《機器人穿越浮橋》教學設計

翁國軍

● 教材分析

本課教學內容取材于浙江省義務教育教科書《信息技術》九年級第15課《機器人認路》。學習任務是通過機器人認路項目的實施，掌握利用灰度傳感器感知路線，完成沿固定路線行走的任務，了解機器人獲取外部環境信息的方式，理解機器人如何根據各種信息做出決策。涉及的知識點有傳感器的種類、灰度傳感器、條件循環和分支結構。實體機器人項目受到硬件、場地因素的影響，目前還難以在我校全體學生中開展課堂教學。基于3D仿真平臺的虛擬機器人項目是理想狀態下的機器人項目，受硬件條件和外部環境的影響較少。我區在2013年引進區域版的蘿卜圈仿真機器人平臺。結合教材的教學環境，我選擇了蘿卜圈機器人在線仿真平臺中的《穿越浮橋》作為任務載體，利用雙灰度傳感器來感知行走的軌跡，完成穿越浮橋的任務，讓學生在實踐中體會機器人完成任務的一般流程，理解雙灰度傳感器的工作原理，感悟通過個人努力讓機器人完成任務之后的愉悅。

● 學情分析

本課學習對象為八年級學生，經歷了五年多的信息技術課程學習，具有比較扎實的知識經驗和操作基礎。學生在初中階段接觸過機器人項目學習，初步了解模塊化編程的方法，對機器人項目學習有著濃厚的興趣，對前沿知識和新技術有著較強的求知欲望。此外，在以往的學習中，學生對流程圖有所了解，但沒有親自設計過，對蘿卜圈仿真機器人平臺沒有接觸過，需要在教學設計時做鋪墊與充分的準備，在教學實施中加以關注和引導。

● 教學目標

知識與技能目標：通過分析機器人穿越浮橋的任務，初步構建機器人完成任務的基本模型，理解雙灰度傳感器的工作原理。通過設計雙灰度傳感器工作原理流程圖，了解算法與流程圖的作用，掌握程序設計的思維方法。通過編寫運行、調試運行、優化程序，掌握在3D仿真環境中程序的設計方法。

過程與方法目標：通過觀察分析、交流討論、拼流程圖、編寫程序、調試優化等過程，體驗讓機器人完成穿越浮橋任務的整個流程，提高邏輯思維能力和程序設計能力。

情感態度與價值觀目標：在參與機器人穿越浮橋面的項目活動中，體驗完成任務的成功感，增強自主探究意識，提高對虛擬機器人項目的學習興趣。

● 教學重、難點

重點：雙灰度傳感器的工作原理;機器人完成任務的一般流程。

難點：在仿真平臺中實現機器人穿越浮橋的程序設計。

● 整體思路

機器人教育具有很強的實踐性、探究性和綜合性，可以引導學生進入一個激動人心的前沿領域，學生在機器人的設計、搭建、編程、調試過程中，不斷地體驗到完成任務之后的成功感與自信心，提高實踐操作能力和邏輯思維能力。本課以讓學生感受機器人完成任務的整個過程為主，將教學目標主要定位在理解機器人利用傳感器完成任務上，按照“分析建模—設計流程圖—編程運行—調試優化”這個順序展開教學。在教學中，我選擇了灰度傳感器作為機器人巡線行走的感應器，也作為傳感器的一個范例，讓學生通過觀察分析和實踐體驗，經歷機器人穿越懸浮橋的整個過程，理解灰度傳感器在機器人巡線行走過程中的作用，掌握在仿真平臺中編寫程序控制機器人巡線走的方法，最后通過拓展提升，讓學生了解傳感器和機器人在我們日常生活中的廣泛應用，激發學生進一步研究各類傳感器和學習機器人的興趣。通過本課學習體驗，我希望學生能夠了解到機器人完成任務是通過計算機程序來控制的，體驗程序設計的一般過程和思維方法，在不斷地發現問題、分析問題、解決問題的過程中感受到機器人項目的樂趣，提高邏輯思維能力和實踐操作能力，增強自主學習探究的積極性。

