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2019-2020年蘇科版小學信息技術(shù)《第14課 學生機器人》教案（選修） ［教學目的與要求］ 1．了解學生機器人工作的基本原理。 2．了解學生機器人的構(gòu)造特點。 3．掌握學生機器人的主要部件。 4．初步理解學生機器人編程軟件的功能和作用。 5．培養(yǎng)學生的探索意識。 6．鼓勵學生從新事務中體驗樂趣，為今后的學習激發(fā)興趣。 7．嘗試接觸實物，并能夠感受其中的原理。 ［課時安排］ 建議安排2 課時。 ［教學重點與難點］ 1．重點：學生機器人的基本工作原理。 2．難點：學生機器人的主要部件的學習。 ［教材分析與教法建議］ 1．教材的地位與作用 本課為機器人部分教學的中間環(huán)節(jié)，學生由本課開始，接觸到機器人的微觀世界，并逐步開始接觸機器人原理部分的內(nèi)容，因此，建構(gòu)良好正確的認知結(jié)構(gòu)，在本課的教學中具有重要的意義。 本課的教學圍繞學生機器人展開，因為機器人的種類繁多，所以縮小認知范圍是形成必要概念的有利手段。教師在準備本課的教學中，應本著見微知著的原則，拓展學生的知識面。 2．教學方法指導 根據(jù)本課的內(nèi)容，教學中可以使用范例講授法與學生自學相結(jié)合的方法進行教學，因為本課屬于新授課，學生初次接觸機器人部件，加之本課知識點比較多，學生之前接觸機器人的機會有限，因此要結(jié)合實例進行教學。 在教學中，可以適當設(shè)計部分知識問答環(huán)節(jié)，來鼓勵學生交流，并及時溝通解決疑問。在此基礎(chǔ)上，形成一定的討論氣氛，為學生后期的合作學習打下基礎(chǔ)。 ［參考資料］ 現(xiàn)在，機器人已經(jīng)深入到人們的生活中。隨著中國教育體制的不斷改革，學生機器人成為機器人大家族中重要的一部分。學生機器人教育旨在推進青少年的素質(zhì)教育，培養(yǎng)學生綜合能力，讓學生體會學習的樂趣，享受成功的喜悅，激發(fā)求知欲望，以自信、樂觀，勇于挑戰(zhàn)的態(tài)度面對未來。 （1）獲取新知識：機器人涉及機械結(jié)構(gòu)、自動控制、信息技術(shù)學科等。 （2）提高動手能力：了解生活環(huán)境，提高想象力，創(chuàng)造力，分析、解決問題的能力。 （3）快樂教育：置身于充滿趣味性、刺激性、挑戰(zhàn)性的活動之中，激發(fā)學生學習、探索科技的興趣。 （4）勇于挑戰(zhàn)：體驗挑戰(zhàn)極限，享受成功、提高自信。 （5）參與競賽能力：互相合作、共同挑戰(zhàn)、培養(yǎng)團隊合作精神，提高管理能力。 ［參考教案］ 1．展示與引入 師：上節(jié)課我們認識了機器人的組件和主要器官，同學們來回顧一下吧。 (簡單復習上一課的內(nèi)容) 師：這些是機器人身上非常重要的部分，它們共同配合，組成了機器人，我們的機器人才能動起來。除了以上的部件器官以外，機器人到底是怎樣運動起來的呢？大家來猜一猜。 (學生討論：機器人運動的原理) 師：今天，我們就來走進機器人的內(nèi)部世界，看看它們是怎樣運動的。 (板書課題) 設(shè)計意圖：以舊引新，為新知識的學習提供基礎(chǔ)；引導學生繼續(xù)思考，激發(fā)學習的熱情。 2．新授一：機器人工作的基本原理 師：在剛才的討論中，同學們關(guān)于機器人的工作原理有以下意見： (板書意見) 方向一：電池提供動力。 方向二：計算機程序控制。 方向三：芯片控制。 (討論：這三個主要方向里面，誰更加貼近機器人工作的原理呢？) 途徑一：到教材中找尋答案。 途徑二：到課件中找尋答案。 (老師自由選擇合適的方式) 師：我們來總結(jié)一下，到底機器人工作的原理是什么呢？ (展示一次機器人的工作狀態(tài)，結(jié)合課本知識，講解工作原理) 設(shè)計意圖：從對比中引發(fā)學生的認知，理解知識的體系，從而為新知識的學習提供遷移的機會；該部分為學有余地的同學所準備，適應部分層次較高的學生來學習，是分層教學的具體運用。 3．新授二：機器人的構(gòu)造特點 師：剛剛我們看見了機器人的工作原理，這些原理是需要一定的特殊構(gòu)造來配合的，下面就讓我們再次來“解剖”機器人，看看它是怎么樣來完成這些工作的。 （教師打開實物機器人，講解內(nèi)部的結(jié)構(gòu)） （學生嘗試觀察，并可根據(jù)實際情況安排部分學生進行實踐、觸摸等體驗） 注意：本內(nèi)容教學時，要進行分組，保證每位學生都有平等的接觸機會。 設(shè)計意圖：深入理解知識，在復習已有知識的基礎(chǔ)上，指導學生有步驟地深入，直到領(lǐng)會到本課的難點內(nèi)容。 4．總結(jié)與回顧 師：今天我們一起了解了機器人的工作原理和主要構(gòu)造，這些就是機器人的一部分秘密，在后面的學習中，我們將讓我們的機器人按照我們的意愿運動起來，讓我們一起來期待吧！ 附送： 2019-2020年蘇科版小學信息技術(shù)《第15課 傳感器》教案（選修） ［教學目的與要求］ 1．學習學生機器人的“主要器官”。 2．能夠了解傳感器的主要功能。 3．平等交流，掌握各“器官”的作用。 4．能夠建立正確的機器人整體概念。 5．學會正確對待傳感器的工作方式。 6．激發(fā)對學生機器人這一信息媒體的學習熱情。 7．嘗試用人的“器官”概念理解機器人的“器官”概念。 8．為傳感器的學習建立合適的實踐渠道。 ［課時安排］ 建議安排2 課時。 ［教學重點與難點］ 1．重點：學習學生機器人的“主要器官”。 2．難點：理解傳感器的功能。 ［教材分析與教法建議］ 1．教材的地位與作用 本課是機器人部分內(nèi)容中，傳感器部分的重點章節(jié)，起到承上啟下的作用。傳感器的學習在小學信息技術(shù)階段有著重要的意義，是學生理解學生機器人原理、設(shè)計學生機器人運動的重要環(huán)節(jié)，對促發(fā)學生的整體概念形成有著舉足輕重的作用。 本課教學的重點內(nèi)容在于讓學生了解傳感器的原理和功能，促進學生的知識遷移。本課是前面知識的總結(jié)和提高，也是今后學習的基礎(chǔ)。 2．教學方法指導 （1）本課是練習學生創(chuàng)新能力的實踐課，要求學生盡可能多地使用本單元學習的技術(shù)。 （2）教師應該事先準備好學生制作機器人所需的素材、傳感器實物等。 （3）本節(jié)課的關(guān)鍵是“評價與共享”，這既是指技術(shù)上的評價，也是指資源上的共享。全班交流，小組內(nèi)研究。 （4）教師應合理安排好時間，交流部分是本節(jié)課的難點，既要運用準確的語言介紹作品，又要給予充分的時間讓學生接觸實物。 ［參考資料］ 傳感器是機器人和現(xiàn)實世界之間的紐帶。一般根據(jù)傳感器的工作特征，可以分為：光學傳感器（顧名思義就是對光產(chǎn)生反應的傳感器，比如紅外傳感器）、聲傳感器（比如microphone）、力傳感器（比如壓敏傳感器）、位置傳感器（比如陀螺儀）。 光傳感器： 光傳感器的范圍很廣，有最簡單的光敏電阻，就是光強度的大小改變電阻的阻值從而實現(xiàn)對光強度的感知，也有目前最復雜的攝像頭Camera。然而在我們機器人中，用得最多的是Infra-red 紅外傳感器，其中的紅外接近傳感器是機器人在運動過程中必不可少的傳感器，通過它，目前我們可以獲得機器人的在移動過程中與前面障礙物之間的距離，當然這距離非常短。不過，對于我們的機器人來說，這也是目前唯一的可承受的選擇。 還有一種目前比較有用的紅外傳感器是叫紅外探測器，它不同于上面的紅外接近傳感器，它沒有紅外發(fā)射器，只有一個紅外接受單元，由被測物體發(fā)出紅外信號。一般用來做熱感應用，比如人走近或者動物走進這樣的傳感器時，它就會產(chǎn)生信號。在生產(chǎn)安全領(lǐng)域用的比較多。對于我們嗎，最多就是有人走進的時候能夠作為一種感知手段來讓機器人獲得：“哇，有個發(fā)紅外線的家伙沖我走過來了”這樣的信息。 還有一種目前我們也能承受的是攝像頭，與之相配套的，能應用于機器人的識別軟件和硬件還相對比較少和昂貴，目前成熟的市場產(chǎn)品有美國卡耐基-梅隆大學開發(fā)的CMU-Camera套裝，但是價格較為昂貴。但是如果我們不用他們的套裝，自己開發(fā)的話，其它硬件投入相對少了，但是你要對計算機編程相當精通，而且難度相對很大。 力傳感器： 力傳感器是用來檢測碰撞或者接觸信號的，比如機械手的應用，當你放一個東西到機械手的時候，機械手自動抓住它，它就需要力傳感器檢測東西抓得緊不緊。典型的力傳感器是微動開關(guān)和壓敏傳感器。