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1、智能機器人第2課——讓機器人擁有智能
教學設計
大連沙河口區(qū)中學生勞動技術中心 耿殿君 智能機器人
一、學情分析
隨著信息技術的發(fā)展，智能機器人這一信息技術的前沿領域也得到了飛速的發(fā)展，有專家預言，從信息產(chǎn)業(yè)的角度看，本世紀第一個十年將是智能機器人時代。教育今天的超前發(fā)展是為以后的經(jīng)濟和社會發(fā)展打基礎的。為了使現(xiàn)在的學生能夠適應未來信息時代的要求，在教學中及時地增加有關智能機器人知識的內(nèi)容是有必要的。為此，中心特設置了智能機器人課，使學生能夠親身體驗前沿科技的風采，揭開機器人的神秘的面紗。有效地激發(fā)學生學科學愛科學的熱情。
本節(jié)課為智能機器人課第2課，教學對象為學習過第1課—
2、—機器人搭建，掌握了樂高機器人的基本搭建技巧，了解常見傳感器的種類、功能、原理，能夠運用機器人自帶的微電腦實現(xiàn)簡單的機器人控制的初三學生。
二、教學任務
本節(jié)課的任務是讓學生懂得如何實現(xiàn)機器人的人工智能。以學生為主體，讓他們親自的參與、切身的體會，學習掌握基本的編程的思路及調(diào)試的方法并能根據(jù)具體情況加以應用。
三、教學目標
1、知識與技能
通過互動操作讓學生在實踐過程中，領悟知識，掌握技能：
（1）重點掌握樂高機器人編程軟件ROBOLAB2.9系統(tǒng)中導航者級別圖形化編程技巧。
（2） 理解程序設計思路，掌握程序基本結(jié)構(gòu)中的判斷和循環(huán)。
（3） 學會結(jié)合環(huán)境對程序進行調(diào)試。
3、2、過程與方法
通過在編程實現(xiàn)人工智能的設計、調(diào)試過程中，創(chuàng)設情景，發(fā)揮學生自主學習的積極性，讓學生在做中學，學中做。經(jīng)歷思維、實踐過程，讓學生在實踐中提高分析問題、解決問題的能力，鍛煉學生的邏輯思維能力和動手操作能力。
3、情感 態(tài)度與價值觀
通過多種形式的教學活動，提高學生學習智能機器人課的興趣。體會團隊合作的精神和使用技術的責任感、使命感。體驗科學探究的過程，激發(fā)學生對科學的求知欲和探究科學的勇氣。培養(yǎng)勇于實踐、勇于思考、勇于創(chuàng)新的精神和素質(zhì)。
四、教學重點和難點
1、重點：
（1）樂高機器人編程軟件ROBOLAB2.9系統(tǒng)中導航者級別的圖形化編程方法。
（2）學生在合作學
4、習的基礎上，自行設計，共同分析問題、解決問題。
2、難點：
程序的調(diào)試
五、課前準備
1、授課時間：
結(jié)合本課的實際目標，設計授課時間90分鐘
2、活動人數(shù)：
考慮到學生對編程的認識理解速度和程度有所不同，及教師進行引導和答疑解惑的工作量，人數(shù)設定為24人，每4人一組共計6組。
3、器材準備：
安裝有樂高ROBOLAB2.9編程軟件的電腦6臺，樂高9797藍牙機器人套裝6套（其中機器人通用底盤已經(jīng)安裝完畢，節(jié)省安裝的時間，使學生只需集中精力進行傳感器安裝），機器人工作臺6張，走軌跡場地1個，大屏幕投影設備一套。
4、學生的準備工作：
請學生在課前搜集整理一些智能機器人的資
5、料并做成演示用幻燈片。
六、教學策略
教法：
演示法、練習法，任務驅(qū)動法，教師主要做的是引導和答疑解惑的工作。
學法：
學練結(jié)合法、合作探究法，學生需要在大量的實踐操作和合作研究中完成各項任務。
七、教學流程（共75分鐘）
1、課程導入：（共8分鐘）
