資源簡介

(共58張PPT)
與機器人對話
滬科版八年級下冊
內容總覽
目錄
01
05
03
02
04
06
學習目標
新知導入
認識智能機器人及其應用
了解機器人的基本結構
了解常見傳感器
搭建簡單的行進機器人
07
板書設計
09
課后作業
08
課堂總結
教學目標
信息意識
培養學生能夠識別和理解機器人技術及其應用領域的能力，意識到信息技術在機器人領域的重要性和應用潛力。
計算思維
通過機器人的搭建和編程活動，培養學生的邏輯思維能力、問題解決能力和算法設計能力，使學生能夠運用計算思維解決機器人行進問題。
數字化學習與創新
鼓勵學生利用數字化工具和資源進行學習與創新，通過上網研究和小組活動，培養學生的自主學習能力和協作能力，激發學生對機器人技術的興趣和創造力。
信息社會責任
引導學生思考機器人技術對社會和個人帶來的影響，培養學生的信息安全意識，使學生能夠在機器人應用領域中承擔相應的社會責任。
新知導入
機器人一直是人工智能的重要研究領域之一。隨著技術的發展，機器人的應用越來越廣泛。機器人已能為人們提供各種優質的服務，例如，機器人服務員能完成餐飲點單、送餐等服務。機器人還能代替人們完成很多危險或高難度的任務。例如，手術機器人能協助醫生完成復雜的手術,工業機器人能完成精密儀器、汽車等的制造工作,水下機器人能在深海開展各種探險工作……
新知導入
在本活動中，將學習智能機器人的基本概念和應用領域，了解機器人的基本結構以及常見傳感器的作用、基本結構和工作原理，了解簡單機器人的運動和控制原理。
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
1.從機器人到智能機器人
現代社會里，人們對“機器人”這個詞并不陌生，很多科幻小說和影視作品中都有對機器人的精彩描繪，生活中也有越來越多的機器人為人們提供各種服務。
但是，到底什么是機器人，目前并沒有統一的回答。有人認為，機器人是能靈活地完成特定的操作或運動任務，并可重復編程的多功能操作器。人們通常還接受另一種說法，認為機器人是一種具有感覺和識別能力，能夠控制自身行為的機器。
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
1.從機器人到智能機器人
機器人技術綜合了機械工程、電子工程、傳感器應用、信息技術、數學、物理等多種學科，代表著一個國家的高科技發展水平。但是，機器人并不等同于人工智能。一方面，人工智能的應用很多，但很多應用都與機器人無關，如搜索引擎、拍照翻譯App、語音翻譯App等；另一方面，許多機器人并不具備智能，汽車生產流水線上的工業機器人一直在執行一系列重復的動作，如裝配、噴漆。這些重復動作并不需要人工智能，只需要事先編寫好程序，也就是說，這些工業機器人只按照設定的程序自動完成規定的動作，并不具備智能。
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
說說做做
說說你對機器人的認識：怎樣的機器可以稱為機器人 電視、冰箱、微波爐等傳統家電屬于機器人嗎
參考：機器人通常是一種能夠自動執行任務的機器系統。它們具備傳感器、控制器和執行器等設備，可以感知環境、做出決策并執行動作。與傳統家電不同，機器人需要具備一定的自主性和智能性，而不是僅僅按照預設程序機械地運作。因此，電視、冰箱、微波爐等傳統家電并不屬于機器人，它們只是簡單的電子設備，不能自主感知環境和做出決策。
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
無論是何種機器人，它們都不應違反機器人的“三大定律”。
提示板
第一定律：機器人不得傷害人類，或坐視人類受到傷害；
第三定律：在不違背第一及第二法則前提下，機器人必須保護自己。
第二定律：除非違背第一法則，機器人必須服從人類的命令；
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
1.從機器人到智能機器人
智能機器人融合了人工智能與機器人技術，是一種具有一定“智能”的可以“思考”“對話”或“運動”的機器人。與只能按照既定程序或模式按部就班地執行一些重復工作的機器人不同，智能機器人能夠根據用戶的指令或要求，感知當前的環境，進行一定的“思考”“分析”,然后結合事先制定的行動綱領，做出“決策”并執行相應的動作。
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
數字化學習
上網開展研究，試著列舉更多與機器人無關的人工智能應用以及并不具備智能的機器人。
參考：與機器人無關的人工智能應用包括智能語音識別系統，如Siri，能理解并執行語音命令；還有智能推薦系統，如京東和淘寶的推薦算法。而不具備智能的機器人，例如自動化生產線上的機械臂，它們按照預設程序重復相同動作，沒有決策能力；還有掃地機器人，雖然能自主移動清掃，但其智能程度較低，主要依賴預設模式和傳感器輸入。
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
說說做做
人類對機器人總是抱有復雜的情感，既期待機器人能造福人類，又憂慮它們 對人類造成威脅。隨著機器人智能化程度的不斷提高，不少人擔心智能機器人未來會不受人類的控制而導致安全問題。對此，你有怎樣的觀點和看法
參考：隨著機器人智能化程度的提高，人們的擔憂也日益加劇。但我認為，關鍵在于我們如何引導和管理這一技術的發展。機器人無疑有巨大的潛力造福人類，提升生活質量。然而，我們也必須建立嚴格的監管機制，確保機器人的使用符合道德和法律標準，防止其濫用和失控。只有這樣，我們才能充分發揮機器人的積極作用，同時保障人類的安全和利益。
