搭建圖書自動(dòng)分揀系統(tǒng)

主講人：胡亞秋

胡亞秋

上海市普陀區(qū)新普陀小學(xué)東校信息科技教師、中級(jí)教師，曾獲區(qū)信息科技學(xué)科教師專業(yè)能力評(píng)優(yōu)二等獎(jiǎng)；中國教育技術(shù)協(xié)會(huì)2021年小學(xué)信息技術(shù)優(yōu)質(zhì)課展示交流活動(dòng)二等獎(jiǎng)；主持、參與區(qū)級(jí)多項(xiàng)課題；參與編寫華東師范大學(xué)出版的《樂高教育STEM》系列叢書；曾帶領(lǐng)學(xué)生在市、區(qū)各項(xiàng)機(jī)器人競(jìng)賽中獲得佳績(jī)。

教學(xué)目標(biāo)

1.知道少兒圖書館圖書自動(dòng)分揀系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。2.使用樂高材料模擬搭建一個(gè)圖書自動(dòng)分揀系統(tǒng)，并能夠掌握其基本結(jié)構(gòu)和工作原理。3.知道程序在圖書自動(dòng)分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用和作用。4.有效運(yùn)用觀察現(xiàn)象—發(fā)現(xiàn)問題—分析原因—嘗試解決的程序調(diào)試方法解決實(shí)際問題。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：了解并掌握顏色傳感器在本系統(tǒng)中的作用。

教學(xué)難點(diǎn)：梳理圖書自動(dòng)分揀系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯。

教學(xué)過程

一、激趣導(dǎo)入，創(chuàng)設(shè)情境

教師播放少兒圖書館圖書自動(dòng)分揀機(jī)運(yùn)行的視頻以及相關(guān)的分揀規(guī)則介紹，讓學(xué)生了解圖書自動(dòng)分揀機(jī)的基本構(gòu)造和工作原理，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)與思考圖書自動(dòng)分揀機(jī)對(duì)提高人們工作效率的意義及其應(yīng)用的范疇。

二、頭腦風(fēng)暴，獲取新知

教師組織學(xué)生觀察和思考圖書自動(dòng)分揀機(jī)的基本構(gòu)造和其中的關(guān)鍵部位，進(jìn)而分析其自動(dòng)分揀系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，理解顏色傳感器在本系統(tǒng)中的作用。

三、應(yīng)用新知，探究實(shí)驗(yàn)

教師組織學(xué)生分組，讓學(xué)生參照少兒圖書館圖書自動(dòng)分揀機(jī)的真實(shí)模型，去討論建構(gòu)圖書自動(dòng)分揀系統(tǒng)需要的步驟和程序算法，最后分工搭建并制作出相應(yīng)的模型。

學(xué)生思考紅外顏色傳感器在模型中的應(yīng)用范圍以及電機(jī)與紅外顏色傳感器的關(guān)系，并在前期討論和觀察分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)初步的圖書自動(dòng)分揀系統(tǒng)算法。

四、編程調(diào)試，鞏固新知

教師組織學(xué)生經(jīng)歷觀察現(xiàn)象—發(fā)現(xiàn)問題—分析原因—嘗試解決等過程，逐步完善程序編寫，在實(shí)踐過程中加深對(duì)人機(jī)交互解決問題的理解。

五、展示評(píng)價(jià)，拓展創(chuàng)新

教師組織學(xué)生向全班同學(xué)展示作品，介紹設(shè)計(jì)思路、作品完成過程中遇到的問題以及解決的方法，由教師和其他學(xué)生一起對(duì)作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，并引導(dǎo)學(xué)生思考如何對(duì)作品進(jìn)行進(jìn)一步完善和創(chuàng)新。

案例詳解

一、了解少兒圖書館圖書分揀規(guī)則

教師介紹少兒圖書館圖書分揀規(guī)則。根據(jù)規(guī)則，學(xué)生可以了解到上海市普陀區(qū)少兒圖書館的圖書自動(dòng)分揀機(jī)會(huì)將圖書分為三大類型，分別是本館內(nèi)少兒書籍、館外少兒書籍、非少兒書籍。其中本館內(nèi)少兒書籍在分揀時(shí)根據(jù)樓層進(jìn)行分類，依次為二樓、三樓和四樓。

二、顏色識(shí)別

少兒圖書館的圖書自動(dòng)分揀機(jī)通過識(shí)別圖書中的芯片來辨別圖書的信息進(jìn)而進(jìn)行分類分揀。我們需要制作的圖書自動(dòng)分揀系統(tǒng)則可通過紅外顏色傳感器對(duì)不同顏色的識(shí)別功能來區(qū)分和模擬圖書分揀的過程。