（1）學生幻燈片展示（4分鐘）
根據(jù)幻燈片進行簡單介紹（種類多為愛寶機器狗、ASIMO和QRIO等非拼裝機器人。動作多為跳舞、踢球、投籃和模擬機械等特定功能）。
（2）引入（4分鐘）
幻燈片中展示的機器人都是比較具有代表性的，但是它們具有的功能用我們手中的機器人都能實現(xiàn)，只要同學們愿意去想象去思考，甚至可以實現(xiàn)更多更好的效果
6、。
拿出教師做的線控機器人，為學生展示線控機器人踢球、繞柱。（生：老師，你那是線控玩具，人家的那個不用拿手操控。）
換程序，機器人開始自動到處追球跑。
換程序，機器人在走軌跡場地順黑線跑，在學生驚訝和新奇的眼光下，機器人大搖大擺的順線走到場地邊沿（眾學生：走到頭了啊，停?。?，然后翻了下去（眾學生：......）
學生都說這個機器人太笨了。的確，它不太聰明，但我沒控制它也按照我們期待的方式順著黑線跑起來了。也就是說機器人至少有走線的智能，雖然最后跳崖了。那么，機器人的智能是從哪里來的？（生：電腦，編程......）人通過電腦編程使機器人能在無人控制狀態(tài)下運作，實現(xiàn)虛擬的智能，這種智能稱之
7、為人工智能。想讓機器人變得更聰明，就要通過編程為機器人提供人工智能。今天我們就要來學習機器人的編程，讓機器人擁有智能。
2、授課內(nèi)容：（共67分鐘）
（1）軟件介紹（10分鐘）
教法：演示法、練習法
學法：學練結(jié)合法
教學意圖：
通過演示結(jié)合練習，讓學生初步掌握軟件的使用方法。
教學重點：
1、軟件的基本操作（圖1、圖2、圖3）。
2、程序的基本元素：運動與判斷（圖4）。
教學過程：
通過大屏幕投影為學生介紹樂高ROBOLAB2.9編程軟件的界面及如何進入導航者級別3， 對軟件中的各種圖標及判斷符號進行介紹。
圖2 判斷及延時單元
圖1 軟件主界面
圖3
8、 馬達單元
圖5
重
圖4 運動與判斷
圖5
重點講解程序運行的基本元素：運動與判斷，機器人的動作依據(jù)程序中的運動環(huán)節(jié)實現(xiàn)，機器人的智能靠程序中的判斷設定實現(xiàn)。圖5程序的效果為馬達A與C以3檔速度正轉(zhuǎn)（既向前直行），當1號接口的NXT觸碰被按下后，變成馬達A與C以3檔速度反轉(zhuǎn)（既向后直行），4秒鐘后機器人停。
圖5
教師活動：
利用大屏幕投影分段進行講解演示，中間穿插學生練習，最后進行一次完整過程演示。
學生活動：
聽講，觀看演示，每階段按要求進行操作練習。
（2）任務一：回到原點（15分鐘）
教法：任務驅(qū)動法
學法：合作探究法
教學意圖：
通過練
9、習，讓學生熟練樂高ROBOLAB2.9編程軟件導航者級別3的使用方法。
教學重點：
糾正軟件操作中出現(xiàn)的問題，強調(diào)判斷符號的正確選擇。
任務要求：
機器人從起點出發(fā)，最終回到起點附近停止，運行方式和傳感器的使用隨意，至少用兩種方法實現(xiàn)（直線、弧線的延時應用或用傳感器進行判斷）。
教師活動：
巡回指導和啟發(fā)。
學生活動：
以組為單位研究探討，實踐操作。
學生易出現(xiàn)的問題：
① 現(xiàn)象：雙馬達中只有一個馬達轉(zhuǎn)動或都不轉(zhuǎn)動。
原因：馬達線接錯。
②現(xiàn)象：雙馬達同速卻不走直線。
原因：輪胎的外胎與內(nèi)圈咬合不到位，導致一側(cè)輪發(fā)漂。
③現(xiàn)象：機器人拐彎超快。
原因：程序中馬達方
10、向有錯誤。
④現(xiàn)象：機器人返回時跑過料或跑不到位。
原因：馬達延遲時間設置有錯誤。
⑤現(xiàn)象：有的機器人回歸過程中是靠觸碰停止，但碰后無反應。
