基于小型机器人工程项目的“过程与控制”模块教学

摘要：本文以“自动驾驶外卖服务”机器人工程项目为例，详细解析了课堂小型机器人工程的项目设计与工程实现，以及“过程与控制”模块的教学要点，旨在通过充满现实意义和挑战的学习，进一步发展学生的工程思维，丰富工程技术相关的思想与方法，同时，增强学生的自我效能感以及自主可控使命感。关键词：过程与控制；自主可控；工程思维；技术思想与方法；现实干扰因素《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中的“过程与控制”模块为学生开启了自动控制与智能控制的大门，成为帮助学生领悟技术自主可控深层含义的重要平台。学生通过学习与实践，逐渐理解控制系统的模块化设计、“输入—计算—输出”的控制环节、反馈机制在优化系统稳定性中的作用，以及计算机控制中逻辑与数值运算对于精准控制的重要性。这些基础知识与技能的学习比较适合通过简单、小型的控制系统来传授。因此，本文选取“自动驾驶外卖服务”机器人工程项目，并详细解析课堂小型机器人工程的项目设计与工程实现，以及“过程与控制”模块的教学要点。项目设计1.项目任务描述机器人需要在规定的路径上自动行驶，在规定时间前将外卖箱及花篮送到指定地点（如图1）。（1）任务要求及得分如下页表所示。（2）时间得分：完成任务的团队，可获得时间分，时间分=60-完成任务用时。（3）总得分=任务得分+时间得分。（4）场地描述。场地的尺寸可视信息科技教室面积而定。在课时和教室面积有限的情况下，建议场地边长在1.0～1.2米，最多两个项目组共享一块场地，这样既可以保障每组都有充分的时间进行调试，又可以产生组间的互相促动和影响。2.项目设计要点解析（1）能持续激发学生的兴趣。由教学实践可知，动态交互性强且能即时反馈的挑战性任务更能吸引学生参与。例如，“自动驾驶外卖服务”机器人工程项目既与生活紧密相连，又渗透了科技在改善生活和服务社会发展中的重要作用，有助于激发学生的学习兴趣，并在潜移默化中发展学生应用科技改造社会的意识。（2）简化任务与分层设计。鉴于课时有限，项目应在2～3课时内完成，以确保教学活动的连贯性和学生的持续投入。本项目采取任务分层设计的策略，分为简单版和提升版两种难度。简单版任务仅要求小车到达指定节点即可得分，提升版则要求在简单版的基础上优化控制的质量与效率，这样的设计旨在确保所有学生都能获得成就感，并保持学习的积极性。（3）突出技术思想与方法的核心地位。由于课时有限，对于没有实施硬件搭建教学的学校，在项目实施中可以弱化对硬件搭建的要求，为学生提供预先搭建好的小车，并配备两个巡线传感器，这样可以使学生不被烦琐的硬件搭建工作所困扰，从而有更多时间和精力深入探索技术思想，实践各种技术方法，并激发出更多的创新思维。（4）在评分标准中引入时间维度。时间维度的引入使学生更全面地体验现实工程的复杂性，体验到工程指标不只是单一的技术层面，而是涉及多个维度的考量，如成本、时间、效率、可靠性等。项目的工程实现及“过程与控制”模块教学要点解析1.项目分析、整体规划及教学要点解析（1）识别和定义功能需求。在此环节，全体项目组成员要通过分析、讨论来理解比赛规则，明确功能需求、得分标准。（2）子系统划分。划分子系统是工程实现的关键环节，有助于任务分解和团队协作，不同的团队可能会生成不同的划分方法，如有的项目组会划分为传感器子系统、控制子系统、机械结构子系统（如下页图2），有的项目组会划分为巡线子系统、转弯子系统、任务动作子系统等（如下页图3）。那么，哪种划分方法更有利于工程实施呢？