闽教版(2020)八年级信息技术下册 第4课《搭建救援机器人》 教案(2课时)

搭建救援机器人教学内容分析随着电子技术、机械技术和人工智能技术的快速发展，利用机器人进行抢险和救 援已经成为可能。本节课主要介绍救援机器人的组成、搭建方法和工作原理，以及开 源硬件在机器人中的应用，编写程序让简易机器人能直线前进，遇到障碍物时能转向 避开，最终实现利用机器人来完成搜索和救援任务。本节课硬件主要涉及麦昆小车和超声波传感器。通过编程能使麦昆小车电机转动， 实现直线前进、后退、转向等功能，而超声波传感器相当于麦昆小车的眼睛，通过超 声波传感器，麦昆小车遇到障碍物时能转向避开。从本节课开始，为了能更好地支持 机器人套装与物联网模块等多种扩展硬件，教材采用 Mind编程平台进行实验和操 作。Mind 也是一种 micro：bit 的集成开发环境，基于 Scratch3.0 开发，操作方 法及存储格式与 Scratch 基本相同。通过本节课的学习，旨在让学生初步了解救援机器人的组成、搭建方法和工作原 理，掌握有关超声波传感器的基功能，了解开源硬件在机器人中的应用，培养学生的 探索精神，增强他们的动手能力。教学对象分析本节课是学生第一次接触机器人，学生在生活中多有接触机器人这个名字，但多 数学生会认为机器人应该是一个人。有些学生有玩过遥控玩具的经验，对理解开源硬 件执行人的“程序指令”完成特定任务的工作原理有一定的帮助。使用开源硬件来搭建机器人，对于大部分的学生来说都是第一次。本节课首先通 过自己组装机器人，可以迅速让学生对机器人的内部结构有所了解，减少陌生感。 Mind 是基于 Scratch3.0 开发的一套集成开发软件，大部分学生小学已经学过 Seratch 编程，相对比较容易上手。超声波传感器是本节课要接触到的一种新的传感 器。本节课我们要让学生学会利用 Mind编写程序读取超声波传感器的数据，从而 控制小车行进的路线。通过本节课的学习，能帮助学生初步掌握机器人的操控方法， 提升学生动手能力和信息素养，进一步感受开源硬件给我们生活带来的变化。教学目标1理解机器人的分类，应用情况，感受机器人的应用价值。2了解超声波传感器的工作原理，能使用超声波传感器进行测距。3了解电动马达及应用。4简易救援机器人搭建。5救援任务程序的设计与实现。教学重点和难点1教学重点。读取超声波传感器数据，控制小车前进。2. 教学难点。救援任务程序的设计与实现。教学方法1 比较观察法：展示救援机器人等各种开源硬件的图片，让学生感性认识机器 人的外观形状和结构，初步了解各种类型机器人的应用环境。2讲授法：讲述救援机器人的类型、工作原理、应用情况、应用价值3 任务驱动法：以教材内容为主题，学生根据任务的具体要求，开展小组合作 的探究性学习，各组成员围绕教材范例和老师提出的问题，做好交流和活动成果展示4交流、评价法：展示学生的活动成果，鼓励学生参与评价教学准备1教学环境：计算机网络教室、互联网环境、转播控制系统。2 资源准备：资源包（视频：麦昆机器人超声波避障机器人灭火机器 人），有关开源硬件应用的文字资料、各种开源硬件图片课件学生作品。3实验器材准备：麦昆机器人若干台（含超声波传感器），数据线若干条，建筑 物模型一个。教学过程教学环节创设情境第 1 课时教师活动1.播放视频:麦昆机器人灭火 机等。2讲解：这是用开源硬件制作的救 援机器人，它展现了开源硬件帮助人们处 理危险、繁杂的事务的能力。学生活动 设计意图 观赏有关机器 以机器人视频人视频，了解开源 片断为切入点，将 硬件的作品形态。 学生的思路引向现实生活，鼓励学生 说一说自己的所见导入新课 3机器人能实现你的许多创意，解 决你生活中的一些问题，说说你生活中见 到的机器人。4请小组长分发麦昆机器人套件， 两至三人一台。1播放视频：超声波避障机器 人，引导学生从视频中发现机器人是如 何进行自动避障，引出超声波传感器。2引导学生阅读教材 P38 的内容，交流讨论，说 所闻，再过渡到本 说机器人能帮人们 课课题。解决的问题。领取实验器材。观看视频。 