智能跑步机的设计
课程说明
智能跑步机的设计是引导学生主动参与并经历一个有结构化的实践动脑分析活动过程,建构主义认为,知识不是通过教师传授得到,而是学习者在一定学习环境下,在教师和学生伙伴的帮助下,利用必要的学习资源,通过自主行为建构而获得的。此课程设计以教师引导启发为主,讲解示范为辅的教学方法,积极组织学生开展小组探究活动,并进行充分的交流讨论,引导学生经历一个十分典型的“发现—分析—解决问题”的探究过程,在这个过程中教师采用问题导向和任务驱动的方法引导学生自己去思考,从而逐步掌握软件编程如何一步步设计思路的方式方法。同时借助多媒体辅助教学帮助学生更好地掌握要点,构建框架。
教学内容
智能跑步机的设计是以实践和制作为主线,具有实践性强的特点,同时为同学们提供了宽广而丰富的创新空间。在学习创造劳动过程中,同学们可以联系生活实际,进行大胆想象,积极实践制作,在动手设计与制作过程中,体会其中蕴含的独特智慧和人类的创造力。懂得劳动创造生活,为生活带来便利的道理,认识到劳动是推动人类社会进步的根本力量。本案例设计主要以乐高机器人为主要内容,带领学生体验智能新技术。
教学重难点
教学重点:
熟练使用循坏与切换条件的综合使用。
教学难点:
学会根据实际情况去分析数据,对数据进行范围的判定与操作。
学段时长
高二年级,1课时,50分钟/课时。
四、教学目标
(一)价值体认
通过搭建好的硬件机械内容实现编程,掌握图形化编程语言,明确编程思路,能够主动分享体验和感受,与教师同学交流机器人在生产生活中的重要应用,体悟劳动人民创造新技术的智慧,形成积极的劳动观念和态度。
责任担当
在学习过程中关心小组成员,小组合作编程,形成主动服务他人,服务集体的劳动情怀。
问题解决
理论联系实际,能主动应用所学知识理解和解决问题,用科学方法进行学习编程知识,应用硬件软件知识,提升运用相关的劳动知识与技能来服务社会的基本能力。
创意物化
在操作中将学习到的知识应用于生活小情景中,运用综合技能设计制作较复杂的智能作品。
五、学情分析
学生学情分析:高二年级的学生认知与理解趋向成熟化,他们可以举一反三,有自己探究和团队合作完成项目的能力。教师从问题导入和任务驱动出发,在学生已有熟练的硬件乐高搭建技巧入手,学生通过单电机使用初步熟悉了机器人的驱动力,利用移动平台做比赛,灵活掌握了移动槽和移动转向的用法,通过超声波做智能身高仪和变速小车,双触碰控制转向等项目深刻了机器人感知功能,会用循坏,切换等用法,以及数据操作和变量的使用。智能跑步机设计是将上述知识综合化,需要学生冷静认真分析程序,分步解决问题。
科目背景分析:虽然机器人的种类千差万别,但其系统组成都是一样的,通常由控制器,传感器,能源动力以及反馈系统等部分构成。通过传感器感知环境信息的变化,由中央处理器运算、处理,最后由输出装置完成特定的任务。学生掌握了解编程的简单语法后,对机器人学科有一定基础后,作为巩固学生知识的模块,利用制作跑步机硬件,综合分析软件来升华学生已有认知水平。
六、实验室装备
通用技术教室:选择性必修六-机器人设计与制作。
设备清单:
课堂教师所需硬件设备:教师台式电脑,话筒,电池盒,投影仪,显示屏等;软件设备:头脑风暴机器人软件编程环境,课件等。具体如图1-1所示。
图1-1教室布置图
小组所具备的设备:乐高头脑风暴ev3控制器,硬件搭建所需要的零件,新购买装备一二级乐高零件用来补充机器人硬件类型,笔记本电脑等。详细为如图1-2所示。
图1-2学生小组设备图
购
买的新设备作为拓展延伸体验展示所用:大疆机甲大师和悟空乐队机器人。详细见如图1-3所示。
图1-3拓展延伸所用设备图
七、教学过程
(一)导入新课
1.任务一:精彩瞬间导入
教学活动:教师采取多媒体视频的方式导入。应用的视频都是前面学到的内容中每个组亮点操作所拍的视频。
活动方式:师生观看学生设计的时长约不到3分钟的作品展示。
设计意图:通过观看自己的制作视频,学生积极回顾之前内容,观看其他组的精彩瞬间,细心虚心向别人学习长处,精益求精。
2.任务二:梳理由视频导入的知识点
2.1重温硬件零件的种类与语法
教学活动:之前我们搭建过程中会用到哪些零件呢?