本課使用LEGO Education SPIKE Prime科創(chuàng)套裝完成圖書自動(dòng)分揀機(jī)系統(tǒng)的搭建和程序設(shè)計(jì)。SPIKE Prime顏色傳感器可以識(shí)別紅、綠、藍(lán)、黃、黑、白等多種顏色。學(xué)生可以使用不同顏色的樂高材料來模擬不同類型的圖書數(shù)據(jù)，通過顏色傳感器的對(duì)不同顏色的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)—處理數(shù)據(jù)—輸出結(jié)果的算法過程。

三、分揀邏輯

學(xué)生根據(jù)少兒圖書館圖書分揀規(guī)則，設(shè)計(jì)圖書分揀邏輯，基于圖1中的圖書分揀邏輯進(jìn)行模型搭建和編寫程序。

四、程序設(shè)計(jì)與調(diào)試

1.需求分析

學(xué)生根據(jù)之前討論得出的分揀邏輯可知，在圖書分揀過程中會(huì)出現(xiàn)多種情況需要判斷，結(jié)合已經(jīng)搭建好的模型（如圖2），使用兩個(gè)顏色傳感器進(jìn)行分步判斷。

將綠色積木塊設(shè)定為非少兒書籍，白色積木塊設(shè)定為館外少兒書籍，紅色積木塊設(shè)定為本館內(nèi)二樓少兒書籍，藍(lán)色積木塊設(shè)定為本館內(nèi)三樓少兒書籍，黃色積木塊設(shè)定為本館內(nèi)四樓少兒書籍。

當(dāng)顏色傳感器1檢測(cè)到綠色時(shí)，電機(jī)控制履帶改變方向?qū)⒕G色積木塊運(yùn)送至灰色盒子中，即模擬圖書自動(dòng)分揀機(jī)檢測(cè)到非少兒書籍，自動(dòng)將圖書放入非少兒書籍筐內(nèi)。

當(dāng)顏色傳感器2檢測(cè)到白色時(shí)，電機(jī)控制分揀盒將白色積木倒入白色筐內(nèi)，即模擬當(dāng)圖書自動(dòng)分揀機(jī)檢測(cè)到館外少兒書籍時(shí)，放入館外少兒書籍筐內(nèi)。

當(dāng)顏色傳感器2檢測(cè)到紅色時(shí)，電機(jī)控制分揀盒將紅色積木倒入升降機(jī)托盤中，上升至二樓并放入二樓籃筐，模擬圖書自動(dòng)分揀機(jī)檢測(cè)到二樓少兒書籍時(shí)，將書籍運(yùn)送到二樓籃筐內(nèi)。

2.主要的設(shè)計(jì)程序

啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)履帶輪往圖書館方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)到綠色積木塊時(shí)，履帶輪往反方向轉(zhuǎn)動(dòng)2秒，發(fā)送廣播“go”，程序圖如圖3所示。

當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)到白色積木塊時(shí)，電機(jī)控制分揀盒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，分揀盒中的積木倒入白色筐，等待5秒后，分揀盒歸位。

當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)到紅色積木塊時(shí)，電機(jī)控制分揀盒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，分揀盒將里面的積木塊倒入升降機(jī)中，等待0.5秒后，分揀盒歸位，廣播“red”。程序接收到“red”指令，升降機(jī)上升至二樓，廣播“turn”。當(dāng)程序接收到“turn”指令后，升降機(jī)托盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，分揀盒將積木塊倒入二樓，等待0.5秒后，托盤歸位，廣播“red back”，程序接收到該指令，升降機(jī)歸位。程序圖如圖4所示。

顏色傳感器判斷為黃色積木塊還是藍(lán)色積木塊時(shí)的程序可參考上面的程序。

五、拓展創(chuàng)新

教師與學(xué)生對(duì)作品進(jìn)行展示交流后，讓學(xué)生梳理設(shè)計(jì)思路、完善提升作品。如在搭建結(jié)構(gòu)上，提高升降機(jī)運(yùn)行速度；在程序設(shè)計(jì)上使用分支結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化程序等。

本課是基于真實(shí)的圖書館自動(dòng)分揀機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生利用樂高材料進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，以項(xiàng)目方式開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，在作品制作與完善的過程中，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，發(fā)展他們的計(jì)算思維能力，培養(yǎng)其科學(xué)實(shí)驗(yàn)精神。