資源簡介

超聲波傳感器
課題：超聲波傳感器（第2章
第3節
第1課時）
一、教材分析
本課是第2
章第3節第1課時，主要講述了超聲波傳感器及倒車避障機器人的原理及算法。這部分教學內容是后續課程的基礎，起到了一個知識儲備的作用。
二、學情分析
在本節課學習之前，學生已經學習過紅外傳感器、灰度傳感器，可以說在傳感器的應用方面已經具備了一定的基礎知識，這些都為超聲波傳感器的學習提供了幫助，將更加有利于學生完成本節課的學習任務，掌握本節課的知識內容。
三、教學目標和要求
學生了解超聲波傳感器的結構、原理及應用；理解倒車避障機器人的原理和算法；具備一定的讀程能力及編程能力；增強學生的團隊精神、創新意識及創造能力。
四、教學重點與難點
1.
重點
（1）超聲波傳感器的工作原理。
（2）相關程序的修改、編寫、調試、理解。
2.
難點
（1）程序的編寫調試。
（2）倒車避障機器人算法的理解。
五、教學方法
講授指導法
合作學習法
項目教學法。
六、教學過程
（一）情境導入
1.
教師活動與學生活動
教師：同學們，蝙蝠一般都在夜間飛行，還能捕捉飛蛾和蚊子；而且無論怎么飛，都不會和東西相撞，即使一根極細的電線，它也能靈巧地避開。難道它的眼睛特別敏銳，能在漆黑的夜里看清楚所有的東西嗎？蝙蝠能夠在夜間安全地飛行依靠的是什么？
學生：積極討論，充滿探索欲望。
教師：蝙蝠利用的是聲音和耳朵。它一邊飛，一邊從嘴里發出一種聲音。這種聲音叫做超聲波，人的耳朵是聽不見的，蝙蝠的耳朵卻能聽見。超聲波像波浪一樣向前推進，遇到障礙物就反射回來，傳到蝙蝠的耳朵里，蝙蝠就立刻改變飛行的方向。
引出主題：今天我們就將圍繞“超聲波”來開啟學習之旅。
2.
設計意圖
通過蝙蝠夜間飛行的這一具體情境導入，激發學生的探究欲望，引出教學內容。
（二）介紹超聲波及超聲波傳感器
1.
教師活動與學生活動
通常人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz~20000Hz。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線
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利用超聲波的方向性強，可以反射和折射的原理，把超聲波發射出去，遇到障礙物被反射回來，由接收器接收，再計算從發射到接收到反射波所用時間來獲取距離的傳感器，稱為超聲波傳感器。（可以適當展示超聲波傳感器的原理圖和傳感器的照片）
2.
設計意圖
通過講解讓學生充分地理解超聲波傳感器的原理，這樣不僅僅能夠豐富學生的知識儲備，同時也能夠激發學生的學習積極性和主動性。
（三）超聲波傳感器的算法原理
1.
教師活動與學生活動
教師：同學們，能不能在我們的身邊找一個超聲波傳感器的應用實例呢？
學生：積極討論，給出很多答案。填寫項目實驗報告一。
教師：給出預設答案——我們身邊最常見的超聲波傳感器的應用就是汽車倒車雷達，倒車雷達的主要部件就是超聲波傳感器。那么倒車雷達的工作流程是怎樣的呢？（倒車的工作流程算法）
圖1
2.
設計意圖
知己知彼才能百戰不殆，知曉原理就是成功的一半。通過這部分內容的講解培養學生運用算法思維分析問題、解決問題的能力。
（四）項目實訓
1.
