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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
随着信息技术的开展，智能机器人这一信息技术的前沿领域也得到了飞速的开展，有专家预言，从信息产业的角度瞧，本世纪第一个十年将是智能机器人时代。教育今天的超前开展是为以后的经济和社会开展打根底的。为了使现在的学生能够习惯将来信息时代的要求，在教学中及时地增加有关智能机器人知识的内容是有必要的。为此，中心特设置了智能机器人课，使学生能够亲躯体验前沿科技的风采，揭开机器人的神奇的面纱。有效地激发学生学科学爱科学的热情。
本节课为智能机器人课第2课，教学对象为学习过第1课——机器人搭建，把握了乐高机器人的全然搭建技巧，了解常见传感器的种类、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操纵的初三学生。
二、教学任务
本节课的任务是让学生明白得如何实现机器人的人工智能。以学生为主体，让他们亲自的参与、切身的体会，学习把握全然的编程的思路及调试的方法并能依据具体情况加以应用。
三、教学目标
1、知识与技能
通过互动操作让学生在实践过程中，领悟知识，把握技能：
〔1〕重点把握乐高机器人编程软件ROBOLAB级不图形化编程技巧。
（2） 理解程序设计思路，把握程序全然结构中的判定和循环。
（3） 学会结合环境对程序进行调试。
2、过程与方法
通过在编程实现人工智能的设计、调试过程中，创设情景，发扬学生自主学习的积极性，让学生在做中学，学中做。经历思维、实践过程，让学生在实践中提高分析咨询题、解决咨询题的能力，锻炼学生的逻辑思维能力和动手操作能力。
3、情感态度与价值瞧
通过多种形式的教学活动，提高学生学习智能机器人课的爱好。体会团队合作的精神和使用技术的责任感、使命感。体验科学探究的过程，激发学生对科学的求知欲和探究科学的勇气。培养勇于实践、勇于考虑、勇于创新的精神和素养。
四、教学重点和难点
1、重点：
〔1〕乐高机器人编程软件ROBOLAB2.9系统中导航者级不的图形化编程方法。
〔2〕学生在合作学习的根底上，自行设计，共同分析咨询题、解决咨询题。
2、难点：
程序的调试
五、课前预备
1、授课时刻：
结合本课的实际目标，设计授课时刻90分钟
2、活动人数：
考虑到学生对编程的熟悉理解速度和程度有所不同，及教师进行引导和答疑解惑的工作量，人数设定为24人，每4人一组共计6组。
3、器材预备：
安装有乐高ROBOLAB2.9编程软件的电脑6台，乐高9797蓝牙机器人套装6套〔其中机器人通用底盘差不多安装完毕，节约安装的时刻，使学生只需集中精力进行传感器安装〕，机器人工作台6张，走轨迹场地1个，大屏幕投影设备一套。
4、学生的预备工作：
请学生在课前搜集整理一些智能机器人的资料并做成演示用幻灯片。
六、教学策略
教法：
演示法、练习法，任务驱动法，教师要紧做的是引导和答疑解惑的工作。
学法：
学练结合法、合作探究法，学生需要在大量的实践操作和合作研究中完成各项任务。
七、教学流程〔共75分钟〕
1、课程导进：〔共8分钟〕
〔1〕学生幻灯片展示〔4分钟〕
依据幻灯片进行简单介绍〔种类多为爱宝机器狗、ASIMO和QRIO等非拼装机器人。动作多为跳舞、踢球、投篮和模拟机械等特定功能〕。
〔2〕引进〔4分钟〕
幻灯片中展示的机器人基本上对比具有代表性的，然而它们具有的功能用我们手中的机器人都能实现，只要同学们情愿往想象往考虑，甚至能够实现更多更好的效果。
拿出教师做的线控机器人，为学生展示线控机器人踢球、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，机器人开始自动到处追球跑。
换程序，机器人在走轨迹场地顺黑线跑，在学生惊奇和新奇的眼光下，机器人大摇大摆的顺线走到场地边沿〔众学生：走到头了啊，停啊〕，然后翻了下往〔众学生：......〕
学生都讲那个机器人太笨了。确实，它不太聪慧，但我没操纵它也按照我们期待的方式顺着黑线跑起来了。也确实是基本讲机器人至少有走线的智能，尽管最后跳崖了。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操纵状态下运作，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慧，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〔10分钟〕
教法：演示法、练习法
学法：学练结合法
教学意图：
通过演示结合练习，让学生初步把握软件的使用方法。
教学重点：
1、软件的全然操作〔图1、图2、图3〕。
2、程序的全然元素：运动与判定〔图4〕。
教学过程：
通过大屏幕投影为学生介绍乐高ROBOLAB2.9编程软件的界面及如何进进导航者级不3，对软件中的各种图标及判定符号进行介绍。
图2判定及延时单元
图1软件主界面