原因：沒有在編程環(huán)境中為傳感器添加接口數(shù)字，導致傳感器無效化。
（3）任務二：懸崖勒馬（10分鐘）
教法：任務驅(qū)動法
學法：合作探究法
教學意圖：
通過一題多解的方法熟練程序設計。
圖6 懸崖勒馬
教學重點：
程序設計的思路。
設計要求：
不需要機器人順線走，只要能運行到桌子邊沿時自動后退就可，傳感器的選擇和安裝以及機器人后退方式各組討論決定。拔高要求：機器人在電腦桌上實現(xiàn)前后雙向懸崖勒馬效果。
教師活動：
巡回指
11、導，總結(jié)操作中的問題，表揚優(yōu)秀的設計并當場演示。
學生活動：
學生以組為單位研究探討，實踐操作。
注意：機器人運行方向的桌子前端必須有學生準備接住機器人以防掉落損壞。
學生易出現(xiàn)的問題：
①現(xiàn)象：使用超聲測距檢測地面沒有反應。
原因：ROBOLAB2.9導航者級別3不支持超聲測距。
②現(xiàn)象：機器人后退時車輪已經(jīng)劃到桌外退不回來。
原因：傳感器離車體太近，導致檢測不及時。應適當增加傳感器與車體的距離。
③現(xiàn)象：機器人側(cè)向接近懸崖并滑落。
原因：側(cè)向接近桌邊時傳感器位置無法保證盡快地檢測到懸崖，增加傳感器與車體距離或保持機器人直線運行。
（4）介紹導航者級別4及調(diào)試（7
12、分鐘）
教法：演示法、練習法
學法：學練結(jié)合法
教學意圖：
通過演示結(jié)合練習，讓學生理解級別4與3的不同之處（圖7）。
教學重點：
程序調(diào)試。
教學過程：
介紹導航者級別4與級別3的最根本區(qū)別：多步編程。
圖8
圖7 級別4與3的區(qū)別
編程實現(xiàn)圖8繞柱功能，分析物理過程共分3步：前進——轉(zhuǎn)彎180o——前進。編程流程如圖9
圖9
此外，在導航者級別4中可設定無限循環(huán)或定次循環(huán)實現(xiàn)功能，方便進行反復運動和判斷。
調(diào)試是機器人設計中非常重要的步驟，它能確保機器人在不同的環(huán)境條件下都能順利的完成任務。機器人設計的再好，沒有經(jīng)過大量的調(diào)試以適應環(huán)境，也無法
13、正常工作。調(diào)試的對象一般是傳感器和馬達。
演示踢足球機器人，球更換為發(fā)射紅外光的競賽用球，在拉上遮光窗簾的情況下機器人靠光電傳感器檢測亮度從而發(fā)現(xiàn)球的存在并去追球。打開窗簾，機器人對球視而不見直奔陽光方向前進（在球離機器人較遠的時候陽光的紅外值大于球發(fā)光的紅外值，程序設計為尋找高于一定光值的方向。陰天可用手電筒照射光電傳感器代替該效果，機器人會跟隨手電燈光移動）。
通過演示可以看出環(huán)境對機器人影響很大。
用微電腦現(xiàn)場測試光值：球正常為40—100（隨距離減小光值增大），陽光下場地中間光值為65—90（隨太陽角度有變化），拉上窗簾情況下場地光值為5—10。
在拉上窗簾的情況下，機器人去找
14、球，光值應該設定在什么范圍內(nèi)？（生：40-100，10-100，20-100......）大家說的都是可行的方案，通常我們確定范圍可以用（可選范圍的最大值+最小值）/2這個公式來取值，即（40+10）/2=25，所以找球的光值可設定為25—100即≥25，這樣上下都留有相當?shù)娜蒎e范圍以適應環(huán)境的細微變化。對光電傳感器調(diào)試結(jié)束。不論是傳感器或是馬達的調(diào)試都要選擇不同位置多次檢測和分析才能成功。
教師活動：
利用大屏幕投影進行講解，在足球場地進行調(diào)試演示并提問和講解。
學生活動：
聽講，觀看演示，思考、回答教師提問。
