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1、智能机器人第2课让机器人拥有智能教学设计大连沙河口区中学生劳动技术中心 耿殿君 智能机器人 一、学情分析随着信息技术的的发展，智能能机器人这一一信息技术的的前沿领域也也得到了飞速速的发展，有有专家预言，从从信息产业的的角度看，本本世纪第一个个十年将是智智能机器人时时代。教育今今天的超前发发展是为以后后的经济和社社会发展打基基础的。为了使现在在的学生能够够适应未来信信息时代的要要求，在教学学中及时地增增加有关智能能机器人知识识的内容是有有必要的。为为此，中心特特设置了智能能机器人课，使学生能够够亲身体验前前沿科技的风风采，揭开机机器人的神秘秘的面纱。有有效地激发学学生学科学爱爱科学的热情情。本节
2、课为智能机机器人课第22课，教学对对象为学习过过第1课机器人搭搭建，掌握了了乐高机器人人的基本搭建建技巧，了解解常见传感器器的种类、功功能、原理，能够运用机器人自带的微电脑实现简单的机器人控制的初三学生。 二、教学任务本节课的任务是是让学生懂得得如何实现机机器人的人工工智能。以学生生为主体，让让他们亲自的的参与、切身身的体会，学学习掌握基本本的编程的思路及调试的的方法并能根据据具体情况加加以应用。三、教学目标1、知识与技能能通过互动操作让让学生在实践践过程中，领领悟知识，掌掌握技能：（1）重点掌握握乐高机器人人编程软件RROBOLAAB2.9系系统中导航者者级别图形化编编程技巧。（2） 理解程
3、序设计思思路，掌握程程序基本结构构中的判断和和循环。（3） 学会结合环境对对程序进行调试试。2、过程与方法法通过在编程实现现人工智能的的设计、调试试过程中，创创设情景，发发挥学生自主主学习的积极极性，让学生生在做中学，学学中做。经历历思维、实践践过程，让学学生在实践中中提高分析问问题、解决问问题的能力，锻锻炼学生的逻逻辑思维能力力和动手操作作能力。3、情感 态度度与价值观通过多种形式的的教学活动，提提高学生学习习智能机器人人课的兴趣。体体会团队合作作的精神和使使用技术的责责任感、使命命感。体验科科学探究的过过程，激发学学生对科学的的求知欲和探探究科学的勇勇气。培养勇勇于实践、勇勇于思考、勇勇于
4、创新的精精神和素质。四、教学重点和和难点1、重点：（1）乐高机器器人编程软件件ROBOLLAB2.99系统中导航航者级别的图图形化编程方方法。（2）学生在合合作学习的基基础上，自行行设计，共同同分析问题、解解决问题。2、难点：程序的调试五、课前准备1、授课时间：结合本课的实际际目标，设计计授课时间990分钟2、活动人数：考虑到学生对编编程的认识理理解速度和程程度有所不同同，及教师进进行引导和答答疑解惑的工工作量，人数数设定为244人，每4人人一组共计66组。3、器材准备：安装有乐高ROOBOLABB2.9编程程软件的电脑脑6台，乐高高9797蓝蓝牙机器人套套装6套（其其中机器人通通用底盘已经经
5、安装完毕，节节省安装的时时间，使学生生只需集中精精力进行传感感器安装），机机器人工作台台6张，走轨轨迹场地1个个，大屏幕投投影设备一套套。4、学生的准备备工作：请学生在课前搜搜集整理一些些智能机器人人的资料并做做成演示用幻灯片片。六、教学策略教法：演示法、练习法法，任务驱动法法，教师主要要做的是引导导和答疑解惑惑的工作。学法：学练结合法、合合作探究法，学学生需要在大量的实践操操作和合作研研究中完成各各项任务。七、教学流程（共共75分钟）1、课程导入：（共8分钟）（1）学生幻灯灯片展示（4分钟）根据幻灯片进行行简单介绍（种种类多为爱宝宝机器狗、ASSIMO和QRIO等非拼装机器器人。动作多多为跳