初階項目（項目描述見教材）
（1）教師活動與學生活動
學生：在機器人平臺軟件中打開“超聲波.dat”文件，在機器人上安裝超聲波傳感器，然后結合上面的工作流程圖初步了解程序的算法及功能。
教師：簡單介紹超聲波傳感器的安裝，然后通過“超聲波.dat”文件，分析超聲波傳感器的算法及原理。
注意：講解過程中強調程序中“CSB()”是超聲波傳感器測得的距離值。“CSB()”三個字母必須大寫，括號必須是英文字符。（可通過操作把設定的過程展示給學生）
學生：學生把程序下載到機器人上，運行機器人并觀察機器人的運行情況。完成項目實驗報告二。
表1　超聲波.dat程序截圖及分析
程序截圖
C代碼
思考實踐
本機器人都用到了哪些構件和控件？超聲波傳感器的安裝位置和方向？機器人倒車時電機的方向應該怎么設置？機器人的倒車速度和什么有關？嘗試修改程序中的停車距離默認值，看看默認值最小能夠設定為多少？觀察機器人是否能在規定的距離范圍內停止。（可以讓學生多修改幾次，加深理解）
（2）設計意圖
通過對“超聲波.dat”程序的分析，學生進一步了解超聲波傳感器的工作原理及算法，把枯燥的概念通過程序形象化，變抽象為形象，激發學生的學習興趣。同時通過讓學生修改程序參數、調試程序，培養學生觀察能力、探究能力，形成思考的習慣。
2.
項目優化
（1）教師活動與學生活動
在倒車的過程中速度都是先快后慢，機器人在倒車過程中也可以實現這一點。機器人在倒車過程中通過超聲波傳感器循環測量到擋板的距離，可以根據距離的不同設置機器人的運行速度，當退到最小距離時停止。
圖2　工作算法圖
任務：嘗試動手修改程序，在“超聲波.dat”程序的基礎上添加流程控制，實現倒車過程中倒車速度和超聲波傳感器測得實時距離的聯動。完成項目實驗報告三。
任務解讀：任務的核心是在“超聲波.dat”程序的基礎上添加流程控制（即雙分支或條件循環），實現倒車時速度控制。
（2）設計意圖
這里進一步把程序和現實生活進行聯系，理論聯系實際，促進學生的學習和理解。同時培養學生根據實際需求選擇最佳設計方案的能力。
3.
項目實踐
（1）教師活動與學生活動
在理解“超聲波.dat”基礎上，分小組合作，嘗試編寫獲取超聲波傳感器實時數據的程序，并進行實踐測量。
表2
程序截圖
程序說明
C代碼
測量距離的程序；程序開始；定義一個變量jl；循環開始；把超聲波傳感器測得的距離賦值給變量jl；顯示jl的值；循環結束。
教師：重點強調機器人是如何獲得超聲波傳感器測到的實時距離值，引導學生思考。（運用條件循環）
學生：編寫調試程序，并完成項目實驗報告四。
（2）設計意圖
通過倒車程序“超聲波.dat”及“超聲波傳感器測距程序”的分析和講解，進一步加深學生對于超聲波傳感器工作原理及工作算法的理解，促進后續內容的學習。
4.
項目進階——避障機器人的學習
（1）教師活動與學生活動
在日常駕車倒車過程中，需要先避開障礙物然后才能繼續倒車，那么機器人在倒車過程中是如何進行避障的呢？
學生：積極發言，討論機器人如何避障。
教師：引導學生回答，并和學生一起總結出倒車過程中避障的方法。（超聲波傳感器檢測到需要避開的障礙物→進行轉向避障操作）
學生：打開“倒車避障.dat”文件，根據總結出的避障方法去嘗試分析程序、讀懂程序、理解程序。
教師：在倒車避障的過程中還需要注意什么？（避障距離的控制、機器人本身的大小等等）
學生：把程序下載到機器人上并運行，嘗試在實驗場地放置障礙物，檢驗程序的有效性，進一步總結出用超聲波傳感器倒車避障時的注意事項。完成項目實驗報告五。
（2）設計意圖
通過分析程序、讀懂程序、理解程序這一過程，讓學生對于倒車避障的原理更加熟悉；通過讓學生實踐測試程序讓學生對于抽象的程序算法有更加理性的認識，讓學生知其然并知其所以然，在實踐中出真知。
（五）課堂總結
1.
教師活動與學生活動
（1）和學生一起回顧并總結這節課的學習內容：超聲波傳感器及其相關應用。
（2）交流課堂體會，把核心重難點進行提綱要領的總結。
（3）拓展探究，展望運用。
2.
設計意圖
通過總結給學生一個完整的知識體系，加深學生理解。
附表：
超聲波傳感器項目學習實驗報告
班級：
組號：
組員姓名：
一、請嘗試寫出幾個超聲波傳感器的應用方面和領域。
二、初階項目
1.
機器人都用到了哪些主要構件：
2.