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
2.了解智能機器人的應用領域
生活中的掃地機器人是一種常見的智能機器人，它能夠感知周圍的環境狀況，自動避開一些障礙物，并不斷修正規劃路線，完成清掃工作。此外，商場和博物館等公共場所提供咨詢的服務機器人、倉庫分揀貨物的機器人、機器人大賽中的足球機器人等都是智能機器人。
隨著技術的發展，智能機器人的應用領域日益廣泛，在工業、軍事、科研、教育、醫療、物流、家庭服務、個人娛樂等領域均發揮著越來越重要的作用。
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
說說做做
以小組為單位，每組選擇一種智能機器人開展研究，了解其特點、功能和應用領域，并在班級里交流。
參考：我們小組選擇了服務型智能機器人作為研究對象。這種機器人具有高度的智能和自主性，能夠完成多種服務任務，如餐飲服務、家庭保潔、醫療護理等。它們通常配備了先進的傳感器、控制系統和人工智能技術，能夠感知環境、理解人類語言，并根據需求做出相應反應。服務型智能機器人在現代社會中應用廣泛，為人們的生活帶來了便利和舒適。我們相信，隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，服務型智能機器人將會在未來發揮更加重要的作用。
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
知識鏈接
我國機器人產業發展現狀
機器人的研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。因此，我國非常重視機器人產業的發展。
根據《“十四五”機器人產業發展規劃》,“十三五”以來，通過持續創新、深化應用，我國機器人產業呈現良好發展勢頭。產業規?？焖僭鲩L，年均復合增長率約15%。2020年機器人產業營業收入突破1000億元，工業機器人產量達21.2萬臺(套)。
新知講解
一、認識智能機器人及其應用
知識鏈接
我國機器人產業發展現狀
技術水平持續提升，運動控制、高性能伺服驅動、高精密減速器等關鍵技術和部件加快突破，整機功能和性能顯著增強。集成應用大幅拓展，2020年制造業機器人密度達到246臺/萬人，是全球平均水平的近2倍，服務機器人、特種機器人在倉儲物流、教育娛樂、清潔服務、安防巡檢、醫療康復等領域實現規模應用。
我國機器人產業正加快向中高端、多領域發展，產業發展空間和潛力巨大。
新知講解
二、了解機器人的基本結構
說說做做
人類用“感官”去感知世界，用“大腦”來思考決策并控制各器官協同工作，用“肢體”去執行動作。同樣，機器人也需要擁有“感官”“大腦”和“肢體”等，完成感知、決策和行動。
一個機器人通常由控制系統、傳感系統、驅動系統和機械系統組成。傳感系統采集各類數據并將其傳送給控制系統，控制系統對這些數據進行運算或分析并控制驅動系統，驅動系統執行相應的動作，機械系統則相當于機器人的身體。
以教育機器人為例，其中的控制器或主板相當于人類的“大腦”;各類傳感器相當于人類的“感官”;電機或舵機是機器人的動力部分，配合其他一些基礎結構配件來執行動作。當然，機器人要正常行動，還必須擁有能源的支持。
新知講解
二、了解機器人的基本結構
提示板
教育機器人是以激發學生學習興趣、培養學生綜合能力為目標而專門開發的機器人成品、套裝或散件，主要應用于學校、培訓機構的機器人教學。
新知講解
二、了解機器人的基本結構
說說做做
機器人的身體結構不一定是“人”形的，這取決于人們想讓它做怎樣的工作及其所處的工作環境。機器人的功能決定了它的大小、外形、材質等。分組活動，每組調查一種機器人，了解其在完成指定工作過程中獨有的結構及設計者的意圖。班級交流各自的調查結果，完成表格。
新知講解
二、了解機器人的基本結構
參考
機器人 獨有的結構 設計意圖
工業機器人 多關節機械臂、高精度傳感器 設計用于在工業自動化環境中執行精確、重復的工作，如裝配、焊接、噴涂等。多關節機械臂提供了高度靈活性和可達性，而高精度傳感器則確保操作的精確性。
服務機器人 人形外觀、語音交互系統、移動平臺 設計用于在公共場所（如酒店、商場、機場等）提供導覽、咨詢、接待等服務。人形外觀和語音交互系統使其更容易與人類用戶進行互動，移動平臺則使其能夠在不同區域提供服務。
農業機器人 履帶式或輪式底盤、農業工具接口 設計用于在農田環境中執行播種、施肥、除草、收割等農業任務。履帶式或輪式底盤使其能夠在不同地形上穩定行駛，農業工具接口則可方便更換不同類型的農業工具。
醫療機器人 精細機械臂、高清攝像頭、無菌外殼 設計用于在醫療領域執行手術、檢查、康復等任務。精細機械臂和高清攝像頭提供了高度精確和可視化的操作，無菌外殼則確保在無菌環境下進行手術。
水下機器人 防水外殼、推進器、聲吶傳感器 設計用于在水下環境中執行探測、搜救、科學研究等任務。防水外殼保護內部電子元件免受水侵蝕，推進器提供動力，聲納傳感器則用于探測水下環境和目標。
新知講解
三、了解常見傳感器
機器人利用各種傳感器來采集數據，如相當于視覺器官的紅外傳感器、灰度傳感器、光敏傳感器，相當于聽覺器官的聲音傳感器，相當于觸覺器官的觸碰傳感器和溫度傳感器等。
紅外發射管發出紅外線，紅外線在遇到物體后被反射回來，紅外接收管接收到被反射回來的紅外線后，發送電信號給機器人的控制系統，使其知道前方存在物體。
紅外傳感器
新知講解
三、了解常見傳感器
不同顏色的檢測面對光的反射程度不同，不同程度的反射光會使光敏電阻呈現不同的電阻值，灰度傳感器利用這個原理進行顏色深淺檢測。灰度傳感器上有一只發光二極管和一只光敏電阻，且都安裝在同一面上。在有效的檢測距離內，發光二極管發出白光，照射在檢測面上，檢測面反射部分光線，光敏電阻檢測此光線的強度并將其轉換為機器人可以識別的信號。
