第4单元 机器人学习活动

第4单元  机器人学习活动 一、 教学目标与要求 1．了解学生机器人行走的基本原理、编程方法和程序设计。 2．熟悉编程、下载程序和运行程序的基本过程。 3．体会调试机器人是一个反复的过程，培养学生发现和解决问题的能力。 4．了解机器人比赛规则。 5．学会合作、善于合作，享受成功的乐趣。 二、 教学内容与安排 本单元在了解学生机器人各种传感器的基础上，加深学习传感器的实际运用，掌握编程方法，学会灵活运用传感器对学生机器人进行各种活动的设计，体现活动性、创新性。在活动中让学生了解机器人，在活动中培养学生分析问题与解决问题的能力，在活动中培养学生的创新精神与合作能力。 第1节  行走机器人      2 课时 第2节  灭火机器人      2 课时 主题活动          1课时 在课时充裕的条件下，可以开展创新主题活动，比如自行设计趣味路线来进行机器人走黑线比赛，用时1课时。 三、 教学重点与难点 1．重点 （1） 机器人沿黑线走的基本原理、编程方法。 （2） 机器人灭火的程序原理。 2．难点 （1） 反复调试机器人，学会分析问题、解决问题。 （2） 编辑修改程序，制定比赛规则。 第1节    行走机器人 一、教学要求 1．了解机器人沿黑线走的基本原理，包含传感器的使用和程序设计原理。 2．教会学生测量场地感光值，理解程序、学会修改程序。 3．在走黑线的基础上引导学生拓展探究，为机器人设计复杂线路。 二、教材分析与教法建议 1．教材的地位和要求 本节是学生机器人综合运用的第一节，学生将学习传感器的使用，学会测量场地感光值并在程序中进行修改，学会阅读、修改程序。 教师可以使用预先制作、调试好程序的机器人进行演示，激发学生学习兴趣，教师可以边演示、边讲解，重点分析场地感光值的变化在程序中的修改方法。 本节内容以操作为主，让学生在实践中发现问题、分析问题，并学着解决问题，在实践中体会到机器人执行程序是需要反复调试的。学生可以分小组进行操作，一个小组以2~4人为宜，记录、测量、修改、调试等任务可以分工合作完成，并在实践基础上大胆创新，为机器人设计新的行走路线，开展丰富多彩的主题活动等。 2．教学方法的指导 教师可以将操作过程预先制作成视频教材，上课时播放，学生既可以看到实物，又能看清操作细节。 鼓励学生深入讨论，对机器人运行过程中常见问题要勤于思考，积极讨论。 利用探究学习模式，调动学生主动积极地参与课堂教学，让学生自主探究学习。教师引导学生发现问题，让学生自己学着解决问题，最后设计问题， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 经验。在教学中还可以尝试任务驱动学习、体验学习，小组学习等方式。 三、实践指导 练习与思考（ 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 ）： 1．在程序中，图标 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示  调用子程序 ， 表示 子程序开始        ，表示    子程序结束  。 2．小车速度越快，转弯时越容易偏离黑线，试着改变左右马达的转速，观察小车走弧线时的变化，最终调整到最佳状态。 创新与探究（答案）： 2．尝试使得机器人走不同形状的轨迹。 ①教会学生测量场地感光值，并将光值在程序中进行修改，教师可以先示范，再由学生亲自实践。 ②将小车放在场地上的不同位置处，可以是路线较直处、弧度较大处以及线路交叉处进行比较。 ③引导学生设计不同形状的路线让学生机器人行走，加深学生对程序的理解，以及对机器人学习和探究的兴趣，比如正方形路线、十字交叉路线、R形路线等。　 四、教案选登 课题：机器人沿黑线走 教    时：1课时 教学目的：1．通过调试机器人，培养学生的动手能力及解决问题的能力。 2．通过对光学、计算机科学、机械原理以及美学等的综合了解，提高学生的学习兴趣和综合运用能力。 教学重点：感光值的测量与程序的修改调试。 教学难点：程序的理解与修改。 教学方法：实验学习、探究学习、合作学习。 教学过程： 1．活动要求 （1）准备一个机器人小车，使其能按规定路线行进，越快越好。 （2）活动场地。 （3）比赛规则： ① 从起点出发，沿黑线走，直至终点结束。