第8課 碰撞運(yùn)動(dòng)-碰撞傳感器和機(jī)器人的避碰行走 教學(xué)設(shè)計(jì)-2023--2024學(xué)年清華大學(xué)版（2012）初中信息技術(shù)九年級(jí)下冊(cè)

第8課碰撞運(yùn)動(dòng)——碰撞傳感器和機(jī)器人的避碰行走教學(xué)設(shè)計(jì)-2023—-2024學(xué)年清華大學(xué)版（2012）初中信息技術(shù)九年級(jí)下冊(cè)學(xué)校授課教師課時(shí)授課班級(jí)授課地點(diǎn)教具教學(xué)內(nèi)容本課選自《2023—2024學(xué)年清華大學(xué)版（2012）初中信息技術(shù)九年級(jí)下冊(cè)》教材的第8課，主要內(nèi)容涉及碰撞傳感器和機(jī)器人的避碰行走。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生將了解碰撞傳感器的工作原理，掌握機(jī)器人的避碰行走技術(shù)，并能利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的避碰機(jī)器人。核心素養(yǎng)目標(biāo)分析本節(jié)課旨在培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新等核心素養(yǎng)。學(xué)生將通過實(shí)際操作，提升信息處理能力，學(xué)習(xí)如何將傳感器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際問題解決，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，學(xué)會(huì)在設(shè)計(jì)和制作避碰機(jī)器人過程中，運(yùn)用計(jì)算思維分析問題，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與實(shí)際生活的結(jié)合。學(xué)習(xí)者分析1.學(xué)生已經(jīng)掌握了哪些相關(guān)知識(shí)。

學(xué)生在進(jìn)入本課程之前，已經(jīng)具備了一定的信息技術(shù)基礎(chǔ)，包括對(duì)計(jì)算機(jī)操作的基本了解，以及簡(jiǎn)單的編程知識(shí)。他們可能接觸過基礎(chǔ)的邏輯判斷和循環(huán)結(jié)構(gòu)，這對(duì)于理解碰撞傳感器的工作原理和機(jī)器人的避碰算法有一定的幫助。

2.學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、能力和學(xué)習(xí)風(fēng)格。

學(xué)生對(duì)新技術(shù)的興趣普遍較高，尤其是與機(jī)器人相關(guān)的課程內(nèi)容。他們的學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，能夠迅速掌握新技能，但部分學(xué)生可能對(duì)編程和電路知識(shí)較為陌生。學(xué)習(xí)風(fēng)格上，學(xué)生既有偏好獨(dú)立探索的，也有喜歡團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)的。

3.學(xué)生可能遇到的困難和挑戰(zhàn)。

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能會(huì)遇到以下困難和挑戰(zhàn)：一是對(duì)編程邏輯的理解不夠深入，導(dǎo)致編寫避碰程序時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤；二是電路連接和傳感器使用不當(dāng)，影響機(jī)器人的避碰效果；三是缺乏創(chuàng)新思維，難以設(shè)計(jì)出有創(chuàng)意的避碰機(jī)器人。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，教師應(yīng)提供適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和幫助。教學(xué)資源準(zhǔn)備1.教材：確保每位學(xué)生都有《2023—2024學(xué)年清華大學(xué)版（2012）初中信息技術(shù)九年級(jí)下冊(cè)》教材，以便于課堂學(xué)習(xí)。

2.輔助材料：準(zhǔn)備與碰撞傳感器和機(jī)器人避碰行走相關(guān)的圖片、圖表、視頻等多媒體資源，以增強(qiáng)學(xué)生的直觀理解。

3.實(shí)驗(yàn)器材：準(zhǔn)備碰撞傳感器、機(jī)器人套件、電路板、電池等實(shí)驗(yàn)器材，并確保其完整性和安全性。

4.教室布置：設(shè)置分組討論區(qū)和實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)，為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件。教學(xué)過程一、導(dǎo)入（約5分鐘）

