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九年级下册信息技术教学设计
课题 第2节《安全消防机器人》 单元 二单元 学科 信息技术 年级 九年级
学习目标 知识与技能：1.理解火焰传感器的工作原理并掌握其使用方法；2.学会一种避障算法，实现避障功能；3.能设计、搭建一个消防机器人模型，并编写程序实现功能。过程与方法：通过讲解，理解火焰传感器的工作原理并掌握其使用方法；通过探索实践，学会一种避障算法，实现避障功能；通过小组合作，能设计、搭建一个消防机器人模型，并编写程序实现功能。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。设计、搭建安全消防机器人，进一步加深对机器人和开源硬件基础应用的知识。
重点 理解火焰传感器的工作原理并掌握其使用方法；学会一种避障算法，实现避障功能。
难点 能设计、搭建一个消防机器人模型，并编写程序实现功能。
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、新课导入机器人可以替代或辅助人类在特殊岗位从事危险度高、工艺复杂的活动。如在极端环境、自然灾害、火灾、危化品爆炸、核泄漏等安全事件中，机器人可以进人危险环境，凭借远程通信、定位、防爆、防水、防病毒以及人工智能等功能，实现安全作业，最大限度地保障人员及财产安全。思考：请说说在城市生活中，存在哪些安全问题，面对这些问题，你有解决的思路吗？二、新知学习（一）、项目分析，方案确定1.需求分析欢欢组在进一步探索末来城市时，发现消防机器人功能强大。于是，通过对未来城市消防员的了解与学习，他们准备着手搭建一个城市消防员——消防机器人。2.技术选型通过老师的讲解和查阅材料，欢欢组了解到可以使用火烙传感器检测火源是否存在，使用超声波测距模块检测障碍物的距离。火焰传感器是利用火焰发出特定波长的红外线（波长760~1100 nm）来检测光源的传感器。它把火焰的亮度转化为高低变化的电乎信号输人到控制器里，控制器根据信号的变化做出相应的程序处理。3.功能分析根据器材的基本特性，可以把消防机器人模型分成控制器、检测装置、运动装置和灭火装置四个部分。4.问题建模为了模拟消防机器人检测火源和灭火的过程，建立问题模型：在一定空间里寻找火源，并用风扇吹灭火源。5.方案确定（二）、系统搭建，功能实现1.结构搭建根据设计方案，搭建消防机器人的基础结构，并安装好火焰传感器、超声波测距模块、电机驱动模块等。2.系统接线基于消防机器人的基本结构，设计电路连接图（如图2-2-7所示）将Arduino控制器与运动装置、检测装置、灭火装貴连接好，并记录好器件针脚对应表，如表2-2-2所示。3.程序编写在设计较复杂的程序时，程序员往往会将一个复杂的程序按照功能划分为若干个小的程序模块。每个小的程序模块实现一个确定的功能，并在这些模块之间建立必要的联系。通过模块的互相协作完成整个功能，这种程序设计的方式称为模块化的程序设计。欢欢组将功能细化，使用模块化的方式逐一地实现消防机器人的功能。（1）消防机器人避障问题模型中，消防机器人在一个封闭的空间内运动，消防机器人行进的动作分为直行、后退、左转、右转和停止。应用模块化的编程思想，编写子模块函数。超声波测距模块用于检测障碍物与消防机器人的距离，在调试时可以使用串口打印功能测试超声波测距模块的运行情况，如图2-2-9所示。任务一：请设计实验，检测超声波测距模块的灵敏度，以及它在不同场景和障碍物存在的情况下测量距离的精度情況。在能正确检测障碍物的距离后，欢欢他们就开始着手设计机器人小车的避障功能，下面是一种简单的避障算法，如图2-2-10所示。小提示：障碍物距离参数和后退、左转的时间参数需要根据电机和环境情況反复调试与优化。任务二：你认为上面的避障算法有需要政进的地方吗？请根据设计的算法画出相应的流程图，并编写程序上传到消防机器人以验证算法的正确性与避障效率。（2）消防机器人灭火灭火动作由风扇吹灭火焰来模拟，可以将灭火动作设计为启动电机带动风扇灭火和停止风扇灭火两个函数。火源用火焰传感器检测：火焰传感器DO针脚输出为数宇信号，信号为“0”时表示检测到火焰，为“I〞时表示未检测到火焰。那么火源的检测及灭火动作的程序如图2-2-13。图2-2-13中的程序使用了循环语句和条件语句，当检测到火源时（8号管脚读人的数值为“”时）则循环执行“outFire”函数，直到没有检测到火源时（8号管脚读人的数值为“1”时）则执行“stopOutFire”函数。小提示：火焰传感器上有个电位器，可以帮助调整传感器的灵敏度。第二单元 探索末来城市中的机器（3）程序整合在前面程序模块设计和实验调试之后，将消防机器人按原先设计的算法流程图（如表2-2-1中所示）进行整合。（三）、程序调试、实验优化将程序上传至Arduino控制器，并将消防机器人放在实际模拟场景中，记录实验结果，实现消防机器人的主要功能。