乐高EV3课程教案：智能机器人创意工坊-从搭建到编程的探索之旅

乐高EV3课程教案：智能机器人创意工坊——从搭建到编程的探索之旅一、课程基本信息1.课程名称：智能机器人创意工坊——乐高EV3搭建与编程入门2.适用对象：10-14岁青少年（具备基础逻辑思维，无乐高EV3基础亦可）3.课时安排：8课时，每周1次，每次90分钟（含15分钟休息与交流时间）4.核心领域：科技创新（机器人搭建）、编程思维（图形化编程）、工程实践（结构设计）、问题解决（任务挑战）5.课程特色：采用“项目式学习”模式，以“智能机器人完成系列任务”为核心线索，将乐高EV3的机械搭建与图形化编程深度融合。每节课围绕一个具体项目（如避障机器人、循迹小车），从“任务分析—结构搭建—编程实现—调试优化”逐步推进，让学生在“做中学、玩中悟”，既掌握机器人搭建与编程的基础技能，又培养创新思维、团队协作与工程实践能力。二、课程设计理念10-14岁是青少年逻辑思维与空间想象能力快速发展的关键期，对机械结构和智能科技充满好奇心，但抽象编程知识易让他们产生畏难情绪。本课程以乐高EV3为载体，遵循“兴趣引领、任务驱动、循序渐进”的设计理念，摒弃“先理论后实践”的传统模式，以贴近生活的任务（如机器人搬运、自动避障）为切入点，激发学生的学习动力。课程中注重“搭建与编程的联动”，搭建环节强调机械结构的合理性（如重心稳定、动力传输），编程环节聚焦逻辑指令的条理性（如顺序、循环、条件判断），引导学生理解“结构是基础，编程是灵魂”的机器人设计逻辑。同时采用小组合作模式，让学生在任务分工、思路碰撞、问题解决中提升沟通协作能力，树立“工程设计需要不断试错与优化”的科学态度，真正实现“技术学习与思维培养”的双重目标。三、总体课程目标（一）知识与技能目标1.机械搭建：认识乐高EV3核心组件（主机、大型电机、中型电机、超声波传感器、颜色传感器、触碰传感器），掌握基础机械结构（齿轮传动、履带传动、连杆结构）的搭建方法，能根据任务需求设计稳定的机器人结构。2.编程应用：掌握乐高EV3图形化编程软件的基本操作，理解并运用“顺序指令、循环指令、条件判断指令”等核心编程逻辑，能为传感器与电机编写联动程序，实现机器人的智能响应（如遇障碍停车、识别颜色转弯）。3.任务实现：能独立或小组合作完成“避障机器人、循迹小车、机械手臂”等典型项目，具备机器人调试与优化的基本能力（如调整电机功率、修正传感器参数）。（二）过程与方法目标1.思维培养：通过任务分析，培养“拆解问题、分步解决”的逻辑思维；通过编程调试，提升“发现错误、修正优化”的批判性思维。2.实践能力：在搭建与编程的联动实践中，提升动手操作能力与技术应用能力，学会运用工具（如螺丝刀、编程软件）解决实际问题。3.协作能力：在小组项目中，学会明确分工（如搭建员、编程员、调试员）、有效沟通，共同完成任务挑战，提升团队协作能力。（三）情感态度与价值观目标1.兴趣激发：感受乐高EV3机器人的科技魅力，激发对人工智能、机械工程等领域的学习兴趣。2.品质塑造：在项目实践中培养耐心与毅力，面对搭建失败或程序错误时不气馁，主动探索解决方法；树立“创新无边界”的理念，敢于尝试独特的设计思路。3.科学认知：理解机器人技术在生活中的应用（如工业机械臂、智能扫地机器人），体会“科技服务生活”的价值。四、课程重难点1.重点：乐高EV3核心组件的功能应用；齿轮传动、履带传动等基础机械结构的搭建；顺序、循环、条件判断等核心编程逻辑的理解与运用；搭建与编程的联动调试（如传感器数据与电机动作的匹配）。2.难点：根据任务需求设计合理的机器人结构（如保证机器人重心稳定、优化传感器安装位置）；复杂任务的编程逻辑设计（如多传感器协同工作的程序编写）；机器人调试中的问题定位与优化（如避障距离不准确、循迹偏移的修正）。