机器人教案范例6篇

机器人教案

机器人教案范文1

关键词:机器人;教学方法;教学实践;程序设计

中图分类号:G712文献标示码:T

机电一体化是一门新兴的边缘科学,是随着电子技术、计算机技术的高速发展应运而生的。机器人是典型的机电一体化产品。目前机器人已经走进人民的生产生活,在很多领域代替人类的劳动,发挥着越来越重要的作用。伴随着机器人技术的发展,机器人编程已成为机器人技术的一个重要部分,并且得到发展和完善。

1.培养程序设计能力

程序设计能力的培养是一个逐步递进的过程,不是一蹴而就的。机电一体化专业不同于计算机专业,程序设计只是一个应用工具,因此不要求学生系统掌握程序设计知识,而是打乱知识体系结构,从应用出发,以够用为原则,将知识点打散,分散到每个实际的案例中。通过具体案例的实现,掌握案例中涉及的知识点,并通过拓展案例,达到举一反三的目的。学生按照阅读程序、理解语法、编写代码、调试程序、实战应用、知识拓展的步骤,逐步学习掌握程序设计的相关知识。

1.1 采用项目教学法进行课程设置

《机器人控制技术》课程在教学内容的选取上采用项目教学法:即将教学内容拆分,融入到不同的项目中,分解任务,逐步递进,降低学生的学习难度,增强学生的学习兴趣。采用机器人为平台,学生编程可以马上看到运行效果,促进学生程序设计能力的培养。具体项目包括:

一、机器人走四边形

二、机器人避障

三、机器人寻黑前进

四、综合训练及考核(实操)

五、单舵机"栏杆"组装与测试

六、双舵机"机械手"组装与测试

七、半人形机器人组装与调试

八、人形机器人组装与调试

九、Motoman机器人搬运

十、RBT-6T/S-01S教学机械手喷涂

1.2 培养学习主动性,提高编程兴趣

学生学习,培养兴趣是关键。在教学过程中,通过具体的案例演示、任务驱动、竞赛项目,激发学生对所学知识的兴趣。在机器人平台上运行程序,实时看到效果,可以帮助学生理解与掌握相关知识,并且随时可与同学对战,检验程序的优劣,提高学生编程的兴趣。

1.3 案例驱动教学法,提高程序阅读能力

在项目实现的过程中,设计不同级别的案例和综合练习,优化教学内容,理论联系实际。在实际案例的学习中,学生通过阅读案例代码,理解机器人控制中相关程序设计的基础知识,了解和掌握基本的编程方法与技巧,提高程序阅读能力。

1.4 任务驱动教学法,提高编写代码能力

在实施任务驱动教学方法过程中,注意将教学与学生的认知能力和编程风格的培养有机地结合起来。激发学生的学习热情和主动性,启发和指导学生积极思维,阅读学习经典、规范化的程序示例。鼓励学生主动参与实践活动,培养他们运用程序设计方法进行分析问题和解决问题的能力,逐渐形成自己良好的编程风格,从而提高学生编写程序代码的能力。

1.5 丰富实践教学,提高程序调试能力

编程序不难,编好程序不易。机器人控制是实践性很强的课程,要安排丰富的实践教学内容,让学生实际动手操作。在实践过程中,通过不断的编程、调试,检查、修改错误,最终让程序正确执行,达到控制机器人运动的预期目标,使学生调试程序的能力得到充分的锻炼与提升。

1.6 培养创造性思维,强化程序设计能力

程序设计能力对机器人控制的效果有重要作用。程序设计是高强度的脑力劳动,是创造性的艺术,不是听会的,其真知灼见是从实践中获得的。程序设计能力的培养,是通过案例设计实现兴趣引导,通过项目设计加强创造性思维培养,通过项目训练提高应用能力。鼓励学生主动参与机器人控制的实践活动,培养编写机器人控制程序的能力。

1.7 培养团队意识,提高协作能力

机器人控制不是简单的任务,因此教师把学生分为若干团队,通过相互协作来完成任务。每个团队3~4人,可以学生自由组合,也可以老师指定。团队中的成员都要完成一定的编码量,以提高编程能力。团队成员根据各自的特长分工学习,碰到问题时一起交流、讨论。团队与团队之间可以随时进行比赛,取长补短。实践证明,这种组织方式能提高学生的协作学习能力,培养学生的沟通能力、包容能力和团队意识,为走向工作岗位打下良好的基础

2.《机器人控制技术》项目实践范例

项目一:机器人走四边形,学生4人一组,采用分组的形式进行。

2.1 案例展示

如图1所示,按照示意图要求完成机器人走四边形。

图1 机器人走四边形

首先教师展示做好的案例,控制机器人走四边形,让学生有感性认识;其次,教师给出编好的程序代码,解释每个语句的作用,帮助学生读懂程序;最后结合代码,讲解涉及到的知识点。

2.2 任务驱动

在走四边形案例的基础上引入分支结构,让机器人走正方形;进而引入循环结构,让机器人循环走正方形,培养学生编写代码和调试代码的能力,实现知识递进学习。

2.3 项目拓展

编写程序,完成如图2所示的"走8字形"。

图2 机器人走8字形

通过这三步教学,使学生能学会Qbasic软件基本语句格式及功能,明确本次课程涉及到的指令作用及用法,学会机器人向前、后、左、右行走以及走四边形仿真编程操作,完成项目一的训练任务。

3.教学实践效果

通过考核学生的学习成绩和实际效果,证明程序设计类课程的学习成绩有明显的提升,程序设计能力有明显提高。

通过竞赛和技能大赛,为学生提供了展示应用程序设计控制机器人的舞台,激发了学生学习的主动性,并将技能大赛内容提炼转化为课程教学改革项目,并反映到了教学过程中去,促进了课程教学改革,从而提高了教育教学质量。

4.结束语

程序设计能力的培养,可以有效提高学生的学习兴趣,有效提升学生自学能力、创新能力、协作能力,促进专业课程的学习,进而提升就业能力。因此程序设计能力的培养对机电一体化专业的学生具有重要作用。

参考文献

[1]张节兰,姜亚民关于高职生程序设计能力的分析与培养职教论坛2010(2)64-65

[2]耿国华程序设计能力培养模式的探索与实践中国大学教育2009年第3期30-32

机器人教案范文2

“机械奥运”机器人项目集机械、声、光、电、信息技术于一体,具有广泛的知识涵盖面。它是将设计制作与操控竞技结合,趣味性、观赏性、科学性兼备,深受学生喜爱的综合性科技活动。是沪港澳三地青少年步行机器人竞赛交流项目。内容有机械篮球、足球、短跑等十几项竞赛。拥有广泛的群众基础。它更是培养青少年创新能力,团队精神,树立科学道德规范的理想活动载体。

为了推动青少年“机械奥运”项目的发展,普及机器人科技知识,激发学生的科学兴趣,培养创新能力和正确的科学道德观。我们从课程建设的角度,初步构建了以问题化、信息化、模块化为主要特征的“机械奥运”活动项目课程内容体系。开发了面向全体学生的课程化教材及系列化配套器材。

目前宝山区青少年“机械奥运”系列竞赛活动已形成了传统,目的是力求为青少年提供一个学习、实践、展示科学素养的大舞台。

二、活动目的与理念

1.“机械奥运”项目竞赛活动方案设计,要实现由单纯性技能操练向以培养创造能力为重点的转变。注重知识学习与活动实践相结合,注重学习过程的科学探究,更注重探究过程中的道德体验、感悟与内化,引导学生形成持久的创新动力和正确的科学态度(见表1)。

2.学生科学探究能力的培养,要求在“机械奥运”项目竞赛活动方案设计中有完整的知识体系。十几项机器人竞技项目覆盖了从小学到高中的各年龄层学生,让每个青少年都有展示自己创造才能的机会(见表2)。

3.通过机器人竞技系列活动,逐渐在宝山区形成一支高素质的科技辅导员网络化队伍。措施:举办科技教师继续教育240培训班,定期举行学科教研活动。具体要求:

(1)学习普及型机器人科技基础理论知识,逐渐形成区科技辅导员网络化队伍。

(2)区科技辅导员具备较强的动手实践能力,示范教学能力。

(3)能够设计学校科技活动方案,组织学生科技社团活动。

,

(4)能够辅导学生参与科技集训、竞赛活动。骨干学校确立自己的优势项目,形成科技品牌。

三、活动方案的创新特色

1.以自主开发的《模块式步行机器人》器材和课程化教材为基础,设计了系列化竞赛活动。注重创立探究需求的情景,形成了以学生为本,师生互动,民主和谐的“科学人文”环境。

2.活动以步行机器人为主题,以知识学习和操控技能相结合为特点的区级综合性青少年竞赛活动,内容覆盖了从小学到高中的各年龄层学生。

3.整个活动内涵丰富,努力营造充满高尚情趣和时代精神的场景,让学生有获得成功的情感需求,在这种集科学、艺术、竞技、娱乐为一体的探索活动过程中体验人生,陶冶情操,完善人格。

4.活动过程也是逐渐形成我区科技辅导员网络化队伍的过程,师资培训属于活动的重要组成部分,要先于活动的开展,并成为常态化制度。

5.活动过程中师生互动,教学相长。不断吸取创意灵感,为开拓新的活动项目积累资料。

四、实施活动的基础条件

1.宝山区校外教育基础雄厚。有专职机器人项目教师,积累了比较丰富的组织综合性大赛的经验。

2.自主研发了《模块式步行机器人》系列科教器材和课程化教材。为普及型机器人活动深入发展打下了基础。

3.宝山区有一支素质比较高的科技辅导员队伍,教学科研初具水平,活动的开展具备优越的师资条件。

4.步行机器人竞技项目还是宝山区科技教育品牌项目,得到了区教育局的政策支持,拨给专项活动经费予以保障。对于活动的开展十分有利。

5.我区基层学校设施完备,有些学校还拥有室内体育场馆,而且基层学校有专项科技活动经费,活动开展有保障。

6.暑期社区青少年机器人活动频繁,社区组织开展此类活动意愿强烈。有力促进我区青少年机器人活动的发展。

五、实施活动尚需注意的问题

宝山区是我市城乡结合的行政区,地域广大,乡镇学校多而分散,城乡学校在科技教育资源方面有一定差距。这要求区少科站在师资培训、活动指导、器材经费等方面有所倾斜。

六、竞技活动内容与知识重点(见表3)

