基于分支結(jié)構(gòu)的智能駕駛安全出行探究

馮乾

課程背景

智能駕駛是近幾年的一個(gè)社會(huì)熱點(diǎn)問題，但是智能汽車在給我們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)也造成了很多社會(huì)安全問題，比如汽車智能駕駛系統(tǒng)遇到突發(fā)情況來(lái)不及反應(yīng)導(dǎo)致車禍，通過復(fù)雜路口時(shí)難以判斷引起交通事故，等等。本節(jié)課以幫助汽車智能駕駛系統(tǒng)更安全為主題，聚焦智能汽車行駛過程中可能遇到的安全問題，與學(xué)生一起探索如何利用分支結(jié)構(gòu)改進(jìn)智能駕駛系統(tǒng)，使得行駛更加安全。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 了解分支結(jié)構(gòu)的基本作用;了解顏色傳感器和紅外線傳感器的基本作用。

過程與方法 通過實(shí)現(xiàn)程序的“紅燈停，‘會(huì)轉(zhuǎn)彎”和“躲障礙”功能，梳理分支結(jié)構(gòu)使用的一般步驟;經(jīng)歷腳本編寫、運(yùn)行、調(diào)試、糾錯(cuò)的基本流程，感受算法的效率，掌握程序調(diào)試與運(yùn)行的方法。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 了解智能信息處理的巨大進(jìn)步和應(yīng)用潛力，認(rèn)識(shí)人工智能在信息社會(huì)中的重要作用;體會(huì)程序設(shè)計(jì)的快樂，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，形成應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問題的意識(shí);經(jīng)歷行車過程中會(huì)遇到的具體問題，培養(yǎng)學(xué)生交通安全意識(shí)。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 使用分支結(jié)構(gòu)和顏色傳感器、紅外線傳感器實(shí)現(xiàn)智能駕駛功能。

教學(xué)難點(diǎn) 理解分支結(jié)構(gòu)和傳感器是如何智能調(diào)整車輛行駛狀態(tài)的。

教學(xué)準(zhǔn)備

華為平板電腦40臺(tái)，樂高EV3套件8套，智能車運(yùn)行場(chǎng)地8塊，作業(yè)單、實(shí)物投影儀，等等。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入，提出問題

教師介紹人工智能在汽車駕駛中的應(yīng)用，然后出示幾個(gè)近期智能汽車在自動(dòng)駕駛中出車禍的新聞，再請(qǐng)學(xué)生觀看一段無(wú)人駕駛汽車在公路上行駛的視頻，分析視頻場(chǎng)景里的無(wú)人駕駛汽車在馬路上行駛的時(shí)候怎樣可以更加安全。

學(xué)生思考并總結(jié)、交流、分享。

二、引入新課，走進(jìn)分支結(jié)構(gòu)

1.復(fù)習(xí)舊課，拆分問題

師：從視頻中我們發(fā)現(xiàn)很多事故發(fā)生的原因就是智能駕駛系統(tǒng)在該停下的時(shí)候沒有停下。那么哪些情況下汽車應(yīng)該停下來(lái)呢？

學(xué)生交流討論，總結(jié)出兩種情況：路口遇到紅燈;行駛過程中遇到障礙。

師：那么我們就先來(lái)實(shí)現(xiàn)讓小車能夠在路口遇到紅燈的時(shí)候停下來(lái)的功能。大家根據(jù)之前學(xué)過的知識(shí)回憶一下，樂高機(jī)器人識(shí)別顏色需要用到什么傳感器呢？

預(yù)設(shè)學(xué)生答案：顏色傳感器。

2.如何幫助小車破解紅燈困局

構(gòu)建問題情境：汽車智能駕駛系統(tǒng)的顏色傳感器在路口偵測(cè)到紅燈亮起應(yīng)該怎么辦，沒有紅燈亮起應(yīng)該怎么辦。

化歸為算法問題：當(dāng)小車行駛到路口時(shí)，判斷紅燈是否亮起。如果亮起，小車停下;否則，小車?yán)^續(xù)行駛。

走進(jìn)分支結(jié)構(gòu)：過去我們學(xué)習(xí)了順序結(jié)構(gòu)，順序結(jié)構(gòu)雖然能夠做很多事，但是沒有辦法做判斷和選擇，遇到一些需要做判斷選擇的問題就要用到分支結(jié)構(gòu)。在剛剛的問題里，程序開始后小車就要對(duì)是否遇到紅燈做判斷，“是”的話停止，“否”的話繼續(xù)前進(jìn)。

在使用樂高編程的時(shí)候可以使用“切換”模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)分支結(jié)構(gòu)的功能?？梢詫⒉煌某绦蚰K拖到不同的分支上來(lái)實(shí)現(xiàn)分支結(jié)構(gòu)的效果。同時(shí)注意一定要給分支模塊找對(duì)合適的傳感器以及正確的端口，才能夠讓小車對(duì)需要的信息進(jìn)行反饋。這里需要讓分支結(jié)構(gòu)對(duì)色彩傳感器的“測(cè)量”“顏色”進(jìn)行判斷。

