第2单元第8课《碰撞运动-碰撞传感器和机器人的避碰行走》-教学设计清华大学版（2012）初中信息技术九年级下册

第2单元第8课《碰撞运动——碰撞传感器和机器人的避碰行走》-教学设计清华大学版（2012）初中信息技术九年级下册授课内容授课时数授课班级授课人数授课地点授课时间设计意图一、设计意图结合课本中碰撞传感器原理与机器人编程内容，通过任务驱动让学生理解传感器检测障碍物的工作机制，掌握条件判断语句实现避碰行走逻辑，联系生活实际应用，培养动手实践与问题解决能力，符合九年级学生抽象思维与编程基础，提升信息技术核心素养。核心素养目标二、核心素养目标培养信息意识，理解碰撞传感器在智能设备中的感知作用；发展计算思维，通过设计避碰算法提升逻辑问题解决能力；强化数字化学习与创新，实践机器人编程与避碰功能实现；树立信息社会责任，认识避碰技术在生活场景中的应用价值，提升信息素养。学习者分析1.学生已掌握机器人基本操作、简单编程语句及传感器原理，理解条件判断结构，具备图形化编程基础。

2.学生对机器人实践兴趣浓厚，动手能力强，乐于探索，但逻辑思维与抽象能力存在差异，部分学生需引导。

3.可能困难包括：碰撞传感器硬件连接调试、避碰算法逻辑设计（如多障碍物处理）、实时避碰程序的优化与调试。教学资源软硬件资源：机器人套件（含碰撞传感器）、编程软件（如机器人专用编程环境）、计算机教室、连接线、电源。

课程平台：学校信息技术教学平台。

信息化资源：避碰行走课件、传感器原理微课、避碰算法案例库。

教学手段：任务驱动教学法、小组合作探究、教师演示指导。教学过程设计**（一）导入环节（5分钟）**

教师展示扫地机器人、送餐机器人避障视频，提问：“机器人如何实时避开障碍物？核心部件是什么？”引导学生回答“碰撞传感器”。教师拿出实物机器人，轻轻碰撞其传感器，机器人立即转向，提问：“传感器如何传递信号？程序如何控制转向？”学生观察现象，记录疑问，教师板书课题《碰撞运动——碰撞传感器和机器人的避碰行走》，明确学习目标：理解传感器原理，设计避碰算法。

**（二）讲授新课（15分钟）**

1.**碰撞传感器原理（5分钟）**

教师拆解机器人传感器，展示内部结构（触点、弹簧、电路板），演示碰撞时触点闭合接通电路，产生电信号。提问：“信号如何被机器人识别？”学生小组讨论，教师总结：传感器将物理碰撞转化为电信号，输入控制器。学生动手触摸传感器，模拟碰撞，观察机器人指示灯变化，记录信号特征。

2.**避碰编程逻辑（10分钟）**

教师打开编程软件，展示“如果…那么…”条件判断模块，讲解避碰算法：检测到碰撞信号→执行转向动作→继续前进。演示编写单次避碰程序，学生跟随操作，教师巡视指导，重点纠正“条件判断嵌套错误”“转向角度设置不当”等问题。提问：“如何让机器人连续避障？”学生尝试添加循环模块，教师点评优化方案，强调“实时检测”和“动作响应”的逻辑关联。

**（三）巩固练习（20分钟）**

1.**基础任务：单障碍避碰（10分钟）**

学生分组（3人/组），使用预设障碍物（纸盒）测试机器人避碰功能。教师提供任务卡：“设置机器人直线行走，碰撞后右转90°继续前进”。小组调试程序，记录碰撞次数、转向成功率，教师针对“传感器灵敏度不足”“转向角度偏差”等问题进行个别指导，学生互评程序简洁性。

2.**拓展任务：多障碍避碰（7分钟）**

增加障碍物数量（3个），要求机器人“连续避障并返回起点”。学生讨论算法优化（如“碰撞后随机转向”“记录障碍物位置”），教师提示“使用变量存储碰撞次数”，小组合作修改程序，教师拍摄典型操作视频，投影展示。

3.**展示交流（3分钟）**

每组演示避碰效果，学生自评“遇到的问题及解决方法”，教师点评“逻辑严谨性”“创新性”（如部分小组添加“声音提示”功能），强调算法与实际场景的结合。

**（四）课堂总结（5分钟）**

教师提问：“碰撞传感器在智能设备中还有哪些应用？”学生回答“智能垃圾桶、无人驾驶”等。教师总结：传感器是智能系统的“感官”，避碰算法体现计算思维，通过编程实现智能行为。布置课后任务：“设计一个能避开固定障碍物的机器人路径规划方案”，下节课分享。拓展与延伸1.拓展阅读材料

