《机器人穿越浮桥》教学设计

翁国军

● 教材分析

本课教学内容取材于浙江省义务教育教科书《信息技术》九年级第15课《机器人认路》。学习任务是通过机器人认路项目的实施，掌握利用灰度传感器感知路线，完成沿固定路线行走的任务，了解机器人获取外部环境信息的方式，理解机器人如何根据各种信息做出决策。涉及的知识点有传感器的种类、灰度传感器、条件循环和分支结构。实体机器人项目受到硬件、场地因素的影响，目前还难以在我校全体学生中开展课堂教学。基于3D仿真平台的虚拟机器人项目是理想状态下的机器人项目，受硬件条件和外部环境的影响较少。我区在2013年引进区域版的萝卜圈仿真机器人平台。结合教材的教学环境，我选择了萝卜圈机器人在线仿真平台中的《穿越浮桥》作为任务载体，利用双灰度传感器来感知行走的轨迹，完成穿越浮桥的任务，让学生在实践中体会机器人完成任务的一般流程，理解双灰度传感器的工作原理，感悟通过个人努力让机器人完成任务之后的愉悦。

● 学情分析

本课学习对象为八年级学生，经历了五年多的信息技术课程学习，具有比较扎实的知识经验和操作基础。学生在初中阶段接触过机器人项目学习，初步了解模块化编程的方法，对机器人项目学习有着浓厚的兴趣，对前沿知识和新技术有着较强的求知欲望。此外，在以往的学习中，学生对流程图有所了解，但没有亲自设计过，对萝卜圈仿真机器人平台没有接触过，需要在教学设计时做铺垫与充分的准备，在教学实施中加以关注和引导。

● 教学目标

知识与技能目标：通过分析机器人穿越浮桥的任务，初步构建机器人完成任务的基本模型，理解双灰度传感器的工作原理。通过设计双灰度传感器工作原理流程图，了解算法与流程图的作用，掌握程序设计的思维方法。通过编写运行、调试运行、优化程序，掌握在3D仿真环境中程序的设计方法。

过程与方法目标：通过观察分析、交流讨论、拼流程图、编写程序、调试优化等过程，体验让机器人完成穿越浮桥任务的整个流程，提高逻辑思维能力和程序设计能力。

情感态度与价值观目标：在参与机器人穿越浮桥面的项目活动中，体验完成任务的成功感，增强自主探究意识，提高对虚拟机器人项目的学习兴趣。

● 教学重、难点

重点：双灰度传感器的工作原理;机器人完成任务的一般流程。

难点：在仿真平台中实现机器人穿越浮桥的程序设计。

● 整体思路

机器人教育具有很强的实践性、探究性和综合性，可以引导学生进入一个激动人心的前沿领域，学生在机器人的设计、搭建、编程、调试过程中，不断地体验到完成任务之后的成功感与自信心，提高实践操作能力和逻辑思维能力。本课以让学生感受机器人完成任务的整个过程为主，将教学目标主要定位在理解机器人利用传感器完成任务上，按照“分析建模—设计流程图—编程运行—调试优化”这个顺序展开教学。在教学中，我选择了灰度传感器作为机器人巡线行走的感应器，也作为传感器的一个范例，让学生通过观察分析和实践体验，经历机器人穿越悬浮桥的整个过程，理解灰度传感器在机器人巡线行走过程中的作用，掌握在仿真平台中编写程序控制机器人巡线走的方法，最后通过拓展提升，让学生了解传感器和机器人在我们日常生活中的广泛应用，激发学生进一步研究各类传感器和学习机器人的兴趣。通过本课学习体验，我希望学生能够了解到机器人完成任务是通过计算机程序来控制的，体验程序设计的一般过程和思维方法，在不断地发现问题、分析问题、解决问题的过程中感受到机器人项目的乐趣，提高逻辑思维能力和实践操作能力，增强自主学习探究的积极性。

● 教学准备

在计算机教室安装好IrobotQ 3D机器人在线仿真平台及其客户端;事先搭建好装有左右双灰度传感器的机器人，并做好相关参数的设置;为每位学生准备一套用来设计流程图的相关材料，供学生练习使用;实物投影仪。

● 教学过程

1.创设情境，揭示任务

（1）视频导入，引出学习主题

教师播放一段经过加工处理的各种巡线机器人项目活动的视频，激发学生的兴趣，引出“机器人穿越浮桥”，即“机器人沿着轨迹行走”的学习主题。

（2）情境呈现，揭示学习任务

教师用图片呈现机器人在魔幻寻宝途中要通过一座浮桥（如下页图1），引出本课的任务：机器人穿越浮桥。

设计意图：通过将多个不同的巡线机器人项目竞赛的视频整合起来播放，用真实的事件激发学生的兴趣，营造科技氛围，引出本课的学习主题。通过呈现具体的情境，让学生了解本课中机器人要完成的任务中沿着沿轨迹行走，为后续学习做好铺垫。

2.分析任务，建构模型

（1）观察思考，提取浮桥上的轨迹

教师引导学生观察情境图片（如下页图2），从机器人穿越浮桥的任务中提取出轨迹，便于学生观察和分析。

（2）分析任务，归纳机器人行走路线

教师引导学生分析思考，得出机器人沿轨迹行走的路线，初步构建任务模型：直行→左转→直行→右转→直行→右转→直行→左转→直行。

（3）提出问题，分析双灰度传感器工作原理

教师以机器人在穿越浮桥时需要左转和右转，引出“双灰度传感器”。

学生观察认识装有左右双灰度传感器的机器人图片，探讨双灰度传感器在机器人“穿越浮桥”过程中的工作原理。

结论：当左灰度传感器检测到线时，机器人左转;当右灰度传感器检测到线时，机器人右转;两个传感器都没检测到线时，机器人直行。

设计意图：从情境图中提取机器人将要行走的道路轨迹，以便对任务进行详细的分析。激发已有认知经验，得出机器人的行走路线，培养学生观察发现和分析问题的能力。通过知识迁移引出双灰度传感器，借助启发、观察图、讨论等方式，引导学生积极思考分析，得出结论，表述观点，增强解决问题的意识与能力。