五、课程准备（一）教具与材料准备1.核心器材：乐高EV3教育套装（每2-3人1套，含主机1台、大型电机2个、中型电机1个、超声波传感器1个、颜色传感器1个、触碰传感器1个、各类积木零件若干）。2.辅助工具：十字螺丝刀（每人1把，乐高专用或小型螺丝刀）、电脑（每小组1台，预装乐高EV3图形化编程软件）、充电设备（EV3主机充电器若干）。3.任务道具：避障任务场地（用纸箱搭建障碍物）、循迹任务场地（黑色胶带在地面贴出轨迹）、搬运任务道具（小型积木块或塑料杯）。4.教学资源：PPT课件（含组件介绍、搭建步骤、编程指令讲解）、搭建示意图（核心结构分解图）、编程案例视频（5-10分钟/个）、任务单（每小组1份）、“机器人小工程师”荣誉证书（若干）。（二）环境准备1.教室布置：选择宽敞明亮的教室，桌椅按“小组式”排列（每组2-3人），桌面铺设防滑垫（保护积木与电脑）。划分“搭建区”“编程区”“任务展示区”三个区域，搭建区预留足够空间供机器人移动测试。2.设备调试：提前检查每台EV3主机的电量与功能，确保电机、传感器能正常连接；电脑上的编程软件能正常启动并与EV3主机联动（有线或蓝牙连接）；任务场地提前布置完毕，确保安全无障碍物。六、分课时课程安排（全8课时详细内容）第1课时：初识EV3——机器人的“身体”与“大脑”1.暖场导入（15分钟）：播放乐高EV3机器人完成复杂任务的视频（如机器人跳舞、自动分拣物品），提问：“这些机器人能完成哪些动作？它们靠什么‘感知’世界，又靠什么‘行动’？”引导学生思考机器人的组成，引出本节课主题。2.核心知识：EV3组件认知（25分钟）——教师展示EV3核心组件，逐一讲解功能：①主机：机器人的“大脑”，负责运行程序；②电机：“肌肉”，提供动力（大型电机动力强，适合驱动车身；中型电机转速快，适合精细动作）；③传感器：“五官”（超声波传感器测距离、颜色传感器辨颜色、触碰传感器感知按压）；④积木零件：搭建“骨骼”，构成机器人结构。发放组件让学生触摸观察，熟悉各部件的连接方式。3.实践任务：搭建“简易小车”（30分钟）——教师讲解基础搭建步骤：①用积木搭建小车底盘，确保重心稳定；②安装2个大型电机作为驱动轮，连接EV3主机；③安装万向轮作为从动轮。学生小组合作搭建，教师巡回指导，重点纠正“电机安装角度错误”“底盘不稳”等问题。4.休息与总结（15分钟）：休息10分钟后，各小组展示简易小车，教师点评搭建亮点与不足。介绍下节课内容（编程让小车动起来），布置任务：回家思考“如何让小车前进、后退、转弯”。第2课时：编程入门——让小车“动”起来1.复习回顾（10分钟）：提问学生EV3主机、大型电机的功能，检查各小组简易小车的完整性，确保能正常连接主机。2.核心知识：EV3编程软件操作（20分钟）——教师用投影演示编程软件的基本界面：①指令区（包含电机指令、传感器指令、逻辑指令）；②编程区（拖拽指令组合程序）；③连接区（显示与EV3主机的连接状态）。讲解“电机控制指令”：选择电机端口、设置动力（功率0-100）、设置运行时间（秒）或旋转角度（度）。3.实践任务1：小车基础动作编程（30分钟）——任务要求：编写程序让小车完成“前进3秒—停止2秒—后退3秒”的动作。教师示范编程步骤：①拖拽“大型电机启动”指令，选择左右电机端口，设置功率50，时间3秒；②拖拽“等待”指令，设置时间2秒；③拖拽“大型电机启动”指令，设置电机反转，时间3秒；④点击“下载”将程序传输到EV3主机。学生小组合作编程与测试，教师指导解决“程序无法下载”“电机不动作”等问题。4.实践任务2：小车转弯编程（15分钟）——拓展任务：让小车“前进2秒—左转3秒—前进2秒”。引导学生思考：左转需要“左侧电机停转，右侧电机转动”或“两侧电机反转”，尝试编写程序并测试。5.