一、核心概念建构与算法奠基：循迹机器人（八年级下册·甘教版）

一、核心概念建构与算法奠基：循迹机器人（八年级下册·甘教版）

二、教材与学情分析

（一）【基础】教材地位与作用

本课“循迹机器人”是甘教版八年级下册第一单元《智能机器人》的核心课例，位于“让机器人动起来”和“机器人走迷宫”之后，是学生从基础的机器人运动控制向“感知-决策-执行”这一智能核心特征迈进的关键一步。本课不仅是对前述传感器原理、电机控制等知识的综合运用，更是学生首次接触基于多传感器状态进行实时反馈控制的经典案例。它承前启后，为后续学习更为复杂的灰度传感器阵列、PID控制算法以及“无人机自动跟随”等进阶内容奠定了至关重要的算法思维基础。在整个单元中，本课具有里程碑式的意义，是将学生的计算思维从“顺序执行”引向“事件驱动与反馈控制”的转折点。

（二）【重要】学情分析

授课对象为八年级学生。经过前几节课的学习，他们已经具备了以下基础：

知识储备：了解了开源机器人的基本结构，掌握了直流电机的驱动原理，能够通过编程控制机器人完成前进、后退、转弯等基本动作，初步认识了红外传感器或巡线传感器的基本功能。

技能储备：具备基本的图形化编程能力（如mBlock或类似软件），能够进行简单的顺序结构和分支结构程序设计，动手搭建机器人平台的经验尚浅但具备一定操作能力。

认知特点：八年级学生思维活跃，好奇心强，对机器人、人工智能等前沿科技有浓厚兴趣，具备一定的逻辑分析能力，但面对“如何让机器人在动态环境中持续修正路线”这一复杂问题时，容易陷入“一步到位”的线性思维误区，难以理解“实时监测、动态调整”的闭环控制思想。因此，本课的重点在于引导他们将连续的现实问题（沿着黑线走）转化为离散的逻辑判断（左偏、右偏、在线上），从而完成思维的跃升。

三、教学目标与核心素养体现

（一）【重要】教学目标

1.知识与技能：学生能说出巡线传感器（红外或灰度）的基本工作原理，即通过检测不同颜色表面（黑/白）反射光强度的差异来获取路面信息；能准确解读双路巡线传感器四种组合状态（左白右白、左黑右白、左白右黑、左黑右黑）所对应的机器人位姿；能够熟练运用图形化编程软件中的“如果那么否则”多分支结构，结合电机控制模块，编写出能使机器人沿黑线行驶的完整程序。

2.过程与方法：通过观察、分析、归纳，学会将“保持在黑线上”这一连续控制目标，拆解为针对不同传感器状态的离散化响应策略；在小组合作编程与调试过程中，体验“分析问题-设计算法-编程实现-测试优化”的工程化问题解决流程，掌握参数调试（如电机功率、转向延时）的基本方法。

3.情感、态度与价值观：在反复调试、不断优化的过程中，培养严谨求实的科学态度和精益求精的工匠精神；通过完成循迹任务，感受智能控制技术的魅力，激发探索人工智能领域的兴趣和信心。

（二）核心素养渗透

1.计算思维：【非常重要】这是本课核心素养渗透的重中之重。学生需要将物理世界的循迹问题抽象为数据（传感器值）与逻辑判断（状态机）的交互问题。他们将学会如何把一个连续的、模糊的控制需求（如“车偏左了要往右修”）转化为精确的、可被计算机执行的算法描述（“如果左传感器看到黑且右传感器看到白，那么设置左电机功率大于右电机”），这是计算思维中“抽象”与“算法”要素的集中体现。

2.数字化学习与创新：学生利用数字化工具（编程软件、仿真平台）进行学习与创造，在完成基础任务后，鼓励他们创新性地优化算法（如减小转向幅度使行驶更平滑），培养数字化环境下的创新意识和能力。

