第3单元 传感器.doc

第3单元 传感器一、 教学目标与要求1初步认识机器人的传感器，了解红外传感器的工作原理。2深入了解红外传感器的工作原理，了解并学会运用三种程序结构。3初步掌握程序的基本结构，对程序做出简单分析。4结合人类活动，通过观察、对比、分析等方法，提炼出解决问题的算法。5在实践活动中熟悉机器人，喜欢机器人。二、 教学内容与安排第一节可以通过创设情境，引出主题任务，通过围绕机器人传感器的探讨，体会传感器的应用需求，从而引出传感器的知识，通过介绍多种具有传感器的机器人，让学生充分感受到传感器的作用。介绍几种传感器，如温度传感器、声音传感器、触碰传感器等，还可以让学生课后去收集有关传感器的知识，进行交流。第二节主要围绕运用红外传感器来解决实际问题，让学生深入了解红外传感器的工作原理。使用传感器后，编写程序需要运用选择结构，如果直接使用“传感器”控件编写程序，使用方法和“延时”控件是类似的，不需要设置分支结构。当然也可以使用分支图标来实现。本单元教学内容和课时安排如下：第1节 机器人的传感器 1 课时第2节 红外线探测 1 课时第3节 碰撞避障 12课时第4节 机器人走迷宫 12课时三、 教学重点与难点1重点（1）了解红外传感器和触碰传感器的工作原理。（2）碰撞、避障、沿墙走事件的算法分析和程序设计。（3）程序结构的简单分析，机器人平台的条件循环。2难点事件算法分析和程序设计，阅读程序代码，了解程序结构。第12节 机器人的传感器一、教学要求1初步认识机器人的传感器，了解机器人红外传感器的工作原理。2了解三种程序结构。二、教材分析与教法建议1教材的地位和要求 本课主要学习有关传感器的基本知识，进一步感受机器人的“智能”特点。重点是让学生通过对传感器的认识，了解机器人中的传感器是如何发挥作用的，从而对机器人的智能处理过程有一个初步的感受。通过介绍一些常用的传感器，让学生了解机器人的“感觉器官”也是多种多样的，有像人眼睛一样的“红外传感器”，有像皮肤一样的“触碰传感器”，有像耳朵一样的“声音传感器”等，有了这些传感器，机器人就更“聪明”了。由于使用了传感器，编写的机器人程序就不再是顺序结构的，这里可以让学生初步感受三种结构的机器人程序设计。2教学方法的指导可以采取任务驱动、探究学习、实验学习、小组学习等方式。三、教案选登 课题：机器人的传感器 （第3单元 第1节 第1课时）教学目的： 1知识与技能：初步认识机器人的传感器；初步了解机器人红外传感器的工作原理，并能够利用红外传感器检测障碍物等。 2情感态度与价值观：培养学生的钻研精神，使其了解通过动手实验获得的第一手资料是很宝贵的；应用所学知识来解决现实生活中的实际问题，培养学生的信息素养。 教学重难点： 1重点：红外传感器的使用。 2难点： 如何红外传感器，调试、并获取相关的参考值。教学方法：观察分析、实验例证、自主学习。教学过程： 1.播放影片剪辑片段，引入课题。播放影片剪辑片段终结者2及机器人视频迎宾机器人，通过影片和视频片段，我们看到机器人具有我们人脑的一部分功能。机器人的核心是其计算机核心，光有计算机发号施令还不行，要让机器人处理像视频中的各种复杂的事务，对周围的环境很快做出反应，是靠各种传感器来实现的，他们好像我们人类的眼、耳、口、鼻、舌。 什么是传感器？ 传感器是机器人的“感觉器官”，是一种电子元件或装置，能响应或感知被测量的物理量或化学量，并按一定规律转换成电信号，以供机器人核心识别。它就像人的眼睛、耳朵、鼻子一样，能够感应到周围环境的信息，并把这些信息传递给机器人的“大脑”。有了传感器，机器人就变得更加聪明了。 2.认识传感器：（1）自学教材上介绍的各种传感器。（2）讨论学习：各种传感器相当于机器人的什么器官？在实际生活应用中你看见过哪些传感器？（3）全班学生交流。（4）练 习：将已经认识的几种传感器，填写在下表中。 传感器名称作用日常生活中的应用 3机器人的“眼睛”红外传感器。眼睛是人们心灵的窗户，人们80%的信息都是通过视觉获取的，是非常重要的器官。机器人的视觉传感器也一样非常重要，它主要通过红外传感器来“看”东西。 （1）讨论学习：红外传感器的原理是什么？（2）实践学习：制作探测机器人。当红外传感器未感应到物体时，灯亮，并且通过LCD显示红外传感器的运行值；当感应到物体时，蜂鸣器鸣叫2声，灯灭一秒。