6、舞、踢踢球、投篮和和模拟机械等等特定功能）。（2）引入（44分钟）幻灯片中展示的的机器人都是是比较具有代代表性的，但但是它们具有有的功能用我我们手中的机机器人都能实实现，只要同同学们愿意去去想象去思考考，甚至可以以实现更多更更好的效果。拿出教师做的线线控机器人，为为学生展示线线控机器人踢踢球、绕柱。（生：老师，你那是线控玩具，人家的那个不用拿手操控。）换程序，机器人人开始自动到处追球跑。换程序，机器人人在走轨迹场场地顺黑线跑，在学生生惊讶和新奇奇的眼光下，机机器人大摇大大摆的顺线走走到场地边沿沿（众学生：走到到头了啊，停啊），然然后翻了下去去（众学生：.）学生都说这个机机器人太笨了了。的确，它
7、它不太聪明，但我没控制它也按照我们期待的方式顺着黑线跑起来了。也就是说机器人至少有走线的智能，虽然最后跳崖了。那么，机器人的智能是从哪里来的？（生：电脑，编程.）人通过电脑编程使机器人能在无人控制状态下运作，实现虚拟的智能，这种智能称之为人工智能。想让机器人变得更聪明，就要通过编程为机器人提供人工智能。今天我们就要来学习机器人的编程，让机器人拥有智能。2、授课内容：（共67分钟）（1）软件介绍绍（10分钟）教法：演示法、练练习法学法：学练结合合法教学意图：通过演示结合练练习，让学生生初步掌握软软件的使用方方法。教学重点：1、软件的基本本操作（图11、图2、图图3）。2、程序的基本本元素：运动动
8、与判断（图图4）。教学过程：通过大屏幕投影影为学生介绍绍乐高ROBBOLAB22.9编程软软件的界面及及如何进入导导航者级别33， 对软件中的的各种图标及及判断符号进进行介绍。图2 判断及延时单元图1 软件主界面图3 马达单元图5重图4 运动与判断图5 重点讲解程序运运行的基本元元素：运动与与判断，机器器人的动作依依据程序中的的运动环节实实现，机器人人的智能靠程程序中的判断断设定实现。图图5程序的效效果为马达AA与C以3档档速度正转（既既向前直行），当当1号接口的的NXT触碰碰被按下后，变变成马达A与与C以3档速速度反转（既既向后直行），44秒钟后机器器人停。图5 教师活动：利用大屏幕投影影分
9、段进行讲讲解演示，中中间穿插学生生练习，最后后进行一次完完整过程演示示。学生活动：听讲，观看演示示，每阶段按按要求进行操操作练习。（2）任务一：回到原点（115分钟）教法：任务驱动动法学法：合作探究究法教学意图：通过练习，让学学生熟练乐高高ROBOLLAB2.99编程软件导导航者级别33的使用方法。教学重点：纠正软件操作中中出现的问题题，强调判断断符号的正确确选择。任务要求：机器人从起点出出发，最终回回到起点附近近停止，运行方式和和传感器的使使用随意，至至少用两种方方法实现（直直线、弧线的的延时应用或或用传感器进行行判断）。教师活动：巡回指导和启发发。学生活动：以组为单位研究究探讨，实践践操作
