有趣的機器人制作——六腳怪突圍戰(zhàn)

周雪鏞

六腳怪機器人的設(shè)計與制作是一次開放性的探究活動。在活動過程中，學(xué)生們不僅能學(xué)會設(shè)計和組裝硬件結(jié)構(gòu)，還將學(xué)會設(shè)計面向?qū)ο蟮牧鞒虉D，并能根據(jù)機器人實際結(jié)構(gòu)和運動的情況適度調(diào)試程序，獲得統(tǒng)一軟、硬件協(xié)調(diào)的技能，從而提高綜合實踐能力。

活動目標(biāo)

通過六腳怪機器人的制作活動，初步理解算法，掌握流程圖的編輯方法和技巧以及光敏傳感器的使用方法；體會機器人多腳聯(lián)動行走的基本原理，學(xué)會機器人結(jié)構(gòu)搭建的方法與技巧，探索高效率“爬行”程序與結(jié)構(gòu)的有效統(tǒng)一；培養(yǎng)對智能機器人研究和實踐的興趣，提高互助合作和勇于競爭的意識。

方案設(shè)計

1參加對象：七、八年級學(xué)生。

2時間安排：4-6課時。

3活動準(zhǔn)備：(1)器材：兩人一套“未來之星”科普機器人，鑷子、起子、剪刀、尖嘴鉗、小手電、小塊砂紙、細扎帶、五號電池、潤滑油等。(2)場地：帶窗簾的計算機網(wǎng)絡(luò)教室一間，六腳怪突圍競賽場地兩個。

活動過程

一、情境導(dǎo)入

播放江蘇省科普機器人大賽六腳怪突圍項目比賽中機器人激烈競爭的視頻片段。

師：同學(xué)們是不是也想制作出這樣的六腳怪機器人?(出示項目：設(shè)計并制造可光控的六腳怪機器人。)

設(shè)計意圖：通過播放視頻，讓學(xué)生了解六腳怪機器人的形狀，初步感受其控制技術(shù)，激發(fā)學(xué)生參與活動的興趣。

二、分組安排

六腳怪機器人的制作涉及結(jié)構(gòu)搭建和程序編輯兩部分。為此，結(jié)合器材數(shù)量，按兩人一小組進行協(xié)商分工，并將四個小組組成一個大組，各大組推選一位組長，協(xié)調(diào)制作進度。

設(shè)計意圖：通過合作活動，所有學(xué)生相互幫助、共同學(xué)習(xí)，并能形成合作與競爭并存的局面，讓活動開展得有聲有色。

三、制作六腳怪機器人

任務(wù)一：認識機器人套材

學(xué)生根據(jù)“未來之星”科普機器人的配置說明自主學(xué)習(xí)，逐一認識各種部件和器材，體驗它們的功能和特點。教師巡視，并針對活動中學(xué)生較易出現(xiàn)的問題及時提出要求，說明注意點：

1安裝各接插件時要準(zhǔn)確到位，分清其類型、長短和大小；當(dāng)接插錯誤、很難撥出時，可用尖嘴鉗在反面夾一下固定卡子后再撥；活動中多余的材料務(wù)必歸類放好，不能遺失。

2如果新的接插件在接插時過緊，要先用砂紙少量打磨再安裝調(diào)試。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，初步體驗各器材的功能和使用注意點，方便后期的操作。

任務(wù)二：搭建六腳怪身體電路及控制部件

將主電路板、左右馬達、三個光傳感器組裝在六腳怪身體正面合適的位置，并用連接線正確連接。

針對學(xué)生出現(xiàn)的問題，教師提出操作建議：

1主電路板及電池盒應(yīng)安裝在身體中部偏前位置，電池電源線接入主電路板電源插頭。

2左右馬達控制線分別接入主電路板左、右電機輸入口。

3將三個單光傳感器按“品”字形安裝在身體后部，并盡量拉開距離。

4用細扎帶將所有連線捆扎整齊，以免影響六腳怪的運動及外觀。

任務(wù)三：裝配六腳怪的六條腿

利用兩側(cè)面及底部組裝六腳怪兩邊的各三條腿，并將兩側(cè)連動控制運動曲軸分別與兩個電機軸相連。

組裝調(diào)試中經(jīng)常會出現(xiàn)兩電機軸互頂、腿腳相卡或曲軸不能轉(zhuǎn)過360°等影響電機運轉(zhuǎn)或六條腿運動的情況。為此，在活動前教師應(yīng)適當(dāng)提示：各條腿腳與連接軸、曲軸之間的相互配合很重要，其中任何一個部件都不能被卡?。桓鬟B接頭要可動、靈活；兩電機軸頂端之間應(yīng)留有空間。

設(shè)計意圖：通過結(jié)構(gòu)搭建，讓學(xué)生充分地動起手來，并學(xué)會通過不斷嘗試找出最佳的組裝方法，深刻體會細節(jié)決定成敗的道理。

教師帶領(lǐng)學(xué)生進行小組實驗，隨后分大組討論兩個問題：(1)如何確保六腳怪總能正常行走?(2)六腳怪的活動腳可高可低，那么，高和低各有什么利弊?討論結(jié)束后，由各大組選代表作答。

每個大組評出一個優(yōu)秀作品送上講臺，記入相應(yīng)的活動記錄單，開始學(xué)生互評。評價標(biāo)準(zhǔn)為：尺寸合適、結(jié)構(gòu)合理、形體流暢、組裝牢固。教師再從結(jié)構(gòu)設(shè)計、組裝質(zhì)量等方面評價各組選送的優(yōu)秀作品，最后評選出最佳作品。

