智能超声波跟踪机器人

主讲人：闻迪

闻迪

北京市西城区康乐里小学信息科技教师，北京市骨干教师，现任西城（南）区小学信息科技兼职教研员，曾获得全国中小学实验教学说课活动一等奖，论文、案例等在全国、市、区各类比赛中获奖或公开发表。

设计依据

“以兴趣为起点，以活动为主线”是小学信息科技教材内容设置的重要特点之一。兴趣对学习者有着神奇的内驱作用，能变无效为有效，化低效为高效。国務院于2017年下发的《新一代人工智能发展规划》中指出，要在中小学普及人工智能编程教育。机器人教育作为人工智能技术领域中的重要一环，逐渐得到小学教师和家长们的重视，小学生对机器人的学习也有着浓厚的兴趣。小学生学习机器人的定位是了解、认识和简单编程，本节课从学生学习兴趣出发，对身边的机器人应用进行认知和模拟。

课例特点

本课的教学背景来自学生的日常生活，让学生观察生活中的具体应用激发学习兴趣，进而愿意体验机器人编程学习以及了解机器人传感器的工作原理。教学过程中，学生根据学习需求，利用已经掌握的相关图形化编程的知识，运用乐高EV3机器人编程平台中提供的编程技术，自主探索、自主编程模拟机器人超声波传感器的工作过程，掌握图形化编程中机器人超声波传感器的编程方法，根据新旧知识之间的联系，进一步了解传感器的工作原理，理解机器人工作的具体过程。学生们在编程的过程中感受到科技进步给生活带来的变化和便利，体验到学习程序设计的成就感，进一步激发了探究科学技术的兴趣。

教学目标

1.了解EV3机器人超声波传感器的工作原理和工作过程；2.掌握图形化编程中双分支结构的嵌套编程方法，理解相关算法，培养计算思维；3.感知机器人技术给生活带来的变化，激发学习编程和机器人相关知识的兴趣，体验学习编程的成就感。

教学重点与难点

教学重点：掌握图形化编程中双分支结构的嵌套编程方法，理解相关算法，培养计算思维。

教学难点：了解EV3机器人超声波传感器的工作原理和工作过程。

教学过程

一、激趣导入，明确任务

教师通过展示提前准备好的视频，引导学生了解传感器技术在日常生活中的具体应用，激发学生的学习兴趣。同时教师提出以下问题：1.视频中，跟随主人行走的机器人运用了什么技术？2.机器人是通过什么方式实现这样的技术？

学生通过新旧知识之间的联系，进一步了解超声波传感器在机器人编程中的应用。教师揭示本节课的研究主题：通过编程来学习“智能超声波跟踪机器人”，了解超声波传感器的工作原理和工作过程。

二、合作探究，思维训练

1.了解超声波传感器的工作原理

教师帮助学生回顾学习过的知识，梳理日常生活中的经验，通过实例让学生了解超声波传感器的工作原理，并提出“什么是超声波测距定位”这一问题让学生思考。学生根据图示和自己的理解，解释超声波测距定位的工作过程。

超声波传感器工作原理：由机器人主体发出超声波作为信号源，探测到目标后，接收并返回信号，计算与目标的距离，定位目标位置，控制马达运动，从而达到跟踪目的。（如图1）

2.分组合作展示硬件搭建

教师进行机器人搭建的示范后，学生代表展示自己组的成果。（如图2）

3.描述工作过程，培养计算思维

进行编程前的准备工作。教师引导学生根据机器人的行动，描述它的工作过程。学生描述机器人两个超声波传感器检测后的四种情况：第一种，左右超声波传感器均检测到前方有物体，机器人直行；第二种，左侧传感器检测到前方有物体，而右侧没有检测到，机器人左转；第三种，右侧传感器检测到前方有物体，而左侧没有检测到，机器人右转；第四种，两个传感器都没有检测到前方有物体，机器人停止。教师展示流程图如图3所示。

三、深入研究，编程验证

学生观察机器人超声波传感器的工作过程，发现此程序为程序设计中的选择结构，但却是一个不同于以往学习的知识点。以前学习的选择结构，分支之后就各自执行自己的指令，一般只有两种选择。在图3的流程图中，我们发现程序分支后，又进行了分支，产生了四种不同的情况。

教师适时进行教学，告诉学生们在生活中或者在编程中，不是所有的事情都只有两种选择，多种选择的情况是常见的，这里要用到选择结构的嵌套。本节课学习的是选择结构和选择结构的嵌套。教师进行程序展示和讲解，学生进行模仿编程设计。

1.在“流程控制”选项卡中拖拽“切换”指令到流程线上。

2.将两个“切换”指令分别放入“是”执行槽和“否”执行槽，搭建好选择结构嵌套的基本框架。（如图4）

3.设置指令。首先设置最外层的“切换”指令，设置传感器类型为“超声波传感器”，比较类型设置为“<”，距离为50厘米，端口为左边传感器接线的端口“4”。（如图5、图6）注意：端口的选择一定是左边超声波传感器的接线端口，将接线插在4号端口，因此端口选择“4”。

4.用同样的方法设置选择结构嵌套中的两个“切换”命令。注意：这两个“切换”命令都是针对右侧超声波传感器的，接线在1号端口，因此将端口设置为“1”。

5.分别在四种不同的情况中设置电机不同的反应。第一种：左右超声波传感器均可以探测到前方物体，从“动作”模块中拖拽“移动转向”指令到执行槽中，设置“移动转向”为开启状态。左侧电机插在“B”端口，右侧电机插在“C”端口，因此端口选择为“B+C”。（如图7）第二种：左侧传感器探测到物体，而右侧没有探测到，右侧电机转动，左侧不动，使机器人向左侧转向。将“动作”模块中的“移动槽”指令拖拽到相应的执行槽中，并设置成开启状态，左功率为0，右功率为50。（如图8）第三种：右侧传感器探测到物体，左侧传感器没有探测到，机器人向右转弯。设置的方法和第二种相同，左功率为50，右功率为0。（如图9）第四种：左右两个传感器都没有检测到物体，则机器人不行走。将开启状态设置为“停止”。

6.由于机器人要持续行走、判断，需要在最外围加上无限制的循环。

四、总结提升，助力发展

学生上传程序并进行机器人测试，教师进行总结提升，引导学生思考在这个程序上增加功能性的模块，让智能超声波跟踪机器人功能更强大。为下节课的学习做好铺垫工作。

实践反思

笔者通过教学实践，有如下几点反思：1.以贴近生活的任务情境来激发学生的学习兴趣，让知识学以致用。2.以多层次的学习方法激发学生的学习热情。3.通过EV3机器人图形化程序设计平台，引导学生学习机器人传感器的基础知识以及图形化编程方法，培养计算思维，体验学习程序设计和机器人编程的成就感。