閩教版(2020)八年級信息技術下冊 第4課《搭建救援機器人》 教案(2課時)

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1、搭建救援機器人 教學內(nèi)容分析 隨著電子技術、機械技術和人工智能技術的快速發(fā)展，利用機器人進行搶險和救 援已經(jīng)成為可能。本節(jié)課主要介紹救援機器人的組成、搭建方法和工作原理，以及開 源硬件在機器人中的應用，編寫程序讓簡易機器人能直線前進，遇到障礙物時能轉向 避開，最終實現(xiàn)利用機器人來完成搜索和救援任務。 本節(jié)課硬件主要涉及麥昆小車和超聲波傳感器。通過編程能使麥昆小車電機轉動， 實現(xiàn)直線前進、后退、轉向等功能，而超聲波傳感器相當于麥昆小車的眼睛，通過超 聲波傳感器，麥昆小車遇到障礙物時能轉向避開。從本節(jié)課開始，為了能更好地支持 機器人套裝與物聯(lián)網(wǎng)模塊等多種擴展硬件，教材采用 Min

2、d＋編程平臺進行實驗和操 作。Mind ＋也是一種 micro：bit 的集成開發(fā)環(huán)境，基于 Scratch3.0 開發(fā)，操作方 法及存儲格式與 Scratch 基本相同。 通過本節(jié)課的學習，旨在讓學生初步了解救援機器人的組成、搭建方法和工作原 理，掌握有關超聲波傳感器的基功能，了解開源硬件在機器人中的應用，培養(yǎng)學生的 探索精神，增強他們的動手能力。 教學對象分析 本節(jié)課是學生第一次接觸機器人，學生在生活中多有接觸機器人這個名字，但多 數(shù)學生會認為機器人應該是一個人。有些學生有玩過遙控玩具的經(jīng)驗，對理解開源硬 件執(zhí)行人的“程序指令”完成特定任務的工作原理有一定的幫助。

3、使用開源硬件來搭建機器人，對于大部分的學生來說都是第一次。本節(jié)課首先通 過自己組裝機器人，可以迅速讓學生對機器人的內(nèi)部結構有所了解，減少陌生感。 Mind ＋是基于 Scratch3.0 開發(fā)的一套集成開發(fā)軟件，大部分學生小學已經(jīng)學過 Seratch 編程，相對比較容易上手。超聲波傳感器是本節(jié)課要接觸到的一種新的傳感 器。本節(jié)課我們要讓學生學會利用 Mind＋編寫程序讀取超聲波傳感器的數(shù)據(jù)，從而 控制小車行進的路線。通過本節(jié)課的學習，能幫助學生初步掌握機器人的操控方法， 提升學生動手能力和信息素養(yǎng)，進一步感受開源硬件給我們生活帶來的變化。 教學目標 1．理解機器人的分類，應用情

4、況，感受機器人的應用價值。 2．了解超聲波傳感器的工作原理，能使用超聲波傳感器進行測距。 3．了解電動馬達及應用。 4．簡易救援機器人搭建。 5．救援任務程序的設計與實現(xiàn)。 教學重點和難點 1．教學重點。 讀取超聲波傳感器數(shù)據(jù)，控制小車前進。 2. 教學難點。 救援任務程序的設計與實現(xiàn)。 教學方法 1 ．比較觀察法：展示救援機器人等各種開源硬件的圖片，讓學生感性認識機器 人的外觀形狀和結構，初步了解各種類型機器人的應用環(huán)境。 2．講授法：講述救援機器人的類型、工作原理、應用情況、應用價值 3 ．任務驅動法：以教材內(nèi)容

5、為主題，學生根據(jù)任務的具體要求，開展小組合作 的探究性學習，各組成員圍繞教材范例和老師提出的問題，做好交流和活動成果展示 4．交流、評價法：展示學生的活動成果，鼓勵學生參與評價 教學準備 1．教學環(huán)境：計算機網(wǎng)絡教室、互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境、轉播控制系統(tǒng)。 2 ．資源準備：資源包（視頻：《麥昆機器人》《超聲波避障機器人》《滅火機器 人》），有關開源硬件應用的文字資料、各種開源硬件圖片課件學生作品。 3．實驗器材準備：麥昆機器人若干臺（含超聲波傳感器），數(shù)據(jù)線若干條，建筑 物模型一個。 教學過程 教學環(huán)節(jié) 創(chuàng)設情境  第 1 課時 教師活動 1.