七、竞赛活动组织机构与职责

组织管理机制如图1所示。

八、活动参与对象和时间安排(见表4、表5)

九、活动内容与阶段设置

“机器人竞技场”活动方案阶段设置与活动内容关系如图2所示。

十、活动过程

第一阶段:活动准备阶段

(一)前期准备:科研先行、资料收集、设备添置。

1.开发成功《模块式步行机器人》科教器和课程化教材。

2.收集整理项目竞赛内容、形式、规则等资料。 (参考了沪港澳青少年机械奥运竞赛组织经验)

3.打造竞赛道具,消耗用品,准备奖品等。

4.落实承办单位。

具体落实:师资队伍建设,基层活动开展。

(二)重点实施

1.利用网络媒体,下发文件进行广泛动员。

2.定期举行区科技教师项目教研活动,举办科技教师机器人项目培训班。

3.《模块式步行机器人》校本课程,活动器材进入课堂。

4.了解各校活动情况,参赛项目、参赛意愿、有何困难、有何需求等信息反馈。

5.根据各校反馈情况,区少科站项目教师下基层学校进行专项指导和服务。

6.印发竞赛规则,竞赛程序册。   7.组织学校报名参赛。

8.组织与竞赛规则有关的区级教研活动(见表6)。

第二阶段:活动主体阶段――机器人创意、设计、制作及竞技活动

竞赛项目一:机器人短跑

竞赛组别:小学三、四、五年级

1.活动形式

学校科技教师组织学生利用班组、小队、科技社团、家庭或社区等各种形式进行机器人科技探索活动。

2.活动内容与时间安排

(1)机器人知识与制作的探索研究(每周活动一次,活动时间段从3月~5月中旬)。

(2)机器人短跑竞技比赛(宝山区青少年“机器人竞技场”竞赛项目之一,计划利用五月科技周的一天,与其他各个竞赛项目一起集中举行)。

3.活动过程

(1)短跑机器人模块构建方案的探索:设立探求情景,要求学生在教师指导下,自主研制出竞赛机器人。给出三种机器人模块构建方案,制作和调试难度逐渐递进,机械知识相互衔接。学生通过多方案的制作实践。分析比较各方案优劣,就自然形成了探究学习的过程。

名称:曲柄连杆式四足步行机器人,如图3所示。   知识点:①四连杆机构。②齿轮传动机构。③机器人肢端运动轨迹分析。

名称:曲柄滑槽式四足步行机器人,如图4所示。

知识点:①曲柄摇杆机构。②曲柄滑槽机构。③机器人肢端运动轨迹分析。

名称:交叉

连杆式四足步行机器人,如图5所示。

知识点:①四连机杆机构中的双摇杆机构。②四连机杆机构的多种组合。③机器人肢端运动轨迹分析。

(2)机械知识与制作技能的探索研究(见表7)

(3)竞技比赛:本比赛纯粹是速度的较量,比赛以最快完成2m短跑的机器人为胜。

机器人短跑比赛规则   1.机器人规格

(1)机器人只可以单电机双电池运作。   (2)机器人长度不能超越300mm,阔度不能超过150mm,高度不能超过180mm(长、阔、高尺寸不能互换)。总重量不能超越500g(包括电池)。

(3)机器人必须以步行方式完成比赛。

(4)在比赛时,机器人不可有任何装置改变机械原本之尺寸。

2.比赛场地规格

(1)比赛时采用水平短跑赛道板,跑道2000mm长,起跑区长400mm,如图6所示。

(2)赛道上共有6条跑道。每条跑道阔150mm。

(3)定时器会置于赛道板末。

3.比赛规则

(1)比赛以最短时间完成指定距离来决定胜负。

(2)参赛者可选择待栏闸打开才启动/放下机械,或是先启动/放下机器人等待栏闸打开。

(3)参赛者不可再碰触已离开起跑区的机械,机器人若停止活动或在限时30秒内未能到达终点会当作仍未能完成比赛(见表8)。

竞赛项目二:机器人拔河

组别:小学四年级~初中一年级

1.活动形式、要求和时间:同前(略)。

2.活动过程

(1)机器人知识与制作技能的探索研究

知识点:①齿轮传动比与动力轴转速及动力输出力矩的关系。②机器人的重力、重心、足底接触面积和摩擦材料、作用力方向等机械力学知识。

机械原理:步行机构(单侧步行足)由曲柄滑槽机构和两组曲柄摇杆机构共一个动力曲柄组成的复合机械装置(如图7所示),动力装置采用四级齿轮传动低转速方案。

机械方案特点分析:机器人左右足底板相连,左右足同步迈进。中足与前后四错落地行走。这种方案使得机器人在拔河竞赛时,拉力方向始终在中轴线上。比较符合力学原理。而采用交错步的机器人会因重心左右摆动,拉力线也会随之漂移。另外脚板面积也不易做大。

模块构建方案的探索:①指导学生以力学原理构建模型方案,讨论下列方案依据。机器人采用左右足底板相连,左右足同步迈足方案的依据。②机器人采用相对较短曲柄,小步幅组装,减速齿轮箱采用低转速(四级齿轮传动)高扭力方案的力学依据。③机器人足底板的制作:要求尺寸准确,胶皮粘合均匀平整。在规则允许的范围,足底板的面积尽可能大。④机械组装(略)。⑤调试(略)。

讨论与思考:①请同学运用初中物理学知识,研究拔河机器人的重量、脚底板面积、采用的材料和摩擦力的关系。②用力学知识,分析判断机器人配重是采用均衡分布,还是集中一点方案?如何确定配重物的位置?③尝试研究新的拔河机器人构建方案。

(2)竞技比赛

此项比赛主要测试各机器人之力度,机器人要以步行的方式移动,比赛是以最快将对方拉出指定范围者为胜。

机器人拔河比赛规则

1.机器入规格

(1)机器人只可以单马达双电池运作。

(2)机器人长度不能超越300mm,阔度不能超过150mm,高度不能超过180mm,总重量不能超越500g(包括电池)。 (长、阔、高尺寸不能互换)

(3)拔河采用长150mm的电线扣为联系两台机械之物件。

(4)机器人身体末端中央离地60mm~90mm处须装置一个直径lOmm的金属羊眼圈,以便钩上拔河之电线扣,如图8所示。

(5)机器人必须以四足步行方式移动,每只脚掌面积不能超过25mm×50mm步行时每只脚板均会离开地面。机器人不应有任何部分永久接触地面。

(6)机器人接触地面的部分不应有高度黏性(以不粘起一张80g的A4打印纸超过3秒为准)。

2.比赛场地规格

本比赛采用拔河赛道板。拔河赛道板

长1000mm x阔180mm×高180mm,于中线前后各有75mm阔之标记,如图9所不。

3.比赛规则

(1)比赛以一场分出胜负,比赛由裁判示意开始,当机器人将对方拉出每边65mm的比赛范围之外便告胜出。

(2)比赛限时为1分钟,若在时限内仍未能分出胜负,则以重量较轻者为胜。

(3)比赛开始时若机器人不能启动或中途停止活动,机器人就当作败论(见表9)。

竞赛项目三:寻迹追踪机器人

组别:高中一、二、三年级

1.活动形式、要求和时间:同前(略)

2.活动内容

(1)按比赛规则制作一个绕障竞速机器人。

(2)学习操控机器人的技术。

(3)在绕障竞速机器人的基础上,发展出追踪机器人。

3.重点

(1)机器人模块构建方案确定。

(2)网上查找追踪机器人电子光控线路资料。

4.难点

电子光控线路的制作与机器人的匹配调试。

5.活动过程

(1)机械原理

步行机构(单侧步行足)由四组四连杆机构共用一个动力曲柄组成的复合机械装置。模型采用一体双板形式。两组齿轮箱分别给左右步行足提供动力。使得机器人前进后退,左右转弯灵活自如,操控性极佳。

(2)绕障机器人(如图10所示)的技术特点

此项竞赛要求机器人具有良好的操控性,高速步行性能和机动灵活性。从装配图上看这是一种小步幅,高步频,底重心的组装方案。因为这种组装法底板离地面最近,重心自然也最低。这对机器人高速步行的稳定性和操作灵活性都有很大作用。

(3)制作与调试(略)

(4)研究课题:机器人功能拓展

①思路:追踪机器人(如图11所示)是以绕障竞速机器人为步行机械平台,装上电子探测装置,前部加装平行四连杆机构和红外光感探头组成的柔性探臂。柔性探臂可随机器人步行节奏起伏,自动即时调整光感探头紧贴地面,使得感光条件一致,机器人沿竞赛规定黑线行走时,成功几率大增。

②要求:作为扩展性研究内容,要求学生自行上网收集有关资料,在老师指导下制作电子探测装置,并完成与机器人的匹配调试工作。

(5)总结与表彰

组织模拟竞赛,总结与奖励。

(6)竞技比赛

机械追踪比赛的目的是实践自动化操控概念(autonomous contr01)比赛中机器人必须有感应器装置以便依从黑线行走,一般可用红外线感应器或光敏电阻作为感知元件。为了提高学生对电子制作科研水平和兴趣,大会将接受自行开发的线路板。但为了技术交流,参赛者必须公布技术参数和线路图,本会将在网上公布,以便供其他同学参考。

机械追踪比赛规则

1.机械规格

(1)参赛作品只可以双马达四电池运作。机械长度不能超过300mm,阔度不能超过180mm,高度不能超过240mm,总重量不能超过1 kg(包括电池),如图12所示。

(2)参赛机械必须预先一个月前公布电子线路和技术参数。以便及时网上公布。

(3)机械须以光学原理自动控制。

2.比赛场地规格

(1)本比赛采用星球追踪比赛相同综合赛道板,如图13所示。

(2)比赛场区面积 2400mm×1200mm,四周有高lOOmm之围板。

3,比赛规则

(1)开始比赛时,机械被放在指定的位置,待裁判示意比赛开始,计时器此刻同时计时开始。

(2)机械要依着黑线步行,以机械触碰终点计时装置为结束。

(3)比赛时间以1分钟为限。

①比赛以用时短者为优胜。②若在1分钟内未能完成,便会量度距离,以距离远者为胜。③若途中离开黑线,将记下距离和时间,以距离为优先,时间为参考。度量距离以起点至机械离开黑线地方的直线长度。