活动方式:学生抢答环节。
设计意图:通过抢答的方式,学生积极回顾零件用法,此方式的设计在课堂开始时就为学生营造了积极愉快的学习氛围。
2.2回忆软件编程知识
教学活动:机器人操作离不开编程,那接下来我们从三个点进行回顾之前的内容
活动方式:师生交流分享。
回忆点1:简单回顾语法宝典包含顺序结构,循环结构,条件结构。
回忆点2:简单回顾模块学习知识。
回忆点3:简单回顾机器人的执行力-电机;思维-控制器;感知-传感器的用法。
设计意图:通过分享的方式,教师帮助学生及时梳理知识点,为后序的学习奠定基础。
3.准备工作
学生活动:打开笔记本电脑,正确开机,将上节课搭建好的智能跑步机硬件准备好。
教师温馨提示:注意用电安全,正确小心插电源线,将个人水杯等物品放置固定位置,避免误将水杯的水洒到电源桌上,弄坏电脑和笔记本电脑等。
教师总结:一台完整的机器人是由机械系统,控制系统和感知系统组成的。我们已经将机械系统搭建完成,接下来我们开启机器人的控制和感知系统。通过编程来一探智能的奥秘吧!
(二)探究新知
背景介绍:随着疫情的不断蔓延,各大媒体都争先恐后发布居家锻炼相关方案,一方面体现了国家及医学界对居家体育锻炼的重视,另一方面也为了防止增加患病风险。居家体育锻炼在疫情期间可以有效提升免疫力,缓解居民情绪, 抵抗病毒。为了加强体质训练增强免疫力,特设计一款小小智能跑步机。我们设计的跑步机不仅外观好看,更注重是和实际中的简易跑步机的工作原理一样。通过设计我相信我们在居家过程中也会慢慢思考,去设计一些有助于强身健体的器械。
教师主持:今天我们设计的智能跑步机外观是采用了统一步骤的硬件搭建,功能是可以明确看到每个人跑的圈数,可以实现加速和减速功能,而且速度可以明确体现,也要实际体现在电机的转动上。已经设计好的跑步机外观如图1-4所示。
图1-4外观设计图
教学任务:智能跑步机功能的设计
任务目的:灵活掌握编程环节循环,切换,比较等的综合应用。实现教学的重难点。
教师布置要求:跑步机通过碰撞传感器方式实现加减速,并能及时体现在屏幕和电机转速上,老师留有小疑问速度可以无限制增加或减少吗?
教学活动:师生首先巩固会用到的知识点进行一一罗列:机械搭建、双电机会用移动转向统一控制速度、循环结构保证产品的使用重复度、切换会用到很多:比如加减速控制电机,给数据限制范围,屏幕显示等不同模块。
学生活动:学生小组讨论交流回顾之前所学的内容,集思广益。
学生疑惑:学生一般会产生以下几点疑惑或问题1.如何使用两个触碰分别实现加减速;2.跑步机只显示自己所跑的公里数,是用到清零效果吗?3.速度如何体现在功率电机的转动上等等。
学生活动:分步逐一尝试解决。
创新突破亮点一:如何使用两个触碰分别实现加减速。
教师引导:帮助学生举一反三。速度进行变化会用到教师讲解模块学习里变量来实现控制不同的速度;变量在使用时又需要注意什么?
学生活动:思考和探索,结合解方程的思想来理解变量,学生深入考虑解方程首先就是要解设明确x,那么变量和解方程一样首先要先进行解设,添加变量;第二写方程列关系式那变量就是通过读取方式去处理数据。
设计意图:将程序的思想与数学结合,进行学科部分融合,既理解了变量的使用,又明确方程的思想。
创新突破亮点二:跑步机如何只显示自己所跑的公里数?
教师引导:用生活中称量物品去皮清零的效果引导学生向重置电机功能考虑。
学生活动:跑步机要体现屏幕显示模块,而且只显示自己的数据,这就会用到程序开始前实现类似清零的操作,那么会用到电机清零可能有时候会出现学生有点不太好理解电机清零的位置,有时候会存在学生把电机清零重置放在循环里,这时候老师不会直接告诉学生,让学生先试错,然后教师再引导帮助学生理解重置应放置在循环外,程序最开始执行,这样才能及时清除之前轨迹公里。
设计意图:虽然程序电脑给人感觉复杂,但任何难的模块都是生活中小小现象凝聚起来的,将作品设计思想融入生活小实例,设计更贴近生活。
创新突破亮点三:如何进行控制速度?
教师引导:教师带领学生回忆梳理教授的比较模块学习。要将设定好的变量与实际电机转动的最大最小功率比。那么如何可以比较实际操作呢?