学生观看视 频，带着问题阅读 教材，了解超声波带着问题阅读 传感器的原理，结认识超声波传感器提问：什么是超声波传感器。展示超声波 传感器的工作原理图片，试着运用物理知 识推导出超声波测距的距离计算公式： （声音在空气中的传播速度 x 传播的时间 差）/2，初步了解超声波传感器测距的原 理以及一些应用场景。3上网查阅相关资料，引导学生分 组交流讨论。提问：你见过的超声波传感 器还有哪些？它们有哪些共同特征？教材内容，了解超 合物理知识推导出 声波传感器的工作 距离计算公式，尝 原理。运用已学的 试多学科知识的融 物理知识，分析超 合运用。声波传感器的测距方法。分组讨论，不同的超声波传感器有什么异同点。1请组长分发机器人套件，23 个 学生接收设 通过动手实 人一组：micro：bit 板、超声波传感 备，检查设备的完 践，学生组装机器 器、轮子、电池盒、3 节 7 号电池、双面 整性。 人，了解机器人的胶、扩展板。内部结构。动手实2 指导学生搭建机器人。按照教材 取出螺丝刀， 学生第一次接 P39 40 第二步至第四步安装机器人套 小组合作，按照安 触 Mind，操作方践：调试 件。提醒学生注意扩展板不要插反了，正 装步骤，开始安 法与 MakeCode 有 超声波传 确的做法是 LED 屏与超声波传感器在同一 装。 比较大的差异，虽感器侧。检查机器人小车各部件连接的牢固 性。与 Scratch 有点类 似，但涉及硬件连3用数据线连接 micro：bit 与计算 找到数据线， 接等操作，需要教 机。将数据线的一端连接 micro：bit 数 一端连接 micro： 师一步一步引导学 据端口，另一端连接计算机 USB 接口。提 bit，一端连接电 生，提醒学生注意 醒学生如何检查设备与计算机已正常连 脑的 USB 口。 观察提示。 接。4播放Mind操作视频，打 开 Mind，简单介绍 Mind的界面， 选择右下角“扩展”的套件：micro： Maqueen 麦昆小车，单击菜单“连接设 备”的串口 Microbit，连接设备。5演示：在“实时模式”，拖出 “当绿旗被点击”指令，拖出“说你 好”指令接上，找到“读取 P1P2 超声 波距离（cm）”指令放在“说你好”模 块中，打开小车开关，单击绿旗测试。 提醒学生注意电池电量，电量不足时读 取到的值是 0。提醒学生每拿到一种新 的传感器，都要进行这样的测试。在 “实时模式”下可以实现硬件与舞台角 色的交互，以及可以实时地控制硬件而 不需要上传程序。6切换到“上传模式”，单击“扩 展”，添加套件：micro：Maqueen（麦 昆），连接设备。7阅读教材 P42，按教材范例编 写程序。提示学生在编程的过程中，体 会“实时模式”和“上传模式”的异同 点，请学生总结回答。双击桌面的 Mind图标，选择 运行 Mind，连接 设备。确保右上角 显示“设备连接成 功”。观看教师演 示，打开小车开 关，编写程序，单 击绿旗，读取超声 波传感器的数据， 利用手或书本作为 障碍物，测试超声 波传感器读取到的 数据是否与实际相 符。编写测试程 序，观察超声波传 感器获得距离值和 显示 LED 的图案是 否与程序预设的运 行结果一致。学生第一次接 触超声波传感器， 教师要教会学生拿 到任何传感器的第 一步就是要先编写 一个程序测试一 下，养成良好的编 程习惯。“上传模式” 和“实时模式”在 结果的呈现方式上 有较大的不同，通 过案例对比，让学 生亲身体验两者的 不同，加深印象。1利用超声波传感器和其他辅助 学生交流与讨 学生充分利用 器材，制作一个简易的手持超声波测距 论，思考问题解决 已学知识，完成任实践创新 仪。的方法，动手实 务，提高知识的综2请小组长回收实验器材，清点 践。 合运用能力。数量。第 2 课时教学环节教师活动1回顾、演示上节课的内容：打 开 Mind，选择右下角“扩展”的套学生活动 观看教师演示，思考并回答设计意图 上节课中，学生第一次接触件：micro：Maqueen（麦昆），单击菜问题。 