1.激發(fā)興趣：教師通過展示機(jī)器人避障的視頻，激發(fā)學(xué)生對(duì)本節(jié)課的興趣，提問：“你們知道機(jī)器人是如何避障的嗎？”

2.回顧舊知：教師簡(jiǎn)要回顧與傳感器和編程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，如傳感器的工作原理、編程基礎(chǔ)等。

二、新課呈現(xiàn)（約20分鐘）

1.講解新知：教師詳細(xì)講解碰撞傳感器的工作原理、碰撞檢測(cè)算法、機(jī)器人的避障行走技術(shù)等。

2.舉例說(shuō)明：通過實(shí)際案例，如碰撞傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景，幫助學(xué)生理解知識(shí)。

3.互動(dòng)探究：教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生分組討論，如“如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的避障機(jī)器人？”學(xué)生通過討論、實(shí)驗(yàn)等方式探究知識(shí)。

三、鞏固練習(xí)（約30分鐘）

1.學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，組裝避障機(jī)器人，并編寫避障程序。

2.教師指導(dǎo)：教師在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中巡回指導(dǎo)，解答學(xué)生的疑問，確保學(xué)生正確理解并應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。

四、課堂小結(jié)（約5分鐘）

1.教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)心得，展示自己的避障機(jī)器人。

五、課后作業(yè)（約20分鐘）

1.學(xué)生獨(dú)立完成以下作業(yè)：

a.完善避障程序，提高機(jī)器人的避障能力；

b.設(shè)計(jì)并制作一個(gè)具有更高難度的避障機(jī)器人；

c.撰寫一篇關(guān)于本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

六、教學(xué)反思（約5分鐘）

1.教師對(duì)本節(jié)課的教學(xué)效果進(jìn)行反思，總結(jié)教學(xué)過程中的優(yōu)點(diǎn)和不足。

2.教師根據(jù)學(xué)生的反饋，調(diào)整教學(xué)策略，以適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。拓展與延伸六、拓展與延伸

1.提供與本節(jié)課內(nèi)容相關(guān)的拓展閱讀材料：

-《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》：介紹機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展歷程、基本原理和應(yīng)用領(lǐng)域，幫助學(xué)生更深入地了解機(jī)器人技術(shù)。

-《傳感器原理與應(yīng)用》：詳細(xì)講解各類傳感器的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用，擴(kuò)展學(xué)生對(duì)傳感器技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

-《編程入門》：介紹編程的基本概念、語(yǔ)法和常用算法，幫助學(xué)生提高編程能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2.鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行課后自主學(xué)習(xí)和探究：

-學(xué)生可以嘗試學(xué)習(xí)其他類型的傳感器，如紅外傳感器、超聲波傳感器等，了解它們?cè)跈C(jī)器人避障中的應(yīng)用。

-探究不同避障算法的優(yōu)缺點(diǎn)，如閾值法、距離法等，比較它們?cè)诒苷闲Ч系牟町悺?/p>

-學(xué)習(xí)機(jī)器人控制算法，如PID控制、模糊控制等，提高機(jī)器人的控制精度和穩(wěn)定性。

-嘗試設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有更高難度的避障機(jī)器人，如能夠?qū)崿F(xiàn)多路徑規(guī)劃和避障的機(jī)器人。

-研究機(jī)器人與人工智能的結(jié)合，探索機(jī)器人如何利用人工智能技術(shù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和決策。

3.實(shí)踐項(xiàng)目建議：

-設(shè)計(jì)一個(gè)能夠自動(dòng)清掃地面的機(jī)器人，利用碰撞傳感器和紅外傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能。

-制作一個(gè)能夠自動(dòng)導(dǎo)航的機(jī)器人，利用超聲波傳感器和編碼器實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和避障。

-研究機(jī)器人視覺避障技術(shù)，利用攝像頭和圖像處理算法實(shí)現(xiàn)避障功能。

4.知識(shí)點(diǎn)全面：

-傳感器技術(shù)：學(xué)習(xí)各類傳感器的工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用，如碰撞傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等。