6、播放視頻:《麥昆機器人》《滅火 機》等。 2．講解：這是用開源硬件制作的救 援機器人，它展現(xiàn)了開源硬件幫助人們處 理危險、繁雜的事務的能力。  學生活動 設計意圖 觀賞有關機器 以機器人視頻 人視頻，了解開源 片斷為切入點，將 硬件的作品形態(tài)。 學生的思路引向現(xiàn) 實生活，鼓勵學生 說一說自己的所見 導入新課 3．機器人能實現(xiàn)你的許多創(chuàng)意，解 決你生活中的一些問題，說說你生活中見 到的機器人。 4．請小組長分發(fā)麥昆機器人套件， 兩至三人一臺。 1．播放視頻：《超聲波避障機器 人》，引導學生從視頻中發(fā)現(xiàn)機器人是如 何進行自動避障，引出超聲波傳感器。 2．引導學生閱讀教材 P

7、38 的內(nèi)容， 交流討論，說 所聞，再過渡到本 說機器人能幫人們 課課題。 解決的問題。 領取實驗器材。 觀看視頻。 學生觀看視 頻，帶著問題閱讀 教材，了解超聲波 帶著問題閱讀 傳感器的原理，結 認識超聲 波傳感器 提問：什么是超聲波傳感器。展示超聲波 傳感器的工作原理圖片，試著運用物理知 識推導出超聲波測距的距離計算公式： （聲音在空氣中的傳播速度 x 傳播的時間 差）/2，初步了解超聲波傳感器測距的原 理以及一些應用場景。 3．上網(wǎng)查閱相關資料，引導學生分 組交流討論。提問：你見過的超聲波傳感 器還有哪些？它們有哪些共同特征？ 教材內(nèi)容，了解超 合物理知

8、識推導出 聲波傳感器的工作 距離計算公式，嘗 原理。運用已學的 試多學科知識的融 物理知識，分析超 合運用。 聲波傳感器的測距 方法。 分組討論，不 同的超聲波傳感器 有什么異同點。 1．請組長分發(fā)機器人套件，2～3 個 學生接收設 通過動手實 人一組：micro：bit 板、超聲波傳感 備，檢查設備的完 踐，學生組裝機器 器、輪子、電池盒、3 節(jié) 7 號電池、雙面 整性。 人，了解機器人的 膠、擴展板。 內(nèi)部結構。 動手實 2 ．指導學生搭建機器人。按照教材 取出螺絲刀， 學生第一次接 P39 ～40 第二步至第四步安裝機器人套 小組合作，按照安 觸

9、Mind＋，操作方 踐：調(diào)試 件。提醒學生注意擴展板不要插反了，正 裝步驟，開始安 法與 MakeCode 有 超聲波傳 確的做法是 LED 屏與超聲波傳感器在同一 裝。 比較大的差異，雖 感器 側。檢查機器人小車各部件連接的牢固 性。 與 Scratch 有點類 似，但涉及硬件連 3．用數(shù)據(jù)線連接 micro：bit 與計算 找到數(shù)據(jù)線， 接等操作，需要教 機。將數(shù)據(jù)線的一端連接 micro：bit 數(shù) 一端連接 micro： 師一步一步引導學 據(jù)端口，另一端連接計算機 USB 接口。提 bit，一端連接電 生，提醒學生注意 醒學生如何檢查設備與計算機已正常連 腦的

