• 连 军 利用组合法拓展学生创新思维——足球机器人
  •           2011-6-28     浏览()     【
  • 苏州市草桥中学校 连 军

      【摘 要】本文以教材内容基础,以足球机器人为载体,以传感器组合使用与算法为内容,以实践创新为方式,设计主题活动,使学生学会利用组合法拓展创新思维;经过教材分析,提出设计意图和目标,确定实施教学的基本策略,设计具体的教学方案。
      【关键字】组合 算法 实践创新  
      教材分析
      苏科版《初中信息技术》(选修)第二单元——机器人,教材由三个章节组成,各章节之间由浅入深,层次分明。内容可以分成以下几个方面:
      1.初步认识机器人,了解机器人的基本常识以及应用,认识学生机器人的基本构成。
      2.机器人的硬件以及应用:单片机(控制器)、传感器和执行部件。
      3.机器人的软件以及应用:流程图表示算法和设计程序,程序的3种基本结构、编程方法和程序设计。
      4.机器人学习活动:学生运用已学知识进行实践活动、机器人创新设计活动。
      第3章 《机器人学习活动》的教学内容主要是在了解各种传感器的基础上,进一步学习传感器的实际运用,掌握编程方法,学会灵活运用传感器对机器人进行各种设计,体现活动性、创新性,在活动中让学生了解机器人,培养学生分析问题和解决问题的能力,以及学生的创新精神与合作能力。
      《行走机器人》是机器人综合运用的第一节,内容包含机器人沿轨迹行走的基本原理,灰度传感器的使用和程序设计原理,学生在实践活动中学会测量场地和轨迹线的感光值,理解程序并学会修改程序;第二节《灭火机器人》让学生了解灰度传感器和红外线接收传感器的综合运用,体会到学习机器人的现实意义,进一步培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。第三节《走近机器人创新设计》以教师辅导为主,让学生了解机器人创新设计的基本方法和要素,掌握机器人创新设计的方法和技术。
      设计意图
      《行走机器人》和《灭火机器人》的教材表述言简意赅,主要介绍了传感器运用的基本方法,在传感器的运用进行创新方面,给教师留下了很大的拓展空间,完成这2节的教学任务后,安排《足球机器人》主题活动,通过对已学知识的组合,对传感器的运用进行创新,使学生的思维不局限于单一的理论上,经过实践创新,能够灵活运用传感器对机器人进行各种设计,拓展学生创新思维,丰富机器人创新设计的方法和技术,为下一节《走近机器人创新设计》的教学打下良好的基础。,
      设计目标
      学生在已学知识基础上,通过多个传感器的组合使用,学会利用渐变颜色的线性数值变化判别方向,消除红外线的偏角误差;通过实践活动,利用组合法拓展学生创新思维,掌握拓展已学知识来解决问题的方法,培养学生灵活运用所学知识的能力。
      教学的基本策略
      1.吸引学生注意力,激发学习兴趣
      活动主题由2个视频引入,中国男足比赛视频吸引了学生注意力,把思维马上转入课堂,足球机器人演示视频里,机器人好像都长了眼睛,能攻善守的比赛策略,引发学生的好奇;在已学知识的基础上,教师用简单而又形象的组合方法(把机器人组合起来),使得原本单一的知识内容变成新颖有效的创新方法和技术,问题迎刃而解;主题突出吸引人,方法简单我也行(学生心里想)。
