資源簡介

《機器人沿線行走》教學設計
一、教材分析
教材上編排的內容較多，難度較大，要求學生能夠綜合運用灰度傳感器、單分支結構、條件循環、機器人的行走等知識來解決實際問題，讓機器人沿線行走。
二、學情分析
通過前面的學習，學生已經掌握了機器人的行走的方式、直流電機的設置和測量傳感器的光感值，并且已經能夠熟練地利用機器人平臺進行編程。學習內容學生比較感興趣，課堂容量較大，但是六年級的學生缺少耐心與細心，容易產生浮躁的心理，程序編寫時容易出錯。
三、教學目標
1.知識與能力
了解機器人沿線行走的概念；知道臨界值對機器人沿線行走的意義；能將灰度傳感器測量的光感值用在機器人沿線行走過程中。
2. 過程與方法
在體驗、測試、分析、編程、調試過程中，掌握灰度傳感器在機器人沿線行走過程中的作用和分支結構程序的條件判斷。
3. 情感態度價值觀
在編寫機器人沿線行走的程序中體會程序修正與調試的意義。
四、教學重點與難點
重點：灰度傳感器的使用；行走程序的編寫。
難點：臨界值的理解；機器人沿線行走過程中發生的兩種偏移。
五、教學策略
從教材內容看，本課的教學內容是讓學生知道機器人沿線行走過程中出現的五種情況后，通過編寫對應的程序來解決機器人沿線行走的問題。如果就這樣去講授，學生并不能理解機器人巡線過程中幾種情況的真實原因，學生的思維能力就得不到提升。為了讓枯燥的課堂變得更加地有趣味性且有深度，在吃透教材內容的基本上，我對教材內容進行了嘗試性的調整。對于知識重難點力求把握準確，突破有法。為此，本課以機器人沿線行走為主線，采用支架理論指導下的教學模式，幫助學生搭建有效學習的支架：視頻、表格、任務單、半成品的程序等。學生兩人一組，一人為操作員，一人為記錄員，合作完成學習任務。整節課圍繞機器人沿線行走展開教學，層層遞進，螺旋上升。學生在“激趣導入——感知黑線——確定方法——嘗試行走——健壯程序——應用拓展——形成認知” 這一任務線索的統領下，展開一系列學習探究活動，逐一掃除技術障礙，掌握機器人沿線行走的初步方法，逐漸形成工程思維的能力。讓學生體會機器人完成任務的過程就是“分析”——“設計”——“測試”——“反饋”的迭代過程。這種在實踐中體驗、在實踐中發現、在實踐中建構，在實踐中收獲的過程就是個體工程思維養成和提高的過程，是做中學的真實寫照。
6、教學過程
（一）激趣導入
課件播放視頻：介紹上海和杭州的機器人餐廳。
機器人餐廳里面的機器人是怎樣行走的呢？（沿著黑線走的）猜猜看，機器人是如何做到沿線走的？
其實，我們的紫光三角機器人也能沿線行走，今天老師就和大家一起來研究機器人沿線行走。（揭題）
設計意圖：從生活中的機器人導入，吸引學生的關注，同時引發思考，機器人能沿線走的原因，在激發討論熱情后將焦點引向我們即將學習的紫光三角機器人，讓學生產生濃厚的學習興趣。
（二）感知黑線
機器人沿線行走，就是指機器人從起點出發，沿著規定的軌道行走。
活動1：分析機器人沿線行走過程中黑線的作用。
（1）把玩機器人，思考機器人是如何感知到黑線的？
在紫光機器人下面有兩個灰度傳感器，借助于它們可以讓機器人獲得眼睛的功能。通過它們來測量地面不同顏色的光感值，從而可以確定黑線的位置。
（2）知道了黑線的光感值，如何運用在機器人巡線中呢？（編程）
演示并講解：編寫程序（打開“測試程序1”），讓機器人通過灰度傳感器實時獲得機器人下方顏色的光感值，并與黑線的光感值進行對比，（如果兩者的值相等）機器人的控制系統就指揮機器人的動作機構做出前進的動作。（停頓）是不是這樣呢？下面我們就來測量黑線的光感值。
活動2：采集場地光感值。
（1）編譯下載“測量光感值”程序，測量黑線的光感值。
黑線 灰度傳感器1測得的數值 灰度傳感器2測得的數值
（2）打開“測試程序1”程序，將程序中“單分支條件”參數修改為測得的黑線的光感值，并編譯下載到機器人中，嘗試運行。（發現不能行走）
看來這個黑線的光感值還不能直接用在程序中，這是為什么呢？我們再來測一下黑線的光感值。
（3）再測黑線的光感值。
（4）打開“測試程序2”程序，將確定的數值用在機器人巡線程序中，編譯下載運行程序，發現機器人可以沿線走起來了。