灰度傳感器
新知講解
三、了解常見傳感器
光敏傳感器用于監測光線的強弱。光線強度不同，光敏傳感器的感應數值也不同。
光敏傳感器
聲音傳感器用于接收聲波，感知聲音的強弱。
聲音傳感器
新知講解
三、了解常見傳感器
當觸碰傳感器檢測到有物體觸碰時，會產生一個電信號通知機器人的控制系統，告知觸碰到了物體。
觸碰傳感器
溫度傳感器感受到溫度后將其轉換成電信號傳輸給機器人的控制系統。
溫度傳感器
新知講解
三、了解常見傳感器
除了機器人外，生活中很多場景或應用中都會用到各類傳感器，例如馬路上的噪音實時監控、樓道聲控燈等使用了聲音傳感器，光控路燈采用了光敏傳感器。閱讀知識鏈接，并嘗試列舉生活中各種傳感器的應用案例。
說說做做
傳感器 應用實例
溫度傳感器 冰箱和冷凍柜使用溫度傳感器來監測內部的溫度，確保食物在安全的溫度下保存。
觸摸傳感器 在智能手機、平板電腦以及其他觸摸屏設備上觸摸傳感器能夠檢測用戶的觸摸輸入，如點擊、滑動、長按等手勢，并將這些信息轉換成電信號進行傳輸和處理，從而使用戶能夠與設備進行直觀且便捷的交互。
新知講解
三、了解常見傳感器
傳感器的常見應用
傳感器的應用領域非常廣泛，除了應用于機器人領域、軍事領域、交通領域、環保領域之外，它在我們的日常生活中也很常見。
知識鏈接
商廈、酒店的大門多為自動門，微波感應器或紅外傳感器檢測到人或物體時，便會自動開門。
該系統中使用了煙霧傳感器，能檢測出火焰燃燒所產生的煙霧，從而發出警報。
自動門
火警警報系統
新知講解
三、了解常見傳感器
知識鏈接
其中的氣敏傳感器能檢測到泄漏的燃氣，從而使蜂鳴器發出警報。
智能手機內部安裝了很多傳感器。例如，利用光線傳感器來協助調整屏幕的亮度；利用距離傳感器來感知手機是否被貼在耳朵上通話，若是則會關閉屏幕來省電；利用重力傳感器來檢測手機重心的變化，從而根據人握手機姿勢的變化自動切換橫屏或豎屏效果。
燃氣警報器
智能手機
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
以下將搭建一個簡單的機器人——“走走停?！钡男羞M機器人，體驗機器人是如何運動的。其任務要求如下：
機器人前進15秒，然后停止5秒，再前進5秒后停止。
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
為完成任務，機器人需要具備行進功能，因此可以設計一個通過輪子滾動來實現前進和后退的機器人小車。
以某教育機器人為例，可以選用的基本模塊有：控制器、大型電機、車輪、連接線、電池、基礎零件等。
1.設計構思
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
根據自己的設計完成行進機器人的結構搭建。例如，可以按以下方法搭建：
2.搭建結構
(1)完成左右輪電機的搭建。
(2)將左右輪電機通過連接裝置連接在一起。
(3)加固機器人底盤。
(4)完成萬向輪的制作。
(5)安裝萬向輪。
(6)安裝并固定控制器。
(7)在左右輪電機上安裝車輪，并用連接線將電機與控制器相連。
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
分析任務可知，完成行進任務需要機器人的控制系統先控制驅動系統前進15秒，然后控制驅動系統停止5秒，再控制驅動系統前進5秒，最后停止。電機的參數設置見下表。
3.編寫程序
實現功能 左電機設置 右電機設置
前進n秒 轉向：向前 功率：50 秒數：n秒 轉向：向前
功率：50
秒數：n秒
停止 關閉電機 關閉電機
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
如果機器人要實現后退，電機的參數該如何設置
說說做做
實現功能 左電機設置 右電機設置
后退n秒 轉向：向后 功率：50 秒數：n秒 轉向：向后
功率：50
秒數：n秒
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
行進機器人的程序編寫方法如下：
(1)將動作模塊中的“移動轉向”模塊拖至編程畫布區與主程序相連。
(2)開啟指定秒數，將B和C端口的電機參數分別設置為：轉向0、功率50、秒數15。
(3)拖一個“移動轉向”模塊與程序相連，并關閉電機。
(4)將流程控制模塊中的“等待”模塊拖至編程畫布區與程序相連，并設置等待時間為5s。
(5)拖一個“移動轉向”模塊與程序相連，將電機參數的設置分別設置為：轉向0、功率50、秒數5。
(6)拖一個“移動轉向”模塊與程序相連，并關閉電機。
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
提示板
程序是機器人的“靈魂”,機器人要做的任何動作都由程序決定。程序就是為了操縱機器運動而編寫的一系列有序的命令集合。
不少教育機器人的程序編寫都采用可視化的圖形操作界面，使用方便，只要結合繪制好的流程圖，把相應的模塊圖標拖至編程區，再設置各個模塊的參數即可。
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
4.編譯并下載程序
用連接線連接控制器的USB端口與計算機的USB端口。打開控制器的開關，計算機會顯示已連接至控制器的對話框。點擊對話框中的“下載”按鈕，將程序編譯并下載到控制器中。
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
5.運行與調試程序
