信息技术八年级下册第4课 搭建救援机器人教案及反思

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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 第1课时教学环节教师活动学生活动设计意图    创设情境导入新课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。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。观赏有关机器人视频，了解开源硬件的作品形态。  交流讨论，说说机器人能帮人们解决的问题。领取实验器材。以机器人视频片断为切入点，将学生的思路引向现实生活，鼓励学生说一说自己的所见所闻，再过渡到本课课题。    认识超声波传感器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，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？观看视频。  带着问题阅读教材内容，了解超声波传感器的工作原理。运用已学的物理知识，分析超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。学生观看视频，带着问题阅读教材，了解超声波传感器的原理，结合物理知识推导出距离计算公式，尝试多学科知识的融合运用。     动手实践：调试超声波传感器1．请组长分发机器人套件，2～3个人一组：micro：bit板、超声波传感器、轮子、电池盒、3节7号电池、双面胶、扩展板。2．指导学生搭建机器人。按照教材P39～40第二步至第四步安装机器人套件。提醒学生注意扩展板不要插反了，正确的做法是LED屏与超声波传感器在同一侧。检查机器人小车各部件连接的牢固性。3．用数据线连接micro：bit与计算机。将数据线的一端连接 micro：bit数据端口，另一端连接计算机USB接口。提醒学生如何检查设备与计算机已正常连接。 学生接收设备，检查设备的完整性。 取出螺丝刀，小组合作，按照安装步骤，开始安装。  找到数据线，一端连接 micro：bit，一端连接电脑的USB口。 通过动手实践，学生组装机器人，了解机器人的内部结构。学生第一次接触Mind＋，操作方法与 MakeCode 有比较大的差异，虽与 Scratch 有点类似，但涉及硬件连接等操作，需要教师一步一步引导学生，提醒学生注意观察提示。      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。  实践创新1．利用超声波传感器和其他辅助器材，制作一个简易的手持超声波测距仪。2．请小组长回收实验器材，清点数量。学生交流与讨论，思考问题解决的方法，动手实践。学生充分利用已学知识，完成任务，提高知识的综合运用能力。                   第2课时教学环节教师活动学生活动设计意图       知识回顾创设情境1．回顾、演示上节课的内容：打开 Mind＋，选择右下角“扩展”的套件：micro：Maqueen（麦昆），单击菜单“连接设备”的串口Microbit，连接设备。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，2～3人一台。观看教师演示，思考并回答问题。   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。上节课中，学生第一次接触Mind＋，对Mind＋还比较陌生，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。电动马达用于驱动轮子转动，让机器人行走。micro：bit电路板输出电流较小，一般不用于直接驱动大功率马达，麦昆机器人小车使用N20金属减速电机，通过外接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“实时模式”，按下图程序进行测试：小车前进3秒后停止，尝试修改速度。认真倾听，思考如何通过程序来控制小车的前进、后退与转向。   以小组为单位进行测试，尝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 P44～47，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。认真倾听。     构思如何编写程序。  以小组为单位，编写、调试程序，合作探究，动手实践。  积极参与比赛。调试过程遇到问题及时解决。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的算法模型。学生自己动手探究，按照教材的参考步骤，通过合作完成程序的编写和调试，提高自主编程能力。通过比赛，激发学生学习兴趣，促进学生合作探究，活跃课堂气氛。    优化程序1．请学生阅读教材 P47～48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。阅读材料，回答问题，认真听讲。  模仿操作，学会使用函数来优化程序。带着问题阅读材料，教师引导学生了解模块化程序的概念，学会使用函数来对程序进行优化。  实践创新1．改装原有场地线路，让学生根据实际情况，快速编出程序。2．实验结束，要求学生整理回收实验器材。探索实践，完成任务。整理实验器材。改变线路，考验学生的应变能力，加深对程序的理解。 教学反思方向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。