Mind，对 Mind单“连接设备”的串口 Microbit，连 还比较陌生，知识回顾创设情境接设备。提问：在连接方式上MakeCode 与 Mind有何不同。2分别演示在“实时模式”和 “上传模式”下，如何读取超声波传 感器获得的数据，提问：这两种模式 的异同点。3播放超声波避障机器人视 频，介绍救援机器人在控制程序的指 挥下，通过超声波传感器，获取现场 数据，自动识别障碍物并避开，到达 指定的位置执行任务。4请小组长分发已组装好的机器 人，23 人一台。观看教师演 示，思考并回答 问题。观看视频， 了解救援机器人 的特点。领取实验器 材。教师通过演示读 取超声波传感器 获得的数据这个 案例，帮助学生 一起回顾 Mind+最 基本的几个操作 步骤，如连接、 扩展等功能，以 及“实时模式” 和“上传模式” 的区别，为本节 课的顺利进行做 铺垫。让小车动动起来1介绍电机。电动马达用于驱动 认真倾听， 轮子转动，让机器人行走。 micro： 思考如何通过程 bit 电路板输出电流较小，一般不用于 序来控制小车的 直接驱动大功率马达，麦昆机器人小 前进、后退与转 车使用 N20 金属减速电机，通过外接 向。扩展板给电机提供更大的电流，并利用改变通过电流的大小、方向等方式来控制电机的转速和方向。2连接设备，切换到“实时模 以小组为单 式”，按下图程序进行测试：小车前进 位进行测试，尝 3 秒后停止，尝试修改速度。 试修改速度和等待时间，单击绿 旗运行程序，观 察小车运动的变 化。更改“前 进”为“后退” 或“左转”速 度，再进行测 试。教师通过介 绍电机的基本知 识，让学生明白 电机需要的电流 比较大，需要外 接扩展板才能驱 动，以及 micro： bit 是通过程序改 变电流的方向来 控制电机的转速 起来和方向。通过一个简 单被点击的案 例，来测试电机 是否能正常工 作。小车动起 来，能极大激发 学生继续探的热 情和兴趣。动手实践：搭建简易救援机器人优化程序1描述任务。展示某建筑物的 图片，在该建筑物内发生险情，请 学生让机器人小车通过超声波传感 器，避开墙壁等障碍物，前往指定 救援地点，为被困人员提供必要的 帮助。2分析完成任务的算法：先直 行，遇到障碍物右转 90 度，再直 行，遇到障碍物再右转 90 度，直行 几秒后停止。3阅读教材 P4447，按照教 材参考步骤，编写程序，不断调 试。告诉学生，在调试过程中要尽 量保持小车初始位置一致，车子要 正，转弯 90 度是通过等待时间调出 来的。4组织一场比赛，看哪一个小 组的机器人小车又快又准确地到达 指定位置，用时最短的小组给予奖 励。1请学生阅读教材 P4748 页。提问：为什么要优化程序。讲 解：在程序中有一些重复的动作， 比如右转，可以用自定义函数，这 样可以使得程序更简洁。2指导学生从“函数”模块中 找到自定义模块，给模块命名，按 教材范例，对程序进行优化。认真倾听。 教师通过讲 解，让学生明确 他们控制机器人 小车要完成的任 务，以及辅助学 生推出完成任务构思如何编写 的算法模型。 程序。 学生自己动手探究，按照教 材的参考步骤，以小组为单 通过合作完成程 位，编写、调试程 序的编写和调 序，合作探究，动 试，提高自主编 手实践。 程能力。通过比赛， 激发学生学习兴积极参与比 趣，促进学生合 赛。调试过程遇到 作探究，活跃课 问题及时解决。 堂气氛。阅读材料，回 带着问题阅 答问题，认真听 读材料，教师引 讲。 导学生了解模块化程序的概念， 学会使用函数来模仿操作，学 对程序进行优 会使用函数来优化 化。程序。1改装原有场地线路，让学生 探索实践，完 改变线路， 根据实际情况，快速编出程序。 成任务。 考验学生的应变实践创新 2实验结束，要求学生整理回 整理实验器 能力，加深对程收实验器材。 教学反思方向材。 序的理解。1 视频中的机器人能否引导学生充分认识开源硬件的应用，激发学生的学习兴 趣。2学生是否能理解超声波传感器的工作原理。3小组成员交流、讨论、合作的效果如何。4学生是否能理解控制机器人的前进、后退与转向的方法。