基于小型機器人工程項目的“過程與控制”模塊教學

摘要：本文以“自動駕駛外賣服務”機器人工程項目為例，詳細解析了課堂小型機器人工程的項目設計與工程實現(xiàn)，以及“過程與控制”模塊的教學要點，旨在通過充滿現(xiàn)實意義和挑戰(zhàn)的學習，進一步發(fā)展學生的工程思維，豐富工程技術相關的思想與方法，同時，增強學生的自我效能感以及自主可控使命感。關鍵詞：過程與控制；自主可控；工程思維；技術思想與方法；現(xiàn)實干擾因素《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中的“過程與控制”模塊為學生開啟了自動控制與智能控制的大門，成為幫助學生領悟技術自主可控深層含義的重要平臺。學生通過學習與實踐，逐漸理解控制系統(tǒng)的模塊化設計、“輸入—計算—輸出”的控制環(huán)節(jié)、反饋機制在優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定性中的作用，以及計算機控制中邏輯與數(shù)值運算對于精準控制的重要性。這些基礎知識與技能的學習比較適合通過簡單、小型的控制系統(tǒng)來傳授。因此，本文選取“自動駕駛外賣服務”機器人工程項目，并詳細解析課堂小型機器人工程的項目設計與工程實現(xiàn)，以及“過程與控制”模塊的教學要點。項目設計1.項目任務描述機器人需要在規(guī)定的路徑上自動行駛，在規(guī)定時間前將外賣箱及花籃送到指定地點（如圖1）。（1）任務要求及得分如下頁表所示。（2）時間得分：完成任務的團隊，可獲得時間分，時間分=60-完成任務用時。（3）總得分=任務得分+時間得分。（4）場地描述。場地的尺寸可視信息科技教室面積而定。在課時和教室面積有限的情況下，建議場地邊長在1.0～1.2米，最多兩個項目組共享一塊場地，這樣既可以保障每組都有充分的時間進行調試，又可以產生組間的互相促動和影響。2.項目設計要點解析（1）能持續(xù)激發(fā)學生的興趣。由教學實踐可知，動態(tài)交互性強且能即時反饋的挑戰(zhàn)性任務更能吸引學生參與。例如，“自動駕駛外賣服務”機器人工程項目既與生活緊密相連，又滲透了科技在改善生活和服務社會發(fā)展中的重要作用，有助于激發(fā)學生的學習興趣，并在潛移默化中發(fā)展學生應用科技改造社會的意識。（2）簡化任務與分層設計。鑒于課時有限，項目應在2～3課時內完成，以確保教學活動的連貫性和學生的持續(xù)投入。本項目采取任務分層設計的策略，分為簡單版和提升版兩種難度。簡單版任務僅要求小車到達指定節(jié)點即可得分，提升版則要求在簡單版的基礎上優(yōu)化控制的質量與效率，這樣的設計旨在確保所有學生都能獲得成就感，并保持學習的積極性。（3）突出技術思想與方法的核心地位。由于課時有限，對于沒有實施硬件搭建教學的學校，在項目實施中可以弱化對硬件搭建的要求，為學生提供預先搭建好的小車，并配備兩個巡線傳感器，這樣可以使學生不被煩瑣的硬件搭建工作所困擾，從而有更多時間和精力深入探索技術思想，實踐各種技術方法，并激發(fā)出更多的創(chuàng)新思維。（4）在評分標準中引入時間維度。時間維度的引入使學生更全面地體驗現(xiàn)實工程的復雜性，體驗到工程指標不只是單一的技術層面，而是涉及多個維度的考量，如成本、時間、效率、可靠性等。項目的工程實現(xiàn)及“過程與控制”模塊教學要點解析1.項目分析、整體規(guī)劃及教學要點解析（1）識別和定義功能需求。在此環(huán)節(jié)，全體項目組成員要通過分析、討論來理解比賽規(guī)則，明確功能需求、得分標準。（2）子系統(tǒng)劃分。劃分子系統(tǒng)是工程實現(xiàn)的關鍵環(huán)節(jié)，有助于任務分解和團隊協(xié)作，不同的團隊可能會生成不同的劃分方法，如有的項目組會劃分為傳感器子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、機械結構子系統(tǒng)（如下頁圖2），有的項目組會劃分為巡線子系統(tǒng)、轉彎子系統(tǒng)、任務動作子系統(tǒng)等（如下頁圖3）。