行进过程中，小车不能掉零件，不能整体脱离黑线，到达终点的黑线后停止运动。时间最快者为优胜。 ②  每4人一组合作编程调试比赛，完成任务的最快一组为优胜。 2． 注意事项 小车的速度太快，为了能拐过场地上的直角，防止小车冲出场地，必须注意行走时功率要调小，但又不能太小导致不能拐弯；拐弯时最好采用单轮逆转后退拐弯，注意拐弯时间的调整。 3．活动过程 （1）布置任务 教师布置项目任务，提示活动要求。 （2）学生活动 学生根据老师的提示进行测量、编程、调试。教师从旁提示关键的注意点，合作的重要性。 （3）比赛活动 教师根据课堂活动情况灵活调整比赛要求。 4．课堂总结 总结学生表现，指出学生活动过程中存在的问题，再次强调一些关键事项：机器人是需要反复调试的，学会分析问题、思考问题；合作的重要性，车身的搭建要利于拐弯，编程时要利于拐弯。 要求学生课后思考本堂课所学，及自身在活动过程中出现的问题。  五、 参考资料 1．行走机器人 机器人行走机构通常由驱动装置、传动装置、位置检测装置、传感器、电缆和管路等构成。行走机构按运行轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式两种。固定轨迹式主要用于工业机器人。对于无固定轨迹机器人，可分为轮式、履带式和步行式等。前两者与地面连续接触，后者与地面为间断接触。 （1）车轮式行走机器人通常有三轮、四轮、六轮之分。它们一般有驱动轮和转向机构，用来转弯。最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬楼梯。 （2）履带式行走机器人可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶。 （3）脚踏行走机器人即步行机器人，典型特征是不仅能在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越沟壑，上下台阶，具有广泛的适应性。主要设计难点是机器人跨步时自动转移重心而保持平衡的问题。 两足步行机器人图例 履带式行走机器人图例 2.机器人沿黑线走比赛项目 活动要求： 机器人从起跑区出发，沿着黑线前进，在最短时间内到达终点线。 活动场地： 活动场地为200cm ×160cm，黑线宽为2.5cm，底色为白色，线为黑色。 （如右图） 规则： （1）时间的计算是从机器人从起始区，沿黑色指定路线行进，至抵达终点线为止。 （2）起跑时，机器人任何一部分均不得超出起跑区；行进时机器人须随时保持在行进路线上，不能整体脱离黑线。 解决关键： 使用1个光电传感器寻找黑线，两个效果更好；使用两个马达，分别放在车体两侧，通过控制马达速度的不同保持车体不脱离黑线。 技术要领： 用光电传感器测试黑色与白色的光值差，在程序中标注。车体要轻，速度要控制好，不要太快，否则易冲出黑线太远而不能再寻回。 第2节    灭火机器人 一、教学要求 1．了解机器人灭火的基本原理，包括灭火程序流程和策略分析。 2．教会学生理解比赛规则，并学着制定比赛规则。 3．体会机器人灭火的现实意义，在此基础上鼓励学生大胆创新。 二、教材分析与教法建议 1．教材的地位和要求 本单元活动是机器人创新活动的升华，也是机器人比赛的常规项目之一，本活动除了让学生了解各种传感器的综合运用，还可以让学生体会到学习机器人的现实意义，实用性与趣味性集于一体，活动中进一步培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，通过本单元的学习让学生了解比赛，制定规则，善于合作，从而积极参与比赛，获得成功感，提升学习热情和学习信心。 比赛规则的制定是本单元的拓展内容，教师可以先制定一个简单的规则，在根据比赛的具体情况分析比赛规则对比赛结果的影响，从而引导学生制定适合场地变化等情况的规则，也可以到机器人竞赛的相关网站上下载比赛规则，进行修改使用。 2．教学方法的指导 教师可以使用预先制作调试好程序的机器人进行演示，也可以从网上下载机器人比赛的视频资料给学生观看，激发学生学习兴趣，教师可以边演示、边讲解，重点分析机器人灭火的三个步骤，便于学生对机器人完成任务的过程进行有效分析，从而提高机器人灭火的成功率。可以采取启发式、探究式，小组合作式的教学方法。 三、实践指导 1．