（3）探究学习：观察运行结果并完成书上填空：当红外传感器没有感应，即没有检测到障碍物时，LCD显示 ；当红外传感器有感应，即检测到障碍物时，LCD显示 。可以通过红外传感器来检测障碍物，但它受光线影响比较大，让我们进行光线干扰试验，并完成下表。测试环境机器人完成情况结论室内，正常照明室外，无阳光直射室外，有阳光直射4.程序指导，总结三种程序结构。（1）讨论学习：结合前面学习的内容，说一说有哪三种程序结构，并举例。（2）全班学生交流：分别用顺序结构和循环结构让机器人走正方形，比较哪种更方便。5.练习：完成教材和实践指导中的练习。 四、参考资料红外传感器（以下简称红外）具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。 用途范围：通过检测光强变化计数人数；通过测试反向光强来辨别颜色；测量一个光源的光强。典型应用和说明:实例1：沿黑线机器人。实例2：控制路灯在晚上自动打开。实例3：自动门。第3节 碰撞避障一、 教学要求1认识碰撞传感器，知道碰撞传感器的工作原理。2利用碰撞传感器进行碰撞实验、避障实验。3分析事件，提出算法，画出（局部）流程图。4针对不同的算法进行简单的评析。二、教材分析与建议1教材地位和要求（1）通过学习，使学生对红外传感器有一定了解，在此基础上通过碰撞实验，使学生初步认识碰撞传感器。（2）在碰撞实验的基础上，利用红外传感器，对碰撞实验进行改进，进行避障实验，进一步强化对红外传感器的认识，同时为后续教学进行铺垫。（3）在教学过程中，要注重算法分析。2教学方法的指导（1）对碰撞传感器的认识着重于学生亲历体验和实验之后的学习心得。（2）结合生活原型，了解对事件进行分析是解决问题的关键。通过组织学生进行有效的分析，深入的探讨，进而提出解决问题的算法。对不同算法的讨论学习更有利于学生的探究。（3）避障行进是对碰撞事件的改进。在教学环节上，应该综合考虑本章节内容，由简单到复杂，层层递进，注重学生创新精神的培养。三、实践指导强调学生的亲历体验。关注“分析设计编程验证调试（修正）”操作流程的落实。四、教案示例课题：从碰撞到避障的机器人教学目标：1知识与技能（1）认识碰撞传感器，了解其工作原理。（2）掌握碰撞传感器对应的I/O通道设置。（3）根据算法设计程序，解决简单的碰撞问题。（4）利用红外传感器，设计更加智能化的机器人。2过程与方法在分析生活案例和任务的过程中，通过类比等方法提炼算法，从而初步掌握任务分析的思路、方法；通过碰撞、避障实验，促使学生进一步认识碰撞传感器和红外传感器，并在过程中体验创新。3情感态度与价值观体会机器人与日常生活行为的相关性。教学重难点：碰撞传感器及其工作原理；I/O通道设置；碰撞算法分析比较；碰撞程序设计。学生分析：学习过红外传感器；对编程平台有一定的接触。教学方法：对比分析，体验学习，实验学习，探究学习。教学过程：1问题导入播放视频：盲人走路。问题：盲人手中的“拐杖”有何作用？它可以看作是人类什么器官的延伸？回答：（略）板书： 拐杖触觉器官。问题：你能描述盲人是如何通过手中的拐杖避免发生碰撞的？回答：（略）板书：有障碍转向检测无障碍前进2引出新课设问：机器人有“触觉”吗？它的“触觉器官”又是什么呢？（教师出示二个机器人实物：一个安装有红外传感器，另一个安装碰撞传感器）问题：请仔细观察，对比机器人安装的传感器。（可让二位同学上台，仔细观察并亲身体验，对比二个机器人的传感器有何差异？）组织同学交流。板书：碰撞传感器。任务：阅读教材中碰撞传感器内容。问题：碰撞传感器的核心器件是什么？其工作原理是什么？回答：碰撞开关。小结：教师出示碰撞传感器的图片，介绍碰撞传感器的类型。3碰撞任务设计任务：设计机器人应对碰撞的程序。要求：在行进过程中若发生碰撞，则停止前进，发出声音警告，后退若干距离。说明：假设在机器人中，碰撞传感器使用6号I/O通道。建议：教师下发实验报告，学生记录相应的算法、实验结果等。（1）组织学生讨论事件分析对任务和要求进行分析，分离出一个个事件，并按一定的顺序排列。此处的关键点是先行进再判断，还是先判断再行进。算法分析根据事件分析结果，设计出算法。（2）根据算法编写程序算法一：行进检测碰撞算法二：检测碰撞行进行进读传感器值判断是否碰撞？若无：“行进检测”；若有：碰撞处理。