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2019-2020年蘇科版小學(xué)信息技術(shù)《第17課 學(xué)生機(jī) 器人行走》教案（選修） ［教學(xué)目的與要求］ 1.認(rèn)識(shí)和了解機(jī)器人直流電機(jī)的工作原理。 2.學(xué)會(huì)編寫(xiě)機(jī)器人前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎的程序。 3.學(xué)會(huì)編譯、下載程序。 4.以學(xué)生自學(xué)、合作學(xué)習(xí)的方式完成編寫(xiě)機(jī)器人行走程序。 5.讓學(xué)生學(xué)會(huì)觀察、交流體會(huì)。 6.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、探索精神。 7.讓學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中體會(huì)成功的快樂(lè)。 8.利用所學(xué)的機(jī)器人知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用問(wèn)題。 ［課時(shí)安排］ 建議安排1課時(shí)。 ［教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)］ 1.重點(diǎn)：機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎程序。 2.難點(diǎn)：機(jī)器人左右轉(zhuǎn)彎，將程序?qū)懭霗C(jī)器人。 ［教材分析與教法建議］ 1．教材的地位與作用 本課是學(xué)生第一次學(xué)習(xí)通過(guò)編寫(xiě)程序控制機(jī)器人的動(dòng)作，對(duì)后面的學(xué)習(xí)有著良好的引導(dǎo)作用。開(kāi)始可以讓學(xué)生回憶前面學(xué)習(xí)的機(jī)器人知識(shí)，然后引入到怎樣讓機(jī)器人動(dòng)起來(lái)，指揮機(jī)器人完成指定的動(dòng)作，引入本課的學(xué)習(xí)。也可以播放有關(guān)機(jī)器人比賽的錄像，讓學(xué)生欣賞，再引入本課的內(nèi)容。 本課重點(diǎn)讓學(xué)生學(xué)會(huì)“直流電機(jī)”控件的編程，明白“正轉(zhuǎn)”、“反轉(zhuǎn)”、“停止”的含義，特別是設(shè)置延時(shí)時(shí)，要盡可能多些，便于學(xué)生在調(diào)試機(jī)器人時(shí)能準(zhǔn)確觀察到機(jī)器人的執(zhí)行步驟。教材中給出了機(jī)器人右轉(zhuǎn)彎的程序，讓學(xué)生探究出讓機(jī)器人左轉(zhuǎn)彎的方法。 在學(xué)生編好程序后，先編譯然后打開(kāi)機(jī)器人的電源進(jìn)行下載，特別要注意與機(jī)器人的通信方式，是串口通信還是USB口通信。在調(diào)試的過(guò)程中，如果機(jī)器人沒(méi)有按照程序去執(zhí)行動(dòng)作，請(qǐng)學(xué)生再次檢查程序是否正確，并檢查機(jī)器人各端口的連接線是否連接正確。 2．教學(xué)方法指導(dǎo) 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、自主探究法。 ［參考資料］ 直流電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。直流電機(jī)有多種不同尺寸和配置。圖1所示為一些常見(jiàn)的小型直流電機(jī)，它們非常適合用來(lái)控制小型移動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。 圖1 幾種DC電機(jī)的照片 直流電機(jī)工作時(shí)需要給電機(jī)轉(zhuǎn)子上的線圈通電。電流在線圈中流動(dòng)便產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與線圈外固定的永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相斥。這兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的力可推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 用于描述電機(jī)電源要求和電機(jī)性能的參數(shù)有很多。其中，最基本的一個(gè)就是他的工作電壓（額定電壓），該電壓是驅(qū)動(dòng)電機(jī)推薦使用的電壓。當(dāng)實(shí)際電壓低于額定電壓時(shí)，大多數(shù)電機(jī)仍可以正常工作，但輸出功率要減小。另外，大多數(shù)廠家給出的電機(jī)額定電壓都比較保守，所以當(dāng)實(shí)際電壓高于額定電壓時(shí)，電機(jī)一般也可以正常工作，但通過(guò)這種方法獲得輸出功率增加是以犧牲電機(jī)壽命為代價(jià)的。 電機(jī)的另一個(gè)性能參數(shù)是工作電流。電壓恒定時(shí)，電機(jī)上的電流與它的輸出功率成正比。當(dāng)空載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的電流最??；當(dāng)負(fù)載增大到使電機(jī)堵轉(zhuǎn)的程度時(shí)，電機(jī)上的電流最大，該電流被稱為電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流，它也是電機(jī)在額定電壓下的最大工作電流。 通過(guò)電機(jī)的電流越大，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力（或轉(zhuǎn)矩）就越大，這是電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈與周?chē)谰么盆F之間電磁場(chǎng)相互作用的直接結(jié)果。線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與通過(guò)它的電流大小成正比，而電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩與兩個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度直接相關(guān)。 評(píng)價(jià)電機(jī)性能的另一個(gè)參數(shù)是它的賭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。這個(gè)轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)在額定電壓下，被迫賭轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小，此時(shí)電機(jī)上的電流即為賭轉(zhuǎn)電流。對(duì)小電機(jī)而言，轉(zhuǎn)矩通常以盎司-英寸（1盎司=28.35克）為單位衡量（即距離電機(jī)轉(zhuǎn)軸中心為一英寸的力臂上所產(chǎn)生的直線里大小）。 電機(jī)所提供的功率大小等于輸出軸的轉(zhuǎn)速與力矩的乘積。當(dāng)電機(jī)自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（空載狀態(tài)），輸出軸轉(zhuǎn)速最大，但轉(zhuǎn)矩為零，此時(shí)電機(jī)不驅(qū)動(dòng)任何機(jī)構(gòu)，因此輸出功率為零（實(shí)際上電機(jī)也會(huì)消耗一部分功率克服內(nèi)部摩擦，但這種功率不產(chǎn)生任何輸出作用）；當(dāng)電機(jī)賭轉(zhuǎn)時(shí)，輸出最大的轉(zhuǎn)矩，但轉(zhuǎn)速為零，因此輸出功率也等于零。