10、 USB 口。 觀察提示。 接。 4．播放《Mind＋操作》視頻，打 開 Mind＋，簡單介紹 Mind＋的界面， 選擇右下角“擴展”的套件：micro： Maqueen 麥昆小車，單擊菜單“連接設 備”的串口 Microbit，連接設備。 5．演示：在“實時模式”，拖出 “當綠旗被點擊”指令，拖出“說你 好”指令接上，找到“讀取 P1P2 超聲 波距離（cm）”指令放在“說你好”模 塊中，打開小車開關，單擊綠旗測試。 提醒學生注意電池電量，電量不足時讀 取到的值是 0。提醒學生每拿到一種新 的傳感器，都要進行這樣的測試。在 “實時模式”下可以實現(xiàn)硬件與舞臺角 色的交互，以及可以實

11、時地控制硬件而 不需要上傳程序。 6．切換到“上傳模式”，單擊“擴 展”，添加套件：micro：Maqueen（麥 昆），連接設備。 7．閱讀教材 P42，按教材范例編 寫程序。提示學生在編程的過程中，體 會“實時模式”和“上傳模式”的異同 點，請學生總結回答。 雙擊桌面的 Mind＋圖標，選擇 運行 Mind＋，連接 設備。確保右上角 顯示“設備連接成 功”。 觀看教師演 示，打開小車開 關，編寫程序，單 擊綠旗，讀取超聲 波傳感器的數(shù)據(jù)， 利用手或書本作為 障礙物，測試超聲 波傳感器讀取到的 數(shù)據(jù)是否與實際相 符。 編寫測試程 序，觀察超聲波傳 感器獲得距離值和 顯示 LED

12、的圖案是 否與程序預設的運 行結果一致。 學生第一次接 觸超聲波傳感器， 教師要教會學生拿 到任何傳感器的第 一步就是要先編寫 一個程序測試一 下，養(yǎng)成良好的編 程習慣。 “上傳模式” 和“實時模式”在 結果的呈現(xiàn)方式上 有較大的不同，通 過案例對比，讓學 生親身體驗兩者的 不同，加深印象。 1．利用超聲波傳感器和其他輔助 學生交流與討 學生充分利用 器材，制作一個簡易的手持超聲波測距 論，思考問題解決 已學知識，完成任 實踐創(chuàng)新 儀。 的方法，動手實 務，提高知識的綜 2．請小組長回收實驗器材，清點 踐。 合運用能力。 數(shù)量。 第 2 課時

13、 教學環(huán)節(jié)  教師活動 1．回顧、演示上節(jié)課的內(nèi)容：打 開 Mind＋，選擇右下角“擴展”的套  學生活動 觀看教師演 示，思考并回答  設計意圖 上節(jié)課中， 學生第一次接觸 件：micro：Maqueen（麥昆），單擊菜 問題。 Mind＋，對 Mind 單“連接設備”的串口 Microbit，連 ＋還比較陌生， 知識回顧 創(chuàng)設情境 接設備。提問：在連接方式上 MakeCode 與 Mind＋有何不同。 2．分別演示在“實時模式”和 “上傳模式”下，如何讀取超聲波傳 感器獲得的數(shù)據(jù)，提問：這兩種模式 的異同點。 3．播放《超

14、聲波避障機器人》視 頻，介紹救援機器人在控制程序的指 揮下，通過超聲波傳感器，獲取現(xiàn)場 數(shù)據(jù)，自動識別障礙物并避開，到達 指定的位置執(zhí)行任務。 4．請小組長分發(fā)已組裝好的機器 人，2～3 人一臺。  觀看教師演 示，思考并回答 問題。 觀看視頻， 了解救援機器人 的特點。 領取實驗器 材。 教師通過演示讀 取超聲波傳感器 獲得的數(shù)據(jù)這個 案例，幫助學生 一起回顧 Mind+最 基本的幾個操作 步驟，如連接、 擴展等功能，以 及“實時模式” 和“上傳模式” 的區(qū)別，為本節(jié) 課的順利進行做 鋪墊。 讓小車動 動起來 1．介紹電機。電動馬達用于驅動 認真傾聽，