10、。学生易出现的问问题： 现象：双马达中中只有一个马马达转动或都都不转动。原因：马达线接接错。现象：双马达达同速却不走走直线。原因：轮胎的外外胎与内圈咬咬合不到位，导导致一侧轮发发漂。现象：机器人人拐弯超快。原因：程序中马马达方向有错错误。现象：机器人人返回时跑过过料或跑不到到位。原因：马达延迟迟时间设置有有错误。现象：有的机机器人回归过过程中是靠触触碰停止，但但碰后无反应应。原因：没有在编编程环境中为为传感器添加加接口数字，导导致传感器无无效化。（3）任务二：悬崖勒马（110分钟）教法：任务驱动动法学法：合作探究究法教学意图：通过一题多解的的方法熟练程程序设计。图6 悬崖勒马 教学重点： 程序
11、设计的思路路。设计要求：不需要机器人顺顺线走，只要要能运行到桌桌子边沿时自自动后退就可可，传感器的的选择和安装装以及机器人人后退方式各各组讨论决定定。拔高要求：机机器人在电脑脑桌上实现前前后双向悬崖勒马效效果。教师活动：巡回指导，总结结操作中的问问题，表扬优优秀的设计并并当场演示。学生活动：学生以组为单位位研究探讨，实实践操作。 注意：机器人运运行方向的桌子前前端必须有学学生准备接住住机器人以防防掉落损坏。学生易出现的问问题：现象：使用超超声测距检测测地面没有反反应。原因：ROBOOLAB2.9导航者级级别3不支持持超声测距。现象：机器人人后退时车轮轮已经划到桌桌外退不回来来。原因：传感器离离
12、车体太近，导导致检测不及及时。应适当当增加传感器与与车体的距离离。现象：机器人人侧向接近悬悬崖并滑落。原因：侧向接近近桌边时传感感器位置无法法保证尽快地地检测到悬崖崖，增加传感感器与车体距距离或保持机机器人直线运运行。（4）介绍导航航者级别4及及调试（7分钟）教法：演示法、练练习法学法：学练结合合法教学意图：通过演示结合练练习，让学生生理解级别44与3的不同同之处（图77）。教学重点：程序调试。教学过程：介绍导航者级别别4与级别33的最根本区区别：多步编编程。图8 图7 级别4与3的区别 编程实现图8绕绕柱功能，分分析物理过程程共分3步：前进转弯1880o前进。编编程流程如图图9图9 此外，在
13、导航者者级别4中可可设定无限循循环或定次循循环实现功能能，方便进行行反复运动和和判断。调试是机器人设设计中非常重重要的步骤，它它能确保机器器人在不同的的环境条件下下都能顺利的的完成任务。机机器人设计的的再好，没有有经过大量的的调试以适应应环境，也无无法正常工作作。调试的对对象一般是传传感器和马达达。演示踢足球机器器人，球更换换为发射红外外光的竞赛用用球，在拉上上遮光窗帘的的情况下机器器人靠光电传传感器检测亮亮度从而发现现球的存在并并去追球。打打开窗帘，机机器人对球视视而不见直奔奔阳光方向前前进（在球离离机器人较远远的时候阳光光的红外值大大于球发光的的红外值，程程序设计为寻寻找高于一定定光值的方
14、向向。阴天可用用手电筒照射射光电传感器器代替该效果果，机器人会会跟随手电灯灯光移动）。通过演示可以看看出环境对机机器人影响很很大。用微电脑现场测测试光值：球球正常为400100（随随距离减小光光值增大），阳阳光下场地中中间光值为66590（随太阳阳角度有变化化），拉上窗窗帘情况下场场地光值为5510。在拉上窗帘的情情况下，机器器人去找球，光光值应该设定定在什么范围围内？（生：40-1000，10-1100，200-100.）大家说的的都是可行的的方案，通常常我们确定范范围可以用（可可选范围的最最大值+最小小值）/2这这个公式来取取值，即（440+10）/2=25，所以找球的的光值可设定定为25