在兩種極限情況之間，輸出功率與轉(zhuǎn)速間呈一種拋物線的關(guān)系，如圖2所示。在其正常工作范圍的中部，電機(jī)產(chǎn)生的功率最大。 圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及輸出功率之間的理想曲線 圖中實(shí)線表示電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。在該直線的右側(cè)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大（100%），而轉(zhuǎn)矩為零，這一點(diǎn)代表了電機(jī)空轉(zhuǎn)，沒(méi)有做任何有用功的情況。而在直線的左側(cè)，轉(zhuǎn)速為零，但轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，這一點(diǎn)代表了電機(jī)因負(fù)載太大而賭轉(zhuǎn)的情況。圖中虛線表示電機(jī)的功率輸出，它等于電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積。輸出功率的最大值位于電機(jī)正常工作范圍的中點(diǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都不為零。 附送： 2019-2020年蘇科版小學(xué)信息技術(shù)《第18課 學(xué)生機(jī) 器人跳舞》教案（選修） ［教學(xué)目的與要求］ 1.認(rèn)識(shí)伺服電機(jī)，了解伺服電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)。 2.了解伺服電機(jī)的工作原理。 3.學(xué)會(huì)編寫(xiě)控制伺服電機(jī)的程序。 4.以學(xué)生自主探究、合作學(xué)習(xí)為主，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、探索精神。 5.讓學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中體會(huì)成功的快樂(lè)。 6.利用所學(xué)的機(jī)器人知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用問(wèn)題。 ［課時(shí)安排］ 建議安排1課時(shí)。 ［教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)］ 1.重點(diǎn)：學(xué)會(huì)編寫(xiě)控制伺服電機(jī)的程序。 2.難點(diǎn)：計(jì)數(shù)循環(huán)控件的設(shè)置，學(xué)會(huì)編寫(xiě)控制伺服電機(jī)的程序。 ［教材分析與教法建議］ 1．教材的地位與作用 本課的重點(diǎn)是學(xué)習(xí)機(jī)器人的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角設(shè)置?？梢韵茸寣W(xué)生觀察伺服電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生了解伺服電機(jī)的工作原理，并比較與直流電機(jī)有什么不同之處。 本課介紹了計(jì)數(shù)循環(huán)控件，教師要向?qū)W生講解計(jì)數(shù)循環(huán)控件的作用，并提醒學(xué)生注意它有兩個(gè)圖標(biāo)，中間的程序會(huì)按照計(jì)數(shù)循環(huán)控件設(shè)置的次數(shù)重復(fù)執(zhí)行。伺服電機(jī)是按照角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，最大的值為180度。 在新授內(nèi)容之后，可以安排學(xué)生將前面所學(xué)的直流電機(jī)知識(shí)結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)生編寫(xiě)邊行走邊跳舞的機(jī)器人程序。 2．教學(xué)方法指導(dǎo) 本課可以采用自主學(xué)習(xí)探究法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)。 ［參考資料］ 伺服電機(jī)是一種能根據(jù)指令到達(dá)特定位置的專(zhuān)用電機(jī)。伺服電機(jī)由一個(gè)直流電機(jī)、一個(gè)齒輪減速單元、一個(gè)軸位置傳感器和一套控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電路組成。“伺服”一詞本身是指系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)其行為能力，也就是說(shuō)，系統(tǒng)在響應(yīng)控制信號(hào)時(shí)，能夠檢測(cè)自身位置并補(bǔ)償外加的負(fù)載。 伺服電機(jī) 伺服電機(jī)主要用在定位控制方面，因此它們輸出軸的行程往往限制在180左右。伺服電機(jī)的輸入信號(hào)是控制輸出軸到達(dá)期望角位移的一串波形。伺服電路的功能是測(cè)量當(dāng)前位置并確定它與期望位置的差異。如果有差異存在，伺服電路就會(huì)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)使輸出軸達(dá)到期望位置。下圖所示為伺服電機(jī)的工作原理。 伺服電機(jī)工作原理圖 伺服電機(jī)接收一個(gè)代表輸出軸期望位置的輸入信號(hào)。伺服控制電路將輸入信號(hào)與代表輸出軸實(shí)際位置的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，并得到一個(gè)“誤差”信號(hào)去控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)。伺服電機(jī)上都有一個(gè)內(nèi)置的齒輪減速器，它的輸出才是電機(jī)的最終輸出。位置傳感器返回代表實(shí)際位置的反饋信號(hào)。 伺服控制信號(hào) 我們的伺服電機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)的三線接口，包括電源線、地線和控制線?？刂凭€采用PWM機(jī)制對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行編碼。伺服PWM不同于DC齒輪減速電機(jī)的速度控制PWM。在速度控制PWM方法中，占空比（即“ON時(shí)間”所占的百分比）決定了電機(jī)的速度。而在伺服PWM機(jī)制中，脈寬的寬度只代表一個(gè)特定的控制值。 下圖所示為三種控制伺服電機(jī)的PWM波形。波形寬度范圍從920us到2120us不等。每種脈沖的時(shí)間寬度對(duì)應(yīng)于伺服電機(jī)將要達(dá)到的特定角位移。例如，中間波形的脈沖寬度為1520us，它代表伺服電機(jī)行程范圍的中間位置。 伺服電機(jī)脈沖寬度定位波形 正脈沖的寬度決定了伺服電機(jī)的期望位置。對(duì)于我們使用的伺服電機(jī)有效的脈沖寬度范圍從920us到2120us，行程中間位置對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為1520us。