任务三：通过实践，观察消防机器人是否存在问题，记录遇到的问题，并提出解决方案。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《跌倒救助机器人》。 了解思考交流讨论学习学习操作实践了解交流表达操作练习了解操作实践操作实践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培养任务分析能力了解技术选型了解结构搭建培养动手能力培养表达能力与解决问题的能力培养动脑思考能力，培养思维增加知识面培养动手能力学生利用自主探究、小组合作、实践操作的方法去解决问题；师生直观演示更具说服力，加深印象。培养学生举一反三、学习迁移的能力；鼓励学生尝试完成操作练习培养知识归纳能力培养自主学习能力
板书 第2节 安全消防机器人1、项目分析，方案确定2、系统搭建，功能实现3、程序调试，实验优化
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安全消防机器人
九年级下
机器人可以替代或辅助人类在特殊岗位从事危险度高、工艺复杂的活动。如在极端环境、自然灾害、火灾、危化品爆炸、核泄漏等安全事件中，机器人可以进人危险环境，凭借远程通信、定位、防爆、防水、防病毒以及人工智能等功能，实现安全作业，最大限度地保障人员及财产安全。
思考
请说说在城市生活中，存在哪些安全问题，面对这些问题，你有解决的思路吗？
1、需求分析
（一）、项目分析，方案确定
欢欢组在进一步探索末来城市时，发现消防机器人功能强大。于是，通过对未来城市消防员的了解与学习，他们准备着手搭建一个城市消防员——消防机器人。
通过老师的讲解和查阅材料，欢欢组了解到可以使用火烙传感器检测火源是否存在，使用超声波测距模块检测障碍物的距离。
2.技术选型
火焰传感器是利用火焰发出特定波长的红外线（波长760~1100 nm）来检测光源的传感器。它把火焰的亮度转化为高低变化的电乎信号输人到控制器里，控制器根据信号的变化做出相应的程序处理。
根据器材的基本特性，可以把消防机器人模型分成控制器、检测装置、运动装置和灭火装置四个部分。
3.功能分析
为了模拟消防机器人检测火源和灭火的过程，建立问题模型：在一定空间里寻找火源，并用风扇吹灭火源。
4.问题建模
5.方案确定
（二）、系统搭建，功能实现
1、结构搭建
根据设计方案，搭建消防机器人的基础结构，并安装好火焰传感器、超声波测距模块、电机驱动模块等。
基于消防机器人的基本结构，设计电路连接图（如图2-2-7所示）将Arduino控制器与运动装置、检测装置、灭火装貴连接好，并记录好器件针脚对应表，如表2-2-2所示。
2.系统接线
3.程序编写
在设计较复杂的程序时，程序员往往会将一个复杂的程序按照功能划分为若干个小的程序模块。每个小的程序模块实现一个确定的功能，并在这些模块之间建立必要的联系。通过模块的互相协作完成整个功能，这种程序设计的方式称为模块化的程序设计。
问题模型中，消防机器人在一个封闭的空间内运动，消防机器人行进的动作分为直行、后退、左转、右转和停止。应用模块化的编程思想，编写子模块函数。
（1）消防机器人避障
超声波测距模块用于检测障碍物与消防机器人的距离，在调试时可以使用串口打印功能测试超声波测距模块的运行情况，如图2-2-9所示。
任务一
请设计实验，检测超声波测距模块的灵敏度，以及它在不同场景和障碍物存在的情况下测量距离的精度情況。
在能正确检测障碍物的距离后，欢欢他们就开始着手设计机器人小车的避障功能，下面是一种简单的避障算法，如图2-2-10所示。
小提示：障碍物距离参数和后退、左转的时间参数需要根据电机和环境情況反复调试与优化。
任务二
你认为上面的避障算法有需要政进的地方吗？请根据设计的算法画出相应的流程图，并编写程序上传到消防机器人以验证算法的正确性与避障效率。
灭火动作由风扇吹灭火焰来模拟，可以将灭火动作设计为启动电机带动风扇灭火和停止风扇灭火两个函数。
（2）消防机器人灭火
火源用火焰传感器检测：火焰传感器DO针脚输出为数宇信号，信号为“0”时表示检测到火焰，为“I〞时表示未检测到火焰。那么火源的检测及灭火动作的程序如图2-2-13。
图2-2-13中的程序使用了循环语句和条件语句，当检测到火源时（8号管脚读人的数值为“”时）则循环执行“outFire”函数，直到没有检测到火源时（8号管脚读人的数值为“1”时）则执行“stopOutFire”函数。
在前面程序模块设计和实验调试之后，将消防机器人按原先设计的算法流程图（如表2-2-1中所示）进行整合。
（3）程序整合
（三）、程序调试、实验优化
将程序上传至Arduino控制器，并将消防机器人放在实际模拟场景中，记录实验结果，实现消防机器人的主要功能。
任务三
通过实践，观察消防机器人是否存在问题，记录遇到的问题，并提出解决方案。
下课啦！
