《機器人穿越浮橋》教學(xué)設(shè)計

翁國軍

● 教材分析

本課教學(xué)內(nèi)容取材于浙江省義務(wù)教育教科書《信息技術(shù)》九年級第15課《機器人認(rèn)路》。學(xué)習(xí)任務(wù)是通過機器人認(rèn)路項目的實施，掌握利用灰度傳感器感知路線，完成沿固定路線行走的任務(wù)，了解機器人獲取外部環(huán)境信息的方式，理解機器人如何根據(jù)各種信息做出決策。涉及的知識點有傳感器的種類、灰度傳感器、條件循環(huán)和分支結(jié)構(gòu)。實體機器人項目受到硬件、場地因素的影響，目前還難以在我校全體學(xué)生中開展課堂教學(xué)。基于3D仿真平臺的虛擬機器人項目是理想狀態(tài)下的機器人項目，受硬件條件和外部環(huán)境的影響較少。我區(qū)在2013年引進區(qū)域版的蘿卜圈仿真機器人平臺。結(jié)合教材的教學(xué)環(huán)境，我選擇了蘿卜圈機器人在線仿真平臺中的《穿越浮橋》作為任務(wù)載體，利用雙灰度傳感器來感知行走的軌跡，完成穿越浮橋的任務(wù)，讓學(xué)生在實踐中體會機器人完成任務(wù)的一般流程，理解雙灰度傳感器的工作原理，感悟通過個人努力讓機器人完成任務(wù)之后的愉悅。

● 學(xué)情分析

本課學(xué)習(xí)對象為八年級學(xué)生，經(jīng)歷了五年多的信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)，具有比較扎實的知識經(jīng)驗和操作基礎(chǔ)。學(xué)生在初中階段接觸過機器人項目學(xué)習(xí)，初步了解模塊化編程的方法，對機器人項目學(xué)習(xí)有著濃厚的興趣，對前沿知識和新技術(shù)有著較強的求知欲望。此外，在以往的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對流程圖有所了解，但沒有親自設(shè)計過，對蘿卜圈仿真機器人平臺沒有接觸過，需要在教學(xué)設(shè)計時做鋪墊與充分的準(zhǔn)備，在教學(xué)實施中加以關(guān)注和引導(dǎo)。

● 教學(xué)目標(biāo)

知識與技能目標(biāo)：通過分析機器人穿越浮橋的任務(wù)，初步構(gòu)建機器人完成任務(wù)的基本模型，理解雙灰度傳感器的工作原理。通過設(shè)計雙灰度傳感器工作原理流程圖，了解算法與流程圖的作用，掌握程序設(shè)計的思維方法。通過編寫運行、調(diào)試運行、優(yōu)化程序，掌握在3D仿真環(huán)境中程序的設(shè)計方法。

過程與方法目標(biāo)：通過觀察分析、交流討論、拼流程圖、編寫程序、調(diào)試優(yōu)化等過程，體驗讓機器人完成穿越浮橋任務(wù)的整個流程，提高邏輯思維能力和程序設(shè)計能力。

情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：在參與機器人穿越浮橋面的項目活動中，體驗完成任務(wù)的成功感，增強自主探究意識，提高對虛擬機器人項目的學(xué)習(xí)興趣。

● 教學(xué)重、難點

重點：雙灰度傳感器的工作原理;機器人完成任務(wù)的一般流程。

難點：在仿真平臺中實現(xiàn)機器人穿越浮橋的程序設(shè)計。

● 整體思路

機器人教育具有很強的實踐性、探究性和綜合性，可以引導(dǎo)學(xué)生進入一個激動人心的前沿領(lǐng)域，學(xué)生在機器人的設(shè)計、搭建、編程、調(diào)試過程中，不斷地體驗到完成任務(wù)之后的成功感與自信心，提高實踐操作能力和邏輯思維能力。本課以讓學(xué)生感受機器人完成任務(wù)的整個過程為主，將教學(xué)目標(biāo)主要定位在理解機器人利用傳感器完成任務(wù)上，按照“分析建模—設(shè)計流程圖—編程運行—調(diào)試優(yōu)化”這個順序展開教學(xué)。在教學(xué)中，我選擇了灰度傳感器作為機器人巡線行走的感應(yīng)器，也作為傳感器的一個范例，讓學(xué)生通過觀察分析和實踐體驗，經(jīng)歷機器人穿越懸浮橋的整個過程，理解灰度傳感器在機器人巡線行走過程中的作用，掌握在仿真平臺中編寫程序控制機器人巡線走的方法，最后通過拓展提升，讓學(xué)生了解傳感器和機器人在我們?nèi)粘Ｉ钪械膹V泛應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生進一步研究各類傳感器和學(xué)習(xí)機器人的興趣。通過本課學(xué)習(xí)體驗，我希望學(xué)生能夠了解到機器人完成任務(wù)是通過計算機程序來控制的，體驗程序設(shè)計的一般過程和思維方法，在不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過程中感受到機器人項目的樂趣，提高邏輯思維能力和實踐操作能力，增強自主學(xué)習(xí)探究的積極性。