学生活动:学生积极思考,速度不能无限增大,最大值要符合实际情况,就是电机最大功率100;最小值不能为负,如果为负会有哪些后果:学生讨论得到会与人体方向一直,伤害人类,不符合逻辑,所以最小只能为0静止。因此引导学生在比较时会用到两个切换条件,第一次与最小值比较,如小于0直接将变量附值0,再满足此条件下进行第二次切换,变量此时值与最大值比较若违背规则就直接附值100。
设计意图:任何作品要符合常识,从实际出发,用到比较会将变量值与实际情况比较,引导学生用数学逻辑是与非的想法解决生活现象。
创新突破亮点四:如何进行数据的指向问题?
教师引导:速度要传递给功率,需要指向。请想想之前我们设计的智能测量身高仪与变速的小车。在测量身高仪我们学到了将超声波本身测量的数据通过输出端指向指向屏幕显示模块;在设计变速小车时我们讲到了小车的速度会根据距离的变化而变化,那么当时如何设计的呢?
学生活动:学生顿时明白之前的操作内容,难点就是整合,需要学生梳理和尝试,唯有实践是检验真理的唯一标准。
设计意图:实现教学目标中创意物化的目标。此程序实现需要学生冷静分步去逐一实现最后进行综合,期间学生会出现各种问题,作为教师需要一直指导,学生在探究体验中学到的知识是最是可以培养学生的劳动品质与劳动精神。学生第一次参与综合性硬件与软件结合方式实现智能化操作。学生积极探索,注重劳动过程,当程序一次次出错需要调试,一次次去耐心的分析原因,不断改正,有很多学生满头大汗直到完全实现操作后,全组人发自内心的欢呼,产生发自内心的开心与成就感时,甚至很多同学激动的留下欣喜的眼泪时,学生自然产生了共情共鸣。
教师活动:给予情景化的指导并积极鼓励肯定学生的想法。
跑步机功能实现如图1-5所示,学生操作如图1-6所示。
图1-5功能实现图
图1-6学生操作图
(三)巩固丰富功能
教师布置:学生自主丰富跑步机的功能,可以完善硬件外观,也可以设计制作一项会唱歌的跑步机。
教师引导:(1)可以为我们的小小机器加外观设计,比如设计人物在上面跑;(2)可以利用我们学到的机器人相关知识或者音乐根据上面的音符与音调设计自己喜欢的音乐,音乐跑步机跑起来;(3)添加其他传感器,丰富功能。
设计意图:巩固知识,将理论应用到实践上,学生自主设计极大调动学生参与积极性。
(四)小结与拓展过程
1.学生谈收获。
学生自愿谈收获与课程改进建议,有些学生将自己的想法附写在纸质上上交,教师认真做聆听并及时收藏学生的想法。部分学生心得表在学员评价文件。
2.教师做总结。
3.拓展体验
拓展体验教室里其他设备,按时收拾所有教学学习用具后,集体打扫卫生并最后合影留念记录美好的一次劳动学习!
思
维导图板书:
教学评价:
评价内容 |
评价方式 | ||
自评 |
互评 |
师评 | |
思路是否流畅,清晰 |
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功能是否完善 |
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|
小组配合是否默契 |
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编程设计技巧 |
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说明:A——优秀,B——良好,C——合格,D——待改进 |
八、教学反思
在本节课的教学设计与教学过程中,我努力做到遵循课程标准,力求做到实践与创新在教学中的融合应用。我努力成为学生学习智能技术知识的伙伴和激励者,课堂学习的引导者。
在教学过程中尽量鼓励学生参与到教学活动中,并进行小组讨论交流,集思广益得出结论。
通过这节课的学习,学生能够积极掌握知识后,学到了编程的思路为以后遇到复杂问题去分步思考奠定基础。
在本节课教学中,我还发现自身的语言素质与科学修养需要进一步提升。在今后的教学中需要不断学习以提高自身素养。
应用设备方面反思:
科技带动进步,作为一名机器人设计制作的教师,应梳理多动手多体验不同设备的能力,举一反三。用好设备,熟练新旧设备的结合使用!