只有对各子系统内部关键技术进行初步设计，才会发现图2的划分方法是不具可操作性的。“过程与控制”模块教学要点解析：①“面向任务”的思维方式。在工程项目中，任务导向的思维方式至关重要。第一种子系统划分方法虽然看似条理清晰，但实际上难以执行，因为它是基于知识体系而非实际任务体系来划分的。在教学过程中，教师应引导学生转变学习思维，培养他们聚焦具体问题、提出并实施解决方案的能力，帮助学生建立起以完成任务为核心的思维方式。②“分解与联系”的系统化思维方式。在图2子系统的划分中，将识别直线和识别路口分开处理，忽略了它们之间的内在联系。为了培养学生综合分析问题的能力，教师需要引导他们学会分解复杂任务，并洞察各分解部分之间的内在联系。例如，在本项目中，任务可以初步分解为识别直线、走直线、识别路口、路口转弯、取外卖箱（花篮）、携带外卖箱（花篮）、放置外卖箱（花篮）等多个环节。通过分析这些环节，学生会发现识别直线和路口是完成其他环节的基础，而且识别直线和识别路口存在关联。这种“分解与联系”的分析方法有助于学生找到问题的突破口，并形成对任务进行系统化分析的思维方式。2.各子系统关键技术的工程实现及教学要点解析（1）巡线子系统——测定阈值。正确设置传感器的阈值至关重要，它可以保证传感器能够准确地区分赛道和背景。通常的做法是在实际场景的不同位置进行多次取值，然后分别对线路和背景上的读数计算平均值，最终的阈值通常设置为这两个平均值的中间点。例如，如果线路的平均读数为100，背景的平均读数为300，那么阈值可以设置为200。在阈值初步确定后，要将阈值应用于机器人小车，测试小车在赛道上的表现，观察小车是否能够准确地识别和跟踪赛道，如果表现不佳，则需要调整阈值。“过程与控制”模块教学要点解析：①培养精准习惯。建议使用能够返回模拟数据的巡线传感器，这样做的目的是培养学生的精准习惯，精确的数据对控制系统稳定性具有重要作用。②认识干扰因素的存在及应对方法。在阈值的确定方法上，上述方法是较好的选择，可以最大程度减少误识别，提高循迹系统的可靠性，但并不是唯一的方法。在确定阈值的方法上，教师要鼓励学生自主探索。在教学实践中，学生可能把接近轨迹线颜色的值作为阈值，这种做法常会受传感器的敏感度、场地质量、环境光等因素影响而发生误识别。此环节的实践体验，使学生认识到干扰问题，并拓展了应对干扰的技术思想与方法。③增强实验操作能力。学生在确定采样点数量和位置，以及测试阈值效果的过程中，需要细致地观察、精准地测量、准确地记录，以提升实验操作能力。④探究原理。教师应鼓励对技术有浓厚兴趣的学生进一步研究巡线传感器的工作原理。（2）巡线子系统——路径识别及走直线算法。在起点先把机器人骑线放置，启动后如果两侧传感器都未检测到黑线（假设轨迹线颜色为黑），小车继续直行。如果单侧传感器检测到黑线（如左侧），则意味着小车未能维持直行，已经偏右了，因此需要纠偏，在这种情况下，相应的调整命令被下达，使小车向相反方向（左）转向，如具体指令为“向左转1秒”。如果两侧传感器都检测到黑线，则表示小车已到路口，随后可调用转弯程序进行处理（任务要求转弯时），算法如下页图4所示。“过程与控制”模块教学要点解析：①适应“机器思维”。在算法设计中，深藏着常规思维与机器思维的对比。通常学生会认为识别直线比识别路口简单，但事实上对传感器来说，识别路口更加直接，只需两个传感器均检测到黑线即可；在未脱轨的情况下，传感器“看到”的不是路口，就是直线，因此无需再单独进行一次直线识别，学生若按常规思维，将识别直线和识别路口割裂处理，并先去寻求识别直线，就会走到死胡，因为用眼睛和用传感器“看”的方式是不同的。