拔掉連接線，選擇下載的程序，就可以運行與調試程序了。機器人行進時注意觀察其是否按照編程的要求正確完成任務，如果不是，可以參考以下問題進行分析與解決：
(1)程序的設計思路是否正確
(2)編程模塊的選擇是否恰當
(3)編程模塊的參數是否設置準確
(4)編程模塊之間是否正常連接
(5)電機或傳感器與控制器相連的端口序號是否正確
(6)機器人的電源、機器人測試場地環境(光線、地面摩擦力和噪聲等)對機器人是否有影響
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
教育機器人的硬件
為方便學生學習，教育機器人大多采用積木式的搭建結構以及模塊化的系統結構。學生可以利用各類零件搭建出許多個性化的機器人。教育機器人的主要硬件一般分為控制系統、傳感系統和驅動系統。
本例中的控制器有4個輸入端口和4個輸出端口、1個USB端口、1個迷你SD卡槽、1個編程接口。它內置揚聲器，與計算機的通信支持USB2.0、藍牙和Wi-Fi。
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
教育機器人的硬件
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
教育機器人的常用傳感器
傳感器及其功能 實物圖 圖標
光電傳感器，檢測顏色或者光強度
觸動傳感器，檢測傳感器的紅色按鈕何時被按壓、何時被松開。常用來做觸發裝置或檢測觸碰
超聲波傳感器，檢測物體與傳感器之間的距離，通常用來測距和識別障礙
角度傳感器，內置在伺服電機中，用于檢測電機運行功率、運行角度及運行的圈數
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
教育機器人的常用傳感器
傳感器及其功能 實物圖 圖標
陀螺儀傳感器，測量旋轉運動方向和改變運動方向，可測量角度
溫度傳感器，檢測外界的溫度
紅外傳感器，檢測從固體反射回來的紅外光或從遠處發射過來的紅外光
聲音傳感器，檢測聲音，還能識別聲音和辨識語調，從而讓機器人對聲音"命令作出反應"
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
教育機器人的常用電機
電機及其功能 實物圖 圖標
大型電機，為機器人的行動提供基礎驅動力
中型電機，小且輕，驅動力比大型電機差，反應速度比大型電機快
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
教育機器人的硬件
控制器的四個輸出端口(A、B、C、D)通常用于連接電機模塊。默認設置下，端口A連接中型電機，端口B、端口C、端口D用于連接大型電機。其中端口B和端口C通常默認是機器人的左電機和右電機。
控制器的四個輸入端口(1、2、3、4)通常用于連接傳感器。默認設置情況下，端口1連接觸動傳感器或溫度傳感器，端口2連接陀螺儀傳感器或聲音傳感器，端口3連接光電傳感器，端口4連接超聲波傳感器或紅外傳感器。
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
控制器
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
教育機器人的編程軟件
機器人編程軟件的窗口中除了菜單欄外，還有編程畫布、編程面板、硬件頁面、編程工具欄、內容編輯器。其中，編程畫布、編程面板和硬件頁面是最基本的面板。
所有的編程模塊都在編程面板內，編寫程序時只要用鼠標將要使用的功能模塊從編程面板中拖到編程畫布區域，然后進行一定的參數設置即可。在硬件頁面處可以創建并管理與控制器的通信，查看所連接的電機和傳感器及它們連接的端口位置，也可以將程序下載到控制器中。
編程模塊根據類型和性質分為不同的類別。
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
編程軟件窗口
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
常用編程模塊
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
常用編程模塊
新知講解
四、搭建簡單的行進機器人
知識鏈接
常用編程模塊
新知講解
擴展延伸——教育機器人學習建議
1.系統學習與實踐
從基礎開始，逐步掌握EV3的硬件組件和軟件編程環境。了解機器人的基本構造和工作原理，熟悉各種傳感器和電機的功能。
通過閱讀樂高官方教程、參考書籍和在線資源，系統地學習EV3的編程技巧和機器人搭建方法。不斷實踐，將所學知識應用到實際項目中。
2.培養解決問題的能力
在學習過程中，遇到問題時不要氣餒。嘗試分析問題原因，并尋找解決方案。通過不斷嘗試和調試，培養解決問題的能力。
學會利用樂高社區和其他在線平臺尋求幫助。與其他EV3愛好者交流經驗，分享解決問題的方法。
新知講解
擴展延伸——教育機器人學習建議
3.跨學科學習與應用
將EV3機器人技術與數學、物理、工程等其他學科相結合，探索機器人在不同領域的應用。這有助于培養跨學科思維，提高綜合素質。
關注機器人技術的最新發展動態，了解前沿技術和應用趨勢。這有助于保持對EV3學習的熱情和動力。
4.耐心與毅力
學習EV3需要時間和耐心。不要期望一蹴而就，而是要持續投入精力去學習和實踐。通過不斷積累經驗和技能，逐步提高自己的水平。
保持對學習的熱情和毅力。遇到困難時，要勇敢面對并克服它們。相信自己的潛力，不斷挑戰自己，取得更大的進步。
課堂總結
