《自動吸塵器》教學(xué)設(shè)計(jì)

1、自動吸塵器教學(xué)設(shè)計(jì) 鹽田區(qū)田東中學(xué) 鄧曉穎【教材分析】 自動吸塵器是哈工大（深圳）機(jī)器人教育中心出版的人工智能與機(jī)器人第5單元“身邊的小發(fā)明”中第12課“自動避障游覽車”的內(nèi)容。這一單元主要是訓(xùn)練學(xué)生從身邊的小事上著手發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、運(yùn)用程序設(shè)計(jì)解決問題的能力；從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。讓學(xué)生通過這些小發(fā)明學(xué)習(xí)一些常用的傳感器，讓學(xué)生了解機(jī)器人的“感覺器官”是多種多樣的，有像人眼睛一樣的“紅外傳感器”，有像皮膚一樣的“觸覺傳感器”，有像耳朵一樣的“聲音傳感器”有了這些傳感器，機(jī)器人就更“聰明”了。本課主要通過讓機(jī)器人完成“避障”來學(xué)習(xí)有關(guān)紅外避障傳感器的基本知識，進(jìn)一步感受機(jī)器人的“智能”特

2、點(diǎn)，在人工智能與機(jī)器人一書中具有承上啟下的作用。由于機(jī)器人要做判斷和決策，編寫的機(jī)器人程序就不再是簡單的順序結(jié)構(gòu)，這里可以讓學(xué)生進(jìn)一步感受到選擇結(jié)構(gòu)的機(jī)器人程序設(shè)計(jì)和多種結(jié)構(gòu)綜合運(yùn)用解決實(shí)際問題?！緦W(xué)生分析】 初一的學(xué)生活潑好動，思維集中的時(shí)間不長，但對周圍的事物充滿好奇，特別是切身體會的事興趣高昂，愿意花時(shí)間花精力去研究。但由于他們的知識經(jīng)驗(yàn)還存在局限性，思維的獨(dú)立性和批判性還處于萌芽階段，神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力也較差，容易受外界影響，所以教師要給予適當(dāng)?shù)闹敢W(xué)生在學(xué)習(xí)本課之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了聲音傳感器，對傳感器有了初步的了解；具備了用流程圖編程的能力，并且對于程序設(shè)計(jì)已經(jīng)有了初步的掌握，能夠設(shè)計(jì)簡單

3、的任務(wù)讓機(jī)器人去執(zhí)行。【教學(xué)目標(biāo)】 知識與技能：1、認(rèn)識機(jī)器人的紅外避障傳感器，初步了解機(jī)器人紅外避障傳感器的工作原理； 2、進(jìn)一步學(xué)會選擇結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)方法；3、學(xué)會綜合運(yùn)用永久循環(huán)、條件判斷和避障傳感器模塊解決實(shí)際問題。過程與方法：通過“改造普通的吸塵器使其能自動清潔”這一任務(wù)來鍛煉學(xué)生的觀察能力和思維能力；培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用程序設(shè)計(jì)來解決實(shí)際問題的能力。情感態(tài)度與價(jià)值觀：1、 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神；2、 使學(xué)生體會到機(jī)器人的智能性，可以幫助我們解決實(shí)際生活中的問題，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣?！窘虒W(xué)重難點(diǎn)】 重點(diǎn)：紅外避障傳感器的工作原理難點(diǎn)：永久循環(huán)、條件判斷和避障傳感器模塊的綜合運(yùn)用?！窘虒W(xué)

4、方法】任務(wù)驅(qū)動法、類比法、講授法?！驹O(shè)計(jì)思路】 1、根據(jù)學(xué)生的學(xué)情，由學(xué)生實(shí)際生活中有切身體會的事例引入課題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。我設(shè)計(jì)了這樣一種情景：周末時(shí)父母讓小孩打掃衛(wèi)生，而小孩又很想出去玩，不打掃父母又會懲罰，怎么辦呢？讓學(xué)生展開討論，這時(shí)就有學(xué)生說假如有一個(gè)自動吸塵器就好了。這樣便進(jìn)入了自動吸塵器的設(shè)計(jì)，再由自動吸塵器和普通吸塵器的重要區(qū)別就在于要給吸塵器加上眼睛讓它看到物體，突出本課的重點(diǎn)內(nèi)容。紅外避障傳感器的學(xué)習(xí)可以形象的比喻為人類的眼睛，二者對比講解讓學(xué)生能形象的理解。 2、由視頻演示人類日常生活中的小烏龍事件（由于注意力不集中撞到前面的柱子），既增加了趣味性又能引起學(xué)生思考各