总结与作业（10分钟）：总结电机控制指令的核心参数（端口、功率、时间），布置作业：修改程序让小车完成“绕圈行驶”动作。第3课时：结构进阶——齿轮传动与动力优化1.问题导入（10分钟）：展示上节课学生的“绕圈小车”，提出问题：“有些小车转弯时动力不足，有些速度太快不好控制，怎么通过结构优化解决这些问题？”引出“齿轮传动”的知识点。2.核心知识：齿轮传动原理（15分钟）——教师讲解：齿轮传动是机器人常用的动力传输方式，通过不同齿数的齿轮组合，可实现“加速”“减速”“改变动力方向”的效果（如大齿轮带动小齿轮加速，小齿轮带动大齿轮减速）。用积木演示不同齿轮组合的传动效果，让学生直观感受。3.实践任务：优化小车——安装齿轮传动（35分钟）——任务要求：对原有简易小车进行改造，安装齿轮传动结构，实现“减速增力”（适合载重）或“加速”（适合快速行驶）。教师示范安装步骤：①在电机轴上安装驱动齿轮；②在车轮轴上安装从动齿轮；③调整齿轮间距，确保啮合紧密。学生小组根据自己的需求选择齿轮组合，教师指导解决“齿轮啮合不紧”“传动卡顿”等问题。4.编程适配与测试（20分钟）：由于齿轮传动改变了车速，引导学生修改上节课的程序（如调整电机运行时间），让优化后的小车完成“前进—转弯”任务，对比改造前后的效果。5.总结（10分钟）：强调“结构与编程需匹配”的原则，结构改变后需通过编程调整参数，布置作业：思考“如果要让小车爬斜坡，该选择哪种齿轮组合”。第4课时：传感器应用1——避障机器人（超声波传感器）1.情境导入（10分钟）：提问：“生活中的智能扫地机器人遇到家具会自动绕开，它靠什么感知障碍物？”引出“超声波传感器”，介绍其功能：通过发射和接收超声波，测量与障碍物的距离。2.核心知识：超声波传感器与条件判断指令（20分钟）——教师讲解：①超声波传感器的连接（插入EV3主机的传感器端口）；②编程软件中的“超声波传感器指令”（可设置“距离小于X厘米时触发”）；③条件判断指令（“如果…那么…”结构：如果检测到障碍物距离小于10厘米，那么小车停止并转弯）。3.实践任务1：搭建避障机器人（25分钟）——在之前小车的基础上，加装超声波传感器（安装在车头位置，确保检测方向正确），调整车身结构，确保传感器稳定不晃动。4.实践任务2：编写避障程序（25分钟）——任务要求：机器人前进时，若检测到前方10厘米内有障碍物，立即停止→后退1秒→右转2秒→继续前进。教师示范编程逻辑：①循环指令（让程序持续运行）；②超声波传感器检测指令（判断距离）；③条件判断指令（触发避障动作）；④电机控制指令（执行后退、转弯）。学生小组编程与调试，教师重点指导“传感器端口选择错误”“条件判断逻辑颠倒”等问题。5.避障挑战与总结（10分钟）：在“避障任务场地”进行测试，评选“最灵活避障机器人”，总结超声波传感器的应用要点（安装位置、检测距离参数设置）。第5课时：传感器应用2——循迹小车（颜色传感器）1.趣味导入（10分钟）：展示“循迹小车”沿着黑色轨迹自动行驶的视频，提问：“小车怎么知道要沿着黑色线条走？”引出“颜色传感器”，介绍其功能：能识别颜色（如黑、白、红）或检测光的反射值。2.核心知识：颜色传感器与循环指令（15分钟）——教师讲解：①颜色传感器的连接与校准（在白色地面和黑色轨迹上分别校准，确保准确识别）；②编程中的“颜色检测指令”（可设置“检测到黑色时触发”或“检测到白色时触发”）；③循环指令的进阶应用（“永远循环”让小车持续循迹）。3.实践任务1：搭建循迹小车（25分钟）——改造小车，将颜色传感器安装在车头下方（距离地面1-2厘米，确保能检测到轨迹），调整车身重心，避免行驶时传感器触碰地面。4.实践任务2：编写循迹程序（30分钟）——任务要求：小车沿着黑色轨迹行驶，当检测到白色地面（偏离轨迹）时，自动调整方向回到轨迹上。