空中機器人創(chuàng)意制造系列課程

莊建東

教學(xué)背景

本課程適合小學(xué)拓展課開展活動時使用，適合的教學(xué)對象為四年級以上有一點動手能力的學(xué)生。使用Mind+圖形化編程軟件，以大疆RoboMaster TT教育無人機和DFRobot旗下出品的為搭配RoboMaster TT而開發(fā)的傳感器套件為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)設(shè)備。通過對空中機器人——TT教育無人機飛行原理和搭載的ESP32開源硬件的學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)會設(shè)計和制作自己的空中機器人。

本節(jié)課是空中機器人創(chuàng)意制造系列課程的森林防火巡邏員項目制作。學(xué)生前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了無人機的連接和飛行操作，可以實現(xiàn)無人機的擴展連接，通過項目式學(xué)習(xí)設(shè)計自己的機器人功能。

教學(xué)目標

知識與技能 了解森林火災(zāi)知識，認識火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

過程與方法 通過查看資料，研究滅火方法。

情感態(tài)度與價值觀 通過學(xué)習(xí)制作防火巡邏機器人，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，同時提升學(xué)生的科技應(yīng)用能力，培育學(xué)生的科學(xué)精神和正義感。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點 了解火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

教學(xué)難點 設(shè)計制作防火巡邏機器人。

教學(xué)準備

教學(xué)環(huán)境 多媒體教室、電子白板。

資源準備 Mind+軟件、RoboMaster TT、火焰?zhèn)鞲衅鳎鸭钪杏嘘P(guān)防火巡邏機器人的例子（包括圖片、視頻等資料）。

其他準備 提前將學(xué)生分好小組，3～5人為一個小組，方便學(xué)生內(nèi)部進行討論。

教學(xué)策略 以項目式學(xué)習(xí)為主，引導(dǎo)學(xué)生完成項目任務(wù)。

教學(xué)過程

一、情景導(dǎo)入

森林火災(zāi)每次都給人類帶來巨大的損失。從廣義上講，凡是失去人為控制，在林地內(nèi)自由蔓延和擴散，對森林、森林生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來一定危害和損失的林火行為都稱為森林火災(zāi);從狹義上講，森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。

師：中國每年有大量的火災(zāi)發(fā)生，特別是一些無人地區(qū)森林大火。大火剛開始燃燒的時候，很難被發(fā)現(xiàn)。目前，無人機森林防火巡邏是未來防范森林大火的一種新思路。而無人機的最大優(yōu)勢就是不受地形的限制，可以在最短時間內(nèi)到達火災(zāi)發(fā)生地進行滅火。今天，我們也來設(shè)計一個無人機森林防火巡邏的機器人，讓它來充當森林防火巡邏員 。

二、了解火焰?zhèn)鞲衅?/p>

師：傳感器擴展包里有一款火焰?zhèn)鞲衅鳎覀円黄饋韺W(xué)習(xí)一下它的使用特征及注意事項。

火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其他波長在760～1100納米范圍內(nèi)的光源。其中，火焰探頭起著非常重要的作用，它可以當作機器人的眼睛來尋找火源，利用它可以制作滅火機器人。火焰?zhèn)鞲衅鞯奶綔y角度達60度，對火焰光譜特別靈敏，通過光譜的探測實現(xiàn)找到火焰的目的。它有2個M3安裝孔，可以穩(wěn)定模塊使之不會旋轉(zhuǎn)。火焰?zhèn)鞲衅髂茉?25到85℃條件下工作，性能穩(wěn)定可靠。盡管這款傳感器是用來感知火焰的，但是它并不防火，因此使用時請與火焰保持距離，以免燒壞傳感器。

