信息技術（拓展模塊）-信息終端操作與維護教學設計 專題8 項目 1　簡易機器人組裝調(diào)試VIP

信息技術（拓展模塊）——信息終端操作與維護（機器人操作）信息技術（拓展模塊）機器人操作課程名稱信息技術（拓展模塊）——信息終端操作與維護（機器人操作）課程性質(zhì)公共基礎課專題學時16學時使用教材一、專題引導隨著科技的發(fā)展，機器人在各行各業(yè)中的應用越來越廣泛，機器人的應用也從工業(yè)制造領域逐漸拓展到教育娛樂、醫(yī)療康復、安防救災、政務服務、商業(yè)等諸多領域，已成為當今社會不可或缺的人類助手。近年來，國內(nèi)科研機構和企業(yè)加大了機器人的研發(fā)投入，在硬件基礎與技術水平上取得了顯著提升，但缺少現(xiàn)場調(diào)試、維護、操作與運行管理等應用型人才。本專題鼓勵學校利用現(xiàn)有設備，訓練學生能夠簡單操作相關機器人完成任務，從而激發(fā)學生學習熱情，促進科學精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本專題具體項目如下：1.簡易機器人組裝調(diào)試。2.工業(yè)機器人仿真操作。3.無人機航拍。4.服務機器人配置。二、學習目標1.了解簡易機器人的相關知識，掌握簡易機器人的構成部件，能設計和組裝簡易機器人，能夠通過程序控制機器人的運動。2.了解工業(yè)機器人的應用和發(fā)展前景，了解工業(yè)機器人的特點和分類，會利用仿真軟件對工業(yè)機器人進行簡單操作。3.能正確安裝無人機螺旋槳和電機槳座，能根據(jù)拍攝內(nèi)容規(guī)劃航拍路線并駕駛無人機進行拍攝，對視頻進行后期編輯。4.了解服務機器人運行原理，能正確安裝、配置及調(diào)試服務機器人;了解智能在線客服機器人的工作原理，能簡單搭建智能客服機器人。

項目1簡易機器人組裝調(diào)試項目1簡易機器人組裝調(diào)試教學設計一、教學目標素質(zhì)目標：培養(yǎng)學生嚴慎細實的職業(yè)素養(yǎng)，提升集體意識和團隊合作意識。知識目標：掌握簡易機器人的構成部件；了解簡易機器人設計和組裝的有關知識。能力目標：在了解簡易機器人的構成的基礎上，能夠設計和組裝機器人，并通過程序控制機器人的運動。二、教學重難點教學重點：了解機器人的相關知識，熟悉機器人構成部件。教學難點：簡易機器人的設計和組裝；通過程序控制機器人的運動。三、課時安排8課時四、教學策略教法：項目教學法、任務驅動法、講授法、演示法學法：自主探究學習法、討論法、小組合作學習法教學資源：多媒體教學設備、理實一體化實訓室、信息化教學平臺、配套教學課件教學過程教學環(huán)節(jié)教學設計設計意圖課前學習1.學習教師布置的課前學習任務。2.查閱資料，了解簡易機器人的有關知識；了解簡易機器人設計和組裝的有關知識。培養(yǎng)學生自主學習、創(chuàng)新學習能力。項目需求在人工智能及模式識別技術迅猛發(fā)展的今天，各式各樣的機器人應運而生。小小對機器人充滿了好奇，在老師指導下，決定自己組裝調(diào)試一臺簡易機器人。設置貼近實際的項目，激發(fā)學生學習興趣，引入學習任務。項目分析組裝調(diào)試簡易機器人，首先要在了解簡易機器人相關知識的基礎上，根據(jù)需求選用控制器、馬達和車輪等部件完成簡易機器人搭建，隨后根據(jù)需求編制控制程序并導入機器人控制器，進而控制簡易機器人實現(xiàn)移動、避障、巡航等功能。項目結構如圖8-1-1所示。分析項目并形成項目結構，培養(yǎng)學生分析歸納梳理信息的能力，培養(yǎng)結構化處理事情的習慣。任務1搭建簡易機器人教學過程教學環(huán)節(jié)教學設計設計意圖任務描述市面上的簡易機器人種類較多，但功能、結構類似，小小需要選取適合的簡易機器人部件，進行手動搭建。直觀描述內(nèi)容，明確教學內(nèi)容，幫助學生抓住重點。任務分析搭建簡易機器人，先要了解簡易機器人相關知識，并熟悉簡易機器人各個組裝部件及功能,其次要掌握簡易機器人的控制方法。