不謀而同的機器人小車

學習背景

為順應“互聯網+”時代教育和社會發展要求，發揮創客教育在培養青少年創新思維中的作用，本課從智能機器人設計制作入手，使用樂高積木搭建機器人小車，借助陀螺儀傳感器獲取小車的旋轉角度，通過藍牙實現兩輛小車間的無線通信，在LEGO MINDSTORMS Education EV3編程軟件（下稱“EV3軟件”）中利用消息傳遞模塊、數學模塊、移動槽模塊控制兩輛小車方向同步。讓學生經歷“想象—創造—分享—反思”的過程，培養學生的創新意識。

教學目標

知識與技能：1.使用樂高積木設計并搭建兩輛裝配陀螺儀傳感器的機器人小車；2.描述藍牙通信的作用，實現兩輛機器人小車之間的藍牙連接；3.使用陀螺儀傳感器采集數值，利用消息傳遞模塊、數學模塊、移動槽模塊實現兩輛小車方向同步；4.使用EV3軟件進行程序編寫。

過程與方法：1.能通過學習資料、網上資料查詢、摸索與嘗試操作等方式學習新知識；2.經歷在程序修改和參數調試過程中提高解決問題能力的過程。

情感態度與價值觀：1.體驗藍牙通信在生活中的應用，從而提升學習興趣，培養創新思維；2.在小組合作學習中能發揮特長，積極承擔任務，善于提出自己的觀點并和組員協作進步。

教學重點與難點

教學重點：建立兩輛機器人小車之間的藍牙連接，實現主從EV3控制器間的消息傳遞。

教學難點：利用消息傳遞模塊、數學模塊、移動槽模塊實現兩輛小車方向同步。

教學過程

一、創設情境

不謀而同：事先沒有商量過，意見或行動卻完全一致，該成語出自《三國志·魏書·張既傳》。本課以“不謀而同”這一成語引入，讓學生思考怎樣實現兩輛樂高小車之間的方向同步。

二、需求分析

教師組織學生討論控制兩輛小車方向同步的關鍵要素，了解藍牙通信在生活中的應用，分析藍牙通信在本作品中的作用。

三、探究新知

教師組織學生閱讀學習資料、查詢網上資料，了解在EV3機器人中實現藍牙通信的方法，通過摸索與嘗試，在兩輛機器人小車之間建立藍牙連接，實現主從EV3控制器間的消息傳遞。

四、編程調試

在前期討論和觀察分析的基礎上，教師組織學生分小組經歷觀察現象、發現問題、分析原因、嘗試解決等過程，逐步完善程序編寫，讓學生在程序修改和參數調試的過程中，提高解決問題的能力。

五、展示評價

教師組織學生以小組為單位進行作品展示，并向全班同學介紹作品特色、設計思路、遇到的問題以及解決的方法，由教師和其他小組一起對作品進行評價。

六、拓展創新

教師提出拓展要求，引導學生對作品進行進一步完善和創新，請學生發揮想象，設計更有意思的機器人作品。

案例詳解

一、了解藍牙通信

藍牙（Bluetooth）是一種無線短距離通信方式，使用藍牙可以方便地在設備之間傳輸數據。EV3機器人可以通過藍牙通信功能和其他EV3機器人進行通信，互相傳遞數據。通過藍牙連接iPhone、iPad等設備，下載相應的應用程序，然后通過藍牙對其進行控制。EV3系統中藍牙協議的工作方式是選擇主EV3控制器連接到從EV3控制器。一個主EV3控制器可以連接多達7個從EV3控制器，主EV3控制器可以向每個從EV3控制器發送消息。但是從EV3控制器只能將消息發送回主EV3控制器，不能直接向其他從EV3控制器發送消息。樂高藍牙設備的通信距離一般在10米以內。

二、EV3的藍牙連接

在電腦上啟動EV3軟件，用數據線連接EV3控制器，在界面右下角“程序塊名稱”處進行修改。（如圖1，圖2）

假設兩臺EV3控制器的設備名分別為“EV3_A”和“EV3_B”。

圖9

3.EV3_B：在EV3的控制面板中，接收到來自EV3_A的連接請求，依次選擇“Connect”“PASSKEY”。（如圖10、圖11）

圖10 圖11

三、消息傳遞模塊介紹

利用EV3的藍牙通信功能，我們實現了兩個EV3控制器之間的設備連接，但要它們之間能夠互動交流，還需要EV3軟件中的消息傳遞模塊（如圖12），該模塊可以發送、接收、比較相應的文本、數字或邏輯。

圖12

四、任務分析

我們將主動調整方向的EV3_A作為主EV3控制器，跟隨變化方向的EV3_B作為從EV3控制器。

EV3_A的任務就是將自己的陀螺儀傳感器角度數值實時發送給EV3_B。

EV3_B的任務是接收來自EV3_A的數字信息，并分析應該如何運動，最后根據分析結果控制電機運動。

五、程序設計

1.主EV3控制器（EV3_A）程序。（如圖13）

圖13

程序說明：啟動EV3_A，執行程序，先重置陀螺儀傳感器（2號端口）；重復讀取本機陀螺儀傳感器當前測量的角度數值，將該數字借助消息傳遞模塊發送給EV3_B（注意區分大小寫），a是消息標題，必須和接收程序保持一致。

2.從EV3控制器（EV3_B）程序。（如圖14）

圖14

程序說明：啟動EV3_B，執行程序，先重置陀螺儀傳感器（2號端口）；通過消息傳遞模塊重復接收來自EV3_A的陀螺儀傳感器角度數字（消息標題a必須和發送程序一致），讀取本機陀螺儀傳感器當前測量的角度數值（2號端口），使用兩個數學模塊分別計算兩機陀螺儀傳感器角度數值差，并借助移動槽模塊完成左右電機功率設置，幫助EV3_B小車原地旋轉直到兩輛小車的陀螺儀傳感器角度數值相同（數值差為0）再停止，即實現方向同步。

六、拓展創新

作品展示交流后，可以給學生一些時間梳理設計思路，完善提升本組作品。教師也可提出一些拓展要求供學生挑戰，如在EV3傳感器中，有“電機旋轉”，可嘗試通過發送電機旋轉的數值，讓兩輛車保持一致，或者建立手機或平板電腦與EV3的藍牙連接，實現用手機或平板電腦控制EV3機器人。