無人機(jī)邊境救援

教學(xué)背景

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中明確了跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)的要求，在初中的跨學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容中出現(xiàn)了“無人機(jī)”這一內(nèi)容，旨在讓學(xué)生感受新興技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。學(xué)生在前期學(xué)習(xí)中已經(jīng)掌握了無人機(jī)的通信方法，了解了挑戰(zhàn)卡的功能，能通過編程使無人機(jī)完成起飛、降落、旋轉(zhuǎn)等操作。本節(jié)課創(chuàng)設(shè)了無人機(jī)邊境救援的情境，學(xué)生以小組合作的方式使用大疆RMTT教育無人機(jī)開展活動(dòng)，活動(dòng)過程中學(xué)生需要運(yùn)用信息科技、數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科知識(shí)來解決問題，切實(shí)提高學(xué)生的綜合能力。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 了解TOF（Time of Flight）紅外測(cè)距傳感器、視覺傳感器的原理；掌握測(cè)距模塊、視覺識(shí)別相關(guān)積木的使用；分析程序算法完成搜救程序的編寫；體驗(yàn)物理世界與數(shù)字世界的深度融合，提升信息意識(shí)。

過程與方法 在創(chuàng)設(shè)的無人機(jī)邊境救援情境中，綜合所學(xué)知識(shí)分析任務(wù)，設(shè)計(jì)算法，編程驗(yàn)證，迭代更新；通過解決關(guān)鍵子問題，完善整體方案；能采集、分析數(shù)據(jù)并修正誤差，提升計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 了解新興技術(shù)在邊防的應(yīng)用，感受自主可控創(chuàng)新的重要性；通過搜救邊防戰(zhàn)士，感受國(guó)防科技的必要性；培養(yǎng)愛國(guó)情懷，增強(qiáng)信息社會(huì)責(zé)任感。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) TOF紅外測(cè)距傳感器、視覺傳感器的原理及編程軟件中測(cè)距模塊、測(cè)距和視覺識(shí)別模塊相關(guān)積木的使用。

教學(xué)難點(diǎn) 多學(xué)科知識(shí)綜合運(yùn)用實(shí)踐；無人機(jī)邊境救援的算法分析及程序?qū)崿F(xiàn)。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入，明確任務(wù)

1.創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)情感

學(xué)生觀看“戍邊戰(zhàn)士”視頻，了解中國(guó)邊防官兵如何用鮮血與生命筑起巍峨界碑以及邊境對(duì)國(guó)家安全的重要性，激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)情懷。

教師提出問題：同學(xué)們認(rèn)為無人機(jī)能夠?yàn)檫吘呈匦l(wèi)工作提供什么幫助？學(xué)生小組討論后，交流結(jié)果：無人機(jī)可以執(zhí)行巡邏任務(wù)、運(yùn)輸物資、搜救傷員、代替戰(zhàn)士們執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)。教師由此引出項(xiàng)目主題：無人機(jī)邊境救援。

2.細(xì)化情境，任務(wù)驅(qū)動(dòng)

教師介紹無人機(jī)邊境救援的模擬場(chǎng)地，紅色區(qū)域?yàn)槠痫w點(diǎn)，綠色區(qū)域?yàn)榈凸?，黃色區(qū)域?yàn)椴豢纱┰降母呱?，棕色區(qū)域?yàn)閭麊T位置所在地。在無人機(jī)飛行路徑上依次放置1號(hào)、2號(hào)挑戰(zhàn)卡用于提高定位精度；3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)挑戰(zhàn)卡代表傷員所在位置，其中一個(gè)傷員位置教師會(huì)提前公布。學(xué)生對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行觀察與測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，測(cè)量后的任務(wù)地圖尺寸（俯視圖）如圖1所示。

教師下發(fā)任務(wù)要求：無人機(jī)需從起飛點(diǎn)出發(fā)，穿越高山找到傷員，并降落在傷員位置處，接到傷員后按原路返回至起飛點(diǎn)。無人機(jī)搜救過程中，識(shí)別到傷員挑戰(zhàn)卡號(hào)碼時(shí)用LED點(diǎn)陣屏顯示。

二、問題導(dǎo)向，支撐學(xué)習(xí)

1.初步探討，明確知識(shí)需求

學(xué)生以小組形式初步討論后用文字描述如何穿越高山、如何搜尋傷員，結(jié)合任務(wù)活動(dòng)單中對(duì)無人機(jī)的硬件介紹尋找完成任務(wù)所需要的傳感器。任務(wù)解析結(jié)果：（1）利用TOF紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)前方障礙物情況可以讓無人機(jī)避開高山。（2）利用視覺傳感器能夠識(shí)別挑戰(zhàn)卡（即確定傷員位置）。

2.學(xué)習(xí)新知，強(qiáng)化知識(shí)基礎(chǔ)

教師介紹TOF紅外測(cè)距傳感器（如圖2）與視覺傳感器的工作原理，并在Mind+軟件中演示如何調(diào)用傳感器進(jìn)行距離、挑戰(zhàn)卡識(shí)別。在Mind+中，“讀取TOF測(cè)距（mm）”積木可以讀取擴(kuò)展模塊上的TOF紅外測(cè)距傳感器的值，再結(jié)合運(yùn)算模塊以及條件判斷語句就能實(shí)現(xiàn)判斷距離功能。（TOF紅外測(cè)距相關(guān)積木和示意圖如圖3、圖4）

學(xué)生使用視覺傳感器前，需要在Mind+中程序開始處，點(diǎn)擊“打開”挑戰(zhàn)卡檢測(cè)并設(shè)置探測(cè)位置為“所有”。使用“挑戰(zhàn)卡編號(hào)”積木可以讀取視覺傳感器識(shí)別到的挑戰(zhàn)卡編號(hào)，“飛往挑戰(zhàn)卡x，y，z”積木能夠起到重新定位無人機(jī)當(dāng)前位置的作用，并飛向指定坐標(biāo)位置。（相關(guān)積木模塊和視覺定位傳感器位置如圖5、圖6）