3.解决问题，设计流程图

（1）设计流程图

拼图活动：学生利用教师提供的流程图素材，在虚线框内拼出机器人转弯的流程图，并画出相应的流程线，得出机器人穿越浮桥的程序流程图（如图3）。

（2）展示交流，了解程序结构

教师展示学生设计的流程图并组织学生进行分析评价，再利用课件出示教师设计的流程图，引导学生观察，师生共同分析让机器人完成穿越浮桥这一任务的整个流程。教师介绍该程序中的两种结构：分支结构和循环结构，并指出程序设计的三种常用结构为循环结构、分支结构和顺序结构。

设计意图：为了提高课堂效率，了解用流程图方式说明实现一个解决方案所需完成的一系列操作，在本课中教师准备了流程图的相关元素，让学生根据双灰度传感器的工作原理进行拼图活动并画出流程线，完成机器人穿越浮桥的流程图，理解双灰度传感器器工作原理，了解算法与流程图的作用，提高逻辑思维能力。通过展示交流，教师让学生根据流程图来描述让机器人穿越浮桥的整个流程，明确机器人完成任务的主要步骤，初步了解程序的选择结构和循环结构，为接下来编写程序做好铺垫。

4.实践体验，程序实现

（1）编写程序

教师组织学生根据设计好的流程图来编写机器人穿越浮桥的程序。进入仿真平台，教师先引领做部分的讲解与演示说明，然后学生尝试独立编写程序。说明：①“while永远循环”的作用;②灰度值设置为“<103”;③学生自主探索编写程序（提供导学单）。

（2）运行程序

教师提醒编写好机器人程序的学生运行程序。提示：①选择机器人、选择程序;②选择一个空座位;③单击“运行”按钮;④成功后提交成绩。教师公布第一个完成任务的学生姓名，引导其他学生前去观看和咨询。

（3）调试优化程序

教师呈现一个机器人穿越浮桥掉下悬崖而失败的案例，分析失败的原因，引出要修改参数，反复调试程序。

分层教学：①没有完成的学生根据分析继续调试程序，完成任务提交成绩;②已经完成的学生尝试优化程序，提高机器人完成任务的效率，成功后再提交新的成绩。

教师登录仿真机器人软件管理平台，呈现所有学生的成绩排行榜，表彰冠军。

（4）交流探讨

请成绩排行榜中的首位学生交流心得经验，引出进一步的探索的欲望。

学生反馈：如何提高机器人的工作效率？

结论：调整直流电机值。

教师设疑：这些值是不是越大或越小就越好呢？

结论：不是。要根据实际情况，反复调试，找到合适的数值。

设计意图：①让学生在仿真环境中根据流程图编写程序，培养程序设计意识。为了让全体学生都能顺利编写出程序，体验成功，教师在这里直接给出灰度值。②通过运行程序，观察机器人穿越浮桥的行走过程，在真实的情境中体会双灰度传感器的作用。利用同伴效应激励同学间的相互学习与交流。③师生共同分析失败原因，拓展思维空间，提高分析问题、解决问题的能力。学生编写程序的速度不一，成败皆有可能。考虑到学生的差异，设置挑战任务让学生有所选择，满足不同层面学生的需要。引入排行榜，增加竞争性和趣味性。④通过学生间的交流进行拓展延伸，了解直流电机值的作用，体验改变参数值对机器人完成任务的影响，激发学生进一步自主探索的积极性。

5.回顾梳理，拓展提升

（1）回顾梳理

回顾本节课学习过程，引导学生总结让机器人完成任务的流程：分析建模—设计流程图—编程运行—调试优化。

引导学生回顾梳理左右灰度传感器的工作原理。梳理：当左灰度传感器检测到线时，机器人向左转;当右灰度传感器检测到线时，机器人向右转;两个传感器都没检测到线时，机器人直行。

（2）拓展提升

教师课件出示两组图片及视频，了解传感器在生活中的广泛应用。之后再总结提升，激励学生去探索传感器，研究机器人。

设计意图：①借助两个问题并利用板书引导学生再现学习过程，梳理所学的知识技能，归纳一般方法，形成知识序列，明确让机器人完成任务的基本流程，理解双灰度传感器的工作原理。②结合传感器在实际生活中的应用，激励学生进一步探索机器人的奥秘，增强情感体验。

● 教学反思

机器人教学走进课堂，已经由原来的设想到现在的真实实践，并以蓬勃姿态前进着。这节课选用的是萝卜圈三维虚拟机器人仿真平台，机器人穿越浮桥的任务就是仿真平台中的一个资源。在仿真平台中，根据任务需求搭建虚拟机器人小车，设置相关属性，再利用平台中提供的模块编写程序，根据需要调试程序，就可以在仿真环境体验到机器人完成任务的全过程。真实的情境和精美的画面很吸引学生的兴趣。同时，还可以边修改边调试，及时与学生互动，查看排行榜，极大地激发了学生主动探究的热情。