為什么修改了這樣一個值，機器人就能沿線走起來呢？
知識屋：閾值，就是臨界值，可以幫助機器人來更好地區分黑線和白色場地。
剛才我們很多同學取的黑線的值都在這個范圍之內，那么，在這樣的范圍里面，取哪一個值最適合呢？（中間的值）
小結：如果取偏向黑線光感值時，相當于把線看細了，取偏向白色光感值時，相當于把線看粗了，一般地，臨界值的取值范圍是黑色和白色光感值的中間位置。在不同的機器人產品中，由于硬件設備的差異，這個臨界值都需要通過編程測量并計算出來。
設計意圖：感受黑線這個環節主要是讓學生理解黑線在機器人沿線行走過程中的作用，感知黑線的目的就是讓機器人來區分黑線和白色場地。學生在遞進的四個活動任務層的引導下走向深度學習，從黑線的光感值、黑線邊緣的光感值到黑線和白底的光感臨界值，逐步接近問題解決的終點。給學生半成品的程序片段，旨在幫助學生快速驗證想法，避免無關問題對學生思維的影響。
（三）確定方法
有了這個臨界值，機器人就能更好地區分白色場地和黑線了。那機器人在沿線走的過程中，機器人與黑線的關系是什么樣的呢？
活動3：觀看機器人沿著直線行走的視頻，思考機器人與黑線的關系。
動畫分鏡頭演示：機器人與黑線的三個位置關系。（在線上、左偏和右偏）
總結：機器人與黑線的關系，其實就可以看成機器人下面的灰度傳感器與黑線的關系。當機器人下方的某個灰度傳感器出了黑線，就要調整和修正機器人的運動方向，讓機器人的灰度傳感器始終在黑線上，從而保證機器人始終沿線行走。
設計意圖：機器人在沿直線行走的過程中與黑線的位置關系是工程問題的一個顯著特點，理想的沿直線行走是不存在的，通過觀看視頻幫助學生理解在實際的工程問題中需要預設可能發生的情況，以便在編程的時候加以考慮。
（四）嘗試行走
活動4：編寫程序，讓機器人沿線行走。
（1）借助表格分析直行算法。
（2）編寫程序，編譯下載程序并測試。
反饋：機器人在沿線走的過程中出現了什么問題？（偏離黑線）
總結：即使沿著直線行走，機器人由于慣性、兩個直流電機的功率偏差、地面摩擦力的不同也會導致機器人偏離黑線。
設計意圖：有了黑白光感臨界值，要讓機器人沿著直線行走，學生很容易想兩個輪子轉動方向、速度一致就可以了。然而，最終影響機器人沿直線行走的因素較多，慣性、摩擦力、電機功率的差異都會讓機器人產生偏移，進而幫助學生進一步體會理解工程問題中絕對的直線行走是不存在的。
（五）健壯程序
活動5：健壯程序，讓機器人順暢地沿線行走
（1）分析左偏和右偏的算法。
（2）添加單分支結構，完善程序，編譯下載運行。
（3）繼續調整程序并測試。
觀察機器人的運行狀態，發現有的速度比較快，有點很慢，分析其中的原因，并找到解決問題的方法，調整程序并測試。
小結：環境和場地對機器人的運行有較大的影響，編寫機器人的程序時，并不是一次就能成功的，需要我們不斷地修正，才能達到理想的效果。在這個地方直流電機的速度在機器人行走過程中究竟取多大的值，需要我們不斷地反復嘗試。
設計意圖：機器人沿著直線行走的過程中產生偏移的兩種情況，在前面的方法分析環節學生已經有了初步的印象。在編程環節，依靠學生已有的生活經驗，借助于表格支架，幫助學生理解兩種偏移時機器人需要采取的動作，即調整機器人的轉向。
（六）應用拓展
剛才我們讓機器人都能夠順利地沿直線行走了，那我們編的程序適應性到底有多強呢？老師這還有三個軌跡，我們分組來試試看。
活動6：分組運行程序測試，體驗機器人能否正常運行。
匯報測試情況。
總結：對于弧度比較緩和的路線，今天的程序都可以讓機器人走下來，但是碰到像第二個路線，有直角轉彎的，就需要我們修改程序了，對于像第三個路線，兩個灰度傳感器還不能夠幫助機器人走下來，需要增加第三個灰度傳感器來一起配合，幫助機器人巡線。
在復雜的工程應用中，我們也可以通過搭配其他傳感器一同來提高機器人巡線的可靠性。
設計意圖：經過不斷地反復調試，機器人沿著直線行走的程序已經完善了，這樣的程序適應性到底有多強呢？通過引入三個不同的線路，檢驗程序的適應性。從而幫助學生理解編程時考慮問題的周全與否決定著機器人最終沿線行走的成敗。

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