無人機邊境救援

教學背景

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中明確了跨學科主題學習活動的要求，在初中的跨學科學習內容中出現了“無人機”這一內容，旨在讓學生感受新興技術的創新應用。學生在前期學習中已經掌握了無人機的通信方法，了解了挑戰卡的功能，能通過編程使無人機完成起飛、降落、旋轉等操作。本節課創設了無人機邊境救援的情境，學生以小組合作的方式使用大疆RMTT教育無人機開展活動，活動過程中學生需要運用信息科技、數學、物理等學科知識來解決問題，切實提高學生的綜合能力。

教學目標

知識與技能 了解TOF（Time of Flight）紅外測距傳感器、視覺傳感器的原理；掌握測距模塊、視覺識別相關積木的使用；分析程序算法完成搜救程序的編寫；體驗物理世界與數字世界的深度融合，提升信息意識。

過程與方法 在創設的無人機邊境救援情境中，綜合所學知識分析任務，設計算法，編程驗證，迭代更新；通過解決關鍵子問題，完善整體方案；能采集、分析數據并修正誤差，提升計算思維、數字化學習能力與創新能力。

情感態度與價值觀 了解新興技術在邊防的應用，感受自主可控創新的重要性；通過搜救邊防戰士，感受國防科技的必要性；培養愛國情懷，增強信息社會責任感。

教學重點與難點

教學重點 TOF紅外測距傳感器、視覺傳感器的原理及編程軟件中測距模塊、測距和視覺識別模塊相關積木的使用。

教學難點 多學科知識綜合運用實踐；無人機邊境救援的算法分析及程序實現。

教學過程

一、情境導入，明確任務

1.創設情境，激發情感

學生觀看“戍邊戰士”視頻，了解中國邊防官兵如何用鮮血與生命筑起巍峨界碑以及邊境對國家安全的重要性，激發學生的愛國情懷。

教師提出問題：同學們認為無人機能夠為邊境守衛工作提供什么幫助？學生小組討論后，交流結果：無人機可以執行巡邏任務、運輸物資、搜救傷員、代替戰士們執行危險任務。教師由此引出項目主題：無人機邊境救援。

2.細化情境，任務驅動

教師介紹無人機邊境救援的模擬場地，紅色區域為起飛點，綠色區域為低谷，黃色區域為不可穿越的高山，棕色區域為傷員位置所在地。在無人機飛行路徑上依次放置1號、2號挑戰卡用于提高定位精度；3號、4號、5號挑戰卡代表傷員所在位置，其中一個傷員位置教師會提前公布。學生對場地進行觀察與測量并記錄數據，測量后的任務地圖尺寸（俯視圖）如圖1所示。

教師下發任務要求：無人機需從起飛點出發，穿越高山找到傷員，并降落在傷員位置處，接到傷員后按原路返回至起飛點。無人機搜救過程中，識別到傷員挑戰卡號碼時用LED點陣屏顯示。

二、問題導向，支撐學習

1.初步探討，明確知識需求

學生以小組形式初步討論后用文字描述如何穿越高山、如何搜尋傷員，結合任務活動單中對無人機的硬件介紹尋找完成任務所需要的傳感器。任務解析結果：（1）利用TOF紅外測距傳感器檢測前方障礙物情況可以讓無人機避開高山。（2）利用視覺傳感器能夠識別挑戰卡（即確定傷員位置）。

2.學習新知，強化知識基礎

教師介紹TOF紅外測距傳感器（如圖2）與視覺傳感器的工作原理，并在Mind+軟件中演示如何調用傳感器進行距離、挑戰卡識別。在Mind+中，“讀取TOF測距（mm）”積木可以讀取擴展模塊上的TOF紅外測距傳感器的值，再結合運算模塊以及條件判斷語句就能實現判斷距離功能。（TOF紅外測距相關積木和示意圖如圖3、圖4）

