第2单元第8课《碰撞运动——碰撞传感器和机器人的避碰行走》教学设计 2023—2024学年清华大学版（2012）初中信息技术九年级下册

《碰撞运动——碰撞传感器和机器人的避碰行走》教学设计
一、教学目标
1. 知识与技能：
掌握碰撞传感器的基本工作原理和连接方式。
学会利用编程控制机器人在检测到碰撞时执行避碰动作。
能够独立设计并实现简单的避碰行走程序。
2. 过程与方法：
通过小组合作，培养学生分析问题、解决问题的能力。
通过实践操作，提高学生的动手能力和编程思维能力。
3. 情感态度与价值观：
激发学生对机器人技术的兴趣。
培养学生勇于创新、积极探索的科学精神。
二、教学重点与难点
重点：理解碰撞传感器的工作原理，掌握避碰行走的编程逻辑。
难点：如何准确地将碰撞传感器的信号转换为控制机器人的行动指令。
三、学情分析
学生已经具备基础的编程和机器人操作能力，但对于传感器和避碰行走的概念尚不熟悉。因此，需要通过直观的教学演示和小组合作，帮助学生快速掌握相关知识。
四、教学准备
1. 硬件：机器人套件（包括碰撞传感器）、计算机、编程软件。
2. 软件：机器人编程软件、教学课件。
五、新课导入
通过展示一个机器人行走过程中遇到障碍物自动避让的视频，激发学生的学习兴趣，并引出本节课的主题——碰撞传感器和机器人的避碰行走。
六、新课讲授
1. 碰撞传感器基础知识
介绍碰撞传感器的工作原理：当传感器受到外力碰撞时，内部电路发生变化，产生信号。
展示碰撞传感器的外观和接口，讲解如何连接到机器人上。
2. 编程实现避碰功能
在今天的文章中，我们将详细演示如何通过编程软件为机器人编写避碰程序。避碰程序是机器人运行过程中至关重要的部分，它可以确保机器人安全地执行任务，避免在执行过程中与其他物体或行人发生碰撞。接下来，我们将讲解程序中的关键代码段，如传感器信号检测、条件判断、行动指令输出等，帮助您更好地理解如何为机器人编写避碰程序。
一、传感器信号检测
避碰程序的第一步是获取周围环境的信息。为此，机器人需要配备各种传感器，如激光雷达、摄像头、超声波传感器等。这些传感器可以检测到机器人周围的物体和行人，为避碰提供数据支持。在编写避碰程序时，我们需要首先了解传感器的原理和数据格式，然后编写相应的代码段来读取传感器数据。
以超声波传感器为例，我们可以通过以下代码段检测距离：
```python
import ultrasonic_sensor
def get_distance():
distance = ultrasonic_sensor.read_distance()
return distance
```
二、条件判断
在获取到传感器数据后，我们需要根据这些数据进行条件判断。避碰程序的核心是判断机器人与周围物体或行人的距离是否满足安全要求。我们可以通过设置一个安全距离阈值，当检测到的距离小于阈值时，认为存在碰撞风险，机器人需要采取避碰行动。
以下是一个简单的条件判断示例：
```python
import numpy as np
def is_collision(distance):
safe_distance =0.5#设置安全距离阈值
return distance < safe_distance
distance = get_distance()
if is_collision(distance):
#执行避碰行动
pass
```
三、行动指令输出
当检测到碰撞风险时，机器人需要采取相应的行动以避免碰撞。这可能包括改变速度、改变行驶方向等。在行动指令输出环节，我们需要根据实际情况编写相应的代码。以下是一个简单的示例，演示如何让机器人减速避开障碍物：
```python
import robot_control
def avoid_collision():
distance = get_distance()
if is_collision(distance):
robot_control.decrease_speed()
avoid_collision()
```
通过以上三个关键代码段，我们可以为机器人编写一个简单的避碰程序。当然，实际应用中可能还需要考虑其他因素，如机器人运动学模型、路径规划等。本文旨在提供一个避碰程序的基本框架，帮助您了解如何着手编写避碰程序。希望对您有所启发和帮助！
总结一下，编写避碰程序的主要步骤如下：
1.传感器信号检测：获取周围环境信息，如距离、速度等。
2.条件判断：根据传感器数据判断是否存在碰撞风险。
3.行动指令输出：根据判断结果，发出相应的行为指令，如减速、改变方向等。
通过不断优化和完善避碰程序，我们可以让机器人更加智能、安全地执行任务。
引导学生理解程序逻辑，并根据理解自行编写避碰程序。
3. 实践操作：避碰行走实验
学生分组进行实践操作，将编写的避碰程序上传到机器人中。
观察机器人在遇到障碍物时的反应，记录实验数据。
分析实验结果，讨论可能的改进方案。
七、课堂小结
1. 回顾碰撞传感器的工作原理和连接方式。
2. 总结避碰行走程序的设计要点和编程逻辑。
3. 强调实践操作中的注意事项和可能遇到的问题。
八、作业设计
选择题：
1. 碰撞传感器的作用是什么？
A. 检测距离
B. 检测颜色
C. 检测温度
D. 检测碰撞
2. 当碰撞传感器检测到碰撞时，机器人应该执行哪种操作？
A. 继续前进
B. 停止不动
C. 原地旋转
D. 向反方向移动
填空题：
1. 在编写避碰程序时，我们首先需要通过________检测碰撞传感器的信号。
2. 如果我们想让机器人在检测到碰撞后向左侧移动，我们可以在条件判断语句后添加________指令。
九、板书设计
碰撞运动——碰撞传感器与避碰行走
碰撞传感器：
工作原理：外力碰撞 → 电路变化 → 产生信号
接口与连接：接口图示 机器人连接点
避碰行走编程：
传感器信号检测
条件判断（if 语句）
行动指令输出（move, turn 等）
实践操作：
上传程序 → 观察反应 → 记录数据 → 分析改进
十、课后反思
教师方面：
学生对碰撞传感器原理的理解程度如何？
学生在编程过程中遇到了哪些问题？如何解决？
实验环节是否顺利？有哪些可以改进的地方？
学生方面：
是否掌握了碰撞传感器的工作原理和连接方式？
是否能够独立完成避碰行走的编程任务？
在实践操作中是否有所收获？有哪些体会和建议？