● 教學準備

在計算機教室安裝好IrobotQ 3D機器人在線仿真平臺及其客戶端;事先搭建好裝有左右雙灰度傳感器的機器人，并做好相關參數的設置;為每位學生準備一套用來設計流程圖的相關材料，供學生練習使用;實物投影儀。

● 教學過程

1.創設情境，揭示任務

（1）視頻導入，引出學習主題

教師播放一段經過加工處理的各種巡線機器人項目活動的視頻，激發學生的興趣，引出“機器人穿越浮橋”，即“機器人沿著軌跡行走”的學習主題。

（2）情境呈現，揭示學習任務

教師用圖片呈現機器人在魔幻尋寶途中要通過一座浮橋（如下頁圖1），引出本課的任務：機器人穿越浮橋。

設計意圖：通過將多個不同的巡線機器人項目競賽的視頻整合起來播放，用真實的事件激發學生的興趣，營造科技氛圍，引出本課的學習主題。通過呈現具體的情境，讓學生了解本課中機器人要完成的任務中沿著沿軌跡行走，為后續學習做好鋪墊。

2.分析任務，建構模型

（1）觀察思考，提取浮橋上的軌跡

教師引導學生觀察情境圖片（如下頁圖2），從機器人穿越浮橋的任務中提取出軌跡，便于學生觀察和分析。

（2）分析任務，歸納機器人行走路線

教師引導學生分析思考，得出機器人沿軌跡行走的路線，初步構建任務模型：直行→左轉→直行→右轉→直行→右轉→直行→左轉→直行。

（3）提出問題，分析雙灰度傳感器工作原理

教師以機器人在穿越浮橋時需要左轉和右轉，引出“雙灰度傳感器”。

學生觀察認識裝有左右雙灰度傳感器的機器人圖片，探討雙灰度傳感器在機器人“穿越浮橋”過程中的工作原理。

結論：當左灰度傳感器檢測到線時，機器人左轉;當右灰度傳感器檢測到線時，機器人右轉;兩個傳感器都沒檢測到線時，機器人直行。

設計意圖：從情境圖中提取機器人將要行走的道路軌跡，以便對任務進行詳細的分析。激發已有認知經驗，得出機器人的行走路線，培養學生觀察發現和分析問題的能力。通過知識遷移引出雙灰度傳感器，借助啟發、觀察圖、討論等方式，引導學生積極思考分析，得出結論，表述觀點，增強解決問題的意識與能力。

3.解決問題，設計流程圖

（1）設計流程圖

拼圖活動：學生利用教師提供的流程圖素材，在虛線框內拼出機器人轉彎的流程圖，并畫出相應的流程線，得出機器人穿越浮橋的程序流程圖（如圖3）。

（2）展示交流，了解程序結構

教師展示學生設計的流程圖并組織學生進行分析評價，再利用課件出示教師設計的流程圖，引導學生觀察，師生共同分析讓機器人完成穿越浮橋這一任務的整個流程。教師介紹該程序中的兩種結構：分支結構和循環結構，并指出程序設計的三種常用結構為循環結構、分支結構和順序結構。

設計意圖：為了提高課堂效率，了解用流程圖方式說明實現一個解決方案所需完成的一系列操作，在本課中教師準備了流程圖的相關元素，讓學生根據雙灰度傳感器的工作原理進行拼圖活動并畫出流程線，完成機器人穿越浮橋的流程圖，理解雙灰度傳感器器工作原理，了解算法與流程圖的作用，提高邏輯思維能力。通過展示交流，教師讓學生根據流程圖來描述讓機器人穿越浮橋的整個流程，明確機器人完成任務的主要步驟，初步了解程序的選擇結構和循環結構，為接下來編寫程序做好鋪墊。

