搭建图书自动分拣系统

主讲人：胡亚秋

胡亚秋

上海市普陀区新普陀小学东校信息科技教师、中级教师，曾获区信息科技学科教师专业能力评优二等奖；中国教育技术协会2021年小学信息技术优质课展示交流活动二等奖；主持、参与区级多项课题；参与编写华东师范大学出版的《乐高教育STEM》系列丛书；曾带领学生在市、区各项机器人竞赛中获得佳绩。

教学目标

1.知道少儿图书馆图书自动分拣系统的基本结构和工作原理。2.使用乐高材料模拟搭建一个图书自动分拣系统，并能够掌握其基本结构和工作原理。3.知道程序在图书自动分拣系统中的应用和作用。4.有效运用观察现象—发现问题—分析原因—尝试解决的程序调试方法解决实际问题。

教学重点与难点

教学重点：了解并掌握颜色传感器在本系统中的作用。

教学难点：梳理图书自动分拣系统的运行逻辑。

教学过程

一、激趣导入，创设情境

教师播放少儿图书馆图书自动分拣机运行的视频以及相关的分拣规则介绍，让学生了解图书自动分拣机的基本构造和工作原理，引导学生体会与思考图书自动分拣机对提高人们工作效率的意义及其应用的范畴。

二、头脑风暴，获取新知

教师组织学生观察和思考图书自动分拣机的基本构造和其中的关键部位，进而分析其自动分拣系统的关键要素，理解颜色传感器在本系统中的作用。

三、应用新知，探究实验

教师组织学生分组，让学生参照少儿图书馆图书自动分拣机的真实模型，去讨论建构图书自动分拣系统需要的步骤和程序算法，最后分工搭建并制作出相应的模型。

学生思考红外颜色传感器在模型中的应用范围以及电机与红外颜色传感器的关系，并在前期讨论和观察分析的基础上，设计初步的图书自动分拣系统算法。

四、编程调试，巩固新知

教师组织学生经历观察现象—发现问题—分析原因—尝试解决等过程，逐步完善程序编写，在实践过程中加深对人机交互解决问题的理解。

五、展示评价，拓展创新

教师组织学生向全班同学展示作品，介绍设计思路、作品完成过程中遇到的问题以及解决的方法，由教师和其他学生一起对作品进行评价，并引导学生思考如何对作品进行进一步完善和创新。

案例详解

一、了解少儿图书馆图书分拣规则

教师介绍少儿图书馆图书分拣规则。根据规则，学生可以了解到上海市普陀区少儿图书馆的图书自动分拣机会将图书分为三大类型，分别是本馆内少儿书籍、馆外少儿书籍、非少儿书籍。其中本馆内少儿书籍在分拣时根据楼层进行分类，依次为二楼、三楼和四楼。

二、颜色识别

少儿图书馆的图书自动分拣机通过识别图书中的芯片来辨别图书的信息进而进行分类分拣。我们需要制作的图书自动分拣系统则可通过红外颜色传感器对不同颜色的识别功能来区分和模拟图书分拣的过程。

本课使用LEGO Education SPIKE Prime科创套装完成图书自动分拣机系统的搭建和程序设计。SPIKE Prime颜色传感器可以识别红、绿、蓝、黄、黑、白等多种颜色。学生可以使用不同颜色的乐高材料来模拟不同类型的图书数据，通过颜色传感器的对不同颜色的识别，实现采集数据—处理数据—输出结果的算法过程。

三、分拣逻辑

学生根据少儿图书馆图书分拣规则，设计图书分拣逻辑，基于图1中的图书分拣逻辑进行模型搭建和编写程序。

四、程序设计与调试

1.需求分析

学生根据之前讨论得出的分拣逻辑可知，在图书分拣过程中会出现多种情况需要判断，结合已经搭建好的模型（如图2），使用两个颜色传感器进行分步判断。

将绿色积木块设定为非少儿书籍，白色积木块设定为馆外少儿书籍，红色积木块设定为本馆内二楼少儿书籍，蓝色积木块设定为本馆内三楼少儿书籍，黄色积木块设定为本馆内四楼少儿书籍。

当颜色传感器1检测到绿色时，电机控制履带改变方向将绿色积木块运送至灰色盒子中，即模拟图书自动分拣机检测到非少儿书籍，自动将图书放入非少儿书籍筐内。

当颜色传感器2检测到白色时，电机控制分拣盒将白色积木倒入白色筐内，即模拟当图书自动分拣机检测到馆外少儿书籍时，放入馆外少儿书籍筐内。

当颜色传感器2检测到红色时，电机控制分拣盒将红色积木倒入升降机托盘中，上升至二楼并放入二楼篮筐，模拟图书自动分拣机检测到二楼少儿书籍时，将书籍运送到二楼篮筐内。

2.主要的设计程序

启动电机带动履带轮往图书馆方向转动，当颜色传感器检测到绿色积木块时，履带轮往反方向转动2秒，发送广播“go”，程序图如图3所示。

当颜色传感器检测到白色积木块时，电机控制分拣盒逆时针转动，分拣盒中的积木倒入白色筐，等待5秒后，分拣盒归位。

当颜色传感器检测到红色积木块时，电机控制分拣盒順时针转动，分拣盒将里面的积木块倒入升降机中，等待0.5秒后，分拣盒归位，广播“red”。程序接收到“red”指令，升降机上升至二楼，广播“turn”。当程序接收到“turn”指令后，升降机托盘逆时针转动，分拣盒将积木块倒入二楼，等待0.5秒后，托盘归位，广播“red back”，程序接收到该指令，升降机归位。程序图如图4所示。

颜色传感器判断为黄色积木块还是蓝色积木块时的程序可参考上面的程序。

五、拓展创新

教师与学生对作品进行展示交流后，让学生梳理设计思路、完善提升作品。如在搭建结构上，提高升降机运行速度；在程序设计上使用分支结构，简化程序等。

本课是基于真实的图书馆自动分拣机，引导学生利用乐高材料进行模拟设计，以项目方式开展学习活动，在作品制作与完善的过程中，提高学生发现问题、解决问题的能力，发展他们的计算思维能力，培养其科学实验精神。