      2.以已学知识为基础
      在整个教学过程中,紧抓已学知识不放;学生对足球机器人的认知是以已学知识为基础,红外接收传感器和灰度传感器的相关知识,学生在实践测试和算法分析中得以加深和巩固;在此基础上,通过教师引导启发和学生实践活动,利用简单组合法对传感器的使用方法进行创新和提高,符合学生学习的心理特征,满足了学生的求知欲。
      3.三个为主
      (1) 以学生为主,针对学生的特点和掌握已学知识的程度,教师在学生讨论、实践测试和实践活动等环节适当的引导和启发,教师讲解和学生讨论穿插在实践活动之中,帮助学生拓宽思路,把时间留给学生,让学生多思考、多发言、多实践,做到教师在活动中讲,学生在活动中学。
      (2) 以自主学习为主,设计实践测试、实践活动和探究学习等多个自学环节,充分利用这些教学过程,指导学生自主学习,培养学生自学能力;从引入主题——足球机器人引起学生自学的兴趣,到实践测试教给学生自学的方法,最后学生汇报测试结果,优胜者展示机器人,并表述机器人的设计思路,这是学生自主学习的完整过程(兴趣——方法——表述)。
      (3) 以培养学生能力为主,通过视频观察机器人行为特点,实践测试和算法分析动手操作,实践活动机器人设计和编写程序的整个过程,利用组合法拓展创新思维是以传感器组合使用为主线,设计多层次的实践活动,培养学生的观察能力、动手能力和创造能力。
      教学方案
      课 题:足球机器人
      一、教学目标
      1.知识与技能目标
      (1) 熟练掌握传感器的使用方法,加深对传感器特性的了解。
      (2) 学会传感器的组合使用,利用渐变颜色的线性数值变化判别方向,消除红外线的偏角误差,理解传感器组合使用的设计思路。
      (3) 掌握简单的程序算法,通过设计程序,完成相应的任务。
      2.过程与方法
      (1) 在实践测试过程中,能够获取准确有效的信息。
      (2) 在教师指导和实践活动的过程中,学会使用组合法解决问题。
      3.情感态度与价值观
      (1) 培养学生的观察能力、动手能力、创造能力、使学生养成良好的思维习惯。
      (2) 通过竞赛机制,培养学生的竞争、合作意识,提高学生比赛时的灵活性。
      4.行为与创新
      (1) 通过对传感器使用方法的创新,培养学生灵活运用所学知识的能力。
      (2) 通过对组合法的探究学习,拓展学生的创新思维以及勇于探索的精神。
      二、教学重难点
      重点:学会传感器的组合使用,利用渐变颜色的线性数值变化判别方向,消除红外线的偏角误差。
      难点:理解传感器组合使用的设计思路。
      三、教学过程
      1.导入
      播放视频:中国男足比赛视频
      教师评述:2002年中国男足终于冲出亚洲,挺进世界杯32强,实现了历史性的突破;2006年和2010年中国男足世界杯之旅又都受阻于亚洲地区外围赛,如今,“冲出亚洲”又成了全国球迷的心中梦想。今天的主题活动就是每组同学设计一个足球机器人,进行比赛,优胜者将被誉为——“冲出亚洲”龙之队。
      2.讲授新课
      演示一段足球机器人演示视频
      教师提示学生细心观察,认真思考,视频播放完毕后,讲解比赛规则,展示比赛用球和场地。