學生使用視覺傳感器前，需要在Mind+中程序開始處，點擊“打開”挑戰卡檢測并設置探測位置為“所有”。使用“挑戰卡編號”積木可以讀取視覺傳感器識別到的挑戰卡編號，“飛往挑戰卡x，y，z”積木能夠起到重新定位無人機當前位置的作用，并飛向指定坐標位置。（相關積木模塊和視覺定位傳感器位置如圖5、圖6）

3.深入探究，分析整體算法

學生小組合作對整個邊境搜救任務進行深入討論、規劃，并用程序流程圖表示。教師不斷巡視，參與各個小組的討論，并及時介入為學生提供支持與幫助。規劃完成，教師邀請每個小組講解思考過程，師生共同評判算法的可行性，提供修改意見。

4.編程實現，測試迭代更新

學生基于程序算法的分析和本節課所學知識，使用Mind+進行程序編寫，使程序流程圖用編程實現（圖7為關鍵點程序），將程序上傳至無人機并在搜救場景中進行測試。根據測試中不斷出現的問題，逐個進行分析、改進，直至無人機能順利搜救到傷員，記錄每一個問題及解決方案，教師匯總方案供各小組交流學習。

共性問題1：無人機設置飛行距離與實際飛行距離誤差較大，如設置飛行90cm，實際飛行100cm。

解決方法：根據自設的公式進行誤差修正，公式為實際飛行距離×0.9=設置飛行距離，如需要實際飛行120cm，可以設置飛行108cm。旋轉也存在誤差，公式為實際旋轉角度×1.02=設置旋轉角度。

共性問題2：無人機在程序執行過程中，經常有上一個動作還沒執行完成，下一個動作已經開始，程序搶跑導致飛行失敗的情況。

解決方法：先預估無人機執行每一個動作需要的時間，并在該動作程序積木塊后添加“等待”積木塊，根據實際效果反復測試精確等待時間。如“旋轉90度”需要“等待1秒”，“向前飛行120cm”需要“等待2秒”，“顯示字符2”則只需要“等待0.2秒”或不需要等待。

共性問題3：我們小組借鑒了別的小組數據，但是別的小組測試成功，我們卻失敗了。

解決方法：電子元件的制造精度導致每一臺無人機都有細微差別，學生可以借鑒別人修正誤差的方法、程序的算法，但不能完全照抄別人的數據。

三、交流總結，拓展探究

1.直觀展示，總結升華

教師組織學生進行“無人機邊境搜救”現場展示，師生共同從項目的起因、實踐的經過、最后收獲的結果對活動進行總結，加深學生對自主可控的理解，增強通過自主創新應用改變生活的信心，培養愛國情懷，提升綜合能力。

2.拓展探究，迭代提升

在本次項目活動中，搜救的路線已經由學生們事先探索、測量。但是實際操作中，搜救的環境并不理想，無人機將要進入的是一個未知的困境。引導學生在原有的項目背景下思考“無人機是如何判斷前方有障礙物的條件下，應該往左轉還是往右轉，又該如何編寫程序”。

教學反思

本課程關于無人機搜救傷員的情境項目，不僅迎合了學生對新興科技、智能硬件的興趣，體驗到自主可控的重要性，還激發了學生的愛國情懷，提升了社會責任感。同時，學生經歷了從理解背景、明確任務到頭腦風暴、學習新知，再到解析算法、編程實現，最后不斷調試直至完成任務的過程，親身體驗了物理世界與數字世界的深度融合，增強了信息意識，在實踐中提升了計算思維與數字化學習創新能力。

李宏亮 上海市金鼎學校信息科技教師。在初中階段圍繞信息科技開展跨學科課程，基于單片機、無人機、智能車等設備創設真實情境，激發學生學習興趣，培養學生計算思維，提升學生綜合能力。輔導的學生在第二十二屆全國學生信息素養提升實踐活動中獲二等獎，在第三十九屆世界頭腦奧林匹克中國區決賽中獲三等獎，在2021年全國青少年科技模型競賽中獲一等獎，等等。