-編程基礎(chǔ)：掌握編程的基本概念、語(yǔ)法和常用算法，如條件語(yǔ)句、循環(huán)語(yǔ)句、函數(shù)等。

-機(jī)器人控制：了解機(jī)器人控制算法，如PID控制、模糊控制等，提高機(jī)器人的控制精度和穩(wěn)定性。

-人工智能：探索機(jī)器人與人工智能的結(jié)合，研究機(jī)器人如何利用人工智能技術(shù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和決策。教學(xué)評(píng)價(jià)與反饋1.課堂表現(xiàn)：

-學(xué)生在課堂上的參與度較高，積極回答問題，對(duì)于碰撞傳感器和機(jī)器人避障行走的技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣。

-大部分學(xué)生能夠跟隨教師的講解，理解并掌握碰撞傳感器的工作原理和避障算法的基本概念。

2.小組討論成果展示：

-小組討論環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠積極提出自己的想法，并與其他成員進(jìn)行有效的溝通和合作。

-小組展示環(huán)節(jié)，各小組設(shè)計(jì)的避障機(jī)器人作品各具特色，展示了學(xué)生在實(shí)踐中的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

3.隨堂測(cè)試：

-進(jìn)行隨堂測(cè)試，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)碰撞傳感器和機(jī)器人避障行走知識(shí)的掌握程度。

-測(cè)試結(jié)果顯示，大部分學(xué)生能夠正確回答關(guān)于傳感器原理、編程邏輯和避障算法的問題。

4.學(xué)生作品評(píng)價(jià)：

-對(duì)學(xué)生的機(jī)器人避障作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，關(guān)注作品的功能性、創(chuàng)新性和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

-評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：避障效果、編程邏輯的合理性、電路連接的規(guī)范性等。

5.教師評(píng)價(jià)與反饋：

-針對(duì)學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)，教師給予積極的評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生在未來(lái)的學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力。

-對(duì)于學(xué)生在小組討論和作品制作中遇到的困難，教師提供具體的指導(dǎo)和幫助，指出改進(jìn)的方向。

-教師對(duì)學(xué)生的編程技能給予肯定，同時(shí)指出需要進(jìn)一步提高的地方，如代碼的可讀性和效率優(yōu)化。

-教師鼓勵(lì)學(xué)生在課后繼續(xù)研究傳感器技術(shù)，并嘗試將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于其他項(xiàng)目。

-對(duì)于學(xué)生在課堂上的錯(cuò)誤，教師以建設(shè)性的方式指出，幫助學(xué)生理解和糾正，避免類似錯(cuò)誤再次發(fā)生。

-教師通過課后作業(yè)的反饋，了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，針對(duì)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度給予個(gè)性化的指導(dǎo)。

-教師定期與學(xué)生進(jìn)行交流，了解他們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中的需求和困難，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，提高教學(xué)效果。板書設(shè)計(jì)①碰撞傳感器：

-傳感器類型：碰撞傳感器

-工作原理：物理接觸式檢測(cè)

-輸出信號(hào)：電信號(hào)

-應(yīng)用領(lǐng)域：機(jī)器人避障

②機(jī)器人避障行走技術(shù)：

-避障算法：閾值法、距離法等

-程序邏輯：條件語(yǔ)句、循環(huán)語(yǔ)句、函數(shù)

-控制原理：PID控制、模糊控制

③編程實(shí)現(xiàn)：

-編程環(huán)境：機(jī)器人編程軟件

-編程語(yǔ)言：例如：Arduino、Python

-代碼示例：傳感器讀取、條件判斷、動(dòng)作執(zhí)行

④電路連接：

-碰撞傳感器接口

-控制模塊接口

-電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口

⑤實(shí)驗(yàn)步驟：

-組裝機(jī)器人

-連接電路

-編寫程序

-測(cè)試和調(diào)試

-運(yùn)行避障實(shí)驗(yàn)反思改進(jìn)措施反思改進(jìn)措施（一）教學(xué)特色創(chuàng)新

1.實(shí)踐導(dǎo)向：本節(jié)課注重實(shí)踐操作，讓學(xué)生通過組裝機(jī)器人、編寫程序、測(cè)試避障功能，將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力。