4.實踐體驗，程序實現

（1）編寫程序

教師組織學生根據設計好的流程圖來編寫機器人穿越浮橋的程序。進入仿真平臺，教師先引領做部分的講解與演示說明，然后學生嘗試獨立編寫程序。說明：①“while永遠循環”的作用;②灰度值設置為“<103”;③學生自主探索編寫程序（提供導學單）。

（2）運行程序

教師提醒編寫好機器人程序的學生運行程序。提示：①選擇機器人、選擇程序;②選擇一個空座位;③單擊“運行”按鈕;④成功后提交成績。教師公布第一個完成任務的學生姓名，引導其他學生前去觀看和咨詢。

（3）調試優化程序

教師呈現一個機器人穿越浮橋掉下懸崖而失敗的案例，分析失敗的原因，引出要修改參數，反復調試程序。

分層教學：①沒有完成的學生根據分析繼續調試程序，完成任務提交成績;②已經完成的學生嘗試優化程序，提高機器人完成任務的效率，成功后再提交新的成績。

教師登錄仿真機器人軟件管理平臺，呈現所有學生的成績排行榜，表彰冠軍。

（4）交流探討

請成績排行榜中的首位學生交流心得經驗，引出進一步的探索的欲望。

學生反饋：如何提高機器人的工作效率？

結論：調整直流電機值。

教師設疑：這些值是不是越大或越小就越好呢？

結論：不是。要根據實際情況，反復調試，找到合適的數值。

設計意圖：①讓學生在仿真環境中根據流程圖編寫程序，培養程序設計意識。為了讓全體學生都能順利編寫出程序，體驗成功，教師在這里直接給出灰度值。②通過運行程序，觀察機器人穿越浮橋的行走過程，在真實的情境中體會雙灰度傳感器的作用。利用同伴效應激勵同學間的相互學習與交流。③師生共同分析失敗原因，拓展思維空間，提高分析問題、解決問題的能力。學生編寫程序的速度不一，成敗皆有可能。考慮到學生的差異，設置挑戰任務讓學生有所選擇，滿足不同層面學生的需要。引入排行榜，增加競爭性和趣味性。④通過學生間的交流進行拓展延伸，了解直流電機值的作用，體驗改變參數值對機器人完成任務的影響，激發學生進一步自主探索的積極性。

5.回顧梳理，拓展提升

（1）回顧梳理

回顧本節課學習過程，引導學生總結讓機器人完成任務的流程：分析建模—設計流程圖—編程運行—調試優化。

引導學生回顧梳理左右灰度傳感器的工作原理。梳理：當左灰度傳感器檢測到線時，機器人向左轉;當右灰度傳感器檢測到線時，機器人向右轉;兩個傳感器都沒檢測到線時，機器人直行。

（2）拓展提升

教師課件出示兩組圖片及視頻，了解傳感器在生活中的廣泛應用。之后再總結提升，激勵學生去探索傳感器，研究機器人。

設計意圖：①借助兩個問題并利用板書引導學生再現學習過程，梳理所學的知識技能，歸納一般方法，形成知識序列，明確讓機器人完成任務的基本流程，理解雙灰度傳感器的工作原理。②結合傳感器在實際生活中的應用，激勵學生進一步探索機器人的奧秘，增強情感體驗。

● 教學反思

機器人教學走進課堂，已經由原來的設想到現在的真實實踐，并以蓬勃姿態前進著。這節課選用的是蘿卜圈三維虛擬機器人仿真平臺，機器人穿越浮橋的任務就是仿真平臺中的一個資源。在仿真平臺中，根據任務需求搭建虛擬機器人小車，設置相關屬性，再利用平臺中提供的模塊編寫程序，根據需要調試程序，就可以在仿真環境體驗到機器人完成任務的全過程。真實的情境和精美的畫面很吸引學生的興趣。同時，還可以邊修改邊調試，及時與學生互動，查看排行榜，極大地激發了學生主動探究的熱情。