VEX IQ測距自動控制技術實踐活動方案

方案背景（需求分析）

政策引領

2017 年，國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確了我國新一代人工智能發(fā)展的戰(zhàn)略目標，明確在中小學階段設置人工智能相關課程，大力促進人工智能與教育教學深度融合，著力培育具有人工智能創(chuàng)新潛質的青少年群體。

教育需求

《義務教育信息科技課程標準（2022 年版）》中明確指出，“創(chuàng)新教學方式，以真實問題或項目驅動，引導學生經(jīng)歷原理運用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應用過程，建構知識，提升問題解決能力?！北窘虒W活動以真實項目為驅動，基于STEM理念，為學生營造自主創(chuàng)新的環(huán)境，推動學生科學素養(yǎng)全面發(fā)展。

科技館興趣班、學校興趣班與社團都非常希望參加科技館教師開展的智能控制類主題實踐活動，同時為學校開展主題創(chuàng)意與設計學習提供支持。

智能控制信息技術

面向小學生開展現(xiàn)代信息教育是當前技術教育的熱門項目，而且基于智能的自動感應探頭、機器人主機等材料在市場上非常豐富，且價格低廉，為學生動手實踐提供了物質條件。

設計理論依據(jù)

利用ADDIE 教學模式的5 個階段：分析、設計、開發(fā)、實施和評價，制訂精細化的教學目標、個性化的教學方法、精準化的教學內容，培養(yǎng)學生的高階思維能力，全面提高學生分析問題、解決問題的能力，達到現(xiàn)代工程教育認證理論所要求的素質能力。

學生興趣

自動智能工具的互動性強，小學生比較感興趣。

活動對象、人數(shù)、課時

小學中高年級（5—6 年級），科技館學員106 人，“科技館活動進校園”10 個班約300 人，共計9 課時。

活動內容

知識與技能學習

學習控制信號、自動測距相關組件功能與工作原理（ 教師演示教育+ 講解）；學習控制信號隨自動測距變化、智能控制系統(tǒng)的工作原理；學習、測試、體驗、理解自動測距方法。

創(chuàng)意與設計方法學習

創(chuàng)意：學生結合生活經(jīng)驗，基于出行、工作、生活便利等場景，開展頭腦風暴，提出運用所學技術可能解決的生活問題。

設計：各小組確定要解決的問題及設計思路，并經(jīng)教師審核確認。

模型制作與調試

按照設計方案搭建硬件結構；編寫、調試程序；修改、完善作品。

設計方案模型演示交流

展示匯報作品；交流、評價；總結拓展。

核心素養(yǎng)目標

理解科學原理

學生通過聆聽教師講解、觀摩教師演示，掌握超聲波傳感器的使用方法，正確理解超聲波傳感器的工作原理。

掌握智能控制技術

知道分支程序結構的判斷條件、流程，能夠根據(jù)控制距離設置控制參數(shù)（閾值）。

嘗試運用技術解決實際問題

能夠綜合運用超聲波傳感器等機器人零件，圍繞生活中的問題，提出解決方案，并能完成運用VEX IQ測距自動控制技術解決實際問題的創(chuàng)意設計與模型制作。

表達與交流

依據(jù)嘗試解決問題的模型制作過程，撰寫基于問題解決的創(chuàng)意與設計報告，采用演示文稿結合實物（模型）演示，開展作品展示與交流。

活動籌備

與學校建立聯(lián)系，排定活動課程實施計劃；組織學生進行問卷調查，摸清學生對機器人的了解情況，同時讓學生對活動有初步的認識；初步擬訂活動方案，準備VEX IQ機器人套材、設計學習單、制作微課，收集相關資料。

活動實施

知識與技能（4 課時）

通過教師講授、演示超聲波傳感器編程使用方法，觀看《超聲波傳感器工作原理》微課，學生學習超聲波傳感器的工作原理與測距方法。

傳感器工作原理

VEX IQ 機器人超聲波傳感器通過一側的發(fā)射器發(fā)出微小的超聲波脈沖，計算“聽”到聲音反射回傳感器另一側接收器所需的時間，并根據(jù)往返時間計算距離。隨后，距離傳感器根據(jù)聲速進行計算，“告訴”機器人大腦最近的物體有多遠。傳感器可以測量的距離范圍為24 mm ～ 1 m。

知識拓展：傳感器測距范圍由器材功率決定。

測距方法

①打開VEX IQ 主機，按“右箭頭”，選擇“設備”，選擇“超聲波傳感器”，讀取數(shù)值。②編程實現(xiàn)，先打開程序界面，然后拖拽程序塊。

技能練習

按表1 要求進行指定物體測距練習。

提示、報警

通過聆聽教師講授、觀看微課學習VEX IQ 機器人兩種提示、報警方法：①通過編程設置讓主機鳴叫；②讓TouchLED 顯示不同顏色。軟件參數(shù)設置見圖1、表2。

模仿樣例

動手制作智能感應書桌（圖2），運用超聲波傳感器，實現(xiàn)靠近書桌50 mm 內，TouchLED 亮黃燈，主機提示音響3 聲; 遠離書桌50 mm 外，TouchlLED 滅。

演示、講解功能： 測試、確定閾值，將流程圖（圖3）補充完整，利用超聲波傳感器測距功能實現(xiàn)本例功能。

創(chuàng)意與設計（1 課時）

運用超聲波傳感器、TouchLED或主機提醒、報警功能，結合生活經(jīng)驗，比如運用到測距情況的汽車倒車雷達、文物靠近報警裝置、入戶門靠近報警裝置等，設計制作“自動測距與提示（報警）”工具。

繪制“自動測距與提示（報警）”工具的設計草圖，并在展示匯報中說明設計原理、用到的傳感器，并分析可行性。

模型制作與調試（3課時）

根據(jù)設計結構與功能草圖，搭建硬件完成演示模型。要求硬件結構結實，符合作品特點，能夠實現(xiàn)作品設定的功能，并能操作模型進行演示。

根據(jù)功能設計編寫程序，通過不斷調試，確定控制參數(shù)，要求思路清晰、算法正確、閾值確定準確。

持續(xù)調試、優(yōu)化、完善作品，實現(xiàn)VEX IQ 測距自動控制設備作品設定的功能。

對完成有困難的學生安排答疑與個別輔導。

成果展示匯報（1 課時）

組織學生進行成果展示、交流，要求說明解決問題思路、具體路徑與方法，以及成品達到的性能情況，同時介紹使用操作方法。

進行演示文檔展示和實物演示。要求包括題目、目錄、背景、方案、設計圖紙、結構功能、演示效果、收獲體會、致謝等。

學生在交流中相互學習，發(fā)現(xiàn)其他組作品的優(yōu)點和不足，并提出改進建議。

活動總結

通過活動掌握了哪些新知識、新技能？用什么技術方法、技術路徑解決了哪個生活問題？試著說一說什么是科學、技術、方法？

評價標準與方式

依照信息科技課程標準和理念，注重評價育人，強化素養(yǎng)立意，堅持過程性評價與終結性評價相結合，自評與他評相結合。

該項目獲得第38 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員科技教育創(chuàng)新成果一等獎