第一章 初探智能机器人 教学参考

第一章 初探智能机器人
第一部分 本章教学综述
比尔.盖茨预言，人工智能与机器人技术将成为继个人电脑、移动电话后，下一个改变世界的技术。机器人技术是世界强国重点发展的高新技术，也是一个国家科技发展水平和国民经济现代化、信息化的重要标志。开展机器人教育，将推动机器人知识和技术的普及，促进我国机器人事业的发展和专业人才的培养。同时，机器人教育也是进行信息技术教育的最佳载体，是最有持续发展潜力的中小学信息技术领域。从学科的综合性看，机器人教育整合了数学、物理、生物、电子、机械、信息技术等学科知识，在让学生体验到科学技术魅力的同时，培养学生的多学科综合运用能力；从学生的能力培养看，机器人教育让学生在探究中学习如何发现问题、分析问题和解决问题，能够培养学生的良好学习习惯、动手制作能力、创新性思维、团队合作精神及强烈的竞争意识。
本教参对应于《广东省初级中学课本 信息技术 第一册 下 B版》，内容是人工智能与机器人技术的学习。
第一章“初探智能机器人”是人工智能与机器人课程的起始章节，在此之前，大部分学生没有接触过机器人技术的学习，学生基本上是在“一张白纸”上开始“绘画”机器人课程的“图画”的。本章将引领学生走进智能机器人的世界，了解人工智能与智能机器人的应用与发展，认识机器人的系统构成与制作过程。让学生对将要学习的知识有一个整体认知，开拓视野，提升学习兴趣。
总的来说，本章包含了以下知识点：一是人工智能与机器人的概念构建。通过介绍人类智能与人工智能的异同、智能机器人的概念与组成、机器人的结构等知识，让学生形成机器人知识的基本认知。二是了解机器人的应用与展望趋势。通过介绍机器人的应用与最新的发展趋势，提升学生的学习兴趣，开拓视野。三是初步建立算法思想，通过介绍顺序选择循环三种常见行动步骤，学习用流程图描述处理事情的步骤，初步认识控制机器人的流程图式编程软件，让学生更多关注机器人程序设计的条理性与逻辑性，为后面章节深入学习机器人编程打下基础，同时也进行了思维训练。四是了解机器人制作过程，通过直观观察机器人设计制作的完整过程、破除对机器人的陌生感，将学生引入人工智能与机器人的学习领域。这几个内容的学习能让学生在短时间内熟悉机器人的基础理论知识，掌握初步的分析处理问题步骤，了解机器人的搭建方法，从而提高学习兴趣，为后面学习机器人的设计制作打下扎实的基础。2·1·c·n·j·y
一、教学目标
1. 知识与技能
(1) 掌握人类智能与人工智能的联系与区别。
(2) 掌握智能机器人的定义。
(3）了解智能机器人的应用领域与发展趋势。
(4) 掌握机器人系统的构成。
(5) 掌握用流程图描述日常生活与机器人工作中的顺序、选择、重复等行动步骤。
(6) 初步了解图形化编程环境及使用方法。
(7) 了解机器人设计制作过程。
2． 过程与方法
（1） 结合生活中的具体问题，能够用自然语言以及画流程图的方式描述解决问题的过程；与使用自然语言相比较，体验使用流程图方式的优点；在此过程中逐渐领悟算法中三种基本结构的作用，并提升思维的条理性与逻辑性。【来源：21·世纪·教育·网】
（2） 在了解智能机器人的应用领域与发展趋势中，学习客观评价分析机器人的社会价值及其与人类的关系。
3． 情感态度价值观
（1） 培养对科学与技术的兴趣。
（2） 尝试在生活中发现问题、解决问题，让生活更美好。
二、教材分析
1．本章的作用和地位
第一章是全书机器人学习的基础。在本章中，首先对人工智能与机器人的理论知识进行了介绍；接着介绍了机器人“智慧”的来源——程序；编写程序先要进行任务分析，通过学习如何分析任务，分解出完成任务的方法和步骤，试画流程图，让学生初步熟悉算法思想，为后面章节编写程序控制机器人打下基础；最后，本章还对机器人的完整制作过程进行了演示与介绍，让学生对机器人的制作步骤形成整体印象。www-2-1-cnjy-com