本次信息科技活動課程中，我們深入學習了智能機器人的基本概念、應用領域以及基本結構，對機器人的“感官”“大腦”和“肢體”有了更直觀的認識。通過親手搭建簡單的行進機器人，我們體驗了機器人的運動原理，實踐了從設計構思到編程調試的全過程。這不僅鍛煉了我們的動手能力，更激發了我們對機器人技術的興趣與熱愛。未來，我們將繼續探索機器人的奧秘，期待在更廣闊的領域見證機器人的智能與魅力。
板書設計
課后作業
在網絡上搜索一種你感興趣的智能機器人，了解它的特點、功能及應用領域，并思考它如何結合傳感器和驅動系統完成指定任務。
1
設計一款能夠自動避障的機器人，畫出簡圖并描述其工作原理。思考在實現避障功能時，可能需要使用到哪些傳感器，并說明理由。
2
謝謝
21世紀教育網（www.21cnjy.com)
中小學教育資源網站
兼職招聘：
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/admin中小學教育資源及組卷應用平臺
與機器人對話 教學設計
課題 與機器人對話 單元 初識人工智能——智能工具與智能機器人 學科 初中信息技術 年級 八年級
教材分析 本次活動內容主要介紹了智能機器人的基本概念、應用領域、基本結構、傳感器以及簡單機器人的運動和控制原理。通過搭建行進機器人的實踐活動，學生可以更加深入地了解機器人的運動和控制過程，提升實踐能力和創新思維。教材內容豐富、圖文并茂，注重理論與實踐相結合，有助于學生全面了解機器人的相關知識和技術，為進一步學習和應用機器人技術打下基礎。同時，教材內容也強調了機器人的安全問題，引導學生正確看待機器人的發展和應用，培養學生的社會責任感?？傮w來說，該教材內容豐富、形式多樣，既注重實踐操作又兼顧理論知識，有助于學生全面了解和認識智能機器人。
學習目標 信息意識：培養學生能夠識別和理解機器人技術及其應用領域的能力，意識到信息技術在機器人領域的重要性和應用潛力。計算思維：通過機器人的搭建和編程活動，培養學生的邏輯思維能力、問題解決能力和算法設計能力，使學生能夠運用計算思維解決機器人行進問題。數字化學習與創新：鼓勵學生利用數字化工具和資源進行學習與創新，通過上網研究和小組活動，培養學生的自主學習能力和協作能力，激發學生對機器人技術的興趣和創造力。信息社會責任：引導學生思考機器人技術對社會和個人帶來的影響，培養學生的信息安全意識，使學生能夠在機器人應用領域中承擔相應的社會責任。
重點 機器人的基本概念、應用領域、基本結構和常見傳感器的作用。簡單機器人的運動和控制原理，包括編程和調試過程。
難點 理解機器人的“智能”如何體現，以及如何結合人工智能技術進行機器人的智能化設計和應用。如何根據任務需求設計合適的算法，如何通過編程實現機器人的預期行為。對機器人技術應用中社會責任問題的深入思考和討論。
教學過程
教學環節 教師活動 學生活動 設計意圖
導入新課 機器人一直是人工智能的重要研究領域之一。隨著技術的發展，機器人的應用越來越廣泛。機器人已能為人們提供各種優質的服務，例如，機器人服務員能完成餐飲點單、送餐等服務。機器人還能代替人們完成很多危險或高難度的任務。例如，手術機器人能協助醫生完成復雜的手術,工業機器人能完成精密儀器、汽車等的制造工作,水下機器人能在深海開展各種探險工作……在本活動中，將學習智能機器人的基本概念和應用領域，了解機器人的基本結構以及常見傳感器的作用、基本結構和工作原理，了解簡單機器人的運動和控制原理。 了解機器人的廣泛應用和本次活動的內容。 通過介紹機器人的廣泛應用和重要作用，激發學生對智能機器人領域的興趣與好奇心，為其后續學習機器人的基本概念、結構、傳感器原理及運動控制等奠定認知基礎，進而培養學生的科技創新意識和實踐能力。
講授新課 一、認識智能機器人及其應用1.從機器人到智能機器人現代社會里，人們對“機器人”這個詞并不陌生，很多科幻小說和影視作品中都有對機器人的精彩描繪，生活中也有越來越多的機器人為人們提供各種服務。但是，到底什么是機器人，目前并沒有統一的回答。有人認為，機器人是能靈活地完成特定的操作或運動任務，并可重復編程的多功能操作器。人們通常還接受另一種說法，認為機器人是一種具有感覺和識別能力，能夠控制自身行為的機器。機器人技術綜合了機械工程、電子工程、傳感器應用、信息技術、數學、物理等多種學科，代表著一個國家的高科技發展水平。但是，機器人并不等同于人工智能。一方面，人工智能的應用很多，但很多應用都與機器人無關，如搜索引擎、拍照翻譯App、語音翻譯App等；另一方面，許多機器人并不具備智能，汽車生產流水線上的工業機器人一直在執行一系列重復的動作，如裝配、噴漆。這些重復動作并不需要人工智能，只需要事先編寫好程序，也就是說，這些工業機器人只按照設定的程序自動完成規定的動作，并不具備智能。說說做做說說你對機器人的認識：怎樣的機器可以稱為機器人 電視、冰箱、微波爐等傳統家電屬于機器人嗎 參考：機器人通常是一種能夠自動執行任務的機器系統。它們具備傳感器、控制器和執行器等設備，可以感知環境、做出決策并執行動作。與傳統家電不同，機器人需要具備一定的自主性和智能性，而不是僅僅按照預設程序機械地運作。因此，電視、冰箱、微波爐等傳統家電并不屬于機器人，它們只是簡單的電子設備，不能自主感知環境和做出決策。提示板無論是何種機器人，它們都不應違反機器人的“三大定律”。第一定律：機器人不得傷害人類，或坐視人類受到傷害；第二定律：除非違背第一法則，機器人必須服從人類的命令；第三定律：在不違背第一及第二法則前提下，機器人必須保護自己。智能機器人融合了人工智能與機器人技術，是一種具有一定“智能”的可以“思考”“對話”或“運動”的機器人。與只能按照既定程序或模式按部就班地執行一些重復工作的機器人不同，智能機器人能夠根據用戶的指令或要求，感知當前的環境，進行一定的“思考”“分析”,然后結合事先制定的行動綱領，做出“決策”并執行相應的動作。