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九年级下册信息技术教学设计
课题 第2节《安防机器人的方案设计》 单元 一单元 学科 信息技术 年级 九年级
学习目标 知识与技能：1、了解安防机器人的工作特点。2、学会设计中小学教育机器人的一般方法。3、掌握超声波传感器、红外循迹传感器的工作原理。过程与方法：通过讲解，了解安防机器人的工作特点；通过探索实践，学会设计中小学教育机器人的一般方法；通过小组合作，掌握超声波传感器、红外循迹传感器的工作原理。情感、态度与价值观：拓展学生知识面，提高学生生活实践应用能力和信息素养，使学生乐于使用信息技术解决生活中的问题。培养学生的计算机思维和自主探究、小组合作能力。培养孩子们的动手操作能力。提升信息素养和创新能力。了解机器人的基础知识，掌握Mixly编程工具和Arduino UNO开发板的基本应用
重点 了解安防机器人的工作特点；学会设计中小学教育机器人的一般方法。
难点 掌握超声波传感器、红外循迹传感器的工作原理。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
教学设计教学设计教学设计 一、新课导入城市安防机器人不间断巡逻在未来城市的道路上，其因“定线”与“不定向”相结合的巡逻特点，具有更好的机动性和安全性。安防机器人是如何按照管理员设定的路线做 “定线巡逻”的，又是如何实现 “不定向巡逻”的？二、新知学习（一）、分析项目为了探究城市安防机器人“定线不定向”的工作方式，欢欢小组提出利用交叉路口的多向性，实现 〝不定向〞巡逻的方案，利用中小学教育机器人的开发软件与硬件，设计并制作一台机器人小车，以模拟安防机器人的巡逻场景，如图1-2-1所示。为此，欢欢小组需要完成以下两项任务：一是选择和使用传感器，循着黑线做 “定线”巡逻，以及机器人遇到路口的不同情形时，作出“不定向”选择；二是选择和使用传感器，检测障碍物，并发出警示。任务一：观察巡逻路线，有多少种交叉路口？每一种交叉路口，机器人小车有多少路线可以选择？（二）、确定方案1、确定机器人小车的外形及驱动方案为了实现巡逻功能，欢欢小组确定了由两个电机作为驱动的四轮机器人小车方案，并通过橡皮筋实现前后轮同步运转，如图1-2-2所示。2、确定“定线”方案欢欢确定在城市安防机器人小车前端，安装3组红外循迹传感器，作为“眼睛”。通过红外循迹传感器检测场地上黑色线条，来判断机器人小车是否偏离路线或是否需要转向，方案如图1-2-3所示。任务二：当只有中间的红外循迹传感器检测到黑线时，机器人小车保持直线行驶，其他情况表明机器人小车发生偏离，需要调整方向，据此，完成表1-2-1。3、确定“不定向”方案城市安防机器人小车在循迹运行过程中，会遇到不同的路口，可以利用交叉路口的多向性，随机选择方向，实现“不定向巡逻”，欢欢小组对交叉路口进行了分类，提出了相应的解决方案，如图1-2-4所示。（1）通过传感器循着黑线行驶。（2）遇到“”形路口时，循着黑线转弯方向转弯行驶。（3）遇到“”形路口时，随机选择左转或右转行驶。（4）遇到“十”形路口时，随机选择直行、左转或右转行驶。思考：机器人小车如何利用3组红外循迹传感器区分不同路口？4、确定遇障碍时的警示方案（1）路线（黑线）任意位置放置16×16×16cm3方块模拟“障碍物”。（2）机器人小车通过传感器检测到前方有障碍物时，自动停车。（3）通过不断闪烁警示“LED灯”，提示工作人员，直到障碍物被移除。（三）、技术选型1、编程工具的选择Mixly（米思齐）是一款中小学教育机器人常用的图形化编程软件，支持Arduino, MieroPython， Python等编程语言。我们可以通过拼接图形化代码模块的方式来编写程序。小提示：Mixly（米思齐）的下载与安装请到“米思齐”官网下载对应的Mixly版本的压缩包，解压到本地磁盘。在“Mixly文件夹”中点击图标，就能运行Mixly，其起始界面如图1-2-5所示。2、控制器的选择控制器选择中小学教育机器人常用的Arduino UNo开发板（本教材统称Arduino控制器），上面搭载了包含14个输人/输出数字信号、6个模拟信号输人、电源输人、USB连接等用于开发的端口或接口，如图1-2-6所示。3、传感器的选择（1）红外循迹传感器红外循迹传感器是集红外发射和红外接收于一体的红外传感器，发射出的红外光遇到不同颜色的物体时，会不同程度地被吸收。当低于接收域值时，就输出高电平，反之则输出低电平，其工作原理如图1-2-7所示。（2）超声波传感器超声波传感器一般有两个探头，一个是超声波发射端，一个是超声波接收端。其工作原理是利用超声波碰到障碍物会产生显著的反射，形成反射回波，通过公式s=(340x0/2计算出与反射面之间的距离。其工作原理如图1-2-8所示。超声波传感器有一个有效范围。以HC-SR04超声波传感模块为例，其探测距离在2~45cm之间。4、器材清单（四）、编程环境的搭建在使用Arduino控制器之前，需要搭建编程环境，具体操作如下。1、用USB数据线将Arduino控制器与安装好Mixly编程工具的电脑连接，电源指示灯长亮，表明Arduino控制器与电脑连接正常。2、打开Mixly编程工具，查看是否自动识别了Arduino控制器，如图1-2-9所示。小提示：如果Mixly编程工具没有自动识别，则需要手动安装Arduino控制器的驱动。3、通过小实验检验环境搭建是否成功。编写一段程序，如图1-2-10所示，上传到Arduino控制器，如果控制器上的LED小灯间隔1s闪烁，表示编程环境搭建成功。至此，机器人小车巡逻的技术条件已具备，欢欢和同学们即将展开进一步的探究活动。任务三：试运用Mixly编程工具与Arduino控制器，完成在串口监视上显示“你好！我是城市守卫机器人！”的任务。三、课堂小结今天你有哪些收获？遇到了哪些困难？是怎么解决的？还有哪些困惑？四、作业布置