四、編寫六腳怪運動控制程序

任務(wù)四：安裝“未來之星”科普機器人軟件

學(xué)生通過學(xué)習(xí)“未來之星”機器人套件中安裝光盤的幫助文件，完成安裝NFL08-ZB2版本的軟件。教師在巡視過程中注意提示，有困難的學(xué)生要主動尋求小組內(nèi)首先完成安裝的同學(xué)的幫助。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生在實際需要中自主學(xué)習(xí)如何安裝應(yīng)用軟件。

教師指導(dǎo)學(xué)生啟動編輯軟件，分別介紹軟件窗口上的命令按鈕、指令選擇區(qū)域、屬性編輯區(qū)，特別講解指令選擇區(qū)域中的指令集，如普通命令、循環(huán)命令、條件判斷、子程序調(diào)用、轉(zhuǎn)移等指令。教師在右側(cè)流程圖區(qū)域點擊某個流程圖命令后，在屬性編輯區(qū)域里顯示出該命令的屬性，教師對其進行編輯。通過這一演示，幫助學(xué)生認識流程圖的開發(fā)環(huán)境。

教師利用軟件平臺分別講解和演示三種基本結(jié)構(gòu)(順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu))的程序編輯。

設(shè)計意圖：了解計算機語言的基本算法，為學(xué)生完成實際需要的流程圖打下基礎(chǔ)。

任務(wù)五：六腳怪直行2秒，再右轉(zhuǎn)0.5秒，后退1秒并停止

學(xué)生以小組為單位，利用軟件平臺合作編寫程序并控制機器人運行，大組內(nèi)相互檢查并開展互助。教師巡視，及時點評。

任務(wù)六：運用計算機上所編寫的程序控制六腳怪運行

1通過連接線將六腳怪下載端口與計算機串行端口相連，并在軟件平臺上編譯程序后下載。

2以組為單位進行調(diào)試，看哪臺機器人最先按要求運行。

下載程序時，學(xué)生往往會忘記編譯所編寫的程序，教師要適當(dāng)提示。

任務(wù)七：六腳怪在光控傳感器控制下前進2秒并停止

比比看哪個小組最先完成光控傳感器控制程序的編寫、編譯、下載及控制運行。

活動中，容易出現(xiàn)光控傳感器插入光控板輸入端的端口號與流程圖上的端口號不一致，或者搞錯傳感器條件判斷的向下和向右輸出端口的情況，造成光控傳感器不能有效控制機器人運動，因而需要組內(nèi)學(xué)生逐一互查。

當(dāng)有小組完成任務(wù)時，教師可對該組程序進行點評，并分析其中的條件判斷，演示程序下載及光控下機器人的運行。接著組織所有學(xué)生繼續(xù)完成編寫及調(diào)試程序等工作，組織優(yōu)秀學(xué)生當(dāng)“助教”。

任務(wù)八：六腳怪在三個光控下分別執(zhí)行前進、左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)命令

比一比哪個小組最先完成上述任務(wù)。

學(xué)生編寫程序時，教師不斷巡視并適當(dāng)指導(dǎo)，及時點評典型的錯誤。

當(dāng)有小組完成任務(wù)時，教師及時鼓勵，并讓該組學(xué)生進行表演，激勵其他學(xué)生完善程序。

比一比：當(dāng)所有小組均完成任務(wù)后，大組內(nèi)先組織比賽。大組內(nèi)四臺六腳怪放在同一個比賽場地的起跑線上，四名控制手在不接觸機器人的前提下，用手電光控制六腳怪運行。比比哪個小組控制得最靈活、哪個小組的機器人最先從場地內(nèi)突圍出來，并記錄下最快突圍的時間。比賽結(jié)束后，再比比看哪個大組選手的六腳怪運行得最快。

設(shè)計意圖：通過編寫從簡單到復(fù)雜的流程圖，學(xué)生逐步理解和體驗了順序、判斷與循環(huán)三種程序結(jié)構(gòu)，完成三個光控傳感器控制下的程序與硬件結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

教師組織學(xué)生討論：

1比賽過程中出現(xiàn)過哪些問題?

2如何解決相互堵塞的問題?

3六腳怪機器人本身只能有三個光控傳感器，如何做到兼顧前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、停止功能?

教師建議有能力的學(xué)生課后利用程序解決問題。提示：可以用兩個光控傳感器的控制組合達成目標(biāo)。

設(shè)計意圖：進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和探究機器人的興趣。

五、師生小結(jié)

教師再次表揚在結(jié)構(gòu)搭建和程序編輯中表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生，特別要表揚那些小組合作好、大組互助強的學(xué)生，并展示優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)和程序。

活動反思

機器人活動充分培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，體現(xiàn)了動手與動腦的結(jié)合?；顒又?，教師要盡量讓學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、自行解決問題，并適時鼓勵組內(nèi)成員相互幫助、相互檢查、互相合作、相互激勵，不同學(xué)習(xí)小組還要開展有序的競爭和比賽，讓學(xué)生充分體驗到成功的快樂，體會到組內(nèi)成員間精誠合作、共同進步的集體榮譽感。

注：本文系江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2011年度重點資助課題《機器人實驗興趣社團的實踐研究》(2011-R-20886)。