3.信息意识：引导学生关注传感器这一关键信息获取设备，理解信息的准确获取与处理是智能系统做出正确决策的前提，提升对信息敏感度的认识。

四、教学重难点

（一）【非常重要·高频考点】教学重点

1.深刻理解双路巡线传感器四种状态（00，01，10，11）的物理含义及其对应的返回值。【高频考点】

2.掌握利用多分支选择结构，根据传感器不同状态编写相应的电机控制程序，实现机器人沿黑线行驶的核心算法。

（二）【难点·热点】教学难点

1.【难点】将“修正路线”这一抽象思维转化为具体的、量化的电机控制指令。例如，如何定义“向左微调”的电机功率差和持续时间，才能使机器人在不冲出轨迹的前提下平滑地回到黑线上。

2.【热点】程序在实际机器人上的调试与优化。学生往往能写出逻辑正确的程序，但面对不同的场地、光线、机械结构，需要调整传感器的阈值和电机的转向参数，这个过程充满了工程实践的挑战，也是本课的思维热点所在。

五、教学准备

1.硬件环境：每组配备一套开源机器人套件（如mBot或兼容套件，包含主控板、电机、轮子、万向轮）、双路巡线传感器模块、USB线、组装工具。确保机器人底盘完好，电池电量充足。

2.软件环境：安装有图形化编程软件（如mBlock5）的计算机，该软件需能连接并上传程序至机器人主控板。

3.场地教具：制作若干张“循迹地图”。地图采用浅色背景（如白色卡纸），上面粘贴黑色电工胶带（建议宽度15-20mm）作为引导轨迹。轨迹设计应包括直线、弧线、锐角弯道等元素，由易到难。

4.数字化资源：制作微课《巡线传感器的工作原理》、PPT课件（包含四种状态动画演示、程序流程图）、分组实验记录表。

六、【核心部分】教学实施过程

（一）创设情境，激活思维（预计5分钟）

1.情境导入：教师首先播放一段视频合集，内容包含：工厂里的AGV自动搬运小车沿地面磁条运送货物、家庭中的扫地机器人在房间内沿边清扫、酒店里的送餐机器人穿梭于餐桌之间。

2.问题链驱动：播放结束后，教师抛出一系列层层递进的问题：“这些机器人看似‘聪明’，它们能自己认路，不撞墙也不跑偏，请问它们的‘眼睛’看到了什么？”“如果我们想让桌面上的这个小机器人，也像AGV一样，乖乖地跟着这条黑色胶带走，我们需要赋予它什么能力？”“这种能力背后的逻辑，和我们人类走路有什么不同？”通过这些问题，引导学生从生活经验走向技术思考，激发起探究“循迹”背后秘密的强烈好奇心，自然引出本节课的核心任务——打造一台属于自己的循迹机器人。

（二）探究原理，解码“眼睛”（预计10分钟）

1.【基础】传感器硬件剖析：教师引导学生观察桌面上的巡线传感器模块，结合微课视频和PPT示意图，讲解其物理构成。明确指出，我们使用的巡线传感器通常集成了两组“红外发射管”和“红外接收管”。它的基本原理类似于手电筒照路：发射管发出红外光，接收管负责接收反射回来的光线。

2.【重要】黑白差异的本质：教师引导学生思考：为什么能区分黑线和白底？因为不同颜色的表面对光的反射能力不同。浅色（白色）表面反射光线能力强，大部分红外光被接收管接收到；深色（黑色）表面吸收光线能力强，接收管接收到红外光很弱甚至没有。机器人的“大脑”（主控板）正是通过读取接收管返回的电信号强弱（通常转化为数字值0或1），来判断自己“看”到了什么。

3.双路传感器的价值：教师提问：“如果只用一只‘眼睛’，机器人能看到什么？”引导学生思考，单传感器只能判断是否在线，但无法知道偏左还是偏右。因此，必须用两个并排安装的传感器（左眼和右眼）。它们就像我们的双眼，提供了感知方位的立体信息。至此，引出双路传感器四种组合状态的概念，这是本课逻辑推演的基石。