數字化學習上網開展研究，試著列舉更多與機器人無關的人工智能應用以及并不具備智能的機器人。說說做做人類對機器人總是抱有復雜的情感，既期待機器人能造福人類，又憂慮它們 對人類造成威脅。隨著機器人智能化程度的不斷提高，不少人擔心智能機器人未來會不受人類的控制而導致安全問題。對此，你有怎樣的觀點和看法 參考：隨著機器人智能化程度的提高，人們的擔憂也日益加劇。但我認為，關鍵在于我們如何引導和管理這一技術的發展。機器人無疑有巨大的潛力造福人類，提升生活質量。然而，我們也必須建立嚴格的監管機制，確保機器人的使用符合道德和法律標準，防止其濫用和失控。只有這樣，我們才能充分發揮機器人的積極作用，同時保障人類的安全和利益。2.了解智能機器人的應用領域生活中的掃地機器人是一種常見的智能機器人，它能夠感知周圍的環境狀況，自動避開一些障礙物，并不斷修正規劃路線，完成清掃工作。此外，商場和博物館等公共場所提供咨詢的服務機器人、倉庫分揀貨物的機器人、機器人大賽中的足球機器人等都是智能機器人。隨著技術的發展，智能機器人的應用領域日益廣泛，在工業、軍事、科研、教育、醫療、物流、家庭服務、個人娛樂等領域均發揮著越來越重要的作用。說說做做以小組為單位，每組選擇一種智能機器人開展研究，了解其特點、功能和應用領域，并在班級里交流。參考：我們小組選擇了服務型智能機器人作為研究對象。這種機器人具有高度的智能和自主性，能夠完成多種服務任務，如餐飲服務、家庭保潔、醫療護理等。它們通常配備了先進的傳感器、控制系統和人工智能技術，能夠感知環境、理解人類語言，并根據需求做出相應反應。服務型智能機器人在現代社會中應用廣泛，為人們的生活帶來了便利和舒適。我們相信，隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，服務型智能機器人將會在未來發揮更加重要的作用。知識鏈接我國機器人產業發展現狀機器人的研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。因此，我國非常重視機器人產業的發展。根據《“十四五”機器人產業發展規劃》,“十三五”以來，通過持續創新、深化應用，我國機器人產業呈現良好發展勢頭。產業規模快速增長，年均復合增長率約15%。2020年機器人產業營業收入突破1000億元，工業機器人產量達21.2萬臺(套)。技術水平持續提升，運動控制、高性能伺服驅動、高精密減速器等關鍵技術和部件加快突破，整機功能和性能顯著增強。集成應用大幅拓展，2020年制造業機器人密度達到246臺/萬人，是全球平均水平的近2倍，服務機器人、特種機器人在倉儲物流、教育娛樂、清潔服務、安防巡檢、醫療康復等領域實現規模應用。我國機器人產業正加快向中高端、多領域發展，產業發展空間和潛力巨大。二、了解機器人的基本結構人類用“感官”去感知世界，用“大腦”來思考決策并控制各器官協同工作，用“肢體”去執行動作。同樣，機器人也需要擁有“感官”“大腦”和“肢體”等，完成感知、決策和行動。一個機器人通常由控制系統、傳感系統、驅動系統和機械系統組成。傳感系統采集各類數據并將其傳送給控制系統，控制系統對這些數據進行運算或分析并控制驅動系統，驅動系統執行相應的動作，機械系統則相當于機器人的身體。以教育機器人為例，其中的控制器或主板相當于人類的“大腦”;各類傳感器相當于人類的“感官”;電機或舵機是機器人的動力部分，配合其他一些基礎結構配件來執行動作。當然，機器人要正常行動，還必須擁有能源的支持。提示板教育機器人是以激發學生學習興趣、培養學生綜合能力為目標而專門開發的機器人成品、套裝或散件，主要應用于學校、培訓機構的機器人教學。說說做做機器人的身體結構不一定是“人”形的，這取決于人們想讓它做怎樣的工作及其所處的工作環境。機器人的功能決定了它的大小、外形、材質等。分組活動，每組調查一種機器人，了解其在完成指定工作過程中獨有的結構及設計者的意圖。班級交流各自的調查結果，完成下表。參考：機器人獨有的結構設計意圖工業機器人多關節機械臂、高精度傳感器設計用于在工業自動化環境中執行精確、重復的工作，如裝配、焊接、噴涂等。多關節機械臂提供了高度靈活性和可達性，而高精度傳感器則確保操作的精確性。服務機器人人形外觀、語音交互系統、移動平臺設計用于在公共場所（如酒店、商場、機場等）提供導覽、咨詢、接待等服務。人形外觀和語音交互系統使其更容易與人類用戶進行互動，移動平臺則使其能夠在不同區域提供服務。農業機器人履帶式或輪式底盤、農業工具接口設計用于在農田環境中執行播種、施肥、除草、收割等農業任務。履帶式或輪式底盤使其能夠在不同地形上穩定行駛，農業工具接口則可方便更換不同類型的農業工具。醫療機器人精細機械臂、高清攝像頭、無菌外殼設計用于在醫療領域執行手術、檢查、康復等任務。精細機械臂和高清攝像頭提供了高度精確和可視化的操作，無菌外殼則確保在無菌環境下進行手術。水下機器人防水外殼、推進器、聲吶傳感器設計用于在水下環境中執行探測、搜救、科學研究等任務。防水外殼保護內部電子元件免受水侵蝕，推進器提供動力，聲納傳感器則用于探測水下環境和目標。三、了解常見傳感器機器人利用各種傳感器來采集數據，如相當于視覺器官的紅外傳感器、灰度傳感器、光敏傳感器，相當于聽覺器官的聲音傳感器，相當于觸覺器官的觸碰傳感器和溫度傳感器等。◆紅外傳感器紅外發射管發出紅外線，紅外線在遇到物體后被反射回來，紅外接收管接收到被反射回來的紅外線后，發送電信號給機器人的控制系統，使其知道前方存在物體?！艋叶葌鞲衅鞑煌伾臋z測面對光的反射程度不同，不同程度的反射光會使光敏電阻呈現不同的電阻值，灰度傳感器利用這個原理進行顏色深淺檢測。灰度傳感器上有一只發光二極管和一只光敏電阻，且都安裝在同一面上。