智能机器人第2课让机器人拥有智能

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发展， 智能机器人这一信息技术的前沿领域也得 到了飞速的发展，有专家预言，从信息产业的角度看，本世纪第一个 十年将是智能机器人时代。 教育今天的超前发展是为以后的经济和社 会发展打基础的。为了使现在的学生能够适应未来信息时代的要求， 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，使学生能够亲身体验前沿科技的风采， 揭开机器人的神秘的面纱。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

2、搭建， 掌握了乐高机器人的基本搭建技巧， 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控 制的初三学生。二、教学任务本节课的任务是让学生懂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，学习掌握基本的编程的思 路及调试的方法并能根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，掌握技能：(1)重点掌握乐高机器人编程软件 R0B0LAB2.系统中导航者级别图形化编程技巧。( 2)理解程序设计思路，掌握程序基本结构中的判断和循环。( 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

3、现人工智能的设计、调试过程中，创设情景，发挥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问题、解决问题的能力，锻炼学生的 逻辑思维能力和动手操作能力。3、情感 态度与价值观 通过多种形式的教学活动，提高学生学习智能机器人课的兴趣。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、 勇于思考、勇于创新的精神和素质。四、教学重点和难点1、重点：(1)乐高机器人编程软件ROBOLAB2系统中导航者级别的图形 化编程方法。( 2)学生在合作学习的基础上，自行设计，共同分析问题、解 决

4、问题。2、难点：程序的调试五、课前准备1、授课时间： 结合本课的实际目标，设计授课时间 90 分钟2、活动人数： 考虑到学生对编程的认识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、器材准备：安装有乐高R0B0LAB2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已经安装完毕， 节省安 装的时间，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、学生的准备工作： 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

5、：演示法、练习法，任务驱动法，教师主要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、课程导入：（共 8 分钟）（ 1）学生幻灯片展示（ 4 分钟）根据幻灯片进行简单介绍（种类多为爱宝机器狗、ASIMOV 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）引入（ 4 分钟） 幻灯片中展示的机器人都是比较具有代表性的， 但是它们具有的 功能用我们手中的机器人都能实现，只要同学们愿意去想象去思考， 甚至可以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

6、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， 在学生惊讶和新奇的眼 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），然后翻了下去（众学生： ）学生都说这个机器人太笨了。的确，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

7、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，让学生初步掌握软件的使用方法。教学重点：1、软件的基本操作（图1、图2、图3）。2、程序的基本元素：运动与判断（图 4）。教学过程：通过大屏幕投影为学生介绍乐高 R0B0LAB2.编程软件的界面及如何进入导航者级别3，对软件中的各种图标及判断符号进行介绍图1软件主界面NXT变亮NXT蛮暗（变暗RCX变亮延时时间NXT触碰拾起NXT触碰按下图2判断及延时单元马达方向I马达停马达端口马达动力53运动r aBC A

8、mijj5321判断条件运动判断 条件图3马达单元重点讲解程序运行的基本元素：运动与判断，机器人的动作依据图4运动与判断程序中的运动环节实现，机器人的智能靠程序中的判断设定实现。 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，观看演示，每阶段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，让学生熟练乐高 R0B0L

9、AB2编程软件导航者级别3 的使用方法。教学重点： 纠正软件操作中出现的问题，强调判断符号的正确选择。任务要求 ：机器人从起点出发， 最终回到起点附近停止， 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 器进行判断）。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。 学生易出现的问题： 现象：双马达中只有一个马达转动或都不转动。原因：马达线接错。 现象：双马达同速却不走直线。原因：轮胎的外胎与内圈咬合不到位，导致一侧轮发漂 现象：机器人拐弯超快。原因：程序中马达方向有错误。 现象：机器人返回时跑过料或跑不到位。原因：马达延迟时间设置有错误。

10、现象：有的机器人回归过程中是靠触碰停止，但碰后无反应。原因：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。教学重点：图6悬崖勒马程序设计的思路。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，总结操作中的问题，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。注意：机器人运行方向的桌子前端必须有学生准备接住机器人

11、以 防掉落损坏。学生易出现的问题： 现象：使用超声测距检测地面没有反应。原因：R0B0LAB2导航者级别3不支持超声测距。 现象：机器人后退时车轮已经划到桌外退不回来。原因：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。 现象：机器人侧向接近悬崖并滑落。原因：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保持机器人直线运行。（4）介绍导航者级别 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，让学生理解级别4与3的不同之处（图7）教学重点：程序调试教学过程：介绍导航者级别4与级别3的最根本区别：多步编程。1

12、可设定无限循环或定次循环图7级别4与3的区别编程实现图8绕柱功能,分析物理过程共分3步：前进一一转弯180°前进。编程流程如图9图9此外，在导航者级别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断。调试是机器人设计中非常重要的步骤，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， 没有经过大量 的调试以适应环境， 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现球的存在并 去追球。打开窗帘，机器人对球视而不见直奔阳光方向前进（在球离

13、 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 找高于一定光值的方向。阴天可用手电筒照射光电传感器代替该效 果，机器人会跟随手电灯光移动）。通过演示可以看出环境对机器人影响很大。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 6590（随太阳角度有变化），拉上 窗帘情况下场地光值为 510。在拉上窗帘的情况下， 机器人去找球， 光值应该设定在什么范围 内？（生： 40-100，10-100，20-100 ）大家说的都是可行的方 案，通常我们确定范围可以用（可选范围的最大值 +最小值） /2 这个 公式来取值，即（ 40+10）/2=

14、25 ，所以找球的光值可设定为 25100 即25,这样上下都留有相当的容错范围以适应环境的细微变化。对光电传感器调试结束。 不论是传感器或是马达的调试都要选择不同位 置多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问和讲解。学生活动:听讲，观看演示，思考、回答教师提问（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思考解决方案并熟练导航者级别 4的 使用和掌握调试的技巧。教学重点：编程思路和程序调试。任务要求：利用光电传感器，在打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：巡回观看，不做启

15、发指导（保证竞赛公平）。学生活动：图10以组为单位研究探讨，实践操作。注意：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说 明。学生操作时间 20 分钟，之后进行走线竞赛 5 分钟。学生易出现的问题： 现象：在有阴影遮挡的黑线位置，机器人无视线直接往阴影冲。原因：光线及阴影都会对该段场地的光值造成影响， 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 4560，黑线光值 25 35，故根据公式（可选范围的 最大值 +最小值） /2 计算应为（ 45+35） /2=40。而很多同学忽略了阴 影地区的光值测量,计算结果为（ 65+

16、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。 现象：轨迹线弯度过大时机器人脱轨。原因： 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。 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。原因：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,若使用反转轮,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 线行驶算比赛结束。对运行进行计时，比赛时间上限 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，排出名次，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、分析及解决问题的思路等） 。3、提问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？为什么？学生意见：不能，因为在导航者级别中，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