本章的编写中重视对人工智能与机器人理论知识的介绍。理论知识是培养学生信息素养的重要组成部分，扎实的基本功和良好的理论基础，能让学生的信息技术学习从感性认识逐步上升到理性认识，有利于真正提高学生的信息素养和综合能力。本章学习中，学生要分析人类智能与人工智能的异同、理解智能机器人的定义、区分人与机器人处理信息流程的异同、分析古代机器人与智能机器人的不同之处、归纳智能机器人的组成部分，在思考、交流、探讨的过程中掌握相应的理论知识，同时也提高学生的辩证思维能力。2-1-c-n-j-y
同时，本章的编写也特别强调算法思想的学习，专门介绍了生活中顺序、选择、重复三种行动步骤，以及用流程图描述活动或工作过程的方法。一方面是为了介绍RC软件的流程图式编程界面，更重要的是，算法不仅用于编写程序，它以缜密的逻辑思维，将繁复的问题抽象化，是一种科学高效解决问题的方法。学习算法能提高学生的思维质量，形成工作的条理性、思维的逻辑性。因此，要引导学生有意识关注算法和思路，用以指导自己的学习与生活。使课程真正起到提高学生综合素质的作用。21*cnjy*com
2．本章主要内容介绍
本章共分为两节，第一节的内容先围绕“人类智能”与“人工智能”两个概念展开，通过对比，让学生认识到人类智能与人工智能的联系与区别。同时了解智能机器人的定义和组成，以及人类活动与机器人工作之间的异同。接着让学生了解智能机器人在社会各领域中的应用和未来发展趋势，激发学生学习兴趣。第二节课围绕智能机器人的系统组成展开，分析智能机器人的组成，了解机器人智慧来源——程序，认识流程图与程序三种基本结构，再通过一个自动感应风扇机器人的制作过程加深对机器人传感系统、主控系统和机械本体的了解，直观认识机器人搭建、编程、仿真、下载、检验的完整创作流程。【来源：21cnj*y.co*m】
重点难点分析
教学重点：
(1) 人工智能与机器人的概念。
(2) 机器人的构成。
(3) 机器人的制作过程。
(4)用流程图描述算法
教学难点：
用流程图描述解决问题的方法和步骤。
三、教学建议
本章可以在有多媒体教学平台的教室、多媒体网络电脑教室或机器人实验室上课。
1．学情分析
对大部分没有接触过机器人学习的学生来说，往往认为机器人是距离自己学习生活很遥远的高科技。刚刚步入机器人这一全新学习领域的学生，不仅对即将学习的内容充满了好奇与期待，也会有一些困惑。学生的问题普遍集中在：“我想学习机器人，但是我什么都不会。”、“机器人是高科技，学习制作机器人肯定很难吧，我该如何开始呢？”21·cn·jy·com
同时，虽然学生对信息技术课堂和机器人学习有兴趣，但是由于年龄特点，他们对抽象的、理论性强的知识不容易理解。需要教师精心设计生动有趣的探究课堂，让学生克服学习新领域的暂时困难，在理解理论知识的同时，提高思辨能力，增强学习信心。【出处：21教育名师】
2．教学策略
教学上建议结合学生上述特点，采用灵活多样的教学方法。本章正文内容设置了“问题”、“交流”、“探究”、“任务”等栏目，教师可以参考这些栏目，根据实际情况灵活运用、开展教学。【版权所有：21教育】
如：从学生已有的经验及知识入手，引导学生通过游戏、自主思考、小组讨论等方式，归纳出人类智能与人工智能的联系与区别，以及人类活动与机器人工作之间的异同。以生动有趣的“包装”让学生不知不觉掌握关于人工智能与机器人的基本概念。21教育名师原创作品
运用视频、图片等丰富多媒体素材，展示机器人的使用领域和发展趋势，提升学生对机器人学习的兴趣。
学习用流程图描述解决问题的行动步骤，可以采用小组合作学习的形式，各小组布置不同任务，讨论画出流程图后，各小组进行展示，能让学生在较短时间内掌握三种基本程序的用法。也可以使用任务填空或流程图拼贴排列等方法，让学生在课堂有限时间内最高效完成流程图的绘制与学习。21*cnjy*com
我们也可以用演示法和对比法来揭示机器人的智慧来源——控制程序。使用实物操作与演示来直观展示完整的机器人设计制作过程。这样有利于培养学生的分析能力和规划思想。
四、教学评价
本章的教学评价应侧重于基础理论知识的掌握与学生分析能力、算法思想的培养。可以通过本章检查站、在线测验等形式检查理论知识的理解运用情况；要将能否用流程图正确描述生活中的行动步骤或机器人的工作流程作为重点考察内容，为后面章节的学习打下扎实基础。