在有效的檢測距離內，發光二極管發出白光，照射在檢測面上，檢測面反射部分光線，光敏電阻檢測此光線的強度并將其轉換為機器人可以識別的信號。◆光敏傳感器光敏傳感器用于監測光線的強弱。光線強度不同，光敏傳感器的感應數值也不同?！袈曇魝鞲衅髀曇魝鞲衅饔糜诮邮章暡ǎ兄曇舻膹娙酢！粲|碰傳感器當觸碰傳感器檢測到有物體觸碰時，會產生一個電信號通知機器人的控制系統，告知觸碰到了物體?！魷囟葌鞲衅鳒囟葌鞲衅鞲惺艿綔囟群髮⑵滢D換成電信號傳輸給機器人的控制系統。說說做做除了機器人外，生活中很多場景或應用中都會用到各類傳感器，例如馬路上的噪音實時監控、樓道聲控燈等使用了聲音傳感器，光控路燈采用了光敏傳感器。閱讀知識鏈接，并嘗試列舉生活中各種傳感器的應用案例。參考：傳感器應用實例溫度傳感器冰箱和冷凍柜使用溫度傳感器來監測內部的溫度，確保食物在安全的溫度下保存。觸摸傳感器在智能手機、平板電腦以及其他觸摸屏設備上觸摸傳感器能夠檢測用戶的觸摸輸入，如點擊、滑動、長按等手勢，并將這些信息轉換成電信號進行傳輸和處理，從而使用戶能夠與設備進行直觀且便捷的交互。知識鏈接傳感器的常見應用傳感器的應用領域非常廣泛，除了應用于機器人領域、軍事領域、交通領域、環保領域之外，它在我們的日常生活中也很常見。◆自動門：商廈、酒店的大門多為自動門，微波感應器或紅外傳感器檢測到人或物體時，便會自動開門?！艋鹁瘓笙到y：該系統中使用了煙霧傳感器，能檢測出火焰燃燒所產生的煙霧，從而發出警報。◆燃氣警報器：其中的氣敏傳感器能檢測到泄漏的燃氣，從而使蜂鳴器發出警報?！糁悄苁謾C：智能手機內部安裝了很多傳感器。例如，利用光線傳感器來協助調整屏幕的亮度；利用距離傳感器來感知手機是否被貼在耳朵上通話，若是則會關閉屏幕來省電；利用重力傳感器來檢測手機重心的變化，從而根據人握手機姿勢的變化自動切換橫屏或豎屏效果。四、搭建簡單的行進機器人以下將搭建一個簡單的機器人——“走走停停”的行進機器人，體驗機器人是如何運動的。其任務要求如下：機器人前進15秒，然后停止5秒，再前進5秒后停止。1.設計構思為完成任務，機器人需要具備行進功能，因此可以設計一個通過輪子滾動來實現前進和后退的機器人小車。以某教育機器人為例，可以選用的基本模塊有：控制器、大型電機、車輪、連接線、電池、基礎零件等。2.搭建結構根據自己的設計完成行進機器人的結構搭建。例如，可以按以下方法搭建：(1)完成左右輪電機的搭建。(2)將左右輪電機通過連接裝置連接在一起。(3)加固機器人底盤。(4)完成萬向輪的制作。(5)安裝萬向輪。(6)安裝并固定控制器。(7)在左右輪電機上安裝車輪，并用連接線將電機與控制器相連。3.編寫程序分析任務可知，完成行進任務需要機器人的控制系統先控制驅動系統前進15秒，然后控制驅動系統停止5秒，再控制驅動系統前進5秒，最后停止。電機的參數設置見下表。實現功能左電機設置右電機設置前進n秒轉向：向前
功率：50
秒數：n秒轉向：向前
功率：50
秒數：n秒停止關閉電機關閉電機說說做做如果機器人要實現后退，電機的參數該如何設置 實現功能左電機設置右電機設置后退n秒轉向：向后
功率：50
秒數：n秒轉向：向后
功率：50
秒數：n秒行進機器人的程序編寫方法如下：(1)將動作模塊中的“移動轉向”模塊拖至編程畫布區與主程序相連。(2)開啟指定秒數，將B和C端口的電機參數分別設置為：轉向0、功率50、秒數15。(3)拖一個“移動轉向”模塊與程序相連，并關閉電機。(4)將流程控制模塊中的“等待”模塊拖至編程畫布區與程序相連，并設置等待時間為5s。(5)拖一個“移動轉向”模塊與程序相連，將電機參數的設置分別設置為：轉向0、功率50、秒數5。(6)拖一個“移動轉向”模塊與程序相連，并關閉電機。提示板程序是機器人的“靈魂”,機器人要做的任何動作都由程序決定。程序就是為了操縱機器運動而編寫的一系列有序的命令集合。不少教育機器人的程序編寫都采用可視化的圖形操作界面，使用方便，只要結合繪制好的流程圖，把相應的模塊圖標拖至編程區，再設置各個模塊的參數即可。4.編譯并下載程序用連接線連接控制器的USB端口與計算機的USB端口。打開控制器的開關，計算機會顯示已連接至控制器的對話框。點擊對話框中的“下載”按鈕，將程序編譯并下載到控制器中。5.運行與調試程序拔掉連接線，選擇下載的程序，就可以運行與調試程序了。機器人行進時注意觀察其是否按照編程的要求正確完成任務，如果不是，可以參考以下問題進行分析與解決：(1)程序的設計思路是否正確 (2)編程模塊的選擇是否恰當 (3)編程模塊的參數是否設置準確 (4)編程模塊之間是否正常連接 (5)電機或傳感器與控制器相連的端口序號是否正確 (6)機器人的電源、機器人測試場地環境(光線、地面摩擦力和噪聲等)對機器人是否有影響 知識鏈接教育機器人的硬件為方便學生學習，教育機器人大多采用積木式的搭建結構以及模塊化的系統結構。學生可以利用各類零件搭建出許多個性化的機器人。教育機器人的主要硬件一般分為控制系統、傳感系統和驅動系統。本例中的控制器有4個輸入端口和4個輸出端口、1個USB端口、1個迷你SD卡槽、1個編程接口。它內置揚聲器，與計算機的通信支持USB2.0、藍牙和Wi-Fi?？刂破鞯乃膫€輸出端口(A、B、C、D)通常用于連接電機模塊。默認設置下，端口A連接中型電機，端口B、端口C、端口D用于連接大型電機。其中端口B和端口C通常默認是機器人的左電機和右電機?？刂破鞯乃膫€輸入端口(1、2、3、4)通常用于連接傳感器。默認設置情況下，端口1連接觸動傳感器或溫度傳感器，端口2連接陀螺儀傳感器或聲音傳感器，端口3連接光電傳感器，端口4連接超聲波傳感器或紅外傳感器。教育機器人的編程軟件機器人編程軟件的窗口中除了菜單欄外，還有編程畫布、編程面板、硬件頁面、編程工具欄、內容編輯器。