(4)比赛一开始,参赛者再不能碰触步行机械,直至比赛结束。

(5)比赛中途,若有参赛机械离开指定路线,裁判将有权拿走该机械,以免影响其他正在比赛的机械。

竞赛项目四:机器人足球

组别:初中一、二、三年级

1.活动形式、要求和时间:同前(略)

2.活动内容

(1)按比赛规则制作一个足球机器人。

(2)足球机器人模块构建方案的多样性选择。

(3)研究足球机器人的重量、速度和力量的关系。

(4)培养团队精神,参与竞技比赛。

3.重点

(1)足球机器人的重量、速度和力量的搭配。

(2)培养团队精神和意志品质。

4.难点

足球机器人的操控技术和比赛战术配合。

5.活动过程

(1)模块构建方案探索

这里提供两种模块集成方案作参考(如图14、图15所示),要求学生研究出竞赛型足球机器人模型,其过程类似短跑机器人探索过程。

(2)探索机器人球队的战术组合

因为目前机械奥运足球规定是三对三的比赛,分别有前锋、后卫和守门三种机器人。可以尝试高速机器人和中速机器人球员搭配,灵活型和力量型兼顾的阵型。比如前锋采用快速灵活型机器人球员,中后卫采用中速力量型机器人球员。(高、中、低速方案可以通过齿轮箱的齿轮传动组合来实现)

(3)训练方法

①射门练习,盘带练习。②模拟对抗比赛。教师要适时有意识地引导学生在具体的活动过程中体验团队精神,锻炼意志品质。

(4)思考与实践

在实际创作和比赛活动中,学生有了亲历的体验。在此基础上请学生自己总结。

①研究足球机器人的重量、速度和力量的关系。②总结机器人配重要点。 (重心低且要居中、配重量适当)③根据自己在球队中的角色,修正机器人制作方案。④谈谈集体对抗性竞赛项目在比赛中,团队协作精神的重要性。

(5)竞技比赛

本项目是以队制形式进行,每队有三台正选步行机器人,及一台后备机器人,期望学生制作出较灵巧的步行机器人,并在比赛中发挥合作精神。比赛以两队步行机器人进行对抗,在指定时间内用“脚”将足球踢人对方龙门,以人球多者为胜。

机器人足球比赛规则

1.机器人规格

(1)参赛机器人的长度不可超过300mm,阔度不可超过200mm,高度不可超过240mm(长、阔、高尺寸不能互换)。总重量不能超越1.5kg(包括电池及接收器)。

(2)每队由三台步行机器人组成。

①前锋机器人需于200mm旗杆贴上黄色半圆形旗帜,并只能于己方前半场活动,范围包括敌方。②中场机器人需于200mm旗杆贴上红色三角形旗帜,除了不能进入双方的,可于全场活动。③防守机器人需于200mm旗杆贴上蓝色长方形旗帜,并只能于己方后半场活动,范围包括己方。

(3)机器人的前端必须有左右各一件挡板,挡板由齿轮箱前端向后倾斜30~45度,至遮蔽用作步行的前脚,防止机器人的前脚踢球,两件挡板前端的开口最大距离是30mm,所以踢球的脚或板不能大于30mm。 (见附图)

(4)比赛时机器人以大会认可的无线方式控制。如红外线操控板或无线操控器。

(5)机器人必须以摇摆方式(非旋转式)踢球。

2.比赛场地规格

(1)本比赛采用足球赛道板。

(2)比赛场地的样式会印于一张面积3658mm×2438mm的横额物料上,四周有高100mm之45度三角斜围板,龙门为915mm阔×200mm高×200mm深。比赛选用直径约60mm的橡皮球。

3.比赛规则

(1)机器人只可踢球,不能持球或推球。

(2)后备机器人连操控器需放在大会的指定地方,否则不能要求更换机器人。

(3)比赛分上、下半场,各场时限为2分钟。比赛首阶段为小组循环赛,胜方得3分,负方得0分。和局各可得1分。次阶段为淘汰赛。

(4)以掷毫方法决定开球队伍及场地,每队在上、下半场各有1次开球机会。双方先摆放前锋机器人,再于内摆放防守机器人,由开球一方于中圈内先摆放中场机器人,最后由对方于中圈外摆放中场机器人。

(5)待裁判指示才可开球,而计时亦以此刻为开始时间。开球队伍须于5秒内开球,否则改由对方开球。其余机器人待开球后才能开动。

(6)将球踢入对方龙门便得1分,失分球队将再在中场开球,而定时器不会暂停,比赛完结时得分较高者便为胜方。

(7)时限过后仍未能分出胜负,于循环赛中会算作和局,于淘汰赛中会加时比赛,以实时死亡决胜负,各队只可派出一台机器人作赛,实时死亡的时限最多为2分钟。若仍未能分出胜负,双方轮流派出一台机器入射定点球,每方三台的机器人各射一球,并记录入球的时间,入球最多一方为胜,若入球数目相同时,以时间最短者为胜。若第一轮射定点球仍未能分出胜负则再射第二轮,直至分出胜负。

(8)定点球做法是将足球置于中圈,机器人于限时1分钟内不限次数射空门(即没有防守机器人),直至射入。机器人不能进入射球,但可从取球。

(9)机器人因犯规被罚十二码球,足球会放于顶之中央,射球的机器人先放于乏外,之后守方才将防守机器人垂直(最短的一边)放于龙门底边的中央,对方未触球前防守机器人不能开动,否则会被警告及重射定点球。

(10)比赛时双方若争持足球超越10秒,裁判可暂停比赛,将双方的机器入分开距离足球约300mm后再进行比赛。

(11)参赛队员应在指定位置操控机器入。比赛一开始,参赛队员再不能触碰机器人和球,直至将球踢入对方龙门或比赛完结为止。

(12)开球第一脚踢入龙门的入球作废。连对手机器人及球一起推入龙门的入球作废。

(13)比赛进行中,若需要维修或更换机器人要向球证提出,获得批准后方可进行,机器人需由球证取出及放回,定时器不会暂停,球赛仍继续进行。放回原位之机器人需得球证指示方可操控移动并继续比赛。

(14)所有判决最终由项目裁判组决定。

足球竞赛场地图如图16、图17所示。

竞赛项目五:机器人篮球比赛

组别:高中一、二、三年级

1.活动形式、要求和时间: 同前(略)

2.活动内容(另附详细课程化教材)

(1)按比赛规则制作一个篮球机器人。

(2)学习操控机器人的技术。

(3)了解拾球机器人机械手原理。

(4)培养沟通和协调能力,发扬团队精神。

3.重点

(1)篮球机器人的步行平台模块构建方案依据。

(2)拾球机械手制作与调试。

(3)培养沟通和协调能力。

4.难点

(1)拾球机械手制作与调试。

(2)机器人操控技术,比赛战术配合。

5.活动过程

(1)步行机构和拾球装置模块构建方案的探索:机器人步行平台模块集成方案有多种选择,方法如前几项。

(2)机器人球队的战术组合(类似足球机器人)。

(3)训练方法

①传球和投篮练习。②模拟对抗比赛。让学生在实际的活动中体验沟通和协调的重要性。教师要适时有意识的引导学生。

(4)思考与实践

①为什么上面所有机器人步行平台模块构建无一雷同?如何根据比赛项目确定步行平台模块构建方案?②改进投篮机器人模块构建方案。思路:a.降低重心;b.增大投篮器盛球篮面积,想一想这种设计有什么好处?③所有机器人步行平台模块构建方案并无一定模式,请你自己探索。④谈谈竞赛中战术策略与协同配合的关系。

(5)竞技比赛

机器人篮球比赛是另一种队制形式比赛,模仿人类的篮球比赛,即有传球及射球等活动。每队由2台机器人组成,每台机器人需兼具拾球及投球的功能。比赛会用一个橙色乒乓球作为篮球。比赛只有一场,时限为6分钟,每个人球可得两分,比赛结束后以得分最高者为胜。

机器人篮球比赛规则

1.机器人规格

(1)篮球机器人(如图18所示)包括已伸展的拾球及投球装置计,其长度不能超越300mm,阔度不能超过200mm,高度不能超过240mm(长、阔、高尺寸不能互换)。总重量不能超越1.5kg(包括电池及接收器)。

(2)参赛机器人使用齿轮箱的数目不多于5个,须以步行方式移动。

(3)比赛时机器人可以大会指定的无线方式控制,如红外线操控板或多频道无线操控器,故机器人应预留空间装置红外线接收器或无线电接收器。

2.比赛场地规格

(1)比赛将用篮球赛道板,四周有457mm高的透明围板。直径180mm的篮筐离地高度为240mm,如图19所示。

(2)比赛会以一个橙色乒乓球球作篮球。

3.比赛规则

(1)每队可预备三台机器人,其中两台机器人用作出赛,第三台机器人作后备更换之用,比赛前须先交给裁判保管。没后备机器人的队伍只能修理损坏之机器人。

(2)开始比赛时,双方机器人要置于自己半场的中圈外,并面向攻方。裁判会于中圈的中心以上300mm放下一个篮球供双方争夺。

(3)篮球机器人取得篮球后,须于5秒内抛出篮球,否则算作犯规(持球),裁判会给予犯规者一次警告,并由对手于原地开球。若能投入对方的篮筐内可得两分。比赛时限为6分钟,以得分最多者为胜。

(4)比赛进行中,若需要维修或更换机器人要向第二球证提出,获得批准后方可进行,机器人需由球证取出及放回,定时器不会暂停,球赛仍继续进行。放回原位之机器人需得球证指示方可操控移动并继续比赛。

(5)限时过后仍未能分出胜负,以实时死亡决胜负,不用对换场地,亦不能更换机器人。双方机器人要置于自己半场的中圈外,并面向攻方。裁判会于中圈的中心以上300mm放下一个篮球供双方争夺,以最先入球者为胜。实时死亡的时限最多为3分钟。若仍未能分出胜负,双方轮流派出一台机器人射定点球,每次时限为1分钟。每方二台的机器人各射一球,并记录入球的时间,入球最多者为胜,若入球数目相同时,以时间最短者为胜。若第一轮射定点球仍未能分出胜负则再射第二轮,直至分出胜负。若再和局则从抽签分胜负。