● 教學(xué)準(zhǔn)備

在計算機教室安裝好IrobotQ 3D機器人在線仿真平臺及其客戶端;事先搭建好裝有左右雙灰度傳感器的機器人，并做好相關(guān)參數(shù)的設(shè)置;為每位學(xué)生準(zhǔn)備一套用來設(shè)計流程圖的相關(guān)材料，供學(xué)生練習(xí)使用;實物投影儀。

● 教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，揭示任務(wù)

（1）視頻導(dǎo)入，引出學(xué)習(xí)主題

教師播放一段經(jīng)過加工處理的各種巡線機器人項目活動的視頻，激發(fā)學(xué)生的興趣，引出“機器人穿越浮橋”，即“機器人沿著軌跡行走”的學(xué)習(xí)主題。

（2）情境呈現(xiàn)，揭示學(xué)習(xí)任務(wù)

教師用圖片呈現(xiàn)機器人在魔幻尋寶途中要通過一座浮橋（如下頁圖1），引出本課的任務(wù)：機器人穿越浮橋。

設(shè)計意圖：通過將多個不同的巡線機器人項目競賽的視頻整合起來播放，用真實的事件激發(fā)學(xué)生的興趣，營造科技氛圍，引出本課的學(xué)習(xí)主題。通過呈現(xiàn)具體的情境，讓學(xué)生了解本課中機器人要完成的任務(wù)中沿著沿軌跡行走，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好鋪墊。

2.分析任務(wù)，建構(gòu)模型

（1）觀察思考，提取浮橋上的軌跡

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察情境圖片（如下頁圖2），從機器人穿越浮橋的任務(wù)中提取出軌跡，便于學(xué)生觀察和分析。

（2）分析任務(wù)，歸納機器人行走路線

教師引導(dǎo)學(xué)生分析思考，得出機器人沿軌跡行走的路線，初步構(gòu)建任務(wù)模型：直行→左轉(zhuǎn)→直行→右轉(zhuǎn)→直行→右轉(zhuǎn)→直行→左轉(zhuǎn)→直行。

（3）提出問題，分析雙灰度傳感器工作原理

教師以機器人在穿越浮橋時需要左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，引出“雙灰度傳感器”。

學(xué)生觀察認(rèn)識裝有左右雙灰度傳感器的機器人圖片，探討雙灰度傳感器在機器人“穿越浮橋”過程中的工作原理。

結(jié)論：當(dāng)左灰度傳感器檢測到線時，機器人左轉(zhuǎn);當(dāng)右灰度傳感器檢測到線時，機器人右轉(zhuǎn);兩個傳感器都沒檢測到線時，機器人直行。

設(shè)計意圖：從情境圖中提取機器人將要行走的道路軌跡，以便對任務(wù)進行詳細(xì)的分析。激發(fā)已有認(rèn)知經(jīng)驗，得出機器人的行走路線，培養(yǎng)學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)和分析問題的能力。通過知識遷移引出雙灰度傳感器，借助啟發(fā)、觀察圖、討論等方式，引導(dǎo)學(xué)生積極思考分析，得出結(jié)論，表述觀點，增強解決問題的意識與能力。

3.解決問題，設(shè)計流程圖

（1）設(shè)計流程圖

拼圖活動：學(xué)生利用教師提供的流程圖素材，在虛線框內(nèi)拼出機器人轉(zhuǎn)彎的流程圖，并畫出相應(yīng)的流程線，得出機器人穿越浮橋的程序流程圖（如圖3）。

（2）展示交流，了解程序結(jié)構(gòu)

教師展示學(xué)生設(shè)計的流程圖并組織學(xué)生進行分析評價，再利用課件出示教師設(shè)計的流程圖，引導(dǎo)學(xué)生觀察，師生共同分析讓機器人完成穿越浮橋這一任務(wù)的整個流程。教師介紹該程序中的兩種結(jié)構(gòu)：分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，并指出程序設(shè)計的三種常用結(jié)構(gòu)為循環(huán)結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和順序結(jié)構(gòu)。

設(shè)計意圖：為了提高課堂效率，了解用流程圖方式說明實現(xiàn)一個解決方案所需完成的一系列操作，在本課中教師準(zhǔn)備了流程圖的相關(guān)元素，讓學(xué)生根據(jù)雙灰度傳感器的工作原理進行拼圖活動并畫出流程線，完成機器人穿越浮橋的流程圖，理解雙灰度傳感器器工作原理，了解算法與流程圖的作用，提高邏輯思維能力。通過展示交流，教師讓學(xué)生根據(jù)流程圖來描述讓機器人穿越浮橋的整個流程，明確機器人完成任務(wù)的主要步驟，初步了解程序的選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，為接下來編寫程序做好鋪墊。

4.實踐體驗，程序?qū)崿F(xiàn)