图3马达单元
图5
重
图4运动与判定

图5
重点讲解程序运行的全然元素：运动与判定，机器人的动作依据程序中的运动环节实现，机器人的智能靠程序中的判定设定实现。图5程序的效果为马达A与C以3档速度正转〔既向前直行〕，当1号接口的NXT触碰被按下后，变成马达A与C以3档速度反转〔既向后直行〕，4秒钟后机器人停。
图5

教师活动：
利用大屏幕投影分段进行讲解演示，中间穿插学生练习，最后进行一次完整过程演示。
学生活动：
听讲，瞧瞧演示，每时期按要求进行操作练习。
〔2〕任务一：回到原点〔15分钟〕
教法：任务驱动法
学法：合作探究法
教学意图：
通过练习，让学生熟练导航者级不3的使用方法。
教学重点：
纠正软件操作中出现的咨询题，强调判定符号的正确选择。
任务要求：
机器人从起点动身，最终回到起点四周停止，运行方式和传感器的使用随意，至少用两种方法实现〔直线、弧线的延时应用或用传感器进行判定〕。
教师活动：
巡回指导和启发。
学生活动：
以组为单位研究探讨，实践操作。
学生易出现的咨询题：
① 现象：双马达中只有一个马达转动或都不转动。
缘故：马达线接错。
②现象：双马达同速却不走直线。
缘故：轮胎的外胎与内圈咬合不到位，导致一侧轮发漂。
③现象：机器人拐弯超快。
缘故：程序中马达方向有错误。
④现象：机器人返回时跑过料或跑不到位。
缘故：马达延迟时刻设置有错误。
⑤现象：有的机器人回回过程中是靠触碰停止，但碰后无反响。
缘故：没有在编程环境中为传感器添加接口数字，导致传感器无效化。
〔3〕任务二：悬崖勒马〔10分钟〕
教法：任务驱动法
学法：合作探究法
教学意图：
通过一题多解的方法熟练程序设计。
图6悬崖勒马
教学重点：
程序设计的思路。
设计要求：
不需要机器人顺线走，只要能运行到桌子边沿时自动后退就可，传感器的选择和安装以及机器人后退方式各组讨论决定。拔高要求：机器人在电脑桌上实现前后双向悬崖勒马效果。
教师活动：
巡回指导，总结操作中的咨询题，表扬优秀的设计并当场演示。
学生活动：
学生以组为单位研究探讨，实践操作。
注重：机器人运行方向的桌子前端必须有学生预备接住机器人以防掉落损坏。
学生易出现的咨询题：
①现象：使用超声测距检测地面没有反响。
缘故：ROBOLAB2.9导航者级不3不支持超声测距。
②现象：机器人后退时车轮差不多划到桌外退不回来。
缘故：传感器离车体太近，导致检测不及时。应适当增加传感器与车体的距离。
③现象：机器人侧向接近悬崖并滑落。
缘故：侧向接近桌边时传感器位置无法保证尽快地检测到悬崖，增加传感器与车体距离或维持机器人直线运行。
〔4〕介绍导航者级不4及调试〔7分钟〕
教法：演示法、练习法
学法：学练结合法
教学意图：
通过演示结合练习，让学生理解级不4与3的不同之处〔图7〕。
教学重点：
程序调试。
教学过程：
介绍导航者级不4与级不3的最全然区不：多步编程。
图8
图7级不4与3的区不