(6)定点球不设防守机器人,做法是将篮球置于顶之中央位置,机器人由中圈出发去拾球,若投球不入,机器人可在限时内捡回篮球再射,射球次数不限,但不能进入射球。

(7)入球后由失球一方于自己半场的底线开球。

(8)双方机器人不能进入超过5秒,否则会被裁判警告,并由对手于原地开球。

(9)同一台机器人犯规两次会被罚球,由对手机器人于外射球一次。射入罚球可得两分,失球一方于自己半场的底线开球。若罚球不入,比赛会随即继续进行。

竞赛程序:分组抽签 (与机器人足球比赛程序相同)

竞赛项目六:星球探索机器人

组别:高中一、二、三年级

1.活动形式、要求和时间:同前(略)

2.活动内容

(1)星球探索机器人模块构建方案。

(2)按比赛规则制作一个星球探索机器人。

(3)机械手抓斗的改进。

3.重点

机械手的制作和改进。

4.难点

机械手的制作和改进。

5.活动过程

在前面制作的基础上,要求学生自己独立完成作品。

(1)步行平台和拾球装置模块构建方案的探索

①演示连杆机械手步行机器人作品(如图20所示),并要求在篮球拾球机器人的基础上,制作星球探索机器人。②星球探索机器人要在模拟的外星球环境中采集岩石标本,需要负重。请你思考,采用哪种机器人齿轮传动方案和模块构建案?提示:上述系列机器人布局方案无一雷同,底板没有前后正反之分,原则是布局配置尽量使机器人的重心均衡,这样机器人转向比较灵活机动。③研究连杆机械手步行机器人机械手机构原理与改进,提高采集标本效率。④要求每个人提出构思方案,并交流讨论,相互启发。⑤在以上研究基础上动手制作实践。⑥学习机器人的调试、检查与排除故障的技能。

(2)训练内容

①模拟采集火星岩石标本的操控练习。②组织对抗比赛。

(3)机器人作品交流与总结

①讲评创意机器人,表彰创新精神。②总结和奖励(略)。

(4)竞技比赛:希望学生于此项比赛中设计灵巧的手钳作探索星球,而非作星球开矿。机器人要拾取岩石样本(乒乓球),运送至指定的地点储存,拾取岩石时要选取有用之岩石(白色乒乓球),避免选取有害之岩石(橙色乒乓球)。

星球探索比赛规则

1.机器人规格   (1)机器人以收起机械手计,其长度不能超

越300mm,阔度不能超过200mm,高度不能超过240mm(长、阔、高尺寸不能互换)。总重量不能超越1kg。

(2)参赛机器人不限使用齿轮箱的数目,但须以步行方式移动,每次拾取岩石的数量不限,但必须以机械手夹持或合拢的方式为原则,不能用铲泥的方式向上兜接或扫拨。

(3)比赛时机器人以有线控制盒手动控制。

2.比赛场地规格

(1)本比赛采用综合赛道板,如图21所示。

(2)比赛场区面积2438mmx1219mm,四周有高100mm之围板。

(3)岩石储存于赛板两端的基地容器,长300mm×阔300mm×高50mm。

3.比赛规则

(1)参赛机器入须于2分钟内捡拾不同颜色的岩石样本(乒乓球),不同颜色的岩石代表不同的分数,以基地容器的岩石总分最高者为胜。在机器人身上的岩石不会被计算。若分数相同,以白色乒乓球最多者为胜。

(2)不同颜色的岩石所代表的分数如(表10):

(3)参赛机器人不能损害或阻碍其他参赛机械,如有违反,裁判将发出警告;凡被罚2次警告,将取消其参赛资格并使其立即离场。

(4)在比赛进行中,机器人如有故障可向裁判要求实时离场作维修,维修后之机器人须由裁判放回原位继续比赛,该机器人不会获得额外之补时。

竞赛项目七:自主设计创意机器人评比

组别:小学、初中、高中

机器人造型设计比赛规则

1.机器人造型设计比赛的目的

在于让学生尽量发挥创作意念。在比较宽松的规格下,机器人外型可更具创意及富有美感。

2.参赛组别

(1)小学组与中学组分组评比,每校最多可派两只步行机器人参赛。

(2)每个机器人要起一个名字(见表11)。

3.比赛规则

(1)参赛作品不得参与其他任何赛事。

(2)曾参加上届比赛的机器人不得重复参加本年度相同的赛项。

(3)机器人连背景装饰不得大于425mm×300mm×230mm(长、阔、高的尺寸可以互换)。

(4)机器人须完成基本步行动作并装饰美丽。

(5)比赛当日参赛同学需向裁判作现场讲解或说明创作意念及特色。参赛同学可附交一张A4之作品简介(见表11),但说明内容不可含有任何与学校或作者姓名有关的文字及图像。

4.评审准则(见表12)

100%各机械造型设计比赛胜出的队伍需留下作品供作展览之用。其他未有胜出的队伍需于决赛当日中午后取回参赛作品(见表13)。

第三阶段:活动总结,网络媒体展示优秀作品,教师教研交流。

1.机器人竞技活动优胜者发奖与表彰大会。并在综合评估的基础上,评选基层学校优秀活动组织奖,最佳科技辅导员奖。

2.资料汇总,收集与整理。以利活动的可持续发展。

3.组织教师专题教研交流活动,对于活动客观总结利弊得失,写出专题报告。

机器人教案范文3

基于信息技术课堂的机器人教学现状分析

1.主流教材设置情况

根据《中小学信息技术课程指导纲要(试行)》的相关规定,当前各省都采用了自己省辖范围内的省编教材为信息技术课的指定用书。其中多个省份的中小学信息技术教材中,均有“机器人基础”单元的内容。例如,北京地区采用的清华大学出版社出版的信息技术教材,其中六年级的第二学期安排了《机器人单元》教学内容;江苏省采用的是江苏科技出版社编写的信息技术教材,其中在小学六年级及初中九年级,分别设置了一个学期的有关机器人的学习内容。这说明在中小学教材体系中,已经逐渐将机器人学习纳入到常规的信息技术教学内容中。

2.实施教学的可行性分析

机器人教学进入中小学课堂,重点面临的是师资问题,能否建立一支具有合格水平的教师队伍,是机器人教学的关键。以笔者所在的江苏省为例,江苏省的省编教材自2008年引入实体机器人教学内容后,随即于2009年建立了26所省级机器人实验学校,并号召各地级市均挑选一所中学和一所小学加入省级机器人试验学校中。期间每年都组织相应的教师培训课程,进而培养出一批具有较高教学水平的骨干教师。除实验学校外,也有很多学校加入到实体机器人的教学中去,江苏省教研室也积极进行项目推进,组织了多次相关的教师赛事。

信息技术课堂中进行机器人教学的环境支持

1.计算机教室的硬件支持

在多数小学无法提供专用机器人实验室的情况下,在计算机教室中实施机器人教学是较为常见的教学方式,而教室基本需要满足如表1所示的硬件要求。

2.机器人器材供给

当前小学机器人教学中,使用较多的器材分为“积木类”和“集件类”两种。“积木类”以乐高机器人为代表,采用积木原件为单位进行搭建;“集件类”以紫光三角机器人为代表,将大部分组件进行固化,形成一个较为完整的机器人小车,并在此之上进行简单的拓展搭建。两种机器人类型各有利弊,适合不同生源数的学校。简而言之,小班化教学适合搭建为主的“积木类”机器人,大班化教学适合编程为主的“集件类”机器人。两者互为补充,相得益彰。

机器人教学实施措施

1.教学设计架构

机器人教学有较强的实践应用特性,在教学设计中应注重层层递进的设计关系,保证教学过程以金字塔型的层次进行推进。

案例1:机器人技术起始课《初识机器人》。

在本课的设计中,包括认识机器人的原理、用途、分类等较为琐碎的内容,在普通线性结构的设计中,存在课时紧张的问题。因此,教师可以运用金字塔型的教学设计架构来达到提高教学效率的目的。如图1所示,架构一个认知金字塔,能够帮助学生清晰地了解机器人不同的分类,建立形象的知识框架,并帮助他们在有限的时间内完成知识架构。

2.开放型任务达成设计

机器人教学所要达成的目标与传统的信息技术教学有所不同,它不会有完全相同的作品呈现,而是展现出较为开放的任务达成情况。根据此类情况,教师可以将开放型的任务达成融入到教学设计,让教学评价的过程更加动态,具有弹性。

案例2:机器人实践课《机器人避障》。

教师可以突破传统任务的限制,将机器人的避障对象设置为可选择的内容(如图2),学生根据自己的情况,选择适合的背景对象,进而带来不同的任务达成结果,形成富有特色的行为结果。

3.反思型思维建构方式

触发学生思维、创作具有创新特征的作品是信息技术课程的培养目标之一。承载着创新思维的机器人教学也具有更加明确的思维需求。在思维建构的过程中,反思型特征的建构过程是设计过程中的重点内容之一。

案例3:机器人边缘课《认识传动》。

教师可以将多种传动具象化,并使其与生活实践经验关联,让学生理解何为必要的传动。接着,结合反思思维,引导学生创造具有自我特征的传动作品,从而达到机器人教学的创新设计目的(如表2)。

4.合作型课堂组织方式

机器人教学中,一般采用小组合作的学习方式,以3~4人为单位,共同完成一定的学习任务。在此基础上,教师可以构建合作型的课堂组织方式,突破传统的信息技术课堂教学的组织架构,给予学生更多的学习组织方式。

案例4:机器人小组结构图《认识传感器》。

认识传感器是机器人教学中的重点也是难点,繁多的传感器需要一定的实体机器人为载体。本课的教学设计中,教师可以以小组为基本单位,采用四步规则设置学习环节(如下页图3),让学生有更多的机会感受传感器的作用。

5.促发型学习激励方式

对于小学生而言,机器人的学习过程有着一定的难度,任务达成度的完整与否与教师提供的激励方式有着必然的联系。因此,教师要采用适合的形式促发学生,保证其具有较为丰富的学习动力。

案例5:机器人活动课《机器人行走》。

在讲授本课时,教师可以利用三种评价方式激励学生自主学习(如表3)。教师根据不同的任务难度,设置具有一定驱动力的激励方法,让学生始终保持学习兴趣,并提供实时的支持。