机器人消防员如何在房间里搜索火源？ 机器人通过避障传感器在房间行进，通过红外传感器感知蜡烛的位置，从而确定火源，做出灭火动作。 蜡烛前的白线起到让机器人在找到火源后能及时停下来的作用。 风扇越大，灭火当然越快越容易，同样，决定风扇转速的还有电机的功率和电池电力。 灭火时间设置要合适，过短可能吹不灭，过长当然就浪费时间啦。 2．机器人灭火不一定拘泥于风扇灭火，可以根据现实生活中灭火的方式改造机器人的灭火方式，如喷出液体、用物品覆盖火源等，要鼓励学生大胆创新，即使现在未必能实现，但能有独特的设想也是很可贵的。 3．参考机器人网站上关于机器人灭火比赛的有关规则制定适合自己的比赛规则。 四、教案选登 课题：机器人灭火——寻找火源 教学目标 ： 1．知识与技能 （1）教会机器人寻找火源完成简单灭火任务 （2）知道简单的程序算法。 （3）了解传感器的使用，掌握机器人灭火的方法。 2．情感态度价值观 （1）培养学生的观察能力、动手能力、创造能力，养成良好的思维习惯。 （2）通过竞赛机制，提高学生的竞争和合作意识，锻炼学生比赛时的灵活性。 3．行为与创新 （1）通过学习制定比赛规则培养学生灵活运用的能力。 （2）通过对机器人灭火方式的创新培养学生的创新思维以及勇于探索的精神。 教学重、难点： 1．重点 灭火机器人的搭建，在原有学生机器人的基础上安装风扇附件。 2．难点： （1）传感器的正确使用。 （2）下载程序到机器人中，进行实际场地调试。 教学方法：以学生直接实践体验为主，辅以教师演示、启发、引导。 教学准备： 机器人套装、电脑、网络教室，机器人调试场地。 教学过程： 1． 引入 火灾是当今人类社会普遍关注的问题，它不仅威胁着人类的生命和财产安全，更影响到一个社会的稳定和发展。下图是我国研制的第一代灭火机器人。这类消防机器人适用于石油化工、油罐区、大型仓库等高温、强热辐射、易坍塌的危险场所，可避免人员伤亡。在这节课里，我们将利用学生机器人，模拟灭火过程。 2． 灭火实验及场地简介 中小学机器人灭火实验是模拟现实家庭中机器人处理火警的过程，它要求制作一个由计算机程序控制的机器人，在一间模拟平面结构的房间里运动，找到一根代表房间里火灾点的正在燃烧的蜡烛并尽快将它扑灭。下图是机器人模拟灭火场地示意图。  3．简易灭火机器人的制作                                  为使问题简单化，我们假定一个简单任务： 任务1  机器人从房间门口启动，对准火焰方向，直线前进，进入火焰前的白色警戒线，停止前进，扑灭火焰。 这个任务非常简单，对机器人的要求是当“看见”地面白线时，停止运动，开启风扇扑灭火焰。 为了让机器人能“看见”火焰前的白色警戒线，我们需要给机器人安装一个地面灰度传感器。 将程序下载到机器人内存中，检测实际场地黑色区域和白线的灰度，并记录下来。 在模拟机器人灭火任务中，最安全、方便的灭火方式是给机器人安装一个电风扇，（虽然在实际消防灭火中，这种方式不可取）一台简易的灭火机器人就安装安成了。 注意：蜡烛的高度要和机器人机身高度相适应。 将程序下载到机器人中，到实际场地试运行，观察机器人能否扑灭火焰。 4．使用红外传感器寻找火源灭火 燃烧的物体会产生较强的红外线，根据这一点，科学家用红外敏感型元件，做成了专门检测红外信号强度的传感器，红外传感器与灰度传感器一样也是模拟传感器，我们可以用函数来读取红外传感器的检测值。 教会机器人寻找火源 有了红外传感器的机器人，自己并不会识别火源。换句话说，置身烈火的机器人并不知道危险就要来临。 让我们来告诉机器人火源在哪里吧。 实验： （1）阅读程序“灭火.dat”。 （2）测试机器人离火焰的距离与火焰值的关系： 机器人离火焰的距离（单位：厘米） 火焰值 10 3 20 4 30 6 40 6 50 7 80 9 100 22     结论：                                                      。 你认为当火焰值小于      时，必须灭火。 实验可见：正对火焰，距离火焰越近，火焰值越小；反之，背离火焰，距离火焰越远，火焰值越大。我们可以形象地理解为，火焰值表示了红外传感器探头距火焰的距离。 寻找火源灭火的任务 任务2  机器人从房间门口启动，对准火焰方向，直线前进，看到火焰，停止前进，扑灭火焰。 