理清思路，養(yǎng)成學生有條理、合邏輯地開展工作的習慣，培養(yǎng)學生嚴謹細實的職業(yè)素養(yǎng)。任務準備1.簡易機器人教師引導學生認識簡易機器人：簡易機器人是機器人的一種，通常由簡單的機械結構和簡單的電路結構結合構成，其價格低廉，適合初學者使用，可廣泛運用于機器人教學和科研。教師結合表“8-1-1簡易機器人和商業(yè)機器人的對比”進行教學。2.簡易機器人的組成（1）傳感器教師引導學生認識傳感器：傳感器是機器人的重要組成部件，分為內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊，用于獲取內(nèi)部和外部環(huán)境中有用的信息。結合表“8-1-2常見簡易機器人傳感器”進行講解。（2）控制器教師引導學生認識控制器：控制器是一種微型計算機，它相當于機器人的大腦和中樞神經(jīng)，根據(jù)傳感器件反饋回來的信號，按照編制好的程序指揮機器人的驅動部件去完成相應的運動和功能。結合圖“8-1-2機器人控制器”進行教學。（3）機械部件教師引導學生認識機械部件：機械部件是為機器人提供動力的裝置，包括馬達、車輪等。根據(jù)采用的動力源不同，驅動方式主要有液壓驅動式、氣壓驅動式和電氣驅動式三種。簡易機器人的動力一般采用鋰電池驅動，即為電氣驅動式。通過表格總結、對比知識點，一目了然，培養(yǎng)學生總結歸納與對比的能力。教師講解與圖示教學相結合，更加清晰直觀，有助于學生理解與掌握。任務實施成員按照擬定的任務線路實施任務。1.選取結構部件教師講解：選取合適的機器人結構部件，是裝配一臺簡易移動機器人的基礎。簡易機器人常見結構部件見表8-1-3。2.組裝簡易機器人教師結合圖“8-1-3簡易機器人組裝示意”教學簡易機器人的裝配，控制器和驅動馬達以數(shù)據(jù)線連接。結合圖“8-1-4馬達設置界面”教學馬達M1和M2的安裝。3.調(diào)試結構教師講解：搭建出來的簡易機器人應該結構堅固，轉向自如，底盤與地面有一定高度差，機器重心適中，結構件之間的組合無松動現(xiàn)象，如圖“8-1-5搭建完成”所示。根據(jù)擬定的任務路線展開任務實施，教學路線清晰，教學內(nèi)容明確，幫助學生很好地掌握知識，同時鍛煉有條理地處理問題的能力。任務延伸查閱資料了解模塊化機器人相關知識，了解模塊化機器人的應用領域。啟發(fā)學生思考，培養(yǎng)學生知識運用于遷移的能力。任務2編制機器人程序教學過程教學環(huán)節(jié)教學設計設計意圖任務描述簡易機器人裝配好以后還不能移動，這就需要為機器人編制控制程序，讓程序控制機器人移動。直觀描述內(nèi)容，明確教學內(nèi)容，幫助學生抓住重點。任務分析要讓簡易機器人“動起來”，就需要使用編程軟件編制機器人控制程序，這些程序能讓機器人根據(jù)預設進行移動，變得有“思想”。本任務中先使用編程軟件編制控制程序，然后將程序裝入機器人的控制器中，最后根據(jù)程序運行及機器人運行的狀況來不斷調(diào)試程序，讓機器人運動起來。理清思路，養(yǎng)成學生有條理、合邏輯地開展工作的習慣，培養(yǎng)學生嚴謹細實的職業(yè)素養(yǎng)。任務準備1.機器人編程軟件教師講解：機器人編程軟件較多，在專業(yè)應用領域的有RobotMaster、Robcad、RobotExpert等，而簡易機器人使用的編程軟件通常是可視化的，有RoboEXP、慧編程、V-REP等。結合圖“8-1-6軟件界面”講解RoboEXP機器人編程軟件。2.簡易機器人編程軟件操作方法（1）調(diào)用模塊結合圖“8-1-7新建程序”和圖“8-1-8調(diào)用模塊”教學調(diào)用模塊的操作步驟。（2）實現(xiàn)控制結合圖“8-1-9實現(xiàn)控制”教學使用控制功能操作步驟。通過圖示直觀展示操作步驟，讓學生看到操作界面，使知識真正落實到實際應用上。任務實施成員按照擬定的任務線路實施任務。1.下載安裝軟件教師講解：訪問中鳴機器人官方網(wǎng)站，找到“機器人快車”軟件進行下載。下載后根據(jù)提示進行安裝并運行。2.