重复整个过程。读传感器值，判断是否碰撞？若有，碰撞处理；若无，“行进检测”。重复整个过程。（选择其中的一个算法进行程序设计）注意：I/O通道设置。条件循环结构： while(1) /永远循环 v_IO6 = ReadIO(6);/读碰撞数据 if(v_IO6=0) /没有碰撞 （略） if(v_IO6=1) /发生碰撞（略）（3）下载程序，测试机器人碰撞实验（4）填写实验报告（5）根据实验报告记录进行交流实验结果，如果实验没有成功，找出原因所在（6）教师评价评价从二个方面入手：学习态度方面（是否积极投入、主动参与）；实验方面（成功与否，发现问题与解决问题，提出改进意见等）。（7）研讨：算法一和算法二的区别查看原程序代码，分析程序结构。4避障任务设计碰撞传感器类似我们的触觉器官，如果机器人具有视觉功能的传感器，就可以“看”到障碍物，从而实现避障处理。问题：请回想一下，机器人是否具备“看”功能的传感器？回答：（略）问题：红外传感器的的工作原理是什么？它工作在哪个I/O通道？回答：（略）（1）提出任务避障任务：改进碰撞实验。要求：当机器人检测到前方有障碍物时，停止前进，声音警告。拓展任务：当机器人检测到有障碍物时，自动避开，实现安全转向（转向自定）。问题：碰撞实验和避障实验的算法是否有本质差异？回答：（略）提问：编程时需要注意的是什么？回答：（I/O通道号选定）2）学生修改程序，进行实验3）交流实验结果4）转弯处理分析完成教材“转弯事件算法分析表”。5 课堂总结课堂板书（略）五、阅读材料左后右右前前右右后左后前左1在机器人的左前、右前、左后、右后设置四个碰撞开关（常开），使它们与碰撞环共同构成碰撞传感器。通过碰撞环与底盘柔性连接，在受力后与底盘产生相对位移，触发固连在底盘上相应的碰撞开关，使之闭合。我们就可以识别出来自四周八个方向的碰撞。 碰撞环 碰撞传感器方位2附机器人实验报告机器人实验报告姓名：年级：班级： 指导老师： 日期：任务要求事件算法流程图程序框架（关键语句）实验结果独立完成 帮助完成 部分完成 未完成出现现象问题原因解决方法实验体会：第4节 走迷宫一、教学要求1掌握红外传感器的应用。2掌握机器人行走规则。3理解“趋近”式问题的处理方法。4设计机器人沿墙走程序。5提高利用机器人平台进行程序设计的熟练程度。二、教材分析与建议1教材地位和要求通过本节学习，进一步掌握红外传感器的应用，提升程序设计能力。本节内容既是对前期学习的阶段应用，又为后续综合应用作铺垫。在教学过程中，教师在关注算法分析的同时，强调学生编程和调试技能的锻炼。2教学方法的指导在观察中发现规律，在规律中探求解决问题的方法；在实验中发现问题，在问题中查找原因，在原因中寻求答案。三、实践指导注重引导学生对问题产生的原因进行分析。四、教案示例课题：沿墙而“舞”9第3单元 第4节 第1课时）教学目标：1知识与技能（1）掌握红外传感器的应用。（2）理解“趋近”式问题的处理方法。（3）运用左手规则，设计机器人沿墙走程序。2过程与方法（1）观察机器人走迷宫过程，整体感知机器人行走行为。（2）分析机器人沿墙走行为，提出“趋近”式解决问题的思路。3情感态度与价值观（1）在不断往复的“调试实践”中，加深对机器人的了解。（2）正确对待机器人模仿人类行为，理解模仿行为的差异性。教学重难点：1重点（1）理解左手法则。（2）理解“趋近”式解决问题的算法。（3）沿墙走程序设计、调试。2难点（1）沿墙走程序设计、调试。（2）寻找合适的电机转速比。学生分析：熟悉红外传感器，有一定的程序设计基础，但多路传感器是第一次接触。教学方法：观察分析，体验学习，实验学习，探究学习。教学过程：1问题导入（1）播放视频：机器人走迷宫。（2）学生思考，完成教材表格要求。（3）组织交流。2机器人沿墙行走（1）行进规则左手规则：机器人沿左侧行走的方法。右手规则：机器人沿右侧行走的方法。（2）沿墙行算法分析任务：利用红外传感器，设计程序使机器人沿墙壁左侧向前行走在沿墙壁行走过程中，检测到有墙壁时，必须向着偏离墙壁方向行走；检测不到时，再折向墙壁行走，以控制机器人与墙壁间保持一定距离。这样周而复始，完成行走任务。沿墙走示意图（3）红外传感器设置（左手法则）提问：除了机器人正前方的红外传感器外，另一红外传感器应该安装在机器人的什么位置？为什么