件連3用數(shù)據(jù)線連接 micro：bit 與計算 找到數(shù)據(jù)線， 接等操作，需要教 機(jī)。將數(shù)據(jù)線的一端連接 micro：bit 數(shù) 一端連接 micro： 師一步一步引導(dǎo)學(xué) 據(jù)端口，另一端連接計算機(jī) USB 接口。提 bit，一端連接電 生，提醒學(xué)生注意 醒學(xué)生如何檢查設(shè)備與計算機(jī)已正常連 腦的 USB 口。 觀察提示。 接。4播放Mind操作視頻，打 開 Mind，簡單介紹 Mind的界面， 選擇右下角“擴(kuò)展”的套件：micro： Maqueen 麥昆小車，單擊菜單“連接設(shè) 備”的串口 Microbit，連接設(shè)備。5演示：在“實(shí)時模式”，拖出 “當(dāng)綠旗被點(diǎn)擊”指令，拖出“說你 好”指令接上，找到“讀取 P1P2 超聲 波距離（cm）”指令放在“說你好”模 塊中，打開小車開關(guān)，單擊綠旗測試。 提醒學(xué)生注意電池電量，電量不足時讀 取到的值是 0。提醒學(xué)生每拿到一種新 的傳感器，都要進(jìn)行這樣的測試。在 “實(shí)時模式”下可以實(shí)現(xiàn)硬件與舞臺角 色的交互，以及可以實(shí)時地控制硬件而 不需要上傳程序。6切換到“上傳模式”，單擊“擴(kuò) 展”，添加套件：micro：Maqueen（麥 昆），連接設(shè)備。7閱讀教材 P42，按教材范例編 寫程序。提示學(xué)生在編程的過程中，體 會“實(shí)時模式”和“上傳模式”的異同 點(diǎn)，請學(xué)生總結(jié)回答。雙擊桌面的 Mind圖標(biāo)，選擇 運(yùn)行 Mind，連接 設(shè)備。確保右上角 顯示“設(shè)備連接成 功”。觀看教師演 示，打開小車開 關(guān)，編寫程序，單 擊綠旗，讀取超聲 波傳感器的數(shù)據(jù)， 利用手或書本作為 障礙物，測試超聲 波傳感器讀取到的 數(shù)據(jù)是否與實(shí)際相 符。編寫測試程 序，觀察超聲波傳 感器獲得距離值和 顯示 LED 的圖案是 否與程序預(yù)設(shè)的運(yùn) 行結(jié)果一致。學(xué)生第一次接 觸超聲波傳感器， 教師要教會學(xué)生拿 到任何傳感器的第 一步就是要先編寫 一個程序測試一 下，養(yǎng)成良好的編 程習(xí)慣?！吧蟼髂Ｊ健?和“實(shí)時模式”在 結(jié)果的呈現(xiàn)方式上 有較大的不同，通 過案例對比，讓學(xué) 生親身體驗(yàn)兩者的 不同，加深印象。1利用超聲波傳感器和其他輔助 學(xué)生交流與討 學(xué)生充分利用 器材，制作一個簡易的手持超聲波測距 論，思考問題解決 已學(xué)知識，完成任實(shí)踐創(chuàng)新 儀。的方法，動手實(shí) 務(wù)，提高知識的綜2請小組長回收實(shí)驗(yàn)器材，清點(diǎn) 踐。 合運(yùn)用能力。數(shù)量。第 2 課時教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動1回顧、演示上節(jié)課的內(nèi)容：打 開 Mind，選擇右下角“擴(kuò)展”的套學(xué)生活動 觀看教師演示，思考并回答設(shè)計意圖 上節(jié)課中，學(xué)生第一次接觸件：micro：Maqueen（麥昆），單擊菜問題。 Mind，對 Mind單“連接設(shè)備”的串口 Microbit，連 還比較陌生，知識回顧創(chuàng)設(shè)情境接設(shè)備。提問：在連接方式上MakeCode 與 Mind有何不同。2分別演示在“實(shí)時模式”和 “上傳模式”下，如何讀取超聲波傳 感器獲得的數(shù)據(jù)，提問：這兩種模式 的異同點(diǎn)。3播放超聲波避障機(jī)器人視 頻，介紹救援機(jī)器人在控制程序的指 揮下，通過超聲波傳感器，獲取現(xiàn)場 數(shù)據(jù)，自動識別障礙物并避開，到達(dá) 指定的位置執(zhí)行任務(wù)。4請小組長分發(fā)已組裝好的機(jī)器 人，23 人一臺。觀看教師演 示，思考并回答 問題。觀看視頻， 了解救援機(jī)器人 的特點(diǎn)。領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)器 材。教師通過演示讀 取超聲波傳感器 獲得的數(shù)據(jù)這個 案例，幫助學(xué)生 一起回顧 Mind+最 基本的幾個操作 步驟，如連接、 擴(kuò)展等功能，以 及“實(shí)時模式” 和“上傳模式” 的區(qū)別，為本節(jié) 課的順利進(jìn)行做 鋪墊。讓小車動動起來1介紹電機(jī)。