教师引导编程逻辑：①永远循环指令；②颜色传感器检测（判断是否在黑色轨迹上）；③条件判断：如果在黑色轨迹上，两侧电机同时转动（前进）；如果检测到白色，左侧电机加速，右侧电机减速（左转回轨迹）。学生小组编程、校准传感器并测试，教师指导解决“轨迹偏移”“校准不准确”等问题。5.循迹比赛与总结（10分钟）：在“循迹任务场地”开展比赛，看哪组小车能最快且平稳地完成轨迹行驶，总结颜色传感器的校准要点与循迹程序的逻辑核心。第6课时：综合项目1——机械手臂与物品搬运1.任务导入（10分钟）：提出任务：“设计一个机械手臂，能抓住小型积木块并搬运到指定位置”，分析任务需求：机械手臂需要“张开—闭合”的抓握动作和“升降”的调整动作，需用到中型电机和触碰传感器。2.核心知识：连杆结构与多电机控制（15分钟）——教师讲解：①连杆结构（用积木搭建手臂关节，通过中型电机带动实现抓握动作）；②多电机控制（同时控制机械手臂的抓握电机和升降电机，需注意端口区分）；③触碰传感器的应用（按压传感器时，机械手臂开始抓握）。3.实践任务1：搭建机械手臂（30分钟）——小组合作设计机械手臂结构：①搭建手臂主体，确保稳固；②安装1个中型电机控制抓握（通过连杆带动手指闭合）；③安装1个中型电机控制手臂升降；④在手臂末端安装触碰传感器（触发抓握动作）。教师巡回指导，重点解决“手臂承重不足”“抓握力度不够”等问题。4.实践任务2：编写搬运程序（25分钟）——任务要求：按压触碰传感器→机械手臂闭合抓握物品→手臂上升→小车移动到指定位置→手臂下降→机械手臂张开放下物品。学生小组编写多电机联动程序，测试并调整电机运行的时间和功率，确保动作连贯。5.搬运挑战与总结（10分钟）：开展“物品搬运比赛”，看哪组机器人能准确将3个积木块搬运到目标区域，总结多电机协同控制的编程要点。第7课时：综合项目2——创意机器人设计（主题自选）1.主题发布（10分钟）：发布创意任务：“结合本节课所学知识，小组合作设计一个主题机器人，如‘智能迎宾机器人’（遇到人挥手）、‘自动分拣机器人’（按颜色分拣物品）、‘机器人小狗’（能跟随主人）”，明确要求：包含至少1个传感器和2个电机，能完成具体的主题任务。2.方案设计（15分钟）：各小组讨论主题，确定机器人的功能、结构组成（需用到的组件）和编程逻辑，填写任务单（注明分工：搭建员、编程员、调试员），教师审核各小组方案，提出优化建议。3.创意搭建与编程（50分钟）：各小组按照方案开始搭建机器人，编写对应程序，过程中教师进行针对性指导：①搭建方面：帮助解决结构稳定性问题；②编程方面：指导复杂逻辑（如多传感器协同）的程序编写；③调试方面：引导学生通过“分段测试”（先测试单个功能，再整合）定位问题。4.中期汇报（15分钟）：各小组简要展示机器人的搭建进度和已完成的功能，分享遇到的困难，教师组织小组间互相交流解决思路。第8课时：成果展示与总结——机器人嘉年华1.最终调试（20分钟）：各小组对创意机器人进行最后的调试与优化，确保能完整展示主题功能，教师提供必要的技术支持。2.成果展示（30分钟）：举办“机器人嘉年华”，各小组依次上台展示机器人：①介绍主题与功能；②演示机器人完成任务的全过程；③分享设计思路、遇到的问题及解决方法。其他小组进行提问与点评，教师记录各小组的亮点。3.评选与表彰（20分钟）：根据“功能完整性、创意性、团队协作”三个维度，评选出“最佳创意机器人”“最佳工程奖”“优秀团队奖”，为获奖小组颁发“机器人小工程师”荣誉证书，对所有小组的努力给予肯定。4.课程总结与展望（20分钟）：回顾8课时的核心内容（组件认知、搭建技巧、编程逻辑、项目实践），总结学生的成长与进步。介绍乐高EV3的进阶方向（如蓝牙遥控、复杂任务编程），鼓励学生课后继续探索机器人创意设计，将所学知识应用到更多场景中。七、教学评价方式1.过程性评