预习下一课《安防机器人的制作实践》。 了解思考学习了解操作练习学习操作实践操作实践观察思考；表达操作实践了解学习学习了解操作练习交流表达预习下一课 创设趣味的学习情境，更能激发学生的兴趣；了解本节课学习任务分析项目了解学习任务培养动手能力培养倾听习惯确定方案培养动手能力培养逻辑思维培养表达能力培养动手能力
增加知识面了解传感器了解编程环境的搭建拓展知识面培养动手能力培养表达能力培养自主学习能力
板书 第2节 安防机器人的方案设计1、分析项目2、确定方案3、技术选型4、编程环境的搭建
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安防机器人的方案设计
九年级下册
城市安防机器人不间断巡逻在未来城市的道路上，其因“定线”与“不定向”相结合的巡逻特点，具有更好的机动性和安全性。
安防机器人是如何按照管理员设定的路线做 “定线巡逻”的，又是如何实现 “不定向巡逻”的？
为了探究城市安防机器人“定线不定向”的工作方式，欢欢小组提出利用交叉路口的多向性，实现 〝不定向〞巡逻的方案，利用中小学教育机器人的开发软件与硬件，设计并制作一台机器人小车，以模拟安防机器人的巡逻场景，如图1-2-1所示。
（一）、分析项目
为此，欢欢小组需要完成以下两项任务：
一是选择和使用传感器，循着黑线做 “定线”巡逻，以及机器人遇到路口的不同情形时，作出“不定向”选择；二是选择和使用传感器，检测障碍物，并发出警示。
任务一
观察巡逻路线，有多少种交叉路口？
每一种交叉路口，机器人小车有多少路线可以选择？
为了实现巡逻功能，欢欢小组确定了由两个电机作为驱动的四轮机器人小车方案，并通过橡皮筋实现前后轮同步运转，如图1-2-2所示。
1、确定机器人小车的外形及驱动方案
（二）、确定方案
欢欢确定在城市安防机器人小车前端，安装3组红外循迹传感器，作为“眼睛”。通过红外循迹传感器检测场地上黑色线条，来判断机器人小车是否偏离路线或是否需要转向，方案如图1-2-3所示。
2、确定“定线”方案
任务二
当只有中间的红外循迹传感器检测到黑线时，机器人小车保持直线行驶，其他情况表明机器人小车发生偏离，需要调整方向，据此，完成表1-2-1。
城市安防机器人小车在循迹运行过程中，会遇到不同的路口，可以利用交叉路口的多向性，随机选择方向，实现“不定向巡逻”，欢欢小组对交叉路口进行了分类，提出了相应的解决方案，如图1-2-4所示。
3、确定“不定向”方案
01
通过传感器循着黑线行驶。
02
遇到“ ”形路口时，循着黑线转弯方向转弯行驶。
03
遇到“ ”形路口时，随机选择左转或右转行驶。
04
遇到“ ”形路口时，随机选择直行、左转或右转行驶。
思考：机器人小车如何利用3组红外循迹传感器区分不同路口？
01
路线（黑线）任意位置放置16×16×16cm3方块模拟“障碍物”。
02
机器人小车通过传感器检测到前方有障碍物时，自动停车。
03
通过不断闪烁警示“LED灯”，提示工作人员，直到障碍物被移除。
4、确定遇障碍时的警示方案
1、编程工具的选择
（三）、技术选型
Mixly（米思齐）是一款中小学教育机器人常用的图形化编程软件，支持Arduino, MieroPython， Python等编程语言。我们可以通过拼接图形化代码模块的方式来编写程序。
控制器选择中小学教育机器人常用的Arduino UNo开发板（本教材统称Arduino控制器），上面搭载了包含14个输人/输出数字信号、6个模拟信号输人、电源输人、USB连接等用于开发的端口或接口，如图1-2-6所示。
2、控制器的选择
（1）红外循迹传感器
红外循迹传感器是集红外发射和红外接收于一体的红外传感器，发射出的红外光遇到不同颜色的物体时，会不同程度地被吸收。当低于接收域值时，就输出高电平，反之则输出低电平，其工作原理如图1-2-7所示。
3、传感器的选择
（2）超声波传感器
超声波传感器一般有两个探头，一个是超声波发射端，一个是超声波接收端。其工作原理是利用超声波碰到障碍物会产生显著的反射，形成反射回波，通过公式s=(340x0/2计算出与反射面之间的距离。其工作原理如图1-2-8所示。
（2）超声波传感器
超声波传感器有一个有效范围。以HC-SR04超声波传感模块为例，其探测距离在2~45cm之间。
4、器材清单
4、器材清单
在使用Arduino控制器之前，需要搭建编程环境，具体操作如下。
1、用USB数据线将Arduino控制器与安装好Mixly编程工具的电脑连接，电源指示灯长亮，表明Arduino控制器与电脑连接正常。
、
2、打开Mixly编程工具，查看是否自动识别了Arduino控制器，如图1-2-9所示。
（四）、编程环境的搭建
3、通过小实验检验环境搭建是否成功。
编写一段程序，如图1-2-10所示，上传到Arduino控制器，如果控制器上的LED小灯间隔1s闪烁，表示编程环境搭建成功。
任务三
试运用Mixly编程工具与Arduino控制器，完成在串口监视上显示“你好！我是城市守卫机器人！”的任务。
下课啦！