機器人都用到了哪些控件：
3.
超聲波傳感器測得的距離值怎么表示：
4.
機器人倒車時電機的方向:
三、項目優化
1.
優化過程中主要用到了什么控件：
2.
簡述一下如何實現倒車過程中速度的分段控制的。
四、項目實踐
1.
編寫程序獲取超聲波傳感器實時數據。
2.
程序中定義的變量是：
3.
程序中用到了哪幾個控件：
5、項目進階
1.
簡述避障的方法。
2.
在避障過程中需要注意哪些方面？(共18張PPT)
蝙蝠一般都在夜間活動，同學們知道蝙蝠在
夜間是如何飛行的嗎？
蝙蝠能夠在夜間飛行和捕捉食物依靠的是：超聲波！
超聲波是什么？
通常人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz～20
000Hz。
我們把頻率高于20
000赫茲的聲波稱為“超聲波”。
超聲波的特點？
它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向
性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。
超聲波傳感器及原理
利用超聲波的方向性強，可以反射和折射的原理，把超聲波發射出去，遇到障礙物被反射回來，由接收器接收，再計算從發射到接收到反射波所用時間來獲取距離的傳感器，稱之為超聲波傳感器。
距離=聲速×時間÷2
超聲波傳感器的應用
超聲波在生活中最常見的應用——倒車雷達及其工作流程算法
試一試：在機器人平臺軟件中打開“超聲波.dat”文件，在機器人上安裝超聲波傳感器，然后結合上面的工作流程圖初步了解程序的算法及功能。
做一做：把程序下載到機器人上，運行機器人并觀察機器人的運行情況。完成項目實驗報告二。
代碼展示
注意：“CSB()”是超聲波傳感器測得的距離值。
“CSB()”三個字母必須大寫，括號必須
是英文字符。
項目程序優化：生活中，在倒車的過程中速度都是先快后慢，機器人在倒車過程中也可以實現這一點。機器人在倒車過程中通過超聲波傳感器循環測量到擋板的距離，可以根據距離的不同設置機器人的運行速度，當退到最小距離時停止。
試一試：嘗試動手修改程序，在“超聲波.dat”程序的基礎上添加流程控制，實現倒車過程中倒車速度和超聲波傳感器測得實時距離的聯動。完成項目實驗報告三。
項目實踐：在理解“超聲波.dat”基礎上，按照小組合作，嘗試編寫獲取超聲波傳感器實時數據的程序，并進行實踐測量。
程序代碼
做一做：編寫調試程序，并完成項目實驗報告四
項目進階——避障機器人的學習
在日常駕車倒車過程中，需要先避開障礙物然后才能繼續倒車，那么機器人在倒車過程中是如何進行避障的呢？
超聲波傳感器檢測到需要避開的障礙物→進行轉向避障操作
試一試：打開“倒車避障.dat”文件，根據總結出的避障方法去嘗試分析程序、讀懂程序、理解程序。
項目進階——避障機器人的學習
試一試：把程序下載到機器人上并運行，嘗試在實驗場地放置障礙物，檢驗程序的有效性，進一步總結出用超聲波傳感器倒車避障時的注意事項。完成項目實驗報告五。
避障距離的控制、機器人本身的大小等。
在倒車避障的過程中還需要注意什么？
項目小結
超聲波：頻率高于20
000赫茲的聲波稱為“超聲波”。
超聲波傳感器在生活中的應用有哪些？常見應用倒車避障及其原理。
程序編寫、調試等過程中的注意事項。
2019
謝謝超聲波傳感器項目學習實驗報告
班級：
組號：
組員姓名：
請嘗試寫出幾個超聲波傳感器在實際生活中的應用方面和領域。
初階項目
1.
機器人都用到了哪些主要構件：
2.
機器人都用到了哪些控件：
3.
超聲波傳感器測得的距離值怎么表示：
4.
機器人倒車時電機的方向:
項目優化
1.
優化過程中主要用到了什么控件：
2.
簡述一下如何實現倒車過程中速度的分段控制的？
項目實踐
1.
編寫程序獲取超聲波傳感器實時數據。
2.
程序中定義的變量是：
3.
程序中用到了哪幾個控件：
項目進階
1.
簡述避障的方法？
2.
在避障過程中需要注意哪些方面什么？

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