通过设计巡线算法，学生能够深刻领悟到在自动控制领域，解决问题需要依循机器思维，即根据设备（传感器）的性能来寻求解决方案。②创新思维培养。当某个任务（如识别直线）难以实现时，教师应鼓励学生积极尝试新的解决方案（如转向对立面——识别路口），养成灵活和创新的思维方式。③体验反馈。在小车行进中，传感器实时反馈车身与线路的位置偏离关系，程序根据反馈回来的数据，及时对偏离直线轨迹的情况进行修正。与新课标中提到的空调中传感器进行反馈不同的是，本项目反馈的是行进中的动态信息，而且是同时用两个传感器协同反馈偏离情况，丰富了学生对反馈的认知。④认识优秀算法的重要性。自动控制中的算法，需要结合设备性能、环境条件进行设计，优秀的算法能够更精准地获取反馈并实现控制。（3）转弯子系统——十字路口转向180°。转弯可以通过不同的方法来实现，如：单侧减速，即减慢一侧轮子的速度使机器人向慢侧转弯；停止并转向，即完全停止一侧的轮子，而另一侧继续转动来实现更锐利的转向。当开始转弯后，小车如何判断转弯结束呢？常用的方法是传感器重新对准机制，即判断小车是否归位在下一条待巡的线路上。可以借助抽象出来的车与线的位置关系模型图对判断条件进行分析，根据分析设计的算法如图5所示。“过程与控制”模块教学要点解析：①建模分析意识。对转弯动作结束条件的判定，可利用的信息包括传感器数据、十字线、小车转动的实时位置，需要分析三者间的动态关系。比较好的方法是抽象出小车、十字线的图形，借此分析小车在转弯的过程中形成的车与线的动态位置关系，如下页图6所示。而这种位置关系的变化怎样反馈给主控板呢？通过传感器的数据就能找到问题的突破口，以此作为判断条件，形成算法。经历这样的分析过程，学生会认识到对于动态、复杂的事物，可以通过抽象建模的方式将问题分解和可视化，从而形成建模分析的意识。②综合控制意识。要引导学生意识到转弯动作的实现是对两个车轮同时进行控制的综合效果，对每个车轮的控制都包括“输入—计算—输出”三个环节。生活中一个控制效果的实现，有可能是对多个对象进行协同控制的结果，从而丰富学生对控制复杂性的理解。（4）任务动作子系统。本项目涉及的动作任务包括从餐馆取外卖箱携带至公园放下、从花店取花篮携带至医院放下。为完成任务，可在小车前端安装类似手臂的装置，如下页图7所示。携带外卖箱最简单的办法是用“手臂”将其框住后直接拖带；携带花篮最简单的方式是将“手臂”插入花篮孔后，直接拖带。以上方案虽然简单，但容易产生外卖箱、花篮脱离控制的情况，优化方案是：采用舵机，把外卖箱举起；在挑起花篮的时候，应用舵机向上转动一定角度。这样不但会解决脱离控制的问题，还可以提高小车携带物品后的行进速度。“过程与控制”模块教学要点解析：①“优化”意识培养。引入舵机作为对简单拖带方式的优化，可以使学生意识到不断寻求更高效、更稳定的解决方案的重要性，这是工程实践中必不可少的部分。②体验真实工程的多因素制约。学生在选择是否采用舵机优化搭建时，需要考虑舵机搭建和编程调试所需的时间成本。由于总得分=任务得分+时间得分，学生必须权衡使用简单方法节省时间和使用舵机提高稳定性所带来的效益对得分的影响，这样的考量使学生意识到在做真实的工程项目时，不能单纯追求技术上的完善，还要综合考虑多方面的制约因素。综上所述，课堂小型机器人工程项目为学生打造了一个贴近现实的科技实践平台。学生认识到现实世界中的“控制”绝非理想状态，会受到众多干扰因素的影响，从而意识到“控制”的复杂性，并深刻体验到科