那么，哪種劃分方法更有利于工程實施呢？只有對各子系統(tǒng)內部關鍵技術進行初步設計，才會發(fā)現(xiàn)圖2的劃分方法是不具可操作性的。“過程與控制”模塊教學要點解析：①“面向任務”的思維方式。在工程項目中，任務導向的思維方式至關重要。第一種子系統(tǒng)劃分方法雖然看似條理清晰，但實際上難以執(zhí)行，因為它是基于知識體系而非實際任務體系來劃分的。在教學過程中，教師應引導學生轉變學習思維，培養(yǎng)他們聚焦具體問題、提出并實施解決方案的能力，幫助學生建立起以完成任務為核心的思維方式。②“分解與聯(lián)系”的系統(tǒng)化思維方式。在圖2子系統(tǒng)的劃分中，將識別直線和識別路口分開處理，忽略了它們之間的內在聯(lián)系。為了培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力，教師需要引導他們學會分解復雜任務，并洞察各分解部分之間的內在聯(lián)系。例如，在本項目中，任務可以初步分解為識別直線、走直線、識別路口、路口轉彎、取外賣箱（花籃）、攜帶外賣箱（花籃）、放置外賣箱（花籃）等多個環(huán)節(jié)。通過分析這些環(huán)節(jié)，學生會發(fā)現(xiàn)識別直線和路口是完成其他環(huán)節(jié)的基礎，而且識別直線和識別路口存在關聯(lián)。這種“分解與聯(lián)系”的分析方法有助于學生找到問題的突破口，并形成對任務進行系統(tǒng)化分析的思維方式。2.各子系統(tǒng)關鍵技術的工程實現(xiàn)及教學要點解析（1）巡線子系統(tǒng)——測定閾值。正確設置傳感器的閾值至關重要，它可以保證傳感器能夠準確地區(qū)分賽道和背景。通常的做法是在實際場景的不同位置進行多次取值，然后分別對線路和背景上的讀數(shù)計算平均值，最終的閾值通常設置為這兩個平均值的中間點。例如，如果線路的平均讀數(shù)為100，背景的平均讀數(shù)為300，那么閾值可以設置為200。在閾值初步確定后，要將閾值應用于機器人小車，測試小車在賽道上的表現(xiàn)，觀察小車是否能夠準確地識別和跟蹤賽道，如果表現(xiàn)不佳，則需要調整閾值?！斑^程與控制”模塊教學要點解析：①培養(yǎng)精準習慣。建議使用能夠返回模擬數(shù)據的巡線傳感器，這樣做的目的是培養(yǎng)學生的精準習慣，精確的數(shù)據對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用。②認識干擾因素的存在及應對方法。在閾值的確定方法上，上述方法是較好的選擇，可以最大程度減少誤識別，提高循跡系統(tǒng)的可靠性，但并不是唯一的方法。在確定閾值的方法上，教師要鼓勵學生自主探索。在教學實踐中，學生可能把接近軌跡線顏色的值作為閾值，這種做法常會受傳感器的敏感度、場地質量、環(huán)境光等因素影響而發(fā)生誤識別。此環(huán)節(jié)的實踐體驗，使學生認識到干擾問題，并拓展了應對干擾的技術思想與方法。③增強實驗操作能力。學生在確定采樣點數(shù)量和位置，以及測試閾值效果的過程中，需要細致地觀察、精準地測量、準確地記錄，以提升實驗操作能力。④探究原理。教師應鼓勵對技術有濃厚興趣的學生進一步研究巡線傳感器的工作原理。（2）巡線子系統(tǒng)——路徑識別及走直線算法。在起點先把機器人騎線放置，啟動后如果兩側傳感器都未檢測到黑線（假設軌跡線顏色為黑），小車繼續(xù)直行。如果單側傳感器檢測到黑線（如左側），則意味著小車未能維持直行，已經偏右了，因此需要糾偏，在這種情況下，相應的調整命令被下達，使小車向相反方向（左）轉向，如具體指令為“向左轉1秒”。如果兩側傳感器都檢測到黑線，則表示小車已到路口，隨后可調用轉彎程序進行處理（任務要求轉彎時），算法如下頁圖4所示?！斑^程與控制”模塊教學要點解析：①適應“機器思維”。在算法設計中，深藏著常規(guī)思維與機器思維的對比。