6.多维度学习效果评价方式

在机器人为主题的教学中,如何进行学习效果的评价是检验学习效果的重点内容之一。因而,教师要设计人本化的学习评价,并设计多维度的评价标准。

机器人教案范文4

关键词:Java教学实践平台;Robocode;Java课程教学;基于互联网的教学模型

1、Java课程的传统教学

目前,许多院校仍采用传统方式进行Java课程教学。传统教学方式通过概念与理论知识讲解来介绍Java程序编写案例,让学生进行Java程序编写练习,实施Java程序设计项目,通过该教学过程使学生掌握Java编程技术。但在实际教学中学生已不能适应这一教学过程,尤其是职业院校的学生,对Java概念和理论知识不理解,无法跟上Java编程案例教学进度,无法参与项目实践,学生失去兴趣,最终放弃Java程序设计课程。

基于学生的实际情况和课程特点及教学环境,改变传统教学方式,采用任务驱动教学,以学生为主体,提高教学实效。Java课程的传统教学改革势在必行。

2、基于互联网的Java课程教学模型

为体现以学生为主体的教学过程,笔者所在团队设计了基于互联网的Java课程教学模型,如图1所示。

该教学模型阐述教学过程的5个环节。(1)布置学习任务,通过互联网将学习任务向学生展示,提供相关参考资料和资料索引。(2)设计战车改进方案,学生根据任务书要求和参考资料通过Roboeode平台设计战车及改进方案。(3)实现改进方案,根据设计完成的改进方案,采用Roboeode平台提供的参数,编写Java代码实现设计方案。(4)检验、测试程序模型,通过Java代码编写,将制作完成的坦克模型程序在互联网上进行测试,检验战车模型的性能是否提高。(5)展示与讨论战车程序的改进效果。

3、Robocode平台介绍

Roboeode平台是2001年IBM公司在Web-AlphaWorks上的坦克机器人战斗仿真程序引擎,是MatNelson利用Java程序语言专为Java程序员设计的游戏半成品。与由键盘、鼠标控制的游戏不同,参赛者必须利用Java语言对机器人程序模型编程,通过编程设计实现智能操控。

Robocode平台成为从初学者到高级黑客程序开发者都可以参与的娱乐活动。初级Java程序员可学习基础程序语言,如调用API代码、阅读Javadoc、内部类、事件处理等。高级开发者可以在构建“最优品种”的软件机器人全球竞赛中提高其编程技巧。

Roboeode平台的教育特性被世界诸多从事Java程序教学的人员发掘利用,笔者在德国亲身体验了Java程序设计语言课程利用Robocode平台的教学方法。在网络上Robocode用户组、讨论列表、FAQ和Webring随处可见。Robocode为学生与Java工程师提供简便、有趣的游戏教学方式,释放他们的创造力。Robocode平台的出现给枯燥的Java编程学习注入了动力与激情,使学生在娱乐的同时提高Java技术。

我国Java-Robocode协会在湖南师范大学发起成立,2008年举办了湖南省Java-Robocode机器人大赛。我国高校教师逐渐开始采用Robocode平台进行Java课程教学,但为数不多。我国高校教师对Robocode平台的教学研究还远落后于国际水平。

4、Java课程的教学设计

通过Robocode平台学习Java,是非常有效的教学方法,该方法符合行动导向的教学理念,通过设计Java课程,介绍Java程序设计如何采用Robocode平台实施教学。

4.1 课程任务与环境要求

课程任务目标是调动学生对该课程的兴趣,学生能够独立创建机器人,学会调用RobotEditor和compiler程序,通过编写Java程序语言移动机器人、炮和雷达,并能够处理机器人避障、雷达目标出现、击中目标、自身中弹等事件。

软件和硬件环境要求,PC网络系统,JavaVM(JDK 1.3.x)、Robocode 1.6.2、Intemet可链接Robocode Battle online。

4.2 模型观摩与程序设计

教师通过Java编程指挥机器人的动作,让学生看到采用Java编程控制机器人并不难。通过编程演示创建战车的操作,使学生认识到自己可以通过Java编程创建战车并改变其战斗力,增强学生对Java编程的信心。

让学生设计自己的战车并能够初步战斗,包括行进、寻找目标、旋转火炮、射击、避障等。创建机器人,启动Robot Editor选择File-New-Robot,系统提示输入机器人名称,该名称将成为Java类名,可在提示符处输入KKStraight。下一步系统提示输入数据包前缀,它是Java文件的数据包名称,可在该提示符处输入KK。此时Robot Editor会显示机器人程序模型需要编写的Java程序代码。学生使用run、while语句,参照程序范例修改机器人程序代码、参数或采用程序代码缺省值,最后在Robot Editor菜单上选择Compiler-Compile对代码进行编译。

4.3 检验程序模型

测试创建完成的机器人程序模型。切换到主程序,选择程序菜单上的Battle-New,将机器人KKStraight添加到平台中,观察该模型的战斗过程。

通过Java程序代码tumRight(double degree)和tumLeft(double degree)移动机器人,使机器人转过指定角度。ahead(double distance)和back(double distance)使机器人移动到指定的像素点距离,以上方法在机器人遇到障碍物时即告完成。

转动炮和雷达,通过程序代码atrnGunRight(double degree)和tumGtmLe(double degree)使炮可以独立于坦克车的方向转动。ttmiRadarRight(double degree)和tumRadarLeff(double’degree)使雷达独立转动。

射击,fire(double power)和fireBuilet(doublepower)用来发射指定能量的炮弹。调用fireBulletO程序返回Robocode Bullet对象,程序提取一个引用,该引用可以用于高级机器人。

获取关于机器人的信息,getXO和getYO可以捕捉到机器人当前的坐标。getHeadingO、getGunHeadingO和getRadarHeadingO可以得出坦克车、炮或雷达当前的方向,该方向以角度表示。getBattleFieldWidtla0和getBattleFieldHeightO可以得到当前这一回合的战场尺寸。

至此,实现了Java程序代码的功能,形成战车程序模型,随着编程能力的不断提高,学生会逐渐提高战车程序模型的战斗力。

4.4 改进程序模型

处理机器人遇到障碍物、雷达目标出现、击中目标、自身中弹等事件;是改进模型最常见的方法。

当机器人在移动或转动时,雷达一直处于激活状态,如果雷达检测到有机器人在其范围内,就会触发事件。基本的Robot类中包括了所有这些事件的缺省处理程序。下面是一些较为常用的事件程序代码:

当雷达检测到机器人时,调用Scanned-RobotBvent通过覆盖onScarmed.Robot( )进行处理。当机器人被炮弹击中时,调用HitByBulletEvent通过覆盖onHitByBuUe( )进行处理。当机器人击中其他机器人时,调用HitRobotEvent通过覆盖onHitRobotO进行处理。当机器人遇到障碍,调用HitWallEvent通过覆盖onHitWall( )进行处理;所有这些事件、方法均通过Java编程对机器人的动作进行控制,学生熟练掌握Java程序代码的功能作用,提高自身Java编程技能。

4.5 展示与评价

教师审核学生的成果,通过鼓励与评价引导学生,让有进步的学生展示他们的战车程序模型,讲解他们采用的编程方法、程序模型改进与设计思路,让大家分享其成果,彼此交流。

机器人教案范文5

(1,3.南京师范大学教育科学学院,210009; 2.浙江省温州中学,325014)

摘要:Arduino 机器人平台可以成为一个很好地开展STEM 教育的载体, 让学生在一个综合应用环境下, 提高STEM素养以及动手能力、团队合作能力。本课题以Arduino 为平台,利用DHT11 传感器、继电器插座等硬件设备,与生物学科中的小鸡孵化知识进行了整合,制作了小鸡孵化装置,并利用该小鸡孵化装置完成了一轮小鸡孵化任务。

关键词 :Arduino1 STEM1 小鸡孵化

机器人是一门涉及运动学、动力学、系统结构、传感技术、控制技术等多领域的交叉学科。学习机器人的设计与开发,不仅可以获得机器人的技术知识,而且可以促进学生所学科学、技术、工程、数学即STEM 相关领域知识的整合。STEM 是科学(science)、技术(technology)、工程(engineering)和数学(mathematics)首字母的缩写,当前,STEM 教育正在成为世界教育的一种潮流。然而,反思我国中小学的机器人教育,往往局限于机器人技术本位知识的学习,很少关注机器人所涉及的其他学科内容。据此,本课题另辟蹊径, 将机器人课程与生物学科进行了整合, 制作了小鸡孵化的装置———恒温恒湿箱,并利用制作的装置完成了一轮小鸡孵化任务。

一、选题背景

在基础教育领域,机器人课程可以与信息技术课程整合,也可以与通用技术课程整合,还可以与物理、生物、化学等相关课程整合,这种整合并不是要把与机器人有关的学科知识转移到机器人课程上讲授,而是要在机器人课堂上使学生应用和理解这些学科知识,并培养学生的STEM 素养。以数学学科为例, 机器人课程与数学学科的整合,学生不仅能掌握机器人的知识和技术,还可以在机器人课堂上应用一定的数学建模知识,创造性地运用数学思想、方法和知识解决实际问题;通过机器人项目体验数学与日常生活及其他学科的联系, 感受数学的实用价值,增强应用意识,提高实践能力等。因此,在了解学生已有学科知识水平的基础上,教师可以充分挖掘机器人与其他学科知识的相关性,设计有针对性的教学活动,激发学生在解决问题的过程中综合贯通相关学科知识。本课题在讲授DHT11 温度传感器和1602 液晶显示屏时与学生关于小鸡孵化知识的研究性学习进行了整合,制作了小鸡孵化装置,不仅可以帮助学生学习机器人的知识和技术, 理解和应用小鸡孵化的知识,还可以帮助学生顺利地开展小鸡孵化的研究性学习。

小鸡孵化研究性学习课题源于城市学生对小鸡孵化过程的好奇,但是对于城市学生而言, 并不方便去农家观察小鸡孵化过程。即便有去农家观察的条件,也不能监控小鸡孵化的完整过程及孵化过程中的环境指标,自然难以真正探究小鸡孵化的过程与知识。况且此类观察活动,学生能做的事情很少,参与性低,也不能有效激发学生的探究欲望。因此,让学生在实验室内搭建孵化装置开展孵化实验是一种更为有效的办法。目前国内外的研究者已经开发出了多种基于不同微处理器的小鸡孵化装置,常见的有基于PLC、FPGA、DSP 等控制的小鸡孵化装置。不过,由于这些装置不仅技术复杂,且价格昂贵,而中小学通常经费紧张,不太可能为学生购买类似的装置让学生亲身体验小鸡孵化的整个过程。值得高兴的是,Arduino开源平台正好弥补了这一空缺,使用它完全可以自己制作一个小鸡孵化装置,不仅可以帮助学生理解和应用所学的机器人知识和技术,而且还渗透了小鸡孵化等生物知识的运用,真正培养了学生自主探究学习的意识和能力。