（1）編寫程序

教師組織學(xué)生根據(jù)設(shè)計好的流程圖來編寫機器人穿越浮橋的程序。進入仿真平臺，教師先引領(lǐng)做部分的講解與演示說明，然后學(xué)生嘗試獨立編寫程序。說明：①“while永遠(yuǎn)循環(huán)”的作用;②灰度值設(shè)置為“<103”;③學(xué)生自主探索編寫程序（提供導(dǎo)學(xué)單）。

（2）運行程序

教師提醒編寫好機器人程序的學(xué)生運行程序。提示：①選擇機器人、選擇程序;②選擇一個空座位;③單擊“運行”按鈕;④成功后提交成績。教師公布第一個完成任務(wù)的學(xué)生姓名，引導(dǎo)其他學(xué)生前去觀看和咨詢。

（3）調(diào)試優(yōu)化程序

教師呈現(xiàn)一個機器人穿越浮橋掉下懸崖而失敗的案例，分析失敗的原因，引出要修改參數(shù)，反復(fù)調(diào)試程序。

分層教學(xué)：①沒有完成的學(xué)生根據(jù)分析繼續(xù)調(diào)試程序，完成任務(wù)提交成績;②已經(jīng)完成的學(xué)生嘗試優(yōu)化程序，提高機器人完成任務(wù)的效率，成功后再提交新的成績。

教師登錄仿真機器人軟件管理平臺，呈現(xiàn)所有學(xué)生的成績排行榜，表彰冠軍。

（4）交流探討

請成績排行榜中的首位學(xué)生交流心得經(jīng)驗，引出進一步的探索的欲望。

學(xué)生反饋：如何提高機器人的工作效率？

結(jié)論：調(diào)整直流電機值。

教師設(shè)疑：這些值是不是越大或越小就越好呢？

結(jié)論：不是。要根據(jù)實際情況，反復(fù)調(diào)試，找到合適的數(shù)值。

設(shè)計意圖：①讓學(xué)生在仿真環(huán)境中根據(jù)流程圖編寫程序，培養(yǎng)程序設(shè)計意識。為了讓全體學(xué)生都能順利編寫出程序，體驗成功，教師在這里直接給出灰度值。②通過運行程序，觀察機器人穿越浮橋的行走過程，在真實的情境中體會雙灰度傳感器的作用。利用同伴效應(yīng)激勵同學(xué)間的相互學(xué)習(xí)與交流。③師生共同分析失敗原因，拓展思維空間，提高分析問題、解決問題的能力。學(xué)生編寫程序的速度不一，成敗皆有可能。考慮到學(xué)生的差異，設(shè)置挑戰(zhàn)任務(wù)讓學(xué)生有所選擇，滿足不同層面學(xué)生的需要。引入排行榜，增加競爭性和趣味性。④通過學(xué)生間的交流進行拓展延伸，了解直流電機值的作用，體驗改變參數(shù)值對機器人完成任務(wù)的影響，激發(fā)學(xué)生進一步自主探索的積極性。

5.回顧梳理，拓展提升

（1）回顧梳理

回顧本節(jié)課學(xué)習(xí)過程，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)讓機器人完成任務(wù)的流程：分析建模—設(shè)計流程圖—編程運行—調(diào)試優(yōu)化。

引導(dǎo)學(xué)生回顧梳理左右灰度傳感器的工作原理。梳理：當(dāng)左灰度傳感器檢測到線時，機器人向左轉(zhuǎn);當(dāng)右灰度傳感器檢測到線時，機器人向右轉(zhuǎn);兩個傳感器都沒檢測到線時，機器人直行。

（2）拓展提升

教師課件出示兩組圖片及視頻，了解傳感器在生活中的廣泛應(yīng)用。之后再總結(jié)提升，激勵學(xué)生去探索傳感器，研究機器人。

設(shè)計意圖：①借助兩個問題并利用板書引導(dǎo)學(xué)生再現(xiàn)學(xué)習(xí)過程，梳理所學(xué)的知識技能，歸納一般方法，形成知識序列，明確讓機器人完成任務(wù)的基本流程，理解雙灰度傳感器的工作原理。②結(jié)合傳感器在實際生活中的應(yīng)用，激勵學(xué)生進一步探索機器人的奧秘，增強情感體驗。

● 教學(xué)反思

機器人教學(xué)走進課堂，已經(jīng)由原來的設(shè)想到現(xiàn)在的真實實踐，并以蓬勃姿態(tài)前進著。這節(jié)課選用的是蘿卜圈三維虛擬機器人仿真平臺，機器人穿越浮橋的任務(wù)就是仿真平臺中的一個資源。在仿真平臺中，根據(jù)任務(wù)需求搭建虛擬機器人小車，設(shè)置相關(guān)屬性，再利用平臺中提供的模塊編寫程序，根據(jù)需要調(diào)試程序，就可以在仿真環(huán)境體驗到機器人完成任務(wù)的全過程。真實的情境和精美的畫面很吸引學(xué)生的興趣。同時，還可以邊修改邊調(diào)試，及時與學(xué)生互動，查看排行榜，極大地激發(fā)了學(xué)生主動探究的熱情。