其中，編程畫布、編程面板和硬件頁面是最基本的面板。所有的編程模塊都在編程面板內，編寫程序時只要用鼠標將要使用的功能模塊從編程面板中拖到編程畫布區域，然后進行一定的參數設置即可。在硬件頁面處可以創建并管理與控制器的通信，查看所連接的電機和傳感器及它們連接的端口位置，也可以將程序下載到控制器中。編程模塊根據類型和性質分為不同的類別。擴展延伸——教育機器人學習建議1.系統學習與實踐從基礎開始，逐步掌握EV3的硬件組件和軟件編程環境。了解機器人的基本構造和工作原理，熟悉各種傳感器和電機的功能。通過閱讀樂高官方教程、參考書籍和在線資源，系統地學習EV3的編程技巧和機器人搭建方法。不斷實踐，將所學知識應用到實際項目中。2.培養解決問題的能力在學習過程中，遇到問題時不要氣餒。嘗試分析問題原因，并尋找解決方案。通過不斷嘗試和調試，培養解決問題的能力。學會利用樂高社區和其他在線平臺尋求幫助。與其他EV3愛好者交流經驗，分享解決問題的方法。3.跨學科學習與應用將EV3機器人技術與數學、物理、工程等其他學科相結合，探索機器人在不同領域的應用。這有助于培養跨學科思維，提高綜合素質。關注機器人技術的最新發展動態，了解前沿技術和應用趨勢。這有助于保持對EV3學習的熱情和動力。4.耐心與毅力學習EV3需要時間和耐心。不要期望一蹴而就，而是要持續投入精力去學習和實踐。通過不斷積累經驗和技能，逐步提高自己的水平。保持對學習的熱情和毅力。遇到困難時，要勇敢面對并克服它們。相信自己的潛力，不斷挑戰自己，取得更大的進步。 學習機器人與智能機器人的概念、區別及應用。學習了解機器人的“三大定律”。了解智能機器人的應用領域。了解我國機器人產業發展現狀。了解機器人的基本結構。調查一種機器人，了解其在完成指定工作過程中獨有的結構及設計者的意圖。了解機器人常用的傳感器類型及其工作原理。學習傳感器的常見應用。了解要搭建的機器人的基本要求。根據任務要求設計構思機器人。根據設計思路，搭建機器人。編寫程序控制搭建好的機器人。將編寫好的程序下載到機器人控制器中。運行并調試程序使機器人完成目標任務。學習教育機器人的硬件和軟件知識。按照教育機器人學習建議提升自己機器人學。 通過介紹機器人與智能機器人的概念、區別及應用，引導學生了解機器人技術的發展現狀與趨勢，拓寬學生的科技視野，激發學生對科技創新的興趣。通過教授機器人的“三大定律”，讓學生認識到機器人和人類之間的互動應遵循的基本原則，培養學生的科技素養和社會責任感，為未來與機器人的共處和合作做好準備。通過介紹智能機器人在不同領域的應用，激發學生對機器人技術的興趣，理解其在現代社會中的重要性。通過實例分析，培養學生關注科技發展的眼光，鼓勵他們思考未來機器人技術可能帶來的變革。幫助學生深入了解我國機器人產業的發展現狀、趨勢及挑戰，激發學生對機器人技術的興趣與熱情。幫助學生理解機器人的基本結構，通過將機器人的組成部分與人類的感官、大腦和肢體進行類比，使學生更容易掌握機器人的工作原理。同時，以教育機器人為例，進一步加深了學生對機器人結構和功能的認識。通過分組活動，實際調查了解不同機器人的獨有結構及其設計背后的意圖，以此增強學生的探究與合作能力，同時深化對機器人技術與應用領域的理解。通過班級交流，提升學生的溝通與表達能力。幫助學生了解機器人常用的傳感器類型及其工作原理，包括紅外、灰度、光敏、聲音、觸碰和溫度傳感器等。通過學習，學生將能夠理解傳感器在機器人感知外界環境中的重要作用。通過介紹傳感器在自動門、火警警報系統、燃氣警報器和智能手機等日常生活場景中的應用，幫助學生了解傳感器技術的實用性和廣泛性，激發其對傳感器技術的興趣，為其未來學習和應用相關技術打下基礎。通過引導學生親手搭建和編程行進機器人，讓學生親身體驗機器人的運動原理，培養動手能力和創新思維。通過實踐，學生不僅能理解機器人的基本構造和控制原理，還能學會如何分析問題和解決問題。通過介紹教育機器人的硬件結構和編程軟件，使學生了解機器人的基本構成和編程方法，培養學生的科技創新能力和實踐能力。通過這些學習建議，幫助學生更好地掌握這款樂高機器人套件，提升學生對于機器人的認識水平。
課后練習 1.在網絡上搜索一種你感興趣的智能機器人，了解它的特點、功能及應用領域，并思考它如何結合傳感器和驅動系統完成指定任務。2.設計一款能夠自動避障的機器人，畫出簡圖并描述其工作原理。思考在實現避障功能時，可能需要使用到哪些傳感器，并說明理由。 小組合作完成課后練習，然后和班上同學交流。 通過課后練習，鞏固課堂學習的智能機器人基礎知識，并通過設計避障機器人，讓學生進一步熟悉機器人設計的方法。
課堂小結 組織學生分小組總結本課學習內容，請每個小組代表說說自己小組總結的結果。教師做最后的補充。參考：本次信息科技活動課程中，我們深入學習了智能機器人的基本概念、應用領域以及基本結構，對機器人的“感官”“大腦”和“肢體”有了更直觀的認識。通過親手搭建簡單的行進機器人，我們體驗了機器人的運動原理，實踐了從設計構思到編程調試的全過程。這不僅鍛煉了我們的動手能力，更激發了我們對機器人技術的興趣與熱愛。未來，我們將繼續探索機器人的奧秘，期待在更廣闊的領域見證機器人的智能與魅力。 在小組討論基礎上，推選代表總結本課學習內容。其他小組做補充總結。 學生自己總結學習內容是一種學習方法，每次課可以梳理出學習了哪些知識、技能方法和思維方式，在頭腦中形成本課程的學科結構。
板書 從教師板書上歸納本課學習內容的重點。 通過板書，幫助學生形成本課學習內容思維導圖。
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世紀教育網(www.21cnjy.com)

展開更多......

收起↑