二、方案设计

首先笔者对学生情况进行了分析并确定了本课的教学目标,然后搜集并整理了有关小鸡孵化的相关资料,最后初步设计了小鸡孵化装置的方案。

(一)学生情况分析

本节课的教学对象是高一学生,学生对Arduino 机器人已经有了浓厚的兴趣。通过前面几节课的学习, 已经理解了Arduino 机器人的输入、输出,掌握了传感器的一般使用方法,能够正确使用串口监视器,掌握了库的调用,具备了一定的编程能力。另外,通过之前的积累,学生已经认识到机器人课程和物理、信息技术等课程有一定的关联,对Arduino 机器人的创意设计也有了更多的个人想法。

(二)教学目标

1.<掌握Arduino 机器人中DHT11 及LCD<1602<液晶显示屏的使用。

2.<通过自主浏览网页搜集有关小鸡孵化的相关资料,提高观察、分析、判断的思维能力,掌握收集有效信息的方法;通过模仿制作出小鸡孵化装置, 初步掌握LCD 显示屏和DHT11 传感器的一般使用方法。

3.<体验Arduino 机器人在现实生活中带来的乐趣,激发学习兴趣和制作智能人造物的欲望。

(三)教学重点和难点通过前面几节课的学习,学生已经掌握了传感器的一般使用方法以及库函数的调用, 但是DHT11 传感器与前面的单一功能的检测声音、光线等信号的声音传感器、光线传感器等有所不同。它具有双重功能,不仅可以检测温度还可以检测湿度, 所以DHT11 传感器的使用是本节课教学的重点之一。1602(LCD 显示屏是学生第一次接触,它采用了IIC 接口,需要接在Romeo 控制器的IIC 口或者支持IIC 口的针脚上面。此外,该显示屏也有库函数,库函数里面有很多不同功能的子函数,如初始化显示屏、清屏等。为此,1602(LCD 显示屏与Romeo 控制器的连接、1602(LCD 函数的调用也是本节课教学的重点之一,还是本节课教学的难点。

(四) 小鸡孵化装置的可选方案的设计与选择

1.(小鸡孵化条件的保障。

(1)受精。孵化的鸡蛋一定要受精,否则无法孵化。

(2)温度。温度是胚胎发育的首要条件,也是决定孵化成败的关键。一般来说,1~19天适宜温度为37.8℃,20~21 天适宜温度为37.3℃~37.5℃。

(3)湿度。孵化对湿度要求并不高,一般“两头高,中间低”,即孵化1~7 天的相对湿度为65%;8~18 天的相对湿度为50%~55%,19~21 天的相对湿度为65%。

(4)通风换气。胚胎对氧气的需要量随胚龄的增大而加大, 所以随着天数的增加,孵化箱的通风口越来越大。

(5)翻蛋。翻蛋的目的是使鸡蛋改变位置,受温均匀,防止胚胎和壳膜粘连,促进胚胎运动,保证胎位正常;正常翻蛋时转动角度为45°,每小时转动一次。

2.孵化期间操作。

(1)照蛋。在小鸡孵化的过程中,需要对鸡蛋进行照光操作,剔除无精蛋、破蛋,同时观察小鸡的孵化现象,注意保持记录。

(2)出壳。小鸡在20~21 天的时候一般会啄壳而出,小鸡在出壳的时候要注意保持湿度,而且温度要降低一些。

3.(雏鸡处理。

(1)拣鸡。在看到小鸡已经出壳时,保证小鸡在恒温箱里不超过12 小时, 等小鸡的绒毛烘干后,将小鸡拣出来。

(2)消毒。要对刚出壳的小鸡进行消毒操作。

(3)保管。刚出生的雏鸡,在第一个7 天内, 恒温箱的温度控制在30℃~33℃之间,以后每周降低两度。

4.=可选方案的设计与选择。

基于以上小鸡孵化条件,笔者初步预设了两个方案,分别是温、湿度控制装置和温、湿度监视装置方案。

备注:除了表中列出的核心器材,还有一些器材也是要用到的,如USB 数据线、3P线等。

(1)温、湿度控制装置。

温度是小鸡孵化的首要条件, 大约是37℃~38℃, 所以需要一个温、湿度控制装置, 该装置需要用到的硬件设备如表1 所示。当温度小于37℃时,电暖器打开,提高箱内温度; 当温度大于38℃时, 电暖器关闭。根据搜集到的资料,小鸡孵化对湿度的要求不是很高,所以本次教学时对湿度的控制采取了手动加水控制,即箱内放入一个标有刻度的塑料盒,当盒内水位低于一定高度时,采取手动加水方法。

(2)温、湿度监视装置。

为了便于观察孵化箱内温、湿度的情况、电暖气的状态等,还需要增加一个温、湿度监控装置,笔者初步提供了两种方案(如表2)。

综合以上两种方案的不同特点和功能,本节课最终采用方案一作为教学基本内容,主要因为:

第一,从硬件的角度来看,方案一只涉及本次课需要用到的硬件设施,而方案二还涉及网络扩展板等,学生对这些硬件设施还未接触。

第二,从程序的角度来看,方案一涉及的编写程序的知识是比较简单的选择结构、库的调用,而方案二的程序还涉及比较繁琐的语法和复杂的代码,不易理解与实现。

第三,从学生的角度来看,方案二涉及物联网、计算机网络等知识和技术,尽管本节课的目的是将机器人课程与其他学科进行关联,但是学校并未开设这类课程,大部分学生对这些知识和技术仅停留在知道层面,显然方案一符合我们的教学需求。

除了上述两种装置外,还需要制作一个小鸡孵化箱,并将完成的两种装置放在箱中合适的位置。在本次教学中,笔者选取了一个纸箱作为小鸡孵化箱, 并对其进行了改造。这里要提醒的是孵化箱不能是封闭的,要能随时打开,便于照蛋、拣鸡、通风、翻蛋等。小鸡孵化箱用到的器材如表3 所示。

三、硬件搭建

小鸡孵化用到的硬件器材有Romeo 控制器(1)、DHT11 传感器(2)、继电器插座、USB 数据线以及3P 线等。

(一)核心配件

1.9DHT11 传感器。

本课采用的温、湿度传感器是DFRobot出品的DHT11 数字温、湿度传感器,用于检测所处环境的温、湿度。它是一款含有已校准数字信号输出的温、湿度复合传感器,使用了专用的数字模块采集技术和温、湿度传感技术, 使其产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该传感器包括一个电阻式感湿元器件和一个NTC 测温元器件,并与一个高性能的8 位单片机相连接, 具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。更重要的是,该传感器含有库文件。调用库,可以很轻松地读出当前环境的温、湿度。

2.继电器插座。

所谓继电器插座就是对普通的插座进行改造, 将继电器元器件接入插座里面,继电器是一种电子控制元器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”,在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

3.LCD 1602 显示屏。

本课采用的显示屏是DFRobot 出品的IIC#LCD1602 显示屏。与普通的LCD#1602 显示屏相比,该显示屏不需要为繁琐复杂的电路连线而头疼,而是采用了IIC 接口。在接线时直接接到Romeo 控制器的IIC 接口即可(如果控制器没有IIC 端口,可以将LCD显示屏的四根针脚分别对应接到GND、VCC、A4 和A5 上面, 其中SDA 对应的是模拟针脚的A4,SCL 对应的是模拟针脚A5),无需再占用其他数字口或者模拟口。它可以显示两行内容,每行十六个字符,同DHT11传感器一样,它也有相应的库文件,调用库后只需几行,Arduino 代码就可以完成LCD显示的功能。

(二)硬件搭建

1.#将两个DHT11 数字温、湿度传感器分别接在Romeo 控制器的数字口,同时记录连接到扩展板的数字针脚号。如两个传感器分别接到数字针脚3、4 上面,如图1 所示。2.#将继电器插座里面的继电器接在控制器的数字口,并记录其针脚号,如继电器接在了数字针脚上面,如图1 所示。

3.#将LCD1602 显示屏接在Romeo 控制器的IIC 端口,在接线时,要注意显示屏的针脚与控制器的端口相对应,如图1 所示。3.#通过USB 数据线将Romeo 控制器、UNO 控制器和电脑连接起来, 正确选择板卡型号UNO 和端口号。

四、程序编写

硬件搭建好之后,接下来就需要编写程序了。本课采用的是文本式的编程环境Arduino#IDE。Arduino 文本式的编程环境是为不熟悉软件开发的人设计的。它包括一个代码编辑器和编译、下载、新建、打开、保存和窗口监视器六个菜单。Arduino 语言是建立在C/C++ 基础上的,其实也就是基础的C语言,Arduino 语言把AVR 单片机相关的一些参数设置都函数化,我们不需要了解它的底层, 即使不了解AVR 单片机也能轻松上手。为降低编程难度,Arduino 还提供了很多库函数;得益于开源思想,全球的Arduino 发烧友还编写了很多扩展库。小鸡孵化装置的代码如图2 所示。

五、可能的拓展

前文提到在基础教育领域,机器人课程可以与生物、化学、物理、信息技术等多门学科进行整合,制作一些有创意、有生活趣味的智能人造物。所以我们可以从学科整合的角度,例如将PH 传感器与化学学科中的溶液的酸碱滴定定律相整合; 将声音传感器、光线传感器、压力传感器、加速度传感器等与物理学科的声、光、力等知识进行整合;将土壤湿度传感器与地理学科中的植物等知识进行整合等,让学生进行创意。

除了学科整合的角度外,还可以在小鸡孵化装置上做一些变动。例如,从硬件的角度,将上述温、湿度控制装置中的温、湿度传感器变为土壤湿度传感器,可以制作自动浇水花盆装置;在原有温、湿度控制装置上增加PM2.5 传感器可以制作校园气象站等。从改变算法的角度,利用以上器件制作物理学科中水加热实验现象观察装置。对物联网和计算机网络有一定认识和具备一定编程能力的学生还可以完善制作好的小鸡装置,即将箱内温、湿度实时传递到网络上,以便实时了解箱内温、湿度。学生还可以在制作好的小鸡孵化装置做一些变动, 使其更加智能,如自动控制湿度、自动翻蛋等。

