mBot智能機器人——初識超聲波傳感器

隨著科技發展，創客教育已經融入到日常的教育中，mBot作為智能教育機器人，非常適合學生學習編程領域的知識。學生可以親自動手搭建機器人，并且通過圖形化編程軟件mBlock，輕松學習編程知識，體驗計算機科學的魅力。在學習本課之前，學生已完成機器人的搭建并通過編程實踐讓機器人動起來了，本節課主要學習使用超聲波傳感器來解決生活中的實際問題。

學情分析

本課的教學對象是六年級學生，他們已有學習Scratch編程的基礎和經驗，能根據自己的想法創作簡單的編程作品，為機器人編程的學習奠定了良好基礎。

教學目標

知識與技能：了解超聲波傳感器的原理，掌握相關指令的使用，熟悉程序設計的三種結構。

過程與方法：通過使用超聲波傳感器制作避障機器人，體會探究學習的方法。

情感態度與價值觀：在動手實踐中感受創客的過程，培養算法思維能力。

教學重難點

重點：能夠使用超聲波傳感器讓機器人動起來更加智能。

難點：將分支結構設計思維應用于問題的實踐解決，培養學生算法思維。

教學資源：mBot機器人硬件和外接超聲波傳感器、mBlock編程軟件。

教學過程

一、觀察圖片，分析原理

教師引導學生分析（如圖1）：汽車在倒車過程中是如何判斷出后方有障礙物的？這是根據什么原理實現的？

師生分析得出結論：汽車的尾部安裝了倒車雷達，可以判斷汽車與障礙物的距離，而倒車雷達就是根據超聲波的原理，利用超聲波傳感器來實現的。

圖1

1.介紹超聲波和超聲波傳感器

超聲波：通常當聲波頻率高于20千赫茲時，人的耳朵是聽不見的，這種聲波稱為“超聲波”。最早人們是從蝙蝠的身上發現了超聲波的存在，它能在夜間飛行時依靠發出的超聲波來定位和覓食。

超聲波傳感器：人們利用超聲波的特性研制而成的傳感器叫作超聲波傳感器（如圖2），它就像mBot機器人的“大眼睛”。一只“眼睛”發射超聲波信號，另一只“眼睛”接收反射回來的信號，因此能夠探測機器人與障礙物之間的距離，從而實現避障的功能。

2.測量超聲波傳感器的值

教師演示測量超聲波傳感器值的方法，即通過“熊貓說”的形式在舞臺上實時顯示超聲波傳感器的值。（如圖3）

為了使數值顯示穩定且更易讀，還可以借助“四舍五入”指令使顯示出來的數值為整數。通過測量得出結論，所測數值的單位是cm，測量范圍3～400cm。

圖3

二、實踐探究，問題解決

1.分析問題，提出任務

首先在mBot機器人的前方設置一個障礙物（如圖4），然后出示任務一，讓學生思考分析如何使用超聲波傳感器識別前方的障礙物，使機器人更聰明、更智能地動起來。

圖4

任務一：mBot識別障礙物自動停止（1星任務）

任務要求：mBot在板載按鈕啟動后行駛，探測到有障礙物就停止前進，沒有障礙物就繼續前進。

任務提示：有障礙物，即探測到“超聲波傳感器的距離<10”。

2.任務分析，算法呈現

根據任務的描述，使用流程圖（如圖5）進一步分析，找出對應的指令，編程實踐。

[按鈕啟動][有障礙物

（距離<10）][前進][分支結構][停止][循環結構][否][是]

圖5

師生分析：首先通過按鈕啟動，然后進行條件的判斷，如果距離<10，機器人就停止，否則前進。這種“條件判斷選擇執行”的程序就是“分支結構”，對應哪條指令呢？（如果……否則……）判斷的條件使用的指令是什么？（超聲波傳感器接口3的距離<10）由此可以看出，“分支結構”具有條件判斷的功能，根據不同的判斷結果選擇不同的分支執行，因此機器人就具有了智能性。條件只判斷一次能實現嗎？在實踐的過程中學生會發現，條件判斷不能只執行一次，“循環結構”的特點就是重復執行，因此還需要加入重復執行指令。

下面同學們就來動手試試吧！

3.編寫程序，算法實現（如圖6）

圖6

4.調試硬件，測試運行

（1）連接串口，安裝固件，點擊綠旗，在線調試。

（2）指令替換（如圖7），上傳程序，離線運行。

圖7

三、綜合創作，個性發展

超聲波傳感器的使用讓機器人具有了智能性，引導學生聯系生活實際想一想，還可以用超聲波傳感器解決哪些實際問題？然后出示任務二，讓學生設計自己的智能機器人。

任務二：請你選擇適合的任務，設計自己的智能機器人，以解決生活中遇到的問題。

1.具體任務說明

（1）智能避障機器人（2星任務）

任務情境：智能機器人遇到障礙物時不僅能及時停止前進，還可以輕松躲開障礙物，因此請你在任務一的基礎上設計一款智能避障機器人。

任務要求：mBot機器人在板載按鈕啟動后行駛，若探測到前方有障礙物就轉彎躲避（左轉、右轉、調頭或后退），若沒有障礙物就繼續前進。

任務提示：①有障礙物，即探測到“超聲波傳感器的距離<10”。②若能結合實際添加已學的“聲光”效果，任務升級3星。

（2）車輛自動禮讓行人（2星任務）

任務情境：很多時候，“讓”出來的交通會更快捷、不擁堵，因此請你設計一款智能小車禮讓行人。

任務要求：mBot機器人在板載按鈕啟動后行駛，若遇到前方有行人過馬路（距離<10）就停止前進，若行人離開就繼續前進。

任務提示：①有行人過馬路，即探測到“超聲波傳感器的距離<10”。②設計當行人離開的“距離>20”再繼續前進，任務升級3星。

（3）懸崖勒馬新技能（3星任務）

任務情境：同學們都知道“懸崖勒馬”這個成語故事嗎？故事告訴我們如果到了危險的邊緣要及時回頭。那怎樣才能讓我們的mBot機器人也知道在遇到危險的懸崖邊時自動停下來，使其具有智能識別路面的技能呢？首先要對mBot機器人進行改裝，將超聲波傳感器改裝到mBot底部，測量它與桌面的距離，然后根據任務要求編程設計。

任務要求：mBot在板載按鈕啟動后行駛，探測到前方有路就繼續前進，沒有路（即為懸崖）就停止前進。

任務提示：①將超聲波傳感器改裝到mBot底部，測量與桌面的距離，然后編程設計。②前方有路，即探測到“超聲波傳感器的距離<？”。

2.學生編程實踐 學生選擇感興趣的任務后，分組進行共同研究、設計、實踐。

3.機器人成果展示 學生分組進行機器人展示，并講解設計思路，根據各組實現的效果進行星級獎勵。

【設計意圖】本環節是對所學新知的鞏固，使學生進一步感受超聲波傳感器的自動避障功能，同時提供多個任務供學生選擇，學生根據自己的興趣和想法自行分組完成任務，充分體現團隊協作的精神。

四、歸納梳理，拓展延伸

1.總結本課的知識

2.拓展技術的應用 在現實生活中我們不難發現，超聲波傳感器的身影無處不在，帶來的各種便利也是有目共睹的（如倒車雷達、掃地機器人等）。隨著科技水平的不斷發展，超聲波傳感器的應用領域已越來越廣。

【設計意圖】 本環節幫助學生總結梳理知識體系，并將技術應用拓展到實際生活中，鼓勵學生創新，鼓勵學生造物。