5、部分要協(xié)同工作才能干好工作從而達(dá)到弱化難點(diǎn)的目的，同時(shí)沿著人類的思考模式解決問題，學(xué)生易于理解掌握。 3、設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)生活中掛鉤的作業(yè)，讓學(xué)生展開想象的空間，來發(fā)揮自己的聰明才智改進(jìn)我們周圍的設(shè)施，讓生活更加便利?！菊n時(shí)安排】 1課時(shí)。【教學(xué)過程】教 師 活 動學(xué) 生 活 動情景導(dǎo)入問：同學(xué)們，你們周末的時(shí)候要幫助父母打掃衛(wèi)生嗎？問：假如在你打掃的時(shí)候有朋友叫你出去玩，而又不能等你打掃完畢再去？這時(shí)是不是很想丟下工作出去玩但又怕父母責(zé)罵呢？問：這種情況下我們有沒有一個(gè)兩全齊美的辦法保證既能夠和朋友出去玩同時(shí)打掃的工作也能完成呢？趁勢引出課題我們來制造一個(gè)自動吸塵器，幫助我們完成清掃的工作。大部分

6、的學(xué)生都遇到過同樣的問題，有過矛盾。討論，有同學(xué)提出要是有一個(gè)可以自動打掃的機(jī)器人就好了。教學(xué)過程教學(xué)過程教學(xué)過程1、給機(jī)器人加眼睛紅外避障傳感器我們今天的工作就是把一個(gè)普通的吸塵器改造成自動吸塵器。首先請同學(xué)們思考普通的吸塵器和自動吸塵器的區(qū)別在哪里？問：為什么有這個(gè)區(qū)別了，我們可以怎樣把這個(gè)區(qū)別解決，讓普通的吸塵器也可以自動清掃呢？此時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生：普通的吸塵器要人手動操作最重要的是借助人的眼睛。人的眼睛能夠看見從而知道清掃哪些位置?？偨Y(jié)，改造最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是給普通的吸塵器加上“眼睛”。什么是機(jī)器人的眼睛呢？（趁勢拿出紅外避障傳感器）這就是機(jī)器人的眼睛，稱為紅外避障傳感器。我們找一下看

7、諾寶機(jī)器人里有幾種紅外避障傳感器？分別是什么？有何區(qū)別？出示課件介紹紅外避障傳感器組成和工作原理（紅外避障傳感器又稱為紅外傳感器，它是通過發(fā)射器向外發(fā)射紅外線，紅外線遇到障礙物體反射回來，接收器接收到反射回的紅外線，這樣機(jī)器人就探測到了障礙物體。但它與人類的眼睛一樣有一定的視角，它依靠光的反射來看物體，所以容易出現(xiàn)視覺死角。） 問：既然兩種紅外傳感器是一樣工作的為什么要把它分為一體式和分體式？并不給予學(xué)生一個(gè)正面的回答而是給出視頻場景：小偷在盜寶時(shí)碰到了紅外線警報(bào)響起來（紅外警報(bào)器）。思考：這里面的紅外警報(bào)器是如何工作的？ 回答的很正確。之所以把紅外傳感器做成分體的就是為了把發(fā)射器和接受器擺在

8、不同的位置，判斷他們中間有沒有物體經(jīng)過，有物體經(jīng)過接收器就接收不到紅外信號，從而發(fā)出警報(bào)。提示學(xué)生注意：紅外避障傳感器相當(dāng)于人類的眼睛但并不能完全代替眼睛，他只具備有眼睛的一個(gè)功能也就是看物體的功能，并不能詳細(xì)的了解物體的具體位置以及與機(jī)器人的詳細(xì)距離。任務(wù)一：添加紅外避障模塊現(xiàn)在請同學(xué)們動手給你的機(jī)器人加上眼睛，試著讓他躲避前方的障礙物。巡視， 提示需要設(shè)置變量（思考選用何種變量前紅外避障變量）和連接端口。2、綜合運(yùn)用永久循環(huán)、條件判斷編制自動吸塵器程序任務(wù)二、在程序中添加條件判斷模塊眼睛是加上了，那你有沒有真正的使用它??？教師展示視頻：一個(gè)人想事情出神拉，筆直走撞到了前面的柱子上。為什么會

9、出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象?。縿偛磐瑢W(xué)們說的很不錯(cuò)，但不夠全面。這是因?yàn)槲覀冄劬吹轿矬w后會把信息傳給大腦，大腦分析判斷后再下達(dá)命令給腿來執(zhí)行，從而避開障礙。同樣的我們的機(jī)器人也要把他所看到的信息發(fā)送給它的大腦，讓其下達(dá)相應(yīng)的指令?，F(xiàn)在請動起手來把信息傳遞給大腦，并讓大腦學(xué)會思考。巡視，提示“條件判斷”模塊中條件表達(dá)式要設(shè)置正確（前紅外避障變量=1表示前面有障礙物）。任務(wù)三、在程序中增加“永久循環(huán)”問：是不是放的近時(shí)能避開一次，之后就沒辦法避開了？（選取一個(gè)學(xué)生的程序）我們來看一下同學(xué)的流程圖，我們知道程序是沿著流程線來執(zhí)行的。在程序啟動的開始眼睛就把看到的信息傳給了大腦，大腦也下達(dá)了相應(yīng)的命令（有障礙躲開