六、教学实践

在本次教学中,笔者主要通过以下三个阶段来完成教学:

(一)教学准备阶段

这一阶段主要是让学生课后收集一些有关小鸡孵化的资料、准备制作小鸡孵化装置所需要的器材等。首先,笔者将不同知识水平和经验水平的学生分为5 个组,每组6个人(其中有1 个人是组长),每组都有不同的分工,如表4 所示。

(二)教学实施阶段

1.抛出疑问,引入新课。

在上课之前, 笔者先分别让第一组、第二组、第三组的学生汇报了收集的小鸡孵化资料, 并带领学生对资料进行了归纳整理,初步得出小鸡孵化的条件:孵化的鸡蛋一定要受精,否则无法孵化;最佳温度1~19 天为37.8℃,出雏期19~21 天为36.9℃~37.2℃;孵化前期温度高、湿度低,出雏期温度低、湿度高;翻蛋使鸡蛋受热均匀。然后向学生抛出一个问题: 能否利用机器人知识和技术制作一个小鸡孵化装置来实现小鸡孵化? 让学生以小组形式展开讨论,五分钟后,请几个小组代表来回答。学生的答案可能有三种:能、不能和不确定。如果学生回答能,继续向学生抛出问题:需要用到哪些器材? 如何实现? 如果发现班上一半甚至更多的学生觉得不能实现或者不确定, 那么鼓励学生尝试自己动手制作一个这样的装置来检验自己的答案是否正确,并出示课题《小鸡孵化装置》。

2.确定器材,分析装置。

学生在对孵化装置有了一定的认识之后,向学生抛出问题:如何知道箱内温、湿度值是否符合小鸡孵化的温、湿度呢? 这时学生的答案可能是串口监视器。此时继续向学生抛出疑问:Romeo 控制器必须与电脑相连的时候才有串口监视器,而小鸡孵化装置做好之后,已经脱离电脑,串口监视器已经无法使用,该怎么办呢?学生小组讨论,引出可以借助于LCD"1602 显示屏。

确定了小鸡孵化装置需要的器材之后,接下来笔者带领学生将小鸡孵化的温、湿度等条件转化为易于理解的自然语言:如果温度小于37℃,电暖器开始加热;如果温度大于38℃,电暖器停止加热。这里需要提醒一下学生的是:Romeo 控制器只能输出5V 的电压,而电暖器的电压是220V,所以还需要提醒学生用到之前学习过的继电器插座,将电暖器接在继电器插座上。因为小鸡孵化对湿度的要求比较低,所以本次教学采用的是手动加水控制箱内湿度。学生对小鸡孵化的思路清晰之后,带领学生将自然语言转化为流程图,如图3 所示。

经过上面的小鸡孵化条件的分析,已经将抽象的小鸡孵化变为易于理解的Arduino机器人项目。

3.搭建硬件,编写程序。

这一环节主要是向学生讲授DHT11 传感器和1602LCD 显示屏的使用方法, 然后完成小鸡孵化。

首先,笔者向学生介绍了DHT11 传感器使用的一般方法,即DHT11 传感器是一种数字传感器,它可以检测所处环境的温、湿度。该传感器有库文件,直接调用库即可检测出所处环境的温湿度。然后,演示传感器与Romeo 控制器的连接, 并调用库通过串口显示当前环境的温、湿度。向学生提出任务:搭建硬件编写程序,显示当前环境的温、湿度。

接着, 向学生讲授LCD"1602 显示屏的使用方法,这里需要重点讲授的是显示屏与Romeo 控制器的连接和函数的调用。1602 显示屏使用的是IIC 接口,需要接到Romeo 控制的IIC 口。如果使用的控制器上面没有单独的IIC 口, 可以引导学生将显示屏的IIC口分别接在Romeo 控制器的VCC、GND、A4和A5 针脚上, 其中SDA 要对应的接在A4针脚,SCL 要接在A5 上面。LCD,1602,显示屏的几个重要函数分别是:(1)LiquidCrystal_I2C,lcd(0x20,16,2);,// 显示屏的地址是0x20,可以显示两行,每行16 个字符。(2)lcd.init ();// 初始化显示屏。(3)lcd.backlight();// 背光灯设置。(4)lcd.setCursor(0,R1);// 设置显示屏显示内容的光标位置。(5)lcd.print();或者lcd.write();// 显示内容,如lcd.print(“hello,world”)。

演示LCD1602 显示屏与Romeo 控制器的连接,编写程序将温湿度传感器检测出的温湿度显示到显示屏上,并让学生完成同样的任务。

这时, 学生已经掌握了DHT11 传感器和LCD1602 液晶显示屏的一般使用方法。然后让学生根据之前分析的小鸡孵化思路,利用DHT11 传感器、LCD, 1602 显示屏、Romeo 控制器等元器件,在原有程序的基础上修改程序,完成小鸡孵化装置的任务。4.,拓展提升,课堂总结。

学生完成任务之后,笔者请几个小组的代表分别展示他们的作品并通过评价量规表(如表4)对作品进行评价。然后,让学生思考机器人可以与哪些学科的知识和技术整合起来制作一些有趣的实验装置、智能人造物等,并将自己的想法记录下来。同时鼓励学生利用已有知识或上网查阅资料等多种途径尝试实现自己的想法。

最后,笔者与学生共同将第四组学生准备的孵化箱进行了改造,选取了其中一组学生的小鸡孵化装置以及第五组学生准备的鸡蛋放入了孵化箱中完成了本次教学。

(三)课后观察阶段

这一阶段主要是小鸡孵化期间的操作,如照蛋、翻蛋、观察记录等。这一阶段笔者将学生分为了十组,每组两人,每天一组完成记录任务。其中,小鸡孵化的第五天、第十天和第十五天,小组成员需要完成照蛋操作;根据收集到的资料,小鸡孵化的前三天和后三天,所需的湿度比较大,所以这几天,小组成员需要向水箱多加几次水以提高箱内湿度。随着孵化天数的增加,还需逐渐增大通风口。

本次小鸡孵化任务从2014 年6 月3 日开始,6 月23 日结束。孵化箱中一共放入了5枚鸡蛋, 其中1 枚是未受精的蛋(照蛋时发现),1 枚在学生照蛋时不小心打碎。剔除掉这两枚无效鸡蛋,有效鸡蛋是3 枚,最后成功孵出1 只小鸡,其余两枚鸡蛋也未成功。

七、教学反思

本节课,从学生掌握的角度来看,几乎所有学生都制作了小鸡孵化装置, 部分学生还增加了其他功能, 如温度过高的声光报警装置,在显示屏上显示孵化天数,将箱内温、温度实时传递到物联网平台上(温州中学的物联网)等。从学生课堂行为可以看出,学生对本次上课内容很感兴趣, 部分学生根据这节课的内容还提出了各种各样的创意, 如水质监测机器人、激光测距仪、手机蓝牙控制小车等。总体来看,这节课将机器人与生物学科进行了一次大胆的整合尝试, 整个教学过程生动有趣,课堂气氛活跃,教学进展顺利,师生交流融洽,圆满完成了预期的教学目标。

除此之外,笔者对本次课进行了总结:

第一,本课建议两课时连上,这样更加注重知识点的整体性、关联性,有助于学生的学习、理解和应用;在教学实施过程中,最大的困难在于内容量很大,不仅涉及新的知识和技术,还要让学生利用所学的知识去制作小鸡孵化装置,所以教学中一定要给予学生充分的讨论、交流、制作的时间。

第二, 在教学中, 笔者也存在一些不足。比如,课堂开放程度的把握不足、合作流于形式等。在今后教学中,一定要真正让学生主体积极参与、操作、交流,理解和掌握知识与技术。

第三,根据收集到的资料,小鸡孵化对湿度的要求不是很高, 所以采取的是手动加水提高湿度的办法; 而未孵化的鸡蛋可能是因为湿度没有控制好, 所以在上述装置的基础上还需修改湿度控制装置。班上的一些学生还将孵化箱的温度上传到了学校物联网平台上, 根据平台中一个小时显示的数据情况可以看出, 孵化箱内的温度变化很大, 所以对以上的小鸡孵化装置还需进一步完善。

* 本文系教育部人文社会科学研究青年基金项目“义务教育STEM 校本课程的开发与应用研究”(项目编号:13YJC880121);国家社科基金教育学青年项目“多平台、跨学科、聚类化、重创造的中小学机器人教育研究”(项目编号:CCA130133);国家社科基金教育学重点课题“信息化促进优质教育资源共享研究”(项目编号:ACA120005) 等多项课题的综合性研究成果之一。

参考文献:

[1]赵中建.21 世纪技能之基石———STEM:美国教育战略的重中之重[J].上海教育,2012(11)

[2] 孙媛媛. 中小学机器人课程的研究与开发[D].首都师范大学,2006

机器人教案范文6

关键词:机器人;教学策略;敢学;善学;乐学

一、缘起

(一)素质教育的强烈要求

以往我们的信息技术课过多强调学生掌握了哪些技能,如,每分钟能打多少字等,结果把信息技术课变成计算机技能训练课。素质教育特别需要爱护学生的好奇心与求知欲,这是创造意识和创新精神的基础,也是主动学习精神的最初源泉,而这些是应试教育最容易忽略的。

(二)高段小学生思维的特点与机器人、LOGO语言的学习特点相吻合

概括地说,小学生的思维特点是以直觉形象思维为主。从具体的形象思维发展到抽象的逻辑思维的转折点一般在四年级,即11~12岁。LOGO语言的海龟绘图命令,一条命令对应屏幕上一个绘图效果,把抽象的语句和直观的形象图形对应起来,这正适合从直观形象思维向抽象逻辑思维过渡的小学生思维特点。

二、实施策略

机器人活动趣味性极强,但常常听到学生中有这样的想法,我能遥控机器人就好了。可见,虽然学生对机器人的学习表现出很浓厚的兴趣,但是一旦进入学习后,就发现机器人有时候并不是那么听话,也就发出了能不能遥控机器人的感叹,甚至最后产生厌学情绪。

因此,我们在平时教学中应该注意渗透和指导,并鼓励和帮助学生通过各种手段掌握正确的学习方法,使他们“敢学、善学、乐学”,学会学习,真正成为发现者、研究者、探索者。

(一)开展有效的教学提问,读懂学生的学习基础,让学生敢学

智能机器人技术融合了机械、电子、传感器和人工智能等众多先进技术,充分体现了当代信息技术多个领域的先进技术,是综合知识和技术的结晶。而往往就因为机器人技术综合性的特点,导致学生望而生畏。如果此时教师的提问超出学生已有的知识基础范围,可能就会进一步加剧他们的厌学心理。那么应该怎样设计教学提问呢?

