搭建圖書自動分揀系統

主講人：胡亞秋

胡亞秋

上海市普陀區新普陀小學東校信息科技教師、中級教師，曾獲區信息科技學科教師專業能力評優二等獎；中國教育技術協會2021年小學信息技術優質課展示交流活動二等獎；主持、參與區級多項課題；參與編寫華東師范大學出版的《樂高教育STEM》系列叢書；曾帶領學生在市、區各項機器人競賽中獲得佳績。

教學目標

1.知道少兒圖書館圖書自動分揀系統的基本結構和工作原理。2.使用樂高材料模擬搭建一個圖書自動分揀系統，并能夠掌握其基本結構和工作原理。3.知道程序在圖書自動分揀系統中的應用和作用。4.有效運用觀察現象—發現問題—分析原因—嘗試解決的程序調試方法解決實際問題。

教學重點與難點

教學重點：了解并掌握顏色傳感器在本系統中的作用。

教學難點：梳理圖書自動分揀系統的運行邏輯。

教學過程

一、激趣導入，創設情境

教師播放少兒圖書館圖書自動分揀機運行的視頻以及相關的分揀規則介紹，讓學生了解圖書自動分揀機的基本構造和工作原理，引導學生體會與思考圖書自動分揀機對提高人們工作效率的意義及其應用的范疇。

二、頭腦風暴，獲取新知

教師組織學生觀察和思考圖書自動分揀機的基本構造和其中的關鍵部位，進而分析其自動分揀系統的關鍵要素，理解顏色傳感器在本系統中的作用。

三、應用新知，探究實驗

教師組織學生分組，讓學生參照少兒圖書館圖書自動分揀機的真實模型，去討論建構圖書自動分揀系統需要的步驟和程序算法，最后分工搭建并制作出相應的模型。

學生思考紅外顏色傳感器在模型中的應用范圍以及電機與紅外顏色傳感器的關系，并在前期討論和觀察分析的基礎上，設計初步的圖書自動分揀系統算法。

四、編程調試，鞏固新知

教師組織學生經歷觀察現象—發現問題—分析原因—嘗試解決等過程，逐步完善程序編寫，在實踐過程中加深對人機交互解決問題的理解。

五、展示評價，拓展創新

教師組織學生向全班同學展示作品，介紹設計思路、作品完成過程中遇到的問題以及解決的方法，由教師和其他學生一起對作品進行評價，并引導學生思考如何對作品進行進一步完善和創新。

案例詳解

一、了解少兒圖書館圖書分揀規則

教師介紹少兒圖書館圖書分揀規則。根據規則，學生可以了解到上海市普陀區少兒圖書館的圖書自動分揀機會將圖書分為三大類型，分別是本館內少兒書籍、館外少兒書籍、非少兒書籍。其中本館內少兒書籍在分揀時根據樓層進行分類，依次為二樓、三樓和四樓。

二、顏色識別

少兒圖書館的圖書自動分揀機通過識別圖書中的芯片來辨別圖書的信息進而進行分類分揀。我們需要制作的圖書自動分揀系統則可通過紅外顏色傳感器對不同顏色的識別功能來區分和模擬圖書分揀的過程。

本課使用LEGO Education SPIKE Prime科創套裝完成圖書自動分揀機系統的搭建和程序設計。SPIKE Prime顏色傳感器可以識別紅、綠、藍、黃、黑、白等多種顏色。學生可以使用不同顏色的樂高材料來模擬不同類型的圖書數據，通過顏色傳感器的對不同顏色的識別，實現采集數據—處理數據—輸出結果的算法過程。

三、分揀邏輯

學生根據少兒圖書館圖書分揀規則，設計圖書分揀邏輯，基于圖1中的圖書分揀邏輯進行模型搭建和編寫程序。

四、程序設計與調試

1.需求分析

學生根據之前討論得出的分揀邏輯可知，在圖書分揀過程中會出現多種情況需要判斷，結合已經搭建好的模型（如圖2），使用兩個顏色傳感器進行分步判斷。

將綠色積木塊設定為非少兒書籍，白色積木塊設定為館外少兒書籍，紅色積木塊設定為本館內二樓少兒書籍，藍色積木塊設定為本館內三樓少兒書籍，黃色積木塊設定為本館內四樓少兒書籍。

當顏色傳感器1檢測到綠色時，電機控制履帶改變方向將綠色積木塊運送至灰色盒子中，即模擬圖書自動分揀機檢測到非少兒書籍，自動將圖書放入非少兒書籍筐內。

當顏色傳感器2檢測到白色時，電機控制分揀盒將白色積木倒入白色筐內，即模擬當圖書自動分揀機檢測到館外少兒書籍時，放入館外少兒書籍筐內。

當顏色傳感器2檢測到紅色時，電機控制分揀盒將紅色積木倒入升降機托盤中，上升至二樓并放入二樓籃筐，模擬圖書自動分揀機檢測到二樓少兒書籍時，將書籍運送到二樓籃筐內。

2.主要的設計程序

啟動電機帶動履帶輪往圖書館方向轉動，當顏色傳感器檢測到綠色積木塊時，履帶輪往反方向轉動2秒，發送廣播“go”，程序圖如圖3所示。

當顏色傳感器檢測到白色積木塊時，電機控制分揀盒逆時針轉動，分揀盒中的積木倒入白色筐，等待5秒后，分揀盒歸位。

當顏色傳感器檢測到紅色積木塊時，電機控制分揀盒順時針轉動，分揀盒將里面的積木塊倒入升降機中，等待0.5秒后，分揀盒歸位，廣播“red”。程序接收到“red”指令，升降機上升至二樓，廣播“turn”。當程序接收到“turn”指令后，升降機托盤逆時針轉動，分揀盒將積木塊倒入二樓，等待0.5秒后，托盤歸位，廣播“red back”，程序接收到該指令，升降機歸位。程序圖如圖4所示。

顏色傳感器判斷為黃色積木塊還是藍色積木塊時的程序可參考上面的程序。

五、拓展創新

教師與學生對作品進行展示交流后，讓學生梳理設計思路、完善提升作品。如在搭建結構上，提高升降機運行速度；在程序設計上使用分支結構，簡化程序等。

本課是基于真實的圖書館自動分揀機，引導學生利用樂高材料進行模擬設計，以項目方式開展學習活動，在作品制作與完善的過程中，提高學生發現問題、解決問題的能力，發展他們的計算思維能力，培養其科學實驗精神。