任务分析：本任务与任务1算法一样，只是开启灭火风扇的条件不同，任务一是机器人通过灰度传感器“看到”白色警戒线；而这个任务是机器人通过红外传感器“看到”火焰。 调试机器人时，请同学根据风扇的风力修改条件。 根据模拟机器人灭火规则，机器人在扑灭火焰之前必须有一部分在火焰前白色圆弧内。 任何一个机器人的搭建和程序的编写只是理论上的算法合理，在实际应用中，都需要根据场地情况，环境情况进行调试，机器人才能顺利完成任务。请将上述程序下载到机器人中，运行调试。比一比，谁的机器人消防员最能干！ 5．探究活动： （1）自制一个简易灭火场地，并编写一个检测灰度和火焰值的程序，检测场地白线的灰度及火焰值。 （2）测试机器人，能否完成任务。 （3）制定合适的灭火比赛规则。 （4）探讨其它灭火方式. 五、参考资料 智能机器人灭火比赛规则 一个由计算机程序控制的机器人，在一间模拟平面结构为四室一厅的单元房间里运动，找到一根燃烧的蜡烛并尽快将它扑灭。它模拟了现实家庭中机器人处理火警的过程。蜡烛代表房间里燃起的火灾，机器人必须尽快找到并扑灭火源，这就是机器人灭火比赛。 1．比赛场地 模拟平面结构的房间和特性如下：模拟房间的墙壁33cm高，材质为木板。墙壁为白色。竞赛场地的地板为黑色的光滑木制表面。地板可以有接口，但接合处平整并是同样的黑色。场地的平整度要求，只要机器人可以处理0.3cm的不连续区域就可以。竞赛场地模拟房间里整体地面是水平的，没有斜坡和楼梯。 房子中，所有的走廊和门口宽都不小于46cm。门口并没有门，在地面上用一条2.5cm宽的白线表示房间入口。 2．比赛规则 ⑴机器人的运行 机器人一旦启动必须在没有参赛选手的干预下自动控制，即：机器人必须是由计算机程序控制，而非人工现场控制。 机器人在运行过程中可以碰撞或接触墙壁，但是不能故意标记和破坏墙壁。机器人当经过比赛场地时不能把任何东西留在后面，并且它不能在比赛场地留下任何可以帮助它运行的标记。 ⑵扑灭蜡烛火焰 机器人不能运用任何破坏性的或危险的方法来扑灭蜡烛火焰。它可以运用类似水、空气、CO2等，或者使用机械方式，可以通过吹气来熄灭蜡烛，尽管这在现实生活中不一定是适合的灭火方法，但在机器人灭火竞赛中是允许的。 蜡烛在燃烧状态时不允许被撞倒。如果机器人在灭火过程中碰撞蜡烛，机器人的运行仍然有效。如果蜡烛被撞倒，按未完成灭火任务处理。 机器人在试图扑灭火焰前必须到达距离火焰30cm以内。在距离火焰30cm的圆上有一条2.5cm宽的白线，机器人在扑灭火焰之前必须有一部分在圆圈内。 ⑶家具 竞赛场地的每个模拟房间里有一件家具。模拟家具是一根直径11.5cm，表面涂了半光泽黄色的钢柱，柱高30cm、重2.3公斤。 机器人可以接触摸家具，但是不能推开家具。家具挡住机器人看蜡烛的视线或者机器人要绕过家具才能到达蜡烛，这增加了家具方式的趣味性、真实感和挑战性。 机器人为了看一看家具是否真的挡住它的视线，也许要从不同角度来查看房间，如果蜡烛真的在家具后边，机器人要确定接近蜡烛的最佳路径。 ⑷蜡烛 安装在一个木质基座上，蜡烛白色。火焰的底部离地面15cm到20cm高，这高度包括支持蜡烛的木质基座。 （出处：机器人比赛组委会 作者： 机器人教育网） 高科技消防设备登陆北京 灭火机器人地铁上岗 两辆路轨“两栖”消防车、四台专职地铁灭火的机器人……高科技消防设备于2006年7月登陆北京，成为地铁安全保卫军中的一员。 从德国引进的路轨两用消防车，既可以在路上行驶，也可以直接开到铁轨上，每台车可装两吨水和一吨泡沫，车是全封闭的，可在隧道里行进，自带钢瓶，驾驶员和战斗员可在车舱中以不戴呼吸器，下车戴上便携式呼吸器，进入隧道深处灭火。车外面装有感烟感温装置，烟雾火情在车内就能看到，可与地铁指挥中心随时保持联系，相互协作，快速灭火。 另外，地铁内一旦发生险情，四台灭火机器人可即刻出动，无人遥控，即可从站台开到失火处，通过高压水雾系统排烟、驱烟、冷却，最后成功灭火。据悉，这种名为“路虎60”的灭火机器人，主要是由一辆小型履带车和一门高压水炮组成，像一个小型坦克，擅长进入地铁和坑道灭火，履带还可以自己“爬楼梯”。 机器人教育相关网址       机器人技术论坛                       机器人教育                         江苏省科技活动网           中国青少年电脑机器人竞赛