智能超聲波跟蹤機器人

主講人：聞迪

聞迪

北京市西城區(qū)康樂里小學信息科技教師，北京市骨干教師，現(xiàn)任西城（南）區(qū)小學信息科技兼職教研員，曾獲得全國中小學實驗教學說課活動一等獎，論文、案例等在全國、市、區(qū)各類比賽中獲獎或公開發(fā)表。

設計依據(jù)

“以興趣為起點，以活動為主線”是小學信息科技教材內(nèi)容設置的重要特點之一。興趣對學習者有著神奇的內(nèi)驅(qū)作用，能變無效為有效，化低效為高效。國務院于2017年下發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出，要在中小學普及人工智能編程教育。機器人教育作為人工智能技術(shù)領(lǐng)域中的重要一環(huán)，逐漸得到小學教師和家長們的重視，小學生對機器人的學習也有著濃厚的興趣。小學生學習機器人的定位是了解、認識和簡單編程，本節(jié)課從學生學習興趣出發(fā)，對身邊的機器人應用進行認知和模擬。

課例特點

本課的教學背景來自學生的日常生活，讓學生觀察生活中的具體應用激發(fā)學習興趣，進而愿意體驗機器人編程學習以及了解機器人傳感器的工作原理。教學過程中，學生根據(jù)學習需求，利用已經(jīng)掌握的相關(guān)圖形化編程的知識，運用樂高EV3機器人編程平臺中提供的編程技術(shù)，自主探索、自主編程模擬機器人超聲波傳感器的工作過程，掌握圖形化編程中機器人超聲波傳感器的編程方法，根據(jù)新舊知識之間的聯(lián)系，進一步了解傳感器的工作原理，理解機器人工作的具體過程。學生們在編程的過程中感受到科技進步給生活帶來的變化和便利，體驗到學習程序設計的成就感，進一步激發(fā)了探究科學技術(shù)的興趣。

教學目標

1.了解EV3機器人超聲波傳感器的工作原理和工作過程；2.掌握圖形化編程中雙分支結(jié)構(gòu)的嵌套編程方法，理解相關(guān)算法，培養(yǎng)計算思維；3.感知機器人技術(shù)給生活帶來的變化，激發(fā)學習編程和機器人相關(guān)知識的興趣，體驗學習編程的成就感。

教學重點與難點

教學重點：掌握圖形化編程中雙分支結(jié)構(gòu)的嵌套編程方法，理解相關(guān)算法，培養(yǎng)計算思維。

教學難點：了解EV3機器人超聲波傳感器的工作原理和工作過程。

教學過程

一、激趣導入，明確任務

教師通過展示提前準備好的視頻，引導學生了解傳感器技術(shù)在日常生活中的具體應用，激發(fā)學生的學習興趣。同時教師提出以下問題：1.視頻中，跟隨主人行走的機器人運用了什么技術(shù)？2.機器人是通過什么方式實現(xiàn)這樣的技術(shù)？

學生通過新舊知識之間的聯(lián)系，進一步了解超聲波傳感器在機器人編程中的應用。教師揭示本節(jié)課的研究主題：通過編程來學習“智能超聲波跟蹤機器人”，了解超聲波傳感器的工作原理和工作過程。

二、合作探究，思維訓練

1.了解超聲波傳感器的工作原理

教師幫助學生回顧學習過的知識，梳理日常生活中的經(jīng)驗，通過實例讓學生了解超聲波傳感器的工作原理，并提出“什么是超聲波測距定位”這一問題讓學生思考。學生根據(jù)圖示和自己的理解，解釋超聲波測距定位的工作過程。

超聲波傳感器工作原理：由機器人主體發(fā)出超聲波作為信號源，探測到目標后，接收并返回信號，計算與目標的距離，定位目標位置，控制馬達運動，從而達到跟蹤目的。（如圖1）