1.状态A（左0右0）：【非常重要】两个传感器都在黑线上。说明机器人正“骑”在线上，处于理想位置，应【直行】。

2.状态B（左1右0）：左传感器看到白色（离线），右传感器看到黑色（在线）。说明机器人整体偏右了，车头指向左上方，需要立即【向左修正】，即右转，使车体摆正。

3.状态C（左0右1）：左传感器看到黑色（在线），右传感器看到白色（离线）。说明机器人整体偏左了，车头指向右上方，需要立即【向右修正】，即左转。

4.状态D（左1右1）：两个传感器都看到白色，全部离线。这通常出现在十字路口、轨迹终点或机器人严重偏离轨道时。处理策略可以是【停止】或【原地旋转寻找黑线】。本节课先以【停止】作为初级策略，便于学生理解和调试。

（三）算法设计，绘制“思维地图”（预计8分钟）

1.将逻辑流程图化：在理解了四种状态后，教师引导学生将上述分析结果转化为规范的算法流程图。教师不直接给出答案，而是在黑板或PPT上引导绘制。

1.开始

2.进入无限循环（永远执行以下步骤）：

3.读取左传感器值，存入变量L

4.读取右传感器值，存入变量R

5.【难点】判断L和R的组合：

1.6.如果L==0且R==0，那么执行“直行”指令

2.7.否则，如果L==1且R==0，那么执行“左转修正”指令（即右轮快，左轮慢）

3.8.否则，如果L==0且R==1，那么执行“右转修正”指令（即左轮快，右轮慢）

4.9.否则（即L==1且R==1），那么执行“停止”指令

10.结束循环判断

11.回到循环开始

1.强调【非常重要】的编程思想：教师重点强调，这个看似简单的“如果否则如果”结构，其实就是一个典型的有限状态机模型。机器人不断地读取传感器这个“输入”，根据当前“状态”执行相应的“动作”，而这个动作又会改变机器人接下来的位姿，从而产生新的“状态”。这是一个完美的“感知-思考-行动”闭环，是智能控制的核心思想。

（四）动手编程，搭建“神经中枢”（预计12分钟）

1.任务分层发布：教师将编程任务分解为三个递进层次，学生以小组为单位合作完成。

1.基础任务：在图形化编程软件中，正确添加巡线传感器和电机两个模块。编写一个最简单的程序，读取传感器的值并通过串口或屏幕显示出来。让学生亲手验证“黑线上是0，白纸上是1”这一结论，加深对【基础】知识的感性认识。

2.核心任务：根据刚才设计的流程图，编写完整的循迹程序。这是本课的【重要】环节。教师巡回指导，重点关注学生在多分支结构搭建中可能出现的逻辑嵌套错误，以及电机控制模块的参数设置（如功率值、转向时长）。

3.挑战任务：程序编写完成后，到机器人中，在简易的直线轨迹上进行首次测试。观察机器人能否沿直线行驶，并对程序进行初步的参数微调。

1.关键指导点：在编程过程中，教师需特别提示“转向修正”的实现技巧。对于差速驱动的机器人，实现转向有两种常用方法：一种是“加减速法”，例如直行功率为100，左转时左轮功率减为30，右轮功率保持100，实现差速转向；另一种是“正反转法”，例如左转时左轮反转、右轮正转，实现原地旋转修正。对于初学者，建议使用“加减速法”中的“单轮减速”模式，即“左偏右转”时，降低左轮速度，右轮速度不变，这样转向动作更柔和，不易冲出轨道。

（五）实战调试，攻克“智能”难关（预计20分钟）

1.【难点】初次试错与归因：当学生满怀期待地将机器人放在黑色轨迹上运行时，各种问题会集中爆发：机器人横冲直撞冲出轨道、在原地打转、在弯道处直接走直线等等。教师此时应引导学生不要气馁，而是将这些问题视为宝贵的“工程问题”，并带领他们进行系统性的归因分析。