15、 輪子轉動，讓機器人行走。 micro： 思考如何通過程 bit 電路板輸出電流較小，一般不用于 序來控制小車的 直接驅動大功率馬達，麥昆機器人小 前進、后退與轉 車使用 N20 金屬減速電機，通過外接 向。 擴展板給電機提供更大的電流，并利 用改變通過電流的大小、方向等方式 來控制電機的轉速和方向。 2．連接設備，切換到“實時模 以小組為單 式”，按下圖程序進行測試：小車前進 位進行測試，嘗 3 秒后停止，嘗試修改速度。 試修改速度和等 待時間，單擊綠 旗運行程序，觀 察小車運動的變 化。更改“前 進”為“后退” 或“左轉”速 度，再進行測 試。 教師通過介 紹電機的基本知 識

16、，讓學生明白 電機需要的電流 比較大，需要外 接擴展板才能驅 動，以及 micro： bit 是通過程序改 變電流的方向來 控制電機的轉速 起來和方向。 通過一個簡 單被點擊的案 例，來測試電機 是否能正常工 作。小車動起 來，能極大激發(fā) 學生繼續(xù)探的熱 情和興趣。 動手實 踐：搭建 簡易救援 機器人 優(yōu)化程序 1．描述任務。展示某建筑物的 圖片，在該建筑物內(nèi)發(fā)生險情，請 學生讓機器人小車通過超聲波傳感 器，避開墻壁等障礙物，前往指定 救援地點，為被困人員提供必要的 幫助。 2．分析完成任務的算法：先直 行，遇到障礙物右轉 90 度，再直 行，遇到障礙物再右轉

17、 90 度，直行 幾秒后停止。 3．閱讀教材 P44～47，按照教 材參考步驟，編寫程序，不斷調(diào) 試。告訴學生，在調(diào)試過程中要盡 量保持小車初始位置一致，車子要 正，轉彎 90 度是通過等待時間調(diào)出 來的。 4．組織一場比賽，看哪一個小 組的機器人小車又快又準確地到達 指定位置，用時最短的小組給予獎 勵。 1．請學生閱讀教材 P47～48 頁。提問：為什么要優(yōu)化程序。講 解：在程序中有一些重復的動作， 比如右轉，可以用自定義函數(shù)，這 樣可以使得程序更簡潔。 2．指導學生從“函數(shù)”模塊中 找到自定義模塊，給模塊命名，按 教材范例，對程序進行優(yōu)化。 認真傾聽。 教師通過講 解，讓學生明

18、確 他們控制機器人 小車要完成的任 務，以及輔助學 生推出完成任務 構思如何編寫 的算法模型。 程序。 學生自己動 手探究，按照教 材的參考步驟， 以小組為單 通過合作完成程 位，編寫、調(diào)試程 序的編寫和調(diào) 序，合作探究，動 試，提高自主編 手實踐。 程能力。 通過比賽， 激發(fā)學生學習興 積極參與比 趣，促進學生合 賽。調(diào)試過程遇到 作探究，活躍課 問題及時解決。 堂氣氛。 閱讀材料，回 帶著問題閱 答問題，認真聽 讀材料，教師引 講。 導學生了解模塊 化程序的概念， 學會使用函數(shù)來 模仿操作，學 對程序進行優(yōu) 會使用函數(shù)來優(yōu)化 化。 程序。 1．改裝原有場地線路，讓學生 探索實踐，完 改變線路， 根據(jù)實際情況，快速編出程序。 成任務。 考驗學生的應變 實踐創(chuàng)新 2．實驗結束，要求學生整理回 整理實驗器 能力，加深對程 收實驗器材。 教學反思方向 材。 序的理解。 1 ．視頻中的機器人能否引導學生充分認識開源硬件的應用，激發(fā)學生的學習興 趣。 2．學生是否能理解超聲波傳感器的工作原理。 3．小組成員交流、討論、合作的效果如何。 4．學生是否能理解控制機器人的前進、后退與轉向的方法。