2.分組合作展示硬件搭建

教師進行機器人搭建的示范后，學生代表展示自己組的成果。（如圖2）

3.描述工作過程，培養(yǎng)計算思維

進行編程前的準備工作。教師引導學生根據(jù)機器人的行動，描述它的工作過程。學生描述機器人兩個超聲波傳感器檢測后的四種情況：第一種，左右超聲波傳感器均檢測到前方有物體，機器人直行；第二種，左側(cè)傳感器檢測到前方有物體，而右側(cè)沒有檢測到，機器人左轉(zhuǎn)；第三種，右側(cè)傳感器檢測到前方有物體，而左側(cè)沒有檢測到，機器人右轉(zhuǎn)；第四種，兩個傳感器都沒有檢測到前方有物體，機器人停止。教師展示流程圖如圖3所示。

三、深入研究，編程驗證

學生觀察機器人超聲波傳感器的工作過程，發(fā)現(xiàn)此程序為程序設計中的選擇結(jié)構(gòu)，但卻是一個不同于以往學習的知識點。以前學習的選擇結(jié)構(gòu)，分支之后就各自執(zhí)行自己的指令，一般只有兩種選擇。在圖3的流程圖中，我們發(fā)現(xiàn)程序分支后，又進行了分支，產(chǎn)生了四種不同的情況。

教師適時進行教學，告訴學生們在生活中或者在編程中，不是所有的事情都只有兩種選擇，多種選擇的情況是常見的，這里要用到選擇結(jié)構(gòu)的嵌套。本節(jié)課學習的是選擇結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)的嵌套。教師進行程序展示和講解，學生進行模仿編程設計。

1.在“流程控制”選項卡中拖拽“切換”指令到流程線上。

2.將兩個“切換”指令分別放入“是”執(zhí)行槽和“否”執(zhí)行槽，搭建好選擇結(jié)構(gòu)嵌套的基本框架。（如圖4）

3.設置指令。首先設置最外層的“切換”指令，設置傳感器類型為“超聲波傳感器”，比較類型設置為“<”，距離為50厘米，端口為左邊傳感器接線的端口“4”。（如圖5、圖6）注意：端口的選擇一定是左邊超聲波傳感器的接線端口，將接線插在4號端口，因此端口選擇“4”。

4.用同樣的方法設置選擇結(jié)構(gòu)嵌套中的兩個“切換”命令。注意：這兩個“切換”命令都是針對右側(cè)超聲波傳感器的，接線在1號端口，因此將端口設置為“1”。

5.分別在四種不同的情況中設置電機不同的反應。第一種：左右超聲波傳感器均可以探測到前方物體，從“動作”模塊中拖拽“移動轉(zhuǎn)向”指令到執(zhí)行槽中，設置“移動轉(zhuǎn)向”為開啟狀態(tài)。左側(cè)電機插在“B”端口，右側(cè)電機插在“C”端口，因此端口選擇為“B+C”。（如圖7）第二種：左側(cè)傳感器探測到物體，而右側(cè)沒有探測到，右側(cè)電機轉(zhuǎn)動，左側(cè)不動，使機器人向左側(cè)轉(zhuǎn)向。將“動作”模塊中的“移動槽”指令拖拽到相應的執(zhí)行槽中，并設置成開啟狀態(tài)，左功率為0，右功率為50。（如圖8）第三種：右側(cè)傳感器探測到物體，左側(cè)傳感器沒有探測到，機器人向右轉(zhuǎn)彎。設置的方法和第二種相同，左功率為50，右功率為0。（如圖9）第四種：左右兩個傳感器都沒有檢測到物體，則機器人不行走。將開啟狀態(tài)設置為“停止”。

6.由于機器人要持續(xù)行走、判斷，需要在最外圍加上無限制的循環(huán)。

四、總結(jié)提升，助力發(fā)展

學生上傳程序并進行機器人測試，教師進行總結(jié)提升，引導學生思考在這個程序上增加功能性的模塊，讓智能超聲波跟蹤機器人功能更強大。為下節(jié)課的學習做好鋪墊工作。

實踐反思

筆者通過教學實踐，有如下幾點反思：1.以貼近生活的任務情境來激發(fā)學生的學習興趣，讓知識學以致用。2.以多層次的學習方法激發(fā)學生的學習熱情。3.通過EV3機器人圖形化程序設計平臺，引導學生學習機器人傳感器的基礎(chǔ)知識以及圖形化編程方法，培養(yǎng)計算思維，體驗學習程序設計和機器人編程的成就感。