電動馬達(dá)用于驅(qū)動 認(rèn)真傾聽， 輪子轉(zhuǎn)動，讓機(jī)器人行走。 micro： 思考如何通過程 bit 電路板輸出電流較小，一般不用于 序來控制小車的 直接驅(qū)動大功率馬達(dá)，麥昆機(jī)器人小 前進(jìn)、后退與轉(zhuǎn) 車使用 N20 金屬減速電機(jī)，通過外接 向。擴(kuò)展板給電機(jī)提供更大的電流，并利用改變通過電流的大小、方向等方式來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。2連接設(shè)備，切換到“實(shí)時模 以小組為單 式”，按下圖程序進(jìn)行測試：小車前進(jìn) 位進(jìn)行測試，嘗 3 秒后停止，嘗試修改速度。 試修改速度和等待時間，單擊綠 旗運(yùn)行程序，觀 察小車運(yùn)動的變 化。更改“前 進(jìn)”為“后退” 或“左轉(zhuǎn)”速 度，再進(jìn)行測 試。教師通過介 紹電機(jī)的基本知 識，讓學(xué)生明白 電機(jī)需要的電流 比較大，需要外 接擴(kuò)展板才能驅(qū) 動，以及 micro： bit 是通過程序改 變電流的方向來 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 起來和方向。通過一個簡 單被點(diǎn)擊的案 例，來測試電機(jī) 是否能正常工 作。小車動起 來，能極大激發(fā) 學(xué)生繼續(xù)探的熱 情和興趣。動手實(shí)踐：搭建簡易救援機(jī)器人優(yōu)化程序1描述任務(wù)。展示某建筑物的 圖片，在該建筑物內(nèi)發(fā)生險情，請 學(xué)生讓機(jī)器人小車通過超聲波傳感 器，避開墻壁等障礙物，前往指定 救援地點(diǎn)，為被困人員提供必要的 幫助。2分析完成任務(wù)的算法：先直 行，遇到障礙物右轉(zhuǎn) 90 度，再直 行，遇到障礙物再右轉(zhuǎn) 90 度，直行 幾秒后停止。3閱讀教材 P4447，按照教 材參考步驟，編寫程序，不斷調(diào) 試。告訴學(xué)生，在調(diào)試過程中要盡 量保持小車初始位置一致，車子要 正，轉(zhuǎn)彎 90 度是通過等待時間調(diào)出 來的。4組織一場比賽，看哪一個小 組的機(jī)器人小車又快又準(zhǔn)確地到達(dá) 指定位置，用時最短的小組給予獎 勵。1請學(xué)生閱讀教材 P4748 頁。提問：為什么要優(yōu)化程序。講 解：在程序中有一些重復(fù)的動作， 比如右轉(zhuǎn)，可以用自定義函數(shù)，這 樣可以使得程序更簡潔。2指導(dǎo)學(xué)生從“函數(shù)”模塊中 找到自定義模塊，給模塊命名，按 教材范例，對程序進(jìn)行優(yōu)化。認(rèn)真傾聽。 教師通過講 解，讓學(xué)生明確 他們控制機(jī)器人 小車要完成的任 務(wù)，以及輔助學(xué) 生推出完成任務(wù)構(gòu)思如何編寫 的算法模型。 程序。 學(xué)生自己動手探究，按照教 材的參考步驟，以小組為單 通過合作完成程 位，編寫、調(diào)試程 序的編寫和調(diào) 序，合作探究，動 試，提高自主編 手實(shí)踐。 程能力。通過比賽， 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興積極參與比 趣，促進(jìn)學(xué)生合 賽。調(diào)試過程遇到 作探究，活躍課 問題及時解決。 堂氣氛。閱讀材料，回 帶著問題閱 答問題，認(rèn)真聽 讀材料，教師引 講。 導(dǎo)學(xué)生了解模塊化程序的概念， 學(xué)會使用函數(shù)來模仿操作，學(xué) 對程序進(jìn)行優(yōu) 會使用函數(shù)來優(yōu)化 化。程序。1改裝原有場地線路，讓學(xué)生 探索實(shí)踐，完 改變線路， 根據(jù)實(shí)際情況，快速編出程序。 成任務(wù)。 考驗(yàn)學(xué)生的應(yīng)變實(shí)踐創(chuàng)新 2實(shí)驗(yàn)結(jié)束，要求學(xué)生整理回 整理實(shí)驗(yàn)器 能力，加深對程收實(shí)驗(yàn)器材。 教學(xué)反思方向材。 序的理解。1 視頻中的機(jī)器人能否引導(dǎo)學(xué)生充分認(rèn)識開源硬件的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興 趣。2學(xué)生是否能理解超聲波傳感器的工作原理。3小組成員交流、討論、合作的效果如何。4學(xué)生是否能理解控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退與轉(zhuǎn)向的方法。