2.跨學(xué)科融合：課程內(nèi)容涉及信息技術(shù)、物理、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科，通過跨學(xué)科的學(xué)習(xí)，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

反思改進(jìn)措施（二）存在主要問題

1.學(xué)生基礎(chǔ)差異：由于學(xué)生來(lái)自不同的學(xué)習(xí)背景，對(duì)編程和電路知識(shí)的掌握程度不同，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)操作和程序編寫過程中出現(xiàn)較大差異。

2.教學(xué)進(jìn)度控制：在實(shí)際教學(xué)中，部分學(xué)生掌握知識(shí)較快，而部分學(xué)生則較慢，導(dǎo)致教學(xué)進(jìn)度難以統(tǒng)一控制。

3.評(píng)價(jià)方式單一：目前主要依靠隨堂測(cè)試和作業(yè)來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的全面評(píng)估。

反思改進(jìn)措施（三）

1.針對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)差異，可以實(shí)施分層教學(xué)，針對(duì)不同層次的學(xué)生提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源和指導(dǎo)，確保每個(gè)學(xué)生都能在原有基礎(chǔ)上有所提高。

2.優(yōu)化教學(xué)進(jìn)度，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和反饋，靈活調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和難度，確保教學(xué)進(jìn)度與學(xué)生的接受能力相匹配。

3.豐富評(píng)價(jià)方式，除了隨堂測(cè)試和作業(yè)，還可以增加項(xiàng)目展示、小組合作評(píng)價(jià)等多元化評(píng)價(jià)方式，全面評(píng)估學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

4.加強(qiáng)與學(xué)生的溝通，定期收集學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的意見和建議，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，提高教學(xué)效果。

5.鼓勵(lì)學(xué)生參與課外科技活動(dòng)，如機(jī)器人競(jìng)賽、編程比賽等，為學(xué)生提供更多展示自我、鍛煉能力的機(jī)會(huì)。

6.加強(qiáng)校企合作，邀請(qǐng)企業(yè)工程師參與教學(xué)，為學(xué)生提供實(shí)習(xí)和就業(yè)機(jī)會(huì)，幫助學(xué)生更好地了解行業(yè)需求，提高就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。重點(diǎn)題型整理1.題型一：碰撞傳感器的應(yīng)用

-題目：設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的避障機(jī)器人，使用碰撞傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

-答案：首先，選擇合適的碰撞傳感器，如紅外傳感器或超聲波傳感器。然后，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)輸出，編寫程序控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向或停止。例如，當(dāng)傳感器檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，機(jī)器人應(yīng)立即停止或轉(zhuǎn)向避開障礙物。

2.題型二：編程邏輯應(yīng)用

-題目：編寫一個(gè)程序，使機(jī)器人能夠根據(jù)光線強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)整速度。

-答案：使用光敏傳感器檢測(cè)光線強(qiáng)度，根據(jù)光強(qiáng)值調(diào)整機(jī)器人的速度。例如，當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)，機(jī)器人以較慢的速度行駛；當(dāng)光線較弱時(shí)，機(jī)器人以較快的速度行駛。

3.題型三：電路連接與調(diào)試

-題目：在機(jī)器人避障系統(tǒng)中，如何連接碰撞傳感器和控制模塊？

-答案：首先，將碰撞傳感器的輸出端連接到控制模塊的輸入端。然后，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)輸出，編寫程序控制機(jī)器人的行為。例如，當(dāng)傳感器檢測(cè)到碰撞時(shí)，通過控制模塊發(fā)送信號(hào)給電機(jī)，使機(jī)器人停止或后退。

4.題型四：避障算法設(shè)計(jì)

-題目：設(shè)計(jì)一個(gè)避障算法，使機(jī)器人能夠在復(fù)雜環(huán)境中安全行走。

-答案：可以采用多種避障算法，如閾值法、距離法等。例如，使用閾值法，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的距離