【我的尝试】

1.抓住学生的兴趣点提问

教师在设计问题时应根据学生的心理因素、知识结构等特点,更要注重趣味性。很多时候兴趣是由问题的趣味性激发的,学生就像一池水,教师的提问便是投石激水,一些灵感的火花往往就是在这样的提问中产生的。

如,在完成了简单的左、右迷宫法则走迷宫后,我设计了这样的问题试图激发学生的探究欲望:哪种迷宫方案能更快地完成任务呢?同一种迷宫方案,哪些因素影响了机器人在迷宫中行走的速度?

我的思考:这样的提问,能促使学生在成功的基础之上,进一步激发探索的兴趣和欲望。学生都有一股不服输的精神――我一定要走得比你快!

2.问题的难度设置应该随着教学的深入有一个逐渐加深的过程

教师提问是围绕学生而展开的,需要学生的积极配合和参与才能有效完成。问题太肤浅,学生不思考就能脱口而出,不易发展学生的思维能力,对学生没有挑战性,学生容易产生厌倦情绪。反之,问题太深奥,学生望而却步,没有思考的兴趣,挫伤了其学习的积极性。难易度的把握,应当是经过教师的c拨,使学生“跳一跳能摘到桃子”为宜。

如,在教学机器人怎样走轨迹的环节,学生已有的知识是:机器人利用传感器接收外界信息,主机控制器接收到这些信息,发出指令控制马达,做出左转、右转、前进、后退的动作。我的问题是这样设计的:(1)告诉学生不同颜色有不同的灰度值,因此你认为灰度传感器是如何判断黑线的?(2)白色和黑色的灰度值不同,灰度传感器就能检测到黑线了,那么机器人要走轨迹需要几个传感器?(3)如何利用两个传感器走轨迹?(4)两个传感器的轨迹程序,碰到十字路口需要左、右转或是直走的时候能够成功吗?

我的思考:这样的问题设计由浅入深,引导学生操作、探究,让学生经历科学研究的过程。在这个过程中学生受到启发,思维被激活,问题是随即动态产生的,学生的思维也在一个个问题的解决过程中得到了锻炼。

(二)巧用留白艺术,读懂学生的思维过程,让学生善学

“留白”一直是中国书画艺术中常用的“以少胜多”的表现手法,能取得“此时无声胜有声”的艺术效果。将“留白”运用到智能机器人教学中,有助于培养学生的自主学习和探索精神,将会收到显著的成效。“留白”这种机智的教学策略,给了学生更充裕的时间去实践与操作、思考与探究。

【我的尝试】

1.未成曲调先有情――在激趣导入中“留白”

俗话说:“良好的开端是成功的一半。”好的教学往往从导入就开始演绎精彩了。我们应抓住学生好奇心强的心理特点,把留白巧妙地运用到导课中,有意给教学内容蒙上一层神秘的“面纱”,激起他们强烈的求知欲,促使他们积极主动地参与学习,从而拉开学习的序幕。

如,在教学调试机器人走轨迹速度一环节时,先让学生观察两种不同参数设置的机器人在走S轨迹时在动作和速度上的差异,学生很容易就能观察到一个行走时左右抖动频繁,一个行走时快速流畅,然后问学生:“你们觉得这会是什么原因影响的呢?”从而自然而然地让教师接上话茬:“接下来我们就来研究如何让机器人流畅快速地走轨迹?”

我的思考:教师没有过多的语言,一彰显,一留白,激起了学生学习的兴趣,点燃了学生思考的烈焰,撞出了学生智慧的火花。

2.顺水推舟――在自主探究中“留白”

让学生学会学习,提高学习探究的能力,是对教师提出了更高的要求。要让学生自主探究势必在我们的教学中要“留白”。这样学生才会自主、独立地发现问题、提出问题;通过“留白”引导学生思考问题,也许学生会有“柳暗花明又一村”的顿悟。

如,在机器人孤单英雄项目中,有一个过雷区的任务。机器人过快很容易就撞倒“地雷”,而速度慢又会严重影响整个任务的完成时间。那么,有什么解决方案,可以做到鱼和熊掌皆得呢?几个学生讨论、分析后,立马给出了答案:“雷区内和雷区外给它们两个不同的前进速度。”我接着问:“那么这个前进速度都有轨迹子程序控制的,如何做到不同呢?”学生很快回答:“我们给雷区单独设一个轨迹子程序,在雷区里的路口左转、路口右转都调动这个轨迹子程序,这样既不影响雷区外的行走速度,也能保证机器人顺利通过雷区。”

我的思考:适时、知识迁移中的“留白”给学生的探究提供了广阔的天地,让学生能够真正自主解决问题,从而使得思维得到深入的锻炼。

3.激发研究兴趣――在质疑碰撞处“留白”

质疑是科学探究需要培养的一种精神品质。留白,有利于学生的发展创造。把发现的任务交给学生,让学生在发现中寻找,在寻找中质疑,在质疑中碰撞出智慧的火花,从而找到自己的答案。

如,在教学左迷宫走法时,要分别利用前方(9号)、左前方(8号)、左边(7号)三个方位的红外壁障传感器进行判断来完成迷宫任务。学生马上就写出了两个条件判断的左迷宫子程序,然后仿真场地上进行试验,结果却不尽如人意,机器人都撞上了障碍物,停止了。这时就有学生质疑:“老师我们都按照你的迷宫方案编写了程序,可是为什么C器人还是走不了迷宫呢?”此时,我并没有急于告诉他们答案,我对他们说:“你们为什么不现场做个试验呢?”“对,对,对,我们可以自己扮演传感器,让老师来扮演控制器,教室就是迷宫!”有学生很快提出了实验方案。通过实验学生很容易就发现当7号和9号红外传感器同时检查到障碍物时,如果优先判断9号传感器让机器人右转,这样就不会撞上障碍物了。

我的思考:通过这样的留白,让学生自己去发现问题、解决问题,思维能力也显著提升了。很多学生还兴奋地对我说:“老师,老师,右迷宫的程序我应该也会编了!”

这次教学,创设了学生质疑的情景,学生通过仿真试验产生质疑,此时教师不急于给出答案而是作适当的留白和引导,让学生在质疑中得到思维的历练,从而发现问题所在,提出问题解决方案,并有可能让问题解决方案在其他地方得到迁移应用。

(三)活跃讨论氛围,读懂学生的发言内涵,让学生乐学

现代教学不仅要求学生“学会”“会学”,而且要使学生“乐学”,如何才能达到“乐学”的效果呢?智能机器人是一个培养中小学生创新精神和综合实践能力,提高综合素质的智能平台,要求把传统单一的接受性学习转变为研究性学习、参与性学习、体验性学习和实践性学习,以此促进学生知识和技能、情感、态度与价值观的整体发展。

【我的尝试】

1.在问题的解决过程中培养乐于学习的意识

在教学中,我们应该让学生成为学习的主人。一些学生可能通过讨论能够解决的问题尽量都留给学生自己去解决。

如,在教学路口左转的子程序后,可以放手大胆让学生尝试编写路口右转的子程序,能独立完成的学生可以先做测试,不能完成的学生再组织起来进行讨论。从学生的讨论发言中可以看出这些学生缺乏一些空间思维,如果借助实物可能就容易接受了。于是,我们拿出实物机器人和越野跑道,通过实物机器人展示,了解机器人路口右转的整个过程。通过2~3次的演示,很多学生兴奋、高兴地说:“我懂了,我也要做测试啦!”

2.在“交往―探索―发展”的课堂教学模式中培养乐于学习的能力

机器人学习具有具体、形象、实践性强的特点,强调培养学生的观察力和想象力,便于创设愉快、轻松、趣味的学习环境。教学过程中,教师要重视引导学生开展自学、探究、讨论、评议等活动,使得程序设计课堂教学出现一种生动活泼、轻松愉快的气氛,使学生在这样的氛围中自主、积极主动的学习。

我的思考:教师站在学生角度,倾听学生的讨论,而不是一味地指责学生,急着帮助学生给出问题解决的方案。因此,把探究、讨论过程放心地交给学生,让他们成为学习的主人,这样的学习才是真正意义上的学习。

三、成效和体会

智能机器人是一门综合实践活动课程,它蕴含着学生对科技的兴趣、持久研究的能力和团队合作的能力等综合能力的积淀和养成,研究能力和创新能力培养贯穿始终。就实施效果来看,学生参与面广,参与热情高,且研究成果多,全面、有效地提升了我校高段学生的观察力和想象力以及信息素养。

(一)有效提高了教师的教科研素养,有力地推动了机器人教学的开展

教师在执教中摸索培养学生创新能力的有效模式,以学生创新能力培养作为远景目标,不断推进创新教育的深化和拓展,实现创新教育的远景目标,创造创新教育的无限空间。辅导老师在与学生的活动中同样获益匪浅,拉近了师生间距离,有效促进了师生的内在交流与合作;增强了师生的探究乐趣,拓展了教师的思考空间。

(二)有效调动了学生的程序设计兴趣,激活机器人竞赛的热情

以动手实践操作为主,学生初步学会了用程序设计的思想去思考和解决实际问题。在丰富的教学氛围中激发学生的程序设计兴趣,迸发出创新想象空间,激励学生的思考和创新思维。机器人教学的有效开展,使学生的各项比赛成果显著。

高段学生对信息技术课兴趣明显得到增强,课堂气氛变得活跃而富有生气,课堂学习气氛更具研究味。学生基本上学会了独立分析问题,他们的动手能力在实践中得到了充分锻炼,思维能力在问题的解决中得到了升华。

总之,机器人教学特别注重学生体验、感悟和实践的过程,注重学生个性的健康发展和对学生的创新精神、实践能力的培养。日本、美国等一些发达国家,高度重视机器人教育对高科技社会的作用和影响。只要我们在教学中怀着一种不断思考、不断探索的精神,以学生的现实发展和长远发展为目标,学生就能真正从敢学变为善学,最后乐学,学会学习,乃至为他们的终身学习打下夯实的基础。

参考文献:

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