五、课时建议
章
节
课时
第一章 初探智能机器人
第一节 认识智能机器人
1
第二节 探秘机器人系统
1
六、练习说明
第4页“交流”栏目智能机器人与古代“机器人”的主要区别：智能机器人是具备一些与人或生物相似智能的自动化机器，能够对不同任务和环境有一定的适应性。而古代“机器人”是利用风能、水力等驱动的自动机械。
第13页“交流”填写机器人流程图：本流程图设计初衷是一个最简单的模仿“无人驾驶汽车”的机器人的流程图，在红灯时停止，没有红灯时，如果通行中检测到障碍则停止并报警提醒行人，否则就正常向前走。但是应该持开放的态度，只要学生的答案符合常识，都应视为正确。
本章检查站的参考答案：
（一） 查漏补缺
1. 人工智能主要包括 感知 能力、 思维 能力和 行为 能力，只要是具备一些与人或生物相似的 智能 的自动化机器，都属于机器人系统。
2. 生活中基本的行动步骤有三种，它们分别是 顺序 、 选择 和 重复 。
3. 制作一个教育机器人一般需要经过搭建机器人、 为机器人编写程序 、
用仿真界面检测程序 、下载程序到微电脑、 运行程序测试机器人是否按要求工作 等五个步骤。
（二）问题实战
略
（三）观点争鸣
引导学生辩证地分析新科技带来的利弊，客观看待新科技使用过程中存在的问题，学习如何用集体或公众的智慧、力量和博弈去逐渐解决这些问题。
第二部分 各节教学分述
理论课如何才能设计得有声有色？
第一节 认识智能机器人
教学目标
1．知识与技能
掌握人类智能与人工智能的联系与区别。
掌握机器人的定义和组成，区分人与机器人对外界信息处理过程的不同。
了解智能机器人的应用领域与未来趋势。
2．过程与方法
（1） 在分析对比人类智能与人工智能、古代“机器人”与智能机器人、人与机器人对外界信息处理过程的联系与不同中，学习培养归纳分析能力。
情感态度与价值观
（1） 学习客观评价机器人的社会价值及其与人类的关系。
（2） 学习关注生活、学习发现问题，解决问题，让社会更便利更进步。
二、教材分析
1．本节的作用和地位
本课是本册教材的第一课，旨在让学生了解机器人的基础知识，激发学生学习人工智能与机器人课的兴趣。
2．本节主要内容介绍
本课内容首先围绕着“人类智能”与“人工智能”这两个概念展开，通过对比人类智能与人工智能，让学生认识到它们的区别。再介绍智能机器人的定义与组成，让学生能够明确智能机器人的科学概念，了解智能机器人处理信息的过程，能与古代自动机械正确区分。再介绍智能机器人的应用领域及发展趋势，让学生对机器人技术有全面的印象。21教育网
3．重点和难点分析
教学重点：
了解人类智能与人工智能、人与机器人信息处理过程、智能机器人与古代机器人的联系与区别。
智能机器人的定义。
教学难点：
引导学生自己分析归纳三组概念的异同。
三、教学建议
从学生身边刚发生的事情如听到铃声走入教室；或者蒙眼贴的鼻子到头像上的游戏入手，引导学生通过小组合作分析，讨论归纳人类活动的一般共同点，完成对“人类智能”概念的构建。再运用自动感应门、自动龙头的例子或“自动感应风扇”机器人实物，通过分析身边自动设备的工作方式，归纳共同点，完成对“人工智能”概念构建。并通过这些事例分析对比人类智能与人工智能异同，体会人工智能在人类生活中的作用。21·世纪*教育网
通过观看机器人应用的多媒体演示资料，观摩不同类型的机器人，扩展对机器人的概念、分类、应用和发展状况的认识。提高学习机器人兴趣。
可以编辑剪取机器人影视作品如《变形金刚》、《机器人瓦力》、《终结者》、《黑客帝国》等片断，引导学生更深入地分析机器人与人类社会的关系。
四、教学评价
本节内容应侧重于学生分析归纳能力、小组合作分工配合情况的评价。
五、练习说明
本课课堂练习以小组合作的方式，分析归纳人类智能与人工智能等的异同，在讨论过程中，教师要观察各小组讨论情况，对于个别游离在小组讨论的学生，要以暗示、引导等方式让其参与讨论。
六、教学参考案例
【课题名称】
认识智能机器人