編制馬達運動程序（1）調(diào)用馬達模塊結合圖“8-1-11馬達屬性窗口”進行操作步驟教學。（2）設置馬達功能結合圖“8-1-12設置馬達速度”進行講解。（3）裝入控制器結合圖“8-1-13下載程序”進行講解。（4）設置馬達持續(xù)運動教師講解：由于程序的運行速度非?？?，在編制的程序中，馬達運轉很短的時間就會停止。要讓機器人持續(xù)地運轉，必須要設置循環(huán)結構使程序不斷循環(huán)執(zhí)行。結合圖“8-1-14循環(huán)結構”講解具體操作步驟。3.功能調(diào)試教師講解：將程序載入機器人控制器后進行功能調(diào)試，通常分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩方面。硬件調(diào)試包括檢查電池、車輪、馬達等，如果硬件正常，再根據(jù)機器人的運行情況，來檢測軟件的流程及參數(shù)設置。根據(jù)擬定的任務路線展開任務實施，教學路線清晰，教學內(nèi)容明確，幫助學生很好地掌握知識，同時鍛煉有條理地處理問題的能力。教師詳細講解操作步驟，直觀演示操作過程，幫助學生學會實際操作，提升學生理論聯(lián)系實際的能力。任務延伸通過網(wǎng)絡查閱相關資料，了解機器人按軌跡運行的相關知識，并與其他同學分享。啟發(fā)學生思考，培養(yǎng)學生知識運用于遷移的能力。任務3控制機器人避障教學過程教學環(huán)節(jié)教學設計設計意圖任務描述移動機器人行駛在道路上，不可避免地會遇到很多物體，在行駛中能否識別障礙物并做出避讓是關系到行人是否安全的重要環(huán)節(jié)。通過前兩個任務，已經(jīng)完成了簡易移動機器人的裝配，并用程序實現(xiàn)馬達控制簡易機器人移動，接下來需要實現(xiàn)簡易機器人的自動避障功能。直觀描述內(nèi)容，明確教學內(nèi)容，幫助學生抓住重點。任務分析傳感器可以使機器人識別周圍的障礙物并計算與障礙物之間的距離，根據(jù)距離和自身的速度判斷是否要進行避讓。在本任務中，首先要了解傳感器的種類及其應用范圍，然后根據(jù)實際情況選擇合適的傳感器，最后實現(xiàn)自動避障功能。理清思路，養(yǎng)成學生有條理、合邏輯地開展工作的習慣，培養(yǎng)學生嚴謹細實的職業(yè)素養(yǎng)。任務準備1.超聲波傳感器教師講解：超聲波傳感器會記錄發(fā)射和接收的時間間隔，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度(大約為340m/s)，即可根據(jù)公式s=v·(1-t）計算出機器人與障礙物的距離。超聲波傳感器如圖8-1-15所示。2.避障程序界限值教師講解：在編寫簡易移動機器人的避障程序前，需要明確程序可能涉及的情況。需要給移動機器人設定一個界限值，移動機器人在對前方障礙物進行測距時，當檢測距離大于界限值，判定為無障礙物，移動機器人前行；當檢測距離小于界限值，判定為有障礙物，移動機器人進行避讓，如圖8-1-16所示。教師講解與圖示教學相結合，更加清晰直觀，有助于學生理解與掌握。任務實施1.組裝超聲波傳感器教師講解：將超聲波傳感器連接并固定在移動機器人的前方，并用連接線接在控制器的P1端口，如圖“8-1-17組裝超聲波傳感器”所示。2.分析避障程序結構教師講解：移動機器人能夠智能避障，需要根據(jù)超聲波傳感器測定移動機器人與障礙物的距離值，并用距離值與設定的界限值進行對比。沒有達到界限值，機器人將繼續(xù)前進，達到或超過界限值，機器人就轉向或停止移動。結合圖“8-1-18避障程序結構”進行教學。3.編制機器人的避障程序教師講解：結合上述分析情況，回到機器人快車軟件中將程序完善，如圖“8-1-19完善避障程序”所示。教師補充：圖標連接完成后，仍需要對圖標進行設置。結合圖“8-1-20設置mode值”和圖“8-1-21輸入判斷條件語句”進行教學。教師講解：將修改后的程序下載到控制器中并觀察效果，如圖“8-1-22觀察效果”所示。4.調(diào)試運行（1）硬件調(diào)試教師講解：硬件調(diào)試可以先編制兩個簡單的程序，如左、右輪反方向轉動，在與距離障礙物一定的范圍內(nèi)讓機器人停下來等，查看硬件是否正常。