【教學(xué)小貼士】

了解傳感器，了解森林火災(zāi)，讓學(xué)生主動思考解決生活中難題的辦法。

三、測試火焰?zhèn)鞲衅?/p>

師：了解了火焰?zhèn)鞲衅鞯墓ぷ髟砗螅酉聛砦覀冮_始連接火焰?zhèn)鞲衅鳌；鹧鎮(zhèn)鞲衅魇峭ㄟ^3PIN線連接，如圖1，連接時注意不要插反。

師：我們可以通過連接IO13號端口，來獲取數(shù)據(jù)的模擬值。

學(xué)生嘗試連接數(shù)據(jù)串口，編寫測試代碼，讀取串口信息，如圖2。

教師巡回指導(dǎo)，學(xué)生小組合作，測試火焰?zhèn)鞲衅鳙@得的數(shù)據(jù)值并記錄數(shù)據(jù)。

【教學(xué)小貼士】

學(xué)生動手實踐，測試數(shù)據(jù)，培養(yǎng)了實踐應(yīng)用與探究能力。測試時，教師要提醒學(xué)生注意用火安全。

四、制作森林防火巡邏員機器人

師：同學(xué)們，通過測試，我們已經(jīng)得到了很多的數(shù)據(jù)，獲得了火焰?zhèn)鞲衅髟诳拷鹪磿r候的數(shù)值。通過數(shù)值的變化，我們可以準確地判斷火源的位置。如果我們要制作一個無人機機器人充當森林防火巡邏員，怎樣才能讓它實現(xiàn)巡邏功能？如何讓其判斷火源？

學(xué)生思考討論如何設(shè)計制作防火巡邏機器人，各小組合作學(xué)習(xí)，一起探討安裝機器人。

1.組裝防火巡邏機器人

將火焰?zhèn)鞲衅靼惭b到擴展板上，并固定好傳感器，如圖3。

2.編寫代碼

計算判斷條件臨界值，測試合理的判斷數(shù)值區(qū)間。學(xué)生編寫完整代碼，實現(xiàn)機器人防火巡邏的功能，如圖4，通過檢測火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測距離，設(shè)置合理的飛行區(qū)間。（注意：檢測距離可以參考傳感器技術(shù)文檔，也可以實際測試）

3.測試優(yōu)化

代碼編寫完畢后，需要不斷地調(diào)試優(yōu)化，直到數(shù)值被調(diào)整到合理的區(qū)間。

4.擴展延伸

師：生活中，檢測火焰一般會使用聲音報警提示，有條件的同學(xué)也可以安裝一個蜂鳴器發(fā)出提示音，當作報警器。

【教學(xué)小貼士】

設(shè)計火焰?zhèn)鞲衅鞯陌惭b位置，優(yōu)化檢測方案，小組需要思考設(shè)計的合理性和應(yīng)用性。

五、課堂小結(jié)

師：今天我們學(xué)習(xí)了火焰?zhèn)鞲衅鳎擦私饬松只馂?zāi)，希望將來同學(xué)們能夠?qū)W習(xí)更多知識、掌握更多技能，制作出更加高效優(yōu)質(zhì)的防火巡邏機器人，還可以給機器人設(shè)計更強大的功能，比如滅火。

六、課后拓展

學(xué)生根據(jù)自己的能力，為防火巡邏機器人添加更復(fù)雜的功能，思考滅火機器人該如何設(shè)計。

七、評價與交流

在最后評價中，分別以小組評價和活動評價的多個維度來評價學(xué)生活動開展情況，從而觀察記錄學(xué)生的成長過程。

教學(xué)反思

本節(jié)課是TT擴展板拓展火焰?zhèn)鞲衅鹘虒W(xué)的一課，本節(jié)之前學(xué)生已學(xué)過很多的傳感器，掌握了學(xué)習(xí)新傳感器的方法，包括閱讀技術(shù)文檔、測試接口數(shù)據(jù)等。

本節(jié)課主要是引導(dǎo)學(xué)生以實際生活為背景，探究問題解決的方案。創(chuàng)客作為一門讓創(chuàng)意物化的課程，側(cè)重于解決生活中的實際問題。森林火災(zāi)就是一個生活中的問題，而且是關(guān)系人類生存的重大問題。全世界各國都在防范森林火災(zāi)，森林火災(zāi)不僅對全球氣候有著較大的影響，而且對物種也有著較大的影響。如果學(xué)生在創(chuàng)作設(shè)計中，加入一些真善美的東西，會讓科技更有溫度。

在教學(xué)過程中，筆者以森林火災(zāi)為突破口，以生活中防火報警為思考點，以火災(zāi)報警為任務(wù)驅(qū)動，使學(xué)生以生活實踐為基礎(chǔ)，結(jié)合新的場景設(shè)計新的設(shè)備。當然，在教學(xué)過程中，也要增加一些新的應(yīng)用場景，引出問題，讓學(xué)生思考討論，然后學(xué)生通過自己的想象實踐與小組間的交流合作，共同完成一些挑戰(zhàn)任務(wù)。最后，筆者還為學(xué)生留下了課后思考題：如何在實現(xiàn)檢測火焰功能后讓機器人實現(xiàn)滅火功能。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）