      比赛规则:比赛双方机器人在规定的场地中,使用指定足球进行比赛,在4分钟的时间内,进球多的一方胜出。比赛过程中,由参赛队员亲自启动,机器人必须是自动控制。
      教师提问:机器人没有眼睛,它在比赛中是怎么找球的?
      学生回答:机器人通过红外接收传感器寻找足球发出的红外线。
      教师评述:机器人找球的原理,与《灭火机器人》一节相同。在那一节课上,蜡烛摆放在一个固定的位置,发射红外线的火源是静止不动的,机器人寻找火源比较容易;而比赛场上,足球一直处于运动状态,机器人找球的难度比较大,准确地找到球难度更大。
      教师演示:在场地上放置1个机器人(有1个红外接收传感器),足球放置如下2种情况,学生观察红外接收传感器的读数。
      教师评述:以上2种情况下,在比赛过程中经常出现,第一种情况,机器人找到球,距离球比较近,但球在它的右前方或左前方,准确性差;第二种情况,机器人找到球,距离球比较远,但球在它的正前方,准确性高;而2种情况下红外接收传感器的读数相同或非常接近,机器人做出判断时容易发生混淆;机器人用此类方法来找球,效率和准确性都不高。

      提出活动任务1:现在请同学们想个办法,如何提高机器人找球的效率和准确性?
      学生讨论:教师一边听学生讨论的内容,一边引导学生分析上述2种情况发生混淆的原因,指导学生在《灭火机器人》一节的基础上进行思考,如何消除红外接收传感器的角度误差?
      (如果学生不能想出正确的方法,教师就布置学生完成“实践测试1”,用测试结果启发学生,如果学生已回答出正确方法,学生就通过“实践测试1”的结果来验证自己的想法。)
      学生实践测试1:2个机器人并排放置,足球分别放在A、B、C三个位置,观察和记录传感器1和2的读数。

     

    传感器1

    传感器2

    位置A

    3

    9

    位置B

    3

    3

    位置C

    9

    9

    (学生应该从测试结果中得到启发)
       
      学生回答:如果这两个机器人合为一个的话,也就是一个机器人有2个红外接收传感器,当2个传感器读数都接近3时(位置B),准确性最高,这样就可以消除红外接收传感器的角度误差。
      教师评述:是的,和人的2个眼睛类似,2个红外接收传感器放在一起使用,起到了聚焦的作用,能够准确地对准目标;那我们眼睛的余光起什么作用(形象比喻,提示学生关注读数1与读数2不相同时,球所处位置。)?
      学生回答:传感器1读数小于传感器2读数,球在机器人的左前方(位置A),机器人向左找球,传感器1读数大于传感器2读数,球在机器人的右前方(位置C),机器人向右找球,这样可以提高机器人找球效率。
      学生算法分析1:根据2位同学的回答,写出机器人找球的算法分析。
      教师提问:人类的足球比赛中,球员一般会采取坚固的防守和犀利的进攻来赢得比赛,机器人在比赛过程中,同样也有防守和进攻,那么它们在什么情况下进行防守或进攻呢?
      学生回答:机器人找到足球并且面向对方球门时进攻,否则就防守。
      提出活动任务2:当机器人找到足球时,方向不同,做出的动作就不同,它如何辨别方向的?
      学生分组讨论,教师引导学生关注比赛场地黑白渐变颜色,并在《行走机器人》一节的基础上进行思考。
      学生实践测试2:教师提供6个机器人(每个机器人只有1个灰度传感器),学生分3个组,每个小组使用机器人的数量和多个机器人的组合如图所示,从场地中央,通过移动或旋转机器人对如图8个方向进行测试,把所得读数填写表格。

    小组

    西

    东南

    西北

    东北

    西南

    能辨认的方向

    移动时间

    1

    场地中心

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    目标位置

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    2

    传感器1

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    传感器2

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    3

    传感器1

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    传感器2

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    传感器3

     

     

     

     

     

     

     

     

     