10、，無障礙繼續(xù)前進(jìn)）。這樣程序就執(zhí)行完成拉，眼睛就不再繼續(xù)工作拉。如果我們想要讓眼睛時(shí)刻工作應(yīng)該怎么樣做呢？給出操作技巧將所有的程序模塊選中，按住左鍵拖動鼠標(biāo)至永久循環(huán)模塊處出現(xiàn)向下的箭頭再放開鼠標(biāo)左鍵。巡視，發(fā)現(xiàn)問題給予適當(dāng)指導(dǎo)，并鼓勵(lì)同學(xué)之間互相學(xué)習(xí)。討論得出結(jié)論：普通的吸塵器要人手動控制，而自動吸塵器可以自己自動的在房間里走動清掃。討論得出結(jié)論：普通的吸塵器不能走動，也不知道哪些地方是可以清掃的、哪些地方是無法清掃的，需要人手動操作。自由發(fā)言得出：要給普通的吸塵器加上眼睛，讓它在空地上清掃，遇到無法清掃的位置（如碰到墻壁、衣柜）能避開轉(zhuǎn)而清掃可以走動的位置。（由于器材有限4個(gè)同學(xué)一小組，每

11、組配備有一個(gè)機(jī)器人）從機(jī)器人組件里找出所有紅外避障傳感器仔細(xì)觀察回答一體式和分體式兩種，區(qū)別在于分體式將接收器和發(fā)送器分開成兩個(gè)部分。對照著課件觀察實(shí)體傳感器，理解其工作原理。自由闡述自己的觀點(diǎn)。討論，自由回答。有學(xué)生說到“應(yīng)該是要接收紅外光線的位置沒接收到紅外線所以報(bào)警”。理解不同紅外傳感器的工作方式。了解紅外傳感器另一種利用方式比對人類眼睛的功能和紅外傳感器工作原理理解二者功能差異。學(xué)生動手操作，給機(jī)器人（課前準(zhǔn)備好的半成品機(jī)器人，只需加上合適的傳感器即可（注：4人一組，共用一個(gè)機(jī)器人）加上眼睛，并編程、仿真運(yùn)行。操作練習(xí)發(fā)現(xiàn)問題：老師，加了眼睛后還是躲不開障礙物？怎么辦啊？自由發(fā)言根據(jù)前

12、面學(xué)習(xí)的知識能較快的反映需要加上“條件判斷模塊”。練習(xí)操作，并仿真執(zhí)行。 操作練習(xí)發(fā)現(xiàn)問題，有時(shí)能避開障礙物，有時(shí)又不行。（快速反應(yīng)到）要加永久循環(huán)，讓眼睛、大腦等器官不停工作。操作嘗試，仿真執(zhí)行。仿真通過下載程序、調(diào)試機(jī)器人（4人一組，選取有代表性的程序下載至機(jī)器人）作品展示、揪錯(cuò)展示運(yùn)行兩個(gè)有代表性的學(xué)生作品。（作品一：機(jī)器人在距離障礙物一定距離時(shí)就避開了障礙。作品二：機(jī)器人碰到了障礙物一段時(shí)間后再避開。）哪個(gè)同學(xué)做的好啊？好在什么地方？問：我們對比兩個(gè)程序，作品二有什么是需要修改的？某某同學(xué)講的很不錯(cuò)。請有同樣問題的組修正自己的程序，重新下載。、作品巡展、評價(jià)下面我們請同學(xué)們自由上臺來展

13、示各組的改良后的自動吸塵器（每組派一個(gè)代表上臺演示，并說明設(shè)計(jì)的功能）。 問：同學(xué)們認(rèn)為哪一款自動吸塵器你愿意買回家啊？總結(jié)。看來我們的同學(xué)們還是喜歡功能多樣化的機(jī)器，祝賀第*組獲得我們今天設(shè)計(jì)的第一名。作品一好。不會損壞機(jī)器人。作品二每次都撞上障礙機(jī)器人損傷厲害。（發(fā)表各自的觀點(diǎn)）有同學(xué)提出不能用直行模塊而應(yīng)該改用高速電機(jī)。直行模塊規(guī)定了直行的時(shí)間，機(jī)器人會走完這個(gè)時(shí)間再判斷障礙，這樣容易發(fā)生撞車事故。上臺展示作品學(xué)生思維靈活，有的機(jī)器人在成功避開障礙后會發(fā)出音樂、燈光等。發(fā)表自己的看法，觀點(diǎn)不一，整體偏向功能多樣如發(fā)出音樂等。（展開互評） 學(xué)生鼓掌祝賀。小結(jié)通過這節(jié)課你學(xué)到了什么？總結(jié)，自由發(fā)言紅外避障傳感器的工作方式、條件判斷和永久循環(huán)的綜合運(yùn)用。課后作業(yè)1、想一想紅外避障傳感器還可以應(yīng)用在哪些方面？2、在你的日常生活中有沒有