深圳市青少年宫SPIKE机器人课程第八课《举重》教学设计

深圳市青少年宫SPIKE机器人课程第八课《举重》教学设计一、课程基本信息本课适用于小学五年级至初中一年级阶段的青少年宫机器人社团活动，亦可作为校内信息技术课后服务课程使用。授课对象为已具备SPIKEPrime基础搭建与图形化编程经验的学员，教学时长为90分钟。课程以举重运动为情境，通过结构搭建与程序控制，引领学生深入理解杠杆原理在机械结构中的应用，掌握中大型电机扭矩输出与运动控制的协同方法。二、教学背景分析SPIKEPrime套件中的电机分为小电机与大电机两类。小电机响应速度快，适合精准角度控制；大电机扭矩强劲，适合驱动需要克服较大阻力的机构。本课的核心任务，是利用大电机作为动力源，配合齿轮传动与连杆机构，完成模拟举重动作。教学前，学生需熟悉Scratch式图形化编程界面，能够调用电机模块实现单次转动与循环运动。三、教学目标设定（一）知识与技能。学生能够复述杠杆三要素——支点、动力、阻力的位置关系，准确识别省力杠杆与费力杠杆的应用场景；能够在SPIKEPrime硬件中正确选型大电机，掌握齿轮加速与减速的配置方法；能够使用条件判断与循环结构编写完整的举重控制程序。（二）过程与方法。通过任务拆解，培养学生将复杂动作分解为结构搭建、动力匹配、程序触发三个子任务的能力；通过调试迭代，训练学生根据现象反向排查硬件连接与逻辑参数的能力。（三）情感态度与价值观。在模拟举重竞技中渗透坚持不懈的体育精神，引导学生体会机械工程如何延伸人类力量，建立科技服务生活的正确认知。四、教学重点与难点教学重点为连杆机构的设计与编程控制，难点在于如何让“大臂”在举重过程中保持匀速上升，以及如何处理重物到达顶点后的逻辑切换。五、教学准备SPIKEPrime套装（含大电机、小电机、多种齿轮与连杆件）、电脑、平板、举重模型底座（可使用乐高积木或3D打印件模拟杠铃片）、量角器、任务记录单。六、教学过程（一）情境导入（10分钟）教师展示一段东京奥运会举重比赛的视频片段，画面定格在运动员将杠铃举过头顶的瞬间。提问学生：大家有没有想过，如果不用人力，用机器来完成举重动作，需要解决哪些问题？学生会给出诸多答案，如电机选型、连接方式、稳定性等。教师顺势引出本课主题：今天我们用SPIKEPrime打造一位“举重健将”，看看它能否稳稳举起杠铃。（二）结构搭建阶段（30分钟）教师提出第一个挑战：搭一个能够实现“手臂上举—短暂停留—手臂下放”完整流程的机械结构。学生分组讨论后明确思路：大电机输出旋转运动，需要转化为竖直方向的往复运动。连杆曲柄滑块机构是实现这一目标的最简方案。教师在黑板上画出该机构的运动简图，用粉笔标注曲柄、连杆、滑块三个核心部件，并提示学生：电机齿轮相当于曲柄，竖直导轨上的滑块相当于举重的手臂。小组领取套件后开始搭建。在搭建过程中，教师巡视并记录三类典型问题：一是齿轮咬合过紧导致电机负载过大；二是连杆长度不足导致运动幅度受限；三是底座过轻导致机体倾倒。针对共性问题，教师进行集中指导，提醒学生：齿轮之间应保留约一个齿厚的间隙；连杆长度直接决定举重高度；底座务必宽于主体结构。搭建完成后，教师要求每组用手指按住滑块，缓慢转动电机齿轮，检验机构是否存在卡顿。检验合格的小组进入下一环节，未通过的需现场调整。（三）程序编写阶段（25分钟）程序设计分为三个层次。第一层为基础控制。学生需编写让大电机以50%功率转动1.5秒的程序，使“手臂”完成一次上举动作。大电机的转速较快，1.5秒的时长经过反复测试能够将滑块从底部提升至顶点，避免因速度过快撞击顶端。第二层为延时保持。上举完成后，滑块需在顶点停留约2秒，模拟运动员的支撑动作。此时使用“等待2秒”模块即可实现。第三层为下放控制。下放过程需与大电机反转配合，时长同样为1.5秒。学生容易忽略的是，电机反转前应预留极短的等待时间，避免机械结构因突然换向产生冲击。完整的程序逻辑如下表所示：步骤模块类型参数设置1电机转动端口D，功率50%，时长1.5秒2等待0.2秒3等待2秒4电机转动端口D，功率50%，时长1.5秒5循环重复执行以上步骤（四）调试优化阶段（15分钟）教师提出进阶挑战：为举重健将增加“失败”与“成功”两种状态。如果上举过程中电机扭矩不足导致滑块中途卡死，程序应自动停止并发出警示；如果顺利完成全过程，程序应让电机发出庆祝音效。学生需要思考：如何判断“中途卡死”？解决方案是利用电机自带的编码器读取转速反馈。当电机在带载情况下因阻力过大而停转时，编码器检测到的转速会迅速降为零。学生据此在程序中插入条件判断模块：当编码器返回值连续0.5秒小于某阈值时，立即停止电机并播放警报音。另一部分学生则尝试调整齿轮搭配。他们发现，将小齿轮装在电机轴、大齿轮装在曲柄端能够实现减速增扭，虽然举重速度变慢，但稳定性大幅提升，能够稳稳举起更重的杠铃片。这一发现让全班学生直观感受到“扭矩”与“转速”的此消彼长关系。（五）课堂展示与评价（10分钟）各小组依次上台展示。展示流程包括：介绍本组结构特点、运行程序、记录实际举起的杠铃片数量。教师将学生表现计入过程性评价，评价维度涵盖结构稳固性、程序完整度、问题解决能力、团队协作四个方面。（六）总结延伸（5分钟）教师引导学生回顾本课：我们用大电机提供动力，用连杆机构把旋转运动变成直线运动，用编码器反馈实现智能判断。生活中的挖掘机臂、健身器材的配重块、舞台的升降装置，背后都有相似的原理。课后任务：请同学们尝试用两个大电机联动，搭建一台“双臂举重机”，挑战举起更重的杠铃片。七、教学反思要点本课结束后，教师应重点反思三点：一是连杆机构对搭建精度要求较高，部分学生因组件公差导致运动卡顿，未来可考虑提供3D打印件降低误差；二是编码器反馈编程对初学者存在难度，可拆分为“读取数值—设定阈值—条件判断”三个子任务逐步渗透；三是举重情境深受学生喜爱，但部分小组过度追