（1）《传感器原理与应用》（第三版）第四章“接触式传感器”，重点阅读“碰撞传感器的工作机制与信号调理电路”，理解触点式、光电式碰撞传感器的结构差异及适用场景。

（2）《机器人技术基础》（初中版）第六节“智能避障算法”，对比分析“条件触发式”“避碰转向式”“路径规划式”三种避碰逻辑的优缺点，结合课本案例理解算法优化思路。

（3）《中小学信息技术教育》2023年第4期《初中机器人教学中传感器与编程的融合实践》，参考文中“碰撞传感器灵敏度调试实验”和“多障碍物避碰程序设计”案例。

（4）机器人厂商技术文档《碰撞传感器使用指南（学生版）》，学习传感器接线规范、阈值设置方法及常见故障排查（如信号干扰、触点失灵）。

（5）《智能科技与生活》第三章“身边的智能传感器”，以扫地机器人、智能行李箱为例，分析碰撞传感器在消费电子产品中的实际应用价值。

2.课后自主探究

（1）基础探究：对比实验

任务：使用机器人套件分别测试碰撞传感器、红外传感器在相同避障场景（如直线行走遇障碍物）下的响应时间、避障成功率，记录数据并分析两种传感器的原理差异（接触式与非接触式）。

成果：撰写100字实验报告，说明传感器选择对避障效果的影响。

（2）进阶探究：算法优化

任务：在课本“避碰行走”程序基础上，设计“连续三次碰撞后自动返回起点”的扩展功能，需使用变量记录碰撞次数，结合循环与条件判断模块实现。

成果：提交优化后的程序流程图及运行视频，标注关键代码逻辑。

（3）创新探究：场景应用设计

任务：结合校园生活场景（如图书馆送书机器人、实验室巡检机器人），设计一份包含碰撞传感器的避障方案，需说明传感器安装位置、避障策略（如遇书本转向、遇设备绕行）及编程实现思路。

成果：绘制场景示意图，撰写200字方案说明，小组合作展示并答辩。

（4）跨学科探究：物理与信息技术融合

任务：从力学角度分析机器人碰撞后的转向角度与运动轨迹关系，结合物理知识（如摩擦力、惯性）优化机器人避障时的转向速度与角度参数。

成果：制作参数对比表（如转向角度30°/45°/60°时的避障成功率），撰写150字技术分析报告。

（5）社会调查：智能设备中的避障技术

任务：通过观察或查阅资料，列举至少3种使用碰撞传感器（或类似避障技术）的智能设备，分析其工作原理及技术优势（如扫地机器人的边刷碰撞保护、自动门的防夹功能）。

成果：制作信息汇总表，包含设备名称、传感器类型、应用场景及技术特点。教学评价七、教学评价

1.课堂评价：通过提问检测学生对碰撞传感器原理（如信号转化过程）和避碰算法逻辑（如条件判断结构）的理解，观察学生分组调试机器人时的操作规范性（如传感器接线、程序模块拖放）及问题解决能力（如处理传感器无响应、转向偏差），记录小组任务完成效率与避碰成功率，针对共性问题（如算法嵌套错误）即时讲解，对个别学生进行一对一指导。

2.作业评价：批改课后探究作业（如传感器对比实验报告、多障碍避碰程序流程图），重点评价知识点应用（如传感器类型差异分析、变量记录碰撞次数的逻辑）与创新性（如场景应用设计中避障策略的合理性），标注典型错误（如未考虑传感器灵敏度设置）并给出修改建议，对优秀作业进行课堂展示点评，鼓励学生结合生活实际深化对智能避障技术的理解。重点题型整理1.**题型：简述碰撞传感器的工作原理**

答案：碰撞传感器通过物理碰撞使内部触点闭合，接通电路产生电信号，电信号传输至机器人控制器，控制器根据信号执行避碰动作（如转向），实现物理碰撞到电信号再到机械动作的转化。

2.**题型：设计机器人单障碍避碰的算法流程图**

答案：开始→初始化传感器→前进→检测碰撞信号→是→右转90°→前进→否→继续前进→检测是否到达终点→是→结束→否→继续检测。

3.**题型：用图形化编程模块实现“碰撞后左转45°继续前进”功能，列出所需模块及连接顺序**

答案：循环模块→条件判断模块（碰撞传感器信号=真）→左转动作模块（角度45°）→前进模块→条件判断结束→循环结束。

4.**题型：机器人避碰时转向但未避开障碍物，可能的原因及解决方法**

答案：原因：转向角度设置过小；传感器灵敏度低未触发信号。解决方法：增大转向角度至60°；调试传感器阈值，确保碰撞时信号正常输出。

5.**题型：为图书馆送书机器人设计避障方案，说明传感器安装位置及避碰策略**

答案：安装位置：机器人前部两侧；避碰策略：检测到碰撞时，先停止1秒，判断障碍物大小（通过碰撞次数），小障碍物左转绕行，大障碍物后退并右转90°继续前进。教学反思与总结这节课整体效果不错，学生对碰撞传感器避障的实操热情很高，分组任务中多数小组能独立完成基础避碰程序，部分小组还创新添加了声音提示功能。但发现部分学生在传感器灵敏度调试上耗时较长，下次课前可准备预设好参数的传感器套件供参考。算法讲解时，条件判断的嵌套逻辑对部分学生仍有难度，需增加更多生活化类比（如"红绿灯判断"）辅助理解。课后作业