微動開關(guān)其實就是一個小開關(guān)，通過調(diào)節(jié)開關(guān)上的杠桿長短，能夠調(diào)節(jié)觸動開關(guān)的力的大小。用來做碰撞檢測這是最好不過了。但是這種傳感器必須事先確定好力的閥值，也就是說只能實現(xiàn)硬件控制。而壓敏傳感器是能根據(jù)受力大小，自動調(diào)節(jié)輸出電壓或者電流，從而可以實現(xiàn)軟件控制。 聲覺傳感器： 目前最多的也就是麥克風了。主要的問題是如何處理聲音信號。當前沒有一個比較好的聲音解決方案。超聲波傳感器和紅外接近傳感器很像，也屬于距離探測傳感器，但是它能提供比紅外傳感器更遠的探測范圍，而且還能提供一個范圍的探測而不是一條線的探測。也是目前用的最多的距離傳感器之一了。 位置和姿態(tài)傳感器： 機器人在移動或者動作的時候必須時時刻刻知道自己的姿態(tài)動作，否則就會產(chǎn)生控制中的一個開環(huán)問題，沒有反饋。位置傳感器和姿態(tài)傳感器就是這個用的。常用的有光電編碼器，由于機器人的執(zhí)行機構(gòu)一般是電機驅(qū)動，通過計算電機轉(zhuǎn)的圈數(shù)，可以得出電機帶動部件的大致位置，編碼器就是這樣一種傳感器，它一般和電機軸或者轉(zhuǎn)動部件直接連接，電機或者轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)了多少圈或者角度能夠通過編碼器讀出，控制軟件再根據(jù)讀出數(shù)據(jù)進行位置估計。還有一種是陀螺儀，這是利用陀螺原理制作的傳感器，主要可以測得移動機器人的移動加速度，轉(zhuǎn)過的角度等信息。 ［參考教案］ 1．引入 師：同學們，你們喜歡《機器貓》嗎？你最喜歡其中的哪個人物或一段故事情呢？ 生：回答老師提問。 師：機器貓就是一種虛擬的機器人，它非常能干，可以幫助小主人公完成很多心愿。這些就是靠它靈巧的雙手完成的。今天，就讓我們來繼續(xù)學習學生機器人的小器官是怎么樣變出“大神奇”的。 (板書課題) 設(shè)計意圖：以“有知”喚醒“無序”，從實物入手，幫助學生克服學習新知識的恐懼心理。 2．新授一：學習機器人的“主要器官”(第一課時) 師： 機器貓非常靈活，它是小主人公的好朋友，請你觀察下它，看看它是怎么樣讓小主人 知道它的喜怒哀樂的呢？ (播放機器貓的視頻片斷) (學生討論) 師：請回答下面一組問題： （1） 機器人的“表情”部件有哪些？ （2） 機器人的“感覺”部件有哪些？ （3） 在機器貓的身上找一找，它們都藏在哪里了呢？ (學生回答問題，接合課本內(nèi)容，并討論) (觀察多組學生機器人的照片，介紹機器人的主要器官組成，有條件的情況下，可讓學生動手觸摸學生機器人) 設(shè)計意圖：用學生較為熟悉的實物作為切入口，幫助學生完成知識的遷移；在真實的環(huán)境中完成學習的環(huán)節(jié)。 ３．新授二：了解傳感器的主要功能(第二課時) 師：機器貓可以完成很多復雜的工作，神奇極了，在現(xiàn)實的學生機器人身上，也能有這樣的神奇。不過，它們運動的時候，可不是像我們?nèi)祟愐粯?，用手腳來運動，而是通過一個特別重要的器官來實現(xiàn)的，它就是――傳感器！讓我們一起來看看這個神奇的器官！ (學生看書，閱讀相關(guān)的章節(jié)) (教師輔導巡視) 知識小問答： （1） 傳感器相當于人類的什么器官呢？ （2） 傳感器分為哪幾種類型呢？ （3） 每種類型的工作動力是什么呢？ （4） 為什么機器人一定要有傳感器呢？ (學生分小組討論) 師：結(jié)合實物進行詳細的講解。 (學生觀察) 注意：此處學生適應有一定難度，教師可接合課件中的圖片進行詳細的講解，幫助學生適應過程。根據(jù)不同的生源特點，教師要采用不同的進度和頻率，保證學生的學習效果。 設(shè)計意圖：在理解、完成上個任務的基礎(chǔ)上，再次提升任務的難度，讓學生在此中領(lǐng)略知識的快感；將復雜的知識細化，幫助學生梳理已有的知識體系；用客觀形象來加深學生的理解；讓學生有機會和老師進行接觸，避免過于單調(diào)的學習交流。 4．總結(jié)與評價 師：今天我們學習了學生機器人的重要的器官傳感器，在后面的學習中，我們要常常接觸到它們，今天的機器人之所以能這么靈活，也和它有著密切的關(guān)系。除了教材中介紹的知識以外，傳感器還有很多種類，請回家查找資料。 設(shè)計意圖：幫助學生拓展知識面。