编程实现图8绕柱功能，分析物理过程共分3步：前进——转弯180o——前进。编程流程如图9
图9

此外，在导航者级不4中可设定无限循环或定次循环实现功能，方便进行反复运动和判定。
调试是机器人设计中特不重要的步骤，它能确保机器人在不同的环境条件下都能顺利的完成任务。机器人设计的再好，没有通过大量的调试以习惯环境，也无法正常工作。调试的对象一般是传感器和马达。
演示踢足球机器人，球更换为发射红外光的竞赛用球，在拉上遮光窗帘的情况下机器人靠光电传感器检测亮度从而发觉球的存在并往追球。翻开窗帘，机器人对球视而不见直奔阳光方向前进〔在球离机器人较远的时候阳光的红外值大于球发光的红外值，程序设计为寻寻高于一定光值的方向。阴天可用手电筒照耀光电传感器代替该效果，机器人会跟随手电灯光移动〕。
通过演示能够瞧出环境对机器人妨碍非常大。
用微电脑现场测试光值：球正常为40—100〔随距离减小光值增大〕，阳光下场地中间光值为65—90〔随太阳角度有变化〕，拉上窗帘情况下场地光值为5—10。
在拉上窗帘的情况下，机器人往寻球，光值应该设定在什么范围内？〔生：40-100，10-100，20-100......〕大伙儿讲的基本上可行的方案，通常我们确定范围能够用〔可选范围的最大值+最小值〕/2那个公式来取值，即〔40+10〕/2=25，因此寻球的光值可设定为25—100即≥25，如此上下都留有相当的容错范围以习惯环境的细微变化。对光电传感器调试结束。不管是传感器或是马达的调试都要选择不同位置屡次检测和分析才能成功。
教师活动：
利用大屏幕投影进行讲解，在足球场地进行调试演示并提咨询和讲解。
学生活动：
听讲，瞧瞧演示，考虑、答复教师提咨询。
〔5〕任务三：沿线行走〔25分钟〕
教法：任务驱动法
学法：合作探究法
教学意图：
用设置任务的方式让学生考虑解决方案并熟练导航者级不4的使用和把握调试的技巧。
教学重点：
编程思路和程序调试。
任务要求：
利用光电传感器，在翻开窗帘的环境条件下，机器人能够沿场地黑线运行。
教师活动：
巡回瞧瞧，不做启发指导〔保证竞赛公平〕。
学生活动：
以组为单位研究探讨，实践操作。
图10
注重：教师应在5分钟后视学生研究情况决定是否将机器人走线原理图展示出来但不作讲明。学生操作时刻20分钟，之后进行走线竞赛5分钟。
学生易出现的咨询题：
①现象：在有阴影遮挡的黑线位置，机器人无视线直截了当往阴影冲。
缘故：光线及阴影都会对该段场地的光值造成妨碍，学生没有针对全程的场地光值进行调试，经测试，无阴影场地光值≥65，而有阴影场地光值45—60，黑线光值25—35，故依据公式〔可选范围的最大值+最小值〕/2计算应为〔45+35〕/2=40。而许多同学忽略了阴影地区的光值测量，计算结果为〔65+35〕/2=50，恰好在阴影光值范围内，故机器人视较深的阴影为黑线而无视真正的黑线。
②现象：轨迹线弯度过大时机器人脱轨。
缘故：两轮速度差不够，拐急弯时不宜两轮同向，应单轮拐弯或两轮差速返向。经测试，两轮速度差应在3档以上。
③现象：机器人能顺线走但极缓慢，前进三步后退两步，1分钟无法跑完全程。
缘故：两轮转向一正一反，但反转轮转速过大，接近正向轮速度导致进程缓慢，经测试，假设使用反转轮，反转转速只能为1档。
八、教学评价〔共15分钟〕
评价标准：
场地线分成5段，每走完1段得该段分。脱离线或脱离后反向沿线行驶算竞赛结束。对运行进行计时，竞赛时刻上限1分钟，同分的机器人按用时由少到多排序〔要求机器人在沿线跑的情况下还要尽可能提升速度〕。
1、竞赛结束，排知名次，学生自评，教师点评，并让其中较薄弱的一组同学重新进行现场调试和修改程序〔教师从旁提示〕，使机器人最终能沿线跑完全程〔再次强调调试的重要性〕。
2、请学生谈谈这节课的收获和体会〔编程软件，实际应用，学会调试、团结协作、分析及解决咨询题的思路等〕。
3、提咨询通过这节课的学习能否将悬崖勒马和沿线跑两个效果结合？什么原因？
学生意见：不能，因为在导航者级不中，机器人完成任务是按次序进行，而要结合两个任务必须是机器人在顺线跑的过程中随时能够检测是否到悬崖边上了，需要任务同时进行。
教师：下堂课，将对机器人的程序设计做更深进的学习，包括解决任务同时进行的咨询题，机器人将拥有更完善更丰富的功能〔演示走线+悬崖勒马组合功能机器人〕。
4、让学生谈谈下节课想让机器人实现何种功能〔学生的设想多为带有对抗性的竞技类活动如踢球、投篮、搏斗等，也有诸如变形、远控、对话之类的高难度内容〕。
5、课后考虑：要实现同学们提到的想要在下节课的让机器人完成的任务，需要安装哪些设备，需要完成哪些功能，其中哪些需同时完成，哪些需顺序完成，要做哪些调试？