附:教室所有设备清单
序号 |
器材名称 |
型号 |
单位 |
数量 |
备注 |
1 |
ev3传动套件 |
ev3头脑风暴机器人 |
套 |
8 |
|
2 |
ev3结构套件 |
ev3头脑风暴机器人 |
套 |
8 |
|
3 |
ev3运动套件 |
ev3头脑风暴机器人 |
套 |
8 |
|
4 |
ev3电机驱动板 |
ev3头脑风暴机器人 |
个 |
24 |
|
5 |
ev3传感器套件 |
ev3头脑风暴机器人 |
套 |
8 |
|
6 |
ev3机器人零件套件 |
ev3头脑风暴机器人 |
套 |
8 |
|
7 |
ev3机器人控制器 |
ev3头脑风暴机器人 |
块 |
8 |
|
8 |
ev3机器人软件 |
ev3头脑风暴机器人 |
套 |
8 |
|
9 |
能力风暴传动套件 |
能力风暴机器人 |
套 |
5 |
|
10 |
能力风暴结构套件 |
能力风暴机器人 |
套 |
5 |
|
11 |
能力风暴运动套件 |
能力风暴机器人 |
套 |
5 |
|
12 |
能力风暴电机驱动板 |
能力风暴机器人 |
个 |
15 |
|
13 |
能力风暴传感器套件 |
能力风暴机器人 |
套 |
5 |
|
14 |
能力风暴机器人零件套件 |
能力风暴机器人 |
套 |
5 |
|
15 |
能力风暴机器人控制器 |
能力风暴机器人 |
块 |
5 |
|
16 |
能力风暴机器人软件 |
能力风暴机器人 |
套 |
5 |
|
17 |
84时触控一体机 |
整机智能一体设计,人机交互硬件界面友善 |
套 |
1 |
|
18 |
电子白板软件 |
采用PAD式设计风格,简单,清晰,软件具有窗口模式 |
套 |
1 |
|
19 |
移动支架 |
蓝贝思2HG100-57 |
组 |
1 |
|
20 |
音箱和功放 |
与计算机等设备连接,4只音箱,灵敏度(dB)90 |
套 |
1 |
|
21 |
无线话筒 |
无线信号接收器和无线麦克(领夹式) |
套 |
1 |
|
22 |
便携式移动视频展台 |
广州吉星,专业数码全铂金属 |
套 |
1 |
|
23 |
多媒体讲台 |
蓝贝思特,84寸一体机落地推车 |
套 |
1 |
|
24 |
台式机 |
联想,CPU不低于15,内存不低于4G,硬盘不小于500G |
台 |
1 |
|
25 |
学生笔记本电脑 |
联想i5-6200U 4G,500G,Win10 |
台 |
12 |
|
26 |
专用路由器 |
中教定制AP,双频2.4GHZ |
套 |
1 |
|
27 |
机器人演示模型 |
大疆机甲大师EP,红外深度传感器 探测范围:0.1米 至10.0米;探测FOV:20度;测量精度:5%(适用于10%到90%反射率的物体表面)舵机 重主体尺寸:44.2mm*22.6mm*28.6mm;传动比:512;传感器转接模块 接口类型:IO输入、AD输入;接口数量:2;相机 视角:120;照片最大分辨率:2560×1440;录像分辨率:FHD: 1920×1080 30p HD: 1280×720 30p;视频最大码率:16 Mbps;图片格式:JPEG;视频格式:MP4; 影像传感器:1/4英寸CMOS;有效像素 :500万;使用环境:-10至40℃;窄角红外发射器 有效射程:6 m(室内光照环境下);击打检测模块 检测要求:水晶弹直径不小于6 mm,击中时速度不小于20 m/s且击中行进方向与击打检测模块平面之间的夹角不小于45°;最大检测频率:15 Hz;底盘运动速度范围:0-3.5 m/s(前进)0-2.5 m/s(后退)0-2.8 m/s(横移); |
套 |
1 |
与清单相同 |
28 |
机器人演示模型 |
大疆机甲大师SE,视角120度,照片最大分辨率2560*1440,视频最大码率16Mbps,影像传感器1/4英寸CMOS有效像素500万,使用环境-10度到40度 |
套 |
1 |
与清单相同 |
29 |
机器人演示模型 |
悟空优必选,商品编号10033145885049 |
套 |
5 |
与清单相同 |
3 |
教师笔记本电脑 |
联想,AMD Ryzen 7 5800H/Windows 11家庭中文版/16.0英寸/16GB/512G SSD/Geforce RTX 3050 4G独显 |
台 |
1 |
|
31 |
全国机器人等级三四级考试套装(教学展示) |
趣学陪伴1)零件种类≧80+,零件数量≧290+。符合全国青少年机器人技术等级考试——三四级的考试标准要求 |
套 |
1 |
|
32 |
全国机器人等级一二级考试套装 |
趣学陪伴
,1.零件种类≧104+,零件数量≧548+。符合全国青少年机器人技术等级考试—一、二级的考试标准要求 |
套 |
6 |
|
33 |
电池 |
控制器里面安装所用 |
块 |
13 |
与清单相同 |
34 |
展示架 |
长60深35高160 |
个 |
2 |
|
35 |
水晶头,数据线 |
ev3专配 |
套 |
20 |
耗材 |
36 |
2单位摩擦销 |
ev3专配 |
个 |
100 |
耗材 |