學(xué)生以小組為單位編程，程序如圖1，安裝傳感器并通過機(jī)器人調(diào)試程序，完成后學(xué)生交流展示。

3.總結(jié)歸納，功能擴(kuò)展

師：智能駕駛汽車每一次在路口遇到紅燈也不能一直停在那里，有的時(shí)候交通管理部門會(huì)出示一些指示牌，幫助車主去繞行。請(qǐng)同學(xué)們?cè)囍o程序添加一個(gè)功能，讓小車遇到藍(lán)色的指示牌能夠向左轉(zhuǎn)彎繞行重新找路到達(dá)目的地。

構(gòu)建問題情境：汽車智能駕駛系統(tǒng)在路口偵測(cè)到紅燈亮起應(yīng)該怎么辦，偵測(cè)到藍(lán)色指示牌應(yīng)該怎么辦，其他情況應(yīng)該怎么辦。

化歸為算法問題：首先小車行駛到路口，然后判斷遇到的顏色。如果遇到紅色，小車停下;如果遇到藍(lán)色，小車向左轉(zhuǎn)彎;否則，小車?yán)^續(xù)行駛。

學(xué)生以小組為單位編程，修改程序，如圖2，通過機(jī)器人調(diào)試程序。學(xué)生交流展示。

三、鞏固拓展，舉一反三

為了幫助學(xué)生鞏固拓展所學(xué)知識(shí)，教師請(qǐng)學(xué)生根據(jù)剛剛所學(xué)自己設(shè)計(jì)智能駕駛汽車遇到障礙物能夠停下的系統(tǒng)程序，引導(dǎo)其思考是否應(yīng)該使用不同的傳感器來(lái)接收不同的信息。

師：紅外線傳感器可以測(cè)量物體的紅外線反射信號(hào)。躲避障礙是當(dāng)障礙物離我們特別近的時(shí)候才需要去躲避，遇到障礙物停下采用紅外線傳感器的近程模式測(cè)量得比較準(zhǔn)確。紅外線傳感器受到環(huán)境光、陰影和障礙物材質(zhì)的影響比較大，每一個(gè)小組需要根據(jù)情況對(duì)具體的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。

率先完成的小組，教師可讓其拓展延伸，自主探索如何讓智能汽車避開障礙物。教師要鼓勵(lì)學(xué)生提出不同的方法并嘗試實(shí)現(xiàn)，評(píng)價(jià)不同方法的優(yōu)劣。

構(gòu)建問題情境：小車逐漸靠近障礙物，汽車智能駕駛系統(tǒng)偵測(cè)到紅外線傳感器反饋數(shù)值變小。

劃歸算法問題：當(dāng)紅外線傳感器反饋數(shù)值小于某一個(gè)值時(shí)，汽車智能駕駛系統(tǒng)執(zhí)行停止或回避;當(dāng)紅外線傳感器反饋數(shù)值大于等于某一個(gè)值時(shí)，汽車智能駕駛系統(tǒng)執(zhí)行前進(jìn)，如圖3。

學(xué)生以小組為單位編程，修改程序，如圖4。

學(xué)生交流展示，教師評(píng)價(jià)學(xué)生不同的方案。學(xué)生常見方案有：向后退然后轉(zhuǎn)彎來(lái)躲避障礙;直接轉(zhuǎn)彎再躲避障礙;與障礙物留出一段空間直接轉(zhuǎn)彎;等等。這里需要強(qiáng)調(diào)躲避的時(shí)候不能碰到障礙物，也不能碰到后車。汽車智能駕駛系統(tǒng)發(fā)出的指令需要對(duì)紅外線傳感器反饋的結(jié)果做出合適的調(diào)整。

四、總結(jié)歸納，深化主題

教師總結(jié)分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提醒學(xué)生要慎重編寫判斷條件，仔細(xì)調(diào)試才能夠達(dá)成需求，讓程序比較完美地運(yùn)行。

教學(xué)反思

本節(jié)課從社會(huì)熱點(diǎn)智能駕駛的安全問題入手，圍繞如何幫助智能駕駛系統(tǒng)提高安全性展開。由“遇到紅燈亮”引出運(yùn)算關(guān)系，由紅外線傳感器的應(yīng)用引出對(duì)分支結(jié)構(gòu)條件的進(jìn)一步思考，層層遞進(jìn)，層層深入。

人與人工智能之間的關(guān)系是近幾年來(lái)常討論的話題。人工智能給生活帶來(lái)了便利，在擴(kuò)展人腦思維界限的同時(shí)也給我們帶來(lái)了很多安全問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)運(yùn)用算法知識(shí)解決問題的同時(shí)，還需要了解算法應(yīng)用所帶來(lái)的社會(huì)問題、人文問題，將人文關(guān)懷滲透進(jìn)冰冷的機(jī)器語(yǔ)言中。

本節(jié)課在教學(xué)過程中涉及一定的硬件安裝和調(diào)試環(huán)節(jié)，尤其是紅外線傳感器的使用。紅外線傳感器受制于環(huán)境光和陰影等因素，需要根據(jù)具體情況調(diào)整變量。教師在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，更要讓學(xué)生養(yǎng)成具體問題具體分析的思維習(xí)慣和軟硬件要互相適應(yīng)的直觀體驗(yàn)。