1.问题一：传感器读值不准。可能原因：传感器距离地面过高或过低（最佳距离通常为8-12mm）、环境光线过强干扰红外接收、传感器模块上的可调电阻未调节至合适灵敏度。解决策略：重新调整传感器安装高度，用手遮挡光线进行测试，学习使用螺丝刀微调电位器，直至传感器能准确区分黑白。

2.问题二：机器人转向过度或不足。表现为在弯道处直接冲出，或修正时剧烈摇摆。这是本课最典型的【难点】所在。教师引导学生思考：这是因为我们的“修正”指令太猛烈或太微弱了。解决策略：引入“参数调优”的概念。指导学生逐步降低转向时的电机功率差（例如将左轮功率从30逐步调整为60），或者缩短转向指令的执行时间（例如从0.2秒缩短为0.1秒），让学生观察不同参数下机器人的行驶姿态，理解“微调”的含义。

3.问题三：在直角弯或锐角弯处无法通过。可能原因：传感器跨距过大，无法检测到连续曲线。解决策略：引导学生思考，这是硬件布局的限制，也是算法需要升级的地方（如引入记忆功能或PID算法）。本节课暂不深入，但可以作为拓展思考题。

1.小组协作与记录：各小组在调试过程中，需在实验记录表中详细记录遇到的问题、调整的参数以及调整后的效果。教师鼓励小组内部分工，一人操作，一人观察记录，一人负责策略讨论，培养团队协作能力。

（六）展示交流，凝练“最优路径”（预计8分钟）

1.成果展示：邀请完成度较好的小组上台演示，让他们的机器人在包含直线、弧线、S弯的复合赛道上运行。其他同学仔细观察其机器人的行驶是否平稳、流畅。

2.经验萃取：展示结束后，请该小组代表分享他们的“成功秘诀”：他们是如何设置电机功率的？转向延时调了多少？遇到了什么困难，又是如何解决的？通过生生互动，让优秀经验在班级内流动。

3.思维碰撞：教师引导全班对展示小组的成果进行点评。“你觉得他们的车跑得怎么样？有没有可以改进的地方？如果让你来调，你会调整哪个参数？”将思考引向深入，让学生认识到，即使是同一个算法，不同的参数配置也会导致迥异的性能表现，这就是工程优化的魅力所在。

（七）总结升华，拓展“智能边疆”（预计2分钟）

1.【热点】课堂总结：教师对本节课的核心知识进行提纲挈领的总结。再次强调“双路传感器状态判断”是循迹的基石，是计算思维在机器人控制中的经典应用。我们通过“感知-决策-执行”的闭环，让一个死板的机器有了“智能”的萌芽。

2.拓展延伸：教师展示一段采用PID算法控制的循迹小车视频，其行驶如行云流水般顺滑。告诉学生，我们今天学习的是最基础的“开关量”控制（即0或1的判断），而在工业控制中，更常用的是能实现平滑控制的PID算法。鼓励学有余力的同学课后查阅资料，探索更高级的控制方法，将“循迹”这一智能行为推向极致。最后，布置课后作业：完善小组的循迹程序，尝试让机器人挑战更复杂的赛道，并思考如果让机器人在黑底白线上循迹，程序需要做哪些改动？

七、板书设计

第一单元循迹机器人

一、机器人的“眼睛”：巡线传感器

原理：红外反射（黑白反射强度不同）

双路传感器：左眼（L）、右眼（R）

返回值：黑线（0），白底（1）

二、机器人的“大脑”：状态决策

四种状态【非常重要·高频考点】：

1.L0R0（骑在线上）→直行

2.L1R0（偏右）→左转修正（右轮快）

3.L0R1（偏左）→右转修正（左轮快）

4.L1R1（离线