3.深入探究，分析整體算法

學(xué)生小組合作對(duì)整個(gè)邊境搜救任務(wù)進(jìn)行深入討論、規(guī)劃，并用程序流程圖表示。教師不斷巡視，參與各個(gè)小組的討論，并及時(shí)介入為學(xué)生提供支持與幫助。規(guī)劃完成，教師邀請(qǐng)每個(gè)小組講解思考過程，師生共同評(píng)判算法的可行性，提供修改意見。

4.編程實(shí)現(xiàn)，測(cè)試迭代更新

學(xué)生基于程序算法的分析和本節(jié)課所學(xué)知識(shí)，使用Mind+進(jìn)行程序編寫，使程序流程圖用編程實(shí)現(xiàn)（圖7為關(guān)鍵點(diǎn)程序），將程序上傳至無人機(jī)并在搜救場(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)測(cè)試中不斷出現(xiàn)的問題，逐個(gè)進(jìn)行分析、改進(jìn)，直至無人機(jī)能順利搜救到傷員，記錄每一個(gè)問題及解決方案，教師匯總方案供各小組交流學(xué)習(xí)。

共性問題1：無人機(jī)設(shè)置飛行距離與實(shí)際飛行距離誤差較大，如設(shè)置飛行90cm，實(shí)際飛行100cm。

解決方法：根據(jù)自設(shè)的公式進(jìn)行誤差修正，公式為實(shí)際飛行距離×0.9=設(shè)置飛行距離，如需要實(shí)際飛行120cm，可以設(shè)置飛行108cm。旋轉(zhuǎn)也存在誤差，公式為實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度×1.02=設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度。

共性問題2：無人機(jī)在程序執(zhí)行過程中，經(jīng)常有上一個(gè)動(dòng)作還沒執(zhí)行完成，下一個(gè)動(dòng)作已經(jīng)開始，程序搶跑導(dǎo)致飛行失敗的情況。

解決方法：先預(yù)估無人機(jī)執(zhí)行每一個(gè)動(dòng)作需要的時(shí)間，并在該動(dòng)作程序積木塊后添加“等待”積木塊，根據(jù)實(shí)際效果反復(fù)測(cè)試精確等待時(shí)間。如“旋轉(zhuǎn)90度”需要“等待1秒”，“向前飛行120cm”需要“等待2秒”，“顯示字符2”則只需要“等待0.2秒”或不需要等待。

共性問題3：我們小組借鑒了別的小組數(shù)據(jù)，但是別的小組測(cè)試成功，我們卻失敗了。

解決方法：電子元件的制造精度導(dǎo)致每一臺(tái)無人機(jī)都有細(xì)微差別，學(xué)生可以借鑒別人修正誤差的方法、程序的算法，但不能完全照抄別人的數(shù)據(jù)。

三、交流總結(jié)，拓展探究

1.直觀展示，總結(jié)升華

教師組織學(xué)生進(jìn)行“無人機(jī)邊境搜救”現(xiàn)場(chǎng)展示，師生共同從項(xiàng)目的起因、實(shí)踐的經(jīng)過、最后收獲的結(jié)果對(duì)活動(dòng)進(jìn)行總結(jié)，加深學(xué)生對(duì)自主可控的理解，增強(qiáng)通過自主創(chuàng)新應(yīng)用改變生活的信心，培養(yǎng)愛國(guó)情懷，提升綜合能力。

2.拓展探究，迭代提升

在本次項(xiàng)目活動(dòng)中，搜救的路線已經(jīng)由學(xué)生們事先探索、測(cè)量。但是實(shí)際操作中，搜救的環(huán)境并不理想，無人機(jī)將要進(jìn)入的是一個(gè)未知的困境。引導(dǎo)學(xué)生在原有的項(xiàng)目背景下思考“無人機(jī)是如何判斷前方有障礙物的條件下，應(yīng)該往左轉(zhuǎn)還是往右轉(zhuǎn)，又該如何編寫程序”。

教學(xué)反思

本課程關(guān)于無人機(jī)搜救傷員的情境項(xiàng)目，不僅迎合了學(xué)生對(duì)新興科技、智能硬件的興趣，體驗(yàn)到自主可控的重要性，還激發(fā)了學(xué)生的愛國(guó)情懷，提升了社會(huì)責(zé)任感。同時(shí)，學(xué)生經(jīng)歷了從理解背景、明確任務(wù)到頭腦風(fēng)暴、學(xué)習(xí)新知，再到解析算法、編程實(shí)現(xiàn)，最后不斷調(diào)試直至完成任務(wù)的過程，親身體驗(yàn)了物理世界與數(shù)字世界的深度融合，增強(qiáng)了信息意識(shí)，在實(shí)踐中提升了計(jì)算思維與數(shù)字化學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力。

李宏亮 上海市金鼎學(xué)校信息科技教師。在初中階段圍繞信息科技開展跨學(xué)科課程，基于單片機(jī)、無人機(jī)、智能車等設(shè)備創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，提升學(xué)生綜合能力。輔導(dǎo)的學(xué)生在第二十二屆全國(guó)學(xué)生信息素養(yǎng)提升實(shí)踐活動(dòng)中獲二等獎(jiǎng)，在第三十九屆世界頭腦奧林匹克中國(guó)區(qū)決賽中獲三等獎(jiǎng)，在2021年全國(guó)青少年科技模型競(jìng)賽中獲一等獎(jiǎng)，等等。