      学生发言
      第1小组:机器人在测试过程中,用1个灰度传感器检测场地颜色,每次移动时间1秒;在测试南北方向时,2个位置的传感器读数相同,无法分清南北方向;在测试东、东南和东北方向时,传感器的读数相应变化,但这3个方向的读数变化几乎相同,测试西、西南和西北方向时,出现相同的情况,我们只能模糊辨认东西2个方向。
      第2小组:我们用2个机器人测试,前后2个机器人灰度传感器,不需要移动位置,只要在场地中心旋转就能测试方向了,测试结果与第1小组相同。
      第3小组:我们用3个机器人测试,测试方法与第2小组相同,在测试东西方向时,传感器1和传感器2读数相同,能准确辨认东西方向;测试北、东北和西北方向时,传感器1和传感器2读数之间差异在这3个方向几乎相同,测试南、西南和东南方向时,出现相同的情况,我们能模糊辨认南北2个方向。
      教师评述:第1小组和第2小组测试方法不同,都能模糊辨认东西2个方向,明显第2小组的效率高;第3小组和第2小组测试方法相同,能准确辨认东西方向,模糊辨认南北方向。应该说第3小组测试方法效率高,效果最好。讲到这里同学们应该想到我们的足球机器人用哪种方法辨别方向了(3个灰度传感器以品字形排列安装在机器人上)。
      学生算法分析2:3个灰度传感器以品字形排列安装在机器人上,写出这个机器人辨别方向的算法分析。
      学生实践活动:学生分3个组,每个小组各自分工,完成传感器安装、程序编写、调试等任务,最后3个小组以单循环的方式进行比赛,直至决出优胜者。(学生在活动中可以按照自己的想法设计机器人和编写程序;教师兼顾各个小组,引导和启发学生解决问题,鼓励学生敢于竞争,表扬合作拼搏的精神。比赛结束后,优胜者展示机器人,并表述机器人的设计思路,包括传感器组合使用、程序设计和创新设计等。)
      探究学习
      (1) 实践测试2中,第1小组和第2小组测试方法不同,为什么结果相同?第3小组和第2小组测试方法相同,为什么结果不同?
      (2) 红外接收传感器产生角度误差的原因是什么?
      3.课堂总结:今天我们经过亲身体验实践测试,体会了2个红外接收传感器组合使用的奇妙,能够像人的眼睛一样准确;足球场地的渐变颜色为我们组合使用灰度传感器辨别方向提供了条件;由这2个核心技术武装的机器人,在比赛中表现非常出色。传感器是机器人的感觉器官,灵活合理有效地使用,能使机器人更加聪明。
      教学反思
      1.运用合理的教学方法、激发学习兴趣
      活动主题引入部分2个视频,吸引学生的注意力,在已学知识的基础上,教师用简单而又形象的方式,问题迎刃而解,激发学生的求知欲和对所学内容的兴趣。教学过程中,大部分时间和环节,都有学生参与;遇到较容易掌握的内容,放手让学生探究实践,较难掌握的内容,学生讨论、动手实践和教师引导启发相互穿插,学生不会感到枯燥和无助,有继续学习下去的信心,教学效率大大提高。
      2.“任务驱动”学习并复习新旧知识
      “任务驱动”是将所要学习的新知识隐含在一个或几个任务之中,学生通过对所提的任务进行分析、讨论,明确它大体涉及哪些知识,并找出哪些是已学知识,哪些是新知识,在教师的指导、帮助下找出解决问题的方法,最后通过任务的完成而实现对所学知识的建构。“任务驱动”不是简单的提出任务和完成任务,而是要让学生学会学习,学生以通过完成任务学习新知识并复习已学知识,而且还培养学生灵活运用所学知识的能力。
      3.教师是促进者,指导者,设计者
      学生实践活动过程中,教师是促进者,指导者,设计者,引导学生针对某些问题进行共同探讨,对能力较弱的学生积极鼓励,加强指导,排除学生学习中各种心理障碍,克服学生的抵触情绪,创设和谐的学习环境。能力较强的学生,少一些指导,多一点促进,让他们觉得教学内容有一定的挑战性,充分发挥自主学习的能力,在实践探索中享受成功的喜悦。教师是把《行走机器人》、《灭火机器人》与《走近机器人创新设计》内容紧密衔接的设计者,运用前2节传感器教材内容,后1节创新设计方法——组合法,设计一个主题活动,使学生在已有知识的基础上,进行实践创新,不但巩固和拓展了已有知识,也为以后的教学打下了良好的基础。
      参考文献
      日本机器人学会 编 《机器人技术手册》  科学出版社  1996
      孟繁华 编著 《机器人应用技术》  哈尔滨工业大学出版社  1989
      附件
      足球机器人课件.ppt
      教学素材.rar
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