（2）軟件調(diào)試教師講解：機器人的調(diào)試，受環(huán)境影響很大，安裝、場地、環(huán)境光的不同都會影響機器人的運行，這需要開發(fā)者耐心地記錄每次調(diào)試運行的情況，然后根據(jù)實際情況做相應改進。通過圖示直觀展示傳感器，讓學生直觀感受，使知識真正落實到實際應用上。教師詳細講解操作步驟，直觀演示操作過程，幫助學生學會實際操作，提升學生理論聯(lián)系實際的能力。任務延伸使用不同材質(zhì)、不同顏色的物品作為無人車的障礙物，檢驗不同物體對超聲波傳感器的反射有何影響。啟發(fā)學生思考，培養(yǎng)學生知識運用于遷移的能力。任務4實現(xiàn)機器人巡航教學過程教學環(huán)節(jié)教學設計設計意圖任務描述人依靠眼睛可以輕易地識別道路的走向，同時做出反應，但這對于簡易機器人來說卻是一個挑戰(zhàn)，接下來小小將讓簡易機器人完成固定路徑的移動，即實現(xiàn)巡航功能。直觀描述內(nèi)容，明確教學內(nèi)容，幫助學生抓住重點。任務分析路徑規(guī)劃，是指機器人自起點到終點順利、安全運行的路徑。要實現(xiàn)簡易機器人巡航功能，首先需要規(guī)劃路線，然后選擇多個傳感器組合，隨后將編寫的程序載入控制器中，最后進行功能調(diào)試。理清思路，養(yǎng)成學生有條理、合邏輯地開展工作的習慣，培養(yǎng)學生嚴謹細實的職業(yè)素養(yǎng)。任務準備1.光電傳感器教師引導學生認識光電傳感器：光電傳感器有2個探頭，分別是反射探頭和接收探頭。在工作時，反射探頭會發(fā)出強光，遇到物體會被反射；接收探頭接收到反射光線的強度越弱，證明物體的顏色越深；反之越淺。從而實現(xiàn)讓光電傳感器“看見”不同深淺的環(huán)境光線。教師講解光電傳感器的原理：光電傳感器的原理是基于光從不同顏色的物體反射回來時，強弱是不一樣的，其中黑色的反射光最弱，白色的反射光最強，機器人將光的反射強弱用0~4096數(shù)值來表示。2.巡航程序流程分析教師明確：在編寫機器人的巡航程序前，首先明確程序可能涉及的情況。結合圖“8-1-24巡航程序的流程分析”和圖“8-1-25‘與’‘或’邏輯符號”進行教學。對于需要學生理解的內(nèi)容，教師通過講解的形式進行傳授，能夠加深學生對知識的理解，在理解的基礎上展開進一步教學。教師講解與圖示教學相結合，更加清晰直觀，有助于學生理解與掌握任務實施1.組裝光電傳感器結合圖“8-1-26機器人的巡航”教學組裝光電傳感器的具體操作步驟。2.編制巡航程序結合步驟1至步驟4教學編制巡航程序的具體操作步驟。3.調(diào)試運行教師明確：將程序載入控制器后，測試功能，然后根據(jù)需求進行軟硬件調(diào)試。教師詳細講解操作步驟，直觀演示操作過程，幫助學生學會實際操作，提升學生理論聯(lián)系實際的能力。任務延伸請自主編程，完成十字交叉路口轉彎的巡航控制，并畫出控制流程圖。啟發(fā)學生思考，培養(yǎng)學生知識運用于遷移的能力。項目分享方案1：各工作團隊展示交流項目，談談自己的心得體會，并選派代表分享交流。方案2：由學生代表與指導教師組成項目評審組，各工作團隊制作匯報材料并進行答辯。團隊協(xié)作交流、分享自己的體會，增強學生的團隊精神。匯報工作與答辯能夠鍛煉學生的思維與口才，幫助學生深化知識。項目評價請根據(jù)項目完成情況填涂表8-1-4完成項目評價。自我評價，找出學習薄弱的地方，繼續(xù)鞏固。項目總結本項目依據(jù)行動導向理念，將現(xiàn)實生活中的熱點問題機器人及簡易機器人搭建調(diào)試的工作過程轉化為本項目的學習內(nèi)容，共分為搭建簡易機器人、編制機器人程序、控制機器人避障、實現(xiàn)機器人巡航4個任務。在“搭建簡易機器人”任務中學會機器人的結構、組成部件和搭建；在“編制機器人程序”任務中學會使用機器人編程軟件、機器人程序的編制和調(diào)試，最后讓機器人動起來；在“控制機器人避障”任務中學會安裝超聲