（5）任務三：沿線行走（25分鐘）
教法：任務驅(qū)動法
學法：合
15、作探究法
教學意圖：
用設置任務的方式讓學生思考解決方案并熟練導航者級別4的使用和掌握調(diào)試的技巧。
教學重點：
編程思路和程序調(diào)試。
任務要求：
利用光電傳感器，在打開窗簾的環(huán)境條件下，機器人能夠沿場地黑線運行。
教師活動：
巡回觀看，不做啟發(fā)指導（保證競賽公平）。
學生活動：
以組為單位研究探討，實踐操作。
圖10
注意：教師應在5分鐘后視學生研究情況決定是否將機器人走線原理圖展示出來但不作說明。學生操作時間20分鐘，之后進行走線競賽5分鐘。
學生易出現(xiàn)的問題：
①現(xiàn)象：在有陰影遮擋的黑線位置，機器人無視線直接往陰影沖。
原因：光線及陰影都會對該段場地的光值造成
16、影響，學生沒有針對全程的場地光值進行調(diào)試，經(jīng)測試，無陰影場地光值≥65，而有陰影場地光值45—60，黑線光值25—35，故根據(jù)公式（可選范圍的最大值+最小值）/2計算應為（45+35）/2=40。而很多同學忽略了陰影地區(qū)的光值測量，計算結(jié)果為（65+35）/2=50，恰好在陰影光值范圍內(nèi)，故機器人視較深的陰影為黑線而無視真正的黑線。
②現(xiàn)象：軌跡線彎度過大時機器人脫軌。
原因：兩輪速度差不夠，拐急彎時不宜兩輪同向，應單輪拐彎或兩輪差速返向。經(jīng)測試，兩輪速度差應在3檔以上。
③現(xiàn)象：機器人能順線走但極緩慢，前進三步后退兩步，1分鐘無法跑完全程。
原因：兩輪轉(zhuǎn)向一正一反，但反轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速過大，
17、接近正向輪速度導致進程緩慢，經(jīng)測試，若使用反轉(zhuǎn)輪，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速只能為1檔。
八、教學評價（共15分鐘）
評價標準：
場地線分成5段，每走完1段得該段分。脫離線或脫離后反向沿線行駛算比賽結(jié)束。對運行進行計時，比賽時間上限1分鐘，同分的機器人按用時由少到多排序（要求機器人在沿線跑的情況下還要盡可能提升速度）。
1、競賽結(jié)束，排出名次，學生自評，教師點評，并讓其中較薄弱的一組同學重新進行現(xiàn)場調(diào)試和修改程序（教師從旁提示），使機器人最終能沿線跑完全程（再次強調(diào)調(diào)試的重要性）。
2、請學生談談這節(jié)課的收獲和體會（編程軟件，實際應用，學會調(diào)試、團結(jié)協(xié)作、分析及解決問題的思路等）。
3、提問通過這節(jié)
18、課的學習能否將懸崖勒馬和沿線跑兩個效果結(jié)合？為什么？
學生意見：不能，因為在導航者級別中，機器人完成任務是按次序進行，而要結(jié)合兩個任務必須是機器人在順線跑的過程中隨時可以檢測是否到懸崖邊上了，需要任務同時進行。
教師：下堂課，將對機器人的程序設計做更深入的學習，包括解決任務同時進行的問題，機器人將擁有更完善更豐富的功能（演示走線+懸崖勒馬組合功能機器人）。
4、讓學生談談下節(jié)課想讓機器人實現(xiàn)何種功能（學生的設想多為帶有對抗性的競技類活動如踢球、投籃、格斗等，也有諸如變形、遙控、對話之類的高難度內(nèi)容）。
5、課后思考：要實現(xiàn)同學們提到的想要在下節(jié)課的讓機器人完成的任務，需要安裝哪些設備，需要完成哪些功能，其中哪些需同時完成，哪些需順序完成，要做哪些調(diào)試？
智能機器人第2課讓機器人擁有智能