通常學生會認為識別直線比識別路口簡單，但事實上對傳感器來說，識別路口更加直接，只需兩個傳感器均檢測到黑線即可；在未脫軌的情況下，傳感器“看到”的不是路口，就是直線，因此無需再單獨進行一次直線識別，學生若按常規(guī)思維，將識別直線和識別路口割裂處理，并先去尋求識別直線，就會走到死胡，因為用眼睛和用傳感器“看”的方式是不同的。通過設計巡線算法，學生能夠深刻領悟到在自動控制領域，解決問題需要依循機器思維，即根據設備（傳感器）的性能來尋求解決方案。②創(chuàng)新思維培養(yǎng)。當某個任務（如識別直線）難以實現(xiàn)時，教師應鼓勵學生積極嘗試新的解決方案（如轉向對立面——識別路口），養(yǎng)成靈活和創(chuàng)新的思維方式。③體驗反饋。在小車行進中，傳感器實時反饋車身與線路的位置偏離關系，程序根據反饋回來的數(shù)據，及時對偏離直線軌跡的情況進行修正。與新課標中提到的空調中傳感器進行反饋不同的是，本項目反饋的是行進中的動態(tài)信息，而且是同時用兩個傳感器協(xié)同反饋偏離情況，豐富了學生對反饋的認知。④認識優(yōu)秀算法的重要性。自動控制中的算法，需要結合設備性能、環(huán)境條件進行設計，優(yōu)秀的算法能夠更精準地獲取反饋并實現(xiàn)控制。（3）轉彎子系統(tǒng)——十字路口轉向180°。轉彎可以通過不同的方法來實現(xiàn)，如：單側減速，即減慢一側輪子的速度使機器人向慢側轉彎；停止并轉向，即完全停止一側的輪子，而另一側繼續(xù)轉動來實現(xiàn)更銳利的轉向。當開始轉彎后，小車如何判斷轉彎結束呢？常用的方法是傳感器重新對準機制，即判斷小車是否歸位在下一條待巡的線路上?？梢越柚橄蟪鰜淼能嚺c線的位置關系模型圖對判斷條件進行分析，根據分析設計的算法如圖5所示?！斑^程與控制”模塊教學要點解析：①建模分析意識。對轉彎動作結束條件的判定，可利用的信息包括傳感器數(shù)據、十字線、小車轉動的實時位置，需要分析三者間的動態(tài)關系。比較好的方法是抽象出小車、十字線的圖形，借此分析小車在轉彎的過程中形成的車與線的動態(tài)位置關系，如下頁圖6所示。而這種位置關系的變化怎樣反饋給主控板呢？通過傳感器的數(shù)據就能找到問題的突破口，以此作為判斷條件，形成算法。經歷這樣的分析過程，學生會認識到對于動態(tài)、復雜的事物，可以通過抽象建模的方式將問題分解和可視化，從而形成建模分析的意識。②綜合控制意識。要引導學生意識到轉彎動作的實現(xiàn)是對兩個車輪同時進行控制的綜合效果，對每個車輪的控制都包括“輸入—計算—輸出”三個環(huán)節(jié)。生活中一個控制效果的實現(xiàn)，有可能是對多個對象進行協(xié)同控制的結果，從而豐富學生對控制復雜性的理解。（4）任務動作子系統(tǒng)。本項目涉及的動作任務包括從餐館取外賣箱攜帶至公園放下、從花店取花籃攜帶至醫(yī)院放下。為完成任務，可在小車前端安裝類似手臂的裝置，如下頁圖7所示。攜帶外賣箱最簡單的辦法是用“手臂”將其框住后直接拖帶；攜帶花籃最簡單的方式是將“手臂”插入花籃孔后，直接拖帶。以上方案雖然簡單，但容易產生外賣箱、花籃脫離控制的情況，優(yōu)化方案是：采用舵機，把外賣箱舉起；在挑起花籃的時候，應用舵機向上轉動一定角度。這樣不但會解決脫離控制的問題，還可以提高小車攜帶物品后的行進速度。“過程與控制”模塊教學要點解析：①“優(yōu)化”意識培養(yǎng)。引入舵機作為對簡單拖帶方式的優(yōu)化，可以使學生意識到不斷尋求更高效、更穩(wěn)定的解決方案的重要性，這是工程實踐中必不可少的部分。②體驗真實工程的多因素制約。學生在選擇是否采用舵機優(yōu)化搭建時，需要考慮舵機搭建和編程調試所需的時間成本。由于總得分=任務得分+時間得分，學生必須權衡使用簡單方法節(jié)省時間和使用舵機提高穩(wěn)定性所帶來的效益對得分的影響，這樣的考量使學生意識到在做真實的工程項目時，不能單純追求技術上的完善，還要綜合考慮多方面的制約因素。綜上所述，課堂小型機器人工程項目為學生打造了一個貼近現(xiàn)實的科技實踐平臺。學生認識到現(xiàn)實世界中的“控制”絕非理想狀態(tài)，會受到眾多干擾因素的影響，從而意識到“控制”的復雜性，并深刻體驗到科