15、100即25，这样上下都都留有相当的的容错范围以适适应环境的细细微变化。对光电传感感器调试结束束。不论是传传感器或是马马达的调试都都要选择不同同位置多次检测和分分析才能成功功。教师活动：利用大屏幕投影影进行讲解，在在足球场地进进行调试演示示并提问和讲讲解。学生活动：听讲，观看演示示，思考、回回答教师提问问。（5）任务三：沿线行走（25分钟）教法：任务驱动动法学法：合作探究究法教学意图：用设置任务的方方式让学生思思考解决方案案并熟练导航航者级别4的的使用和掌握握调试的技巧巧。教学重点：编程思路和程序序调试。任务要求：利用光电传感器器，在打开窗窗帘的环境条条件下，机器人能够沿场地黑黑线运行。教师活
16、动：巡回观看，不做做启发指导（保保证竞赛公平平）。学生活动：以组为单位研究究探讨，实践践操作。图10注意：教师应在在5分钟后视视学生研究情况决定定是否将机器器人走线原理理图展示出来来但不作说明明。学生操作时时间20分钟，之之后进行走线线竞赛5分钟钟。学生易出现的问问题：现象：在有阴阴影遮挡的黑黑线位置，机机器人无视线线直接往阴影影冲。原因：光线及阴阴影都会对该该段场地的光光值造成影响响，学生没有有针对全程的的场地光值进进行调试，经经测试，无阴阴影场地光值值65，而有有阴影场地光光值4560，黑线线光值2535，故根根据公式（可可选范围的最最大值+最小小值）/2计计算应为（445+35）/2=4
17、0。而而很多同学忽忽略了阴影地地区的光值测测量，计算结结果为（655+35）/2=50，恰恰好在阴影光光值范围内，故故机器人视较较深的阴影为为黑线而无视视真正的黑线线。现象：轨迹线线弯度过大时时机器人脱轨轨。原因：两轮速度度差不够，拐拐急弯时不宜宜两轮同向，应应单轮拐弯或或两轮差速返返向。经测试试，两轮速度度差应在3档档以上。现象：机器人人能顺线走但但极缓慢，前前进三步后退退两步，1分分钟无法跑完完全程。原因：两轮转向向一正一反，但但反转轮转速速过大，接近近正向轮速度度导致进程缓缓慢，经测试试，若使用反反转轮，反转转转速只能为为1档。八、教学评价（共共15分钟）评价标准：场地线分成5段段，每走
18、完11段得该段分分。脱离线或或脱离后反向向沿线行驶算算比赛结束。对对运行进行计计时，比赛时时间上限1分分钟，同分的机器器人按用时由由少到多排序序（要求机器器人在沿线跑跑的情况下还还要尽可能提提升速度）。1、竞赛结束，排排出名次，学学生自评，教教师点评，并并让其中较薄弱的的一组同学重重新进行现场场调试和修改改程序（教师从从旁提示），使使机器人最终终能沿线跑完完全程（再次强强调调试的重重要性）。2、请学生谈谈谈这节课的收收获和体会（编编程软件，实际应应用，学会调调试、团结协协作、分析及及解决问题的的思路等）。3、提问通过这这节课的学习习能否将悬崖勒马马和沿线跑两两个效果结合合？为什么？学生意见：不
19、能能，因为在导导航者级别中中，机器人完完成任务是按次序序进行，而要结结合两个任务务必须是机器器人在顺线跑跑的过程中随随时可以检测测是否到悬崖崖边上了，需需要任务同时时进行。教师：下堂课，将将对机器人的的程序设计做做更深入的学学习，包括解决任务务同时进行的的问题，机器器人将拥有更完善更更丰富的功能能（演示走线线+悬崖勒马马组合功能机机器人）。4、让学生谈谈谈下节课想让机机器人实现何何种功能（学生的设想想多为带有对对抗性的竞技技类活动如踢踢球、投篮、格格斗等，也有有诸如变形、遥遥控、对话之之类的高难度度内容）。5、课后思考：要实现同学学们提到的想想要在下节课课的让机器人完成的的任务，需要要安装哪些设备备，需要完成成哪些功能，其中哪哪些需同时完完成，哪些需需顺序完成，要要做哪些调试试？