【教学目标】
1．知识与技能
（1）了解人类智能与人工智能的概念，能区分人类智能与人工智能的异同，知道人工智能是人类智能的模仿和延伸。
（2） 能用人类智能理论分析人某种活动的过程，用人工智能理论分析常见机器人的工作过程。
（3）了解智能机器人的概念，能与古代机器人在本质上进行区分，知道智能机器人由哪几大部分组成，各部分的作用。
（4） 了解智能机器人的应用领域。
（5） 了解智能机器人的最新发展趋势。
2．过程与方法
（1）在学习用人类智能和人工智能理论来分析人类活动或机器人工作的过程中进行归纳提炼能力的训练。
（2） 在分析古代机器人与智能机器人的区别过程中提高分析辨别能力。
3． 情感态度与价值观
（1）培养对科学技术的兴趣。
（2）学习客观辩证看待问题。
【教学重点】
了解人类智能与人工智能、人与机器人处理信息过程、智能机器人与古代机器人的联系与区别。
(2) 智能机器人的定义。
【教学难点】
（1）分析归纳几组基本概念的异同。
【教学方法】
游戏、演示、小组合作学习。
【教学时间】
1课时。
【教学环境】
地点：多媒体网络教室、带多媒体教学平台的教室、机器人实验室均可。
【教学过程】
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
课前准备
指导学生进行分组
组建学习小组
分组要相对固定，便于每节课的讨论，以及机器人制作时分工。
导入
1 游戏
准备若干剪成卡通头像卡纸，画上眼睛嘴巴，用磁贴固定在黑板上。分发剪好的纸鼻子。游戏规则是学生蒙上眼睛，转两圈后进行贴鼻子游戏。看谁贴得好。
2 提出问题：
蒙上眼睛后不能准确贴上头像的鼻子，为什么？
听到上课铃声回到课室，看到红灯停下来等行为，都是人的智能活动。分析人的智能过程要涉及哪些人体器官与环节。
1每组派一个同学参加游戏
2 小组讨论、思考
1以有趣的游戏吸引学生注意力。
2引发学生对人类智能行为过程的思考，为后面了解人类智能做铺垫。
归纳新知
根据各组汇报情况，得出如下结论：
过程
用到的器官
作用
听到上课铃
耳朵
感知
想到该“回教室上课”
大脑
思维
走回教室
腿
行动
人类智能是与生俱来的，人类所具有的智力和行为能力。主要包含三个方面：感知能力、思维能力和行为能力。
小组代表介绍本组观点
1学习交流观点。
2掌握人类智能的知识。
小组讨论
播放“自动感应水龙头”或“自动门”视频，提出问题：
如果要自己设计一个自动门或自动感应水龙头，需要准备什么设备，怎样才能制作出来？
1 学生思考、讨论
2 小组另一人代表本组介绍观点
学习思考与交流看法，为人工智能知识学习进行铺垫。
探究新知
1归纳实现“自动门”需要的设备和制作过程：
门上安装有能感应到人走近的传感器。感知
有马达能进行开门、关门的动作。行为
电脑里编写好程序，判断传感器发出的信号，有人接近就开门，人离开后关门。思维
2归纳
人工智能是人类赋予的，是模仿、延伸、扩展人类智能。同样包含：包含三个方面：感知能力、思维能力和行为能力。
3课件展示：
1将实现过程与本组想法进行对比
2聆听其他组意见
3 掌握人类智能与人工智能的定义，联系与异同。
完成人工智能的知识构建
探索新知
1观看《变形金刚》电影片段
2 提出问题：
人工智能最重要的应用之一就是智能机器人，什么是智能机器人？
3引导学生讨论和发现生活中有很多非人形的机器人。
4 归纳智能机器人定义：
具备一些与人或生物相似的智能能力的自动化机器，都属于机器人系统。
指出配有相应的传感器，如视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器，再加上微电脑和机械本体的智能机器人，就像拥有了人类的相应器官一样，能完成一些类似人的智能活动。
5 课件展示：
在小组讨论与聆听其他小组意见中逐渐领会智能机器人的定义与组成，以及人与机器人处理信息过程的联想与区别。
自我建构智能机器人的定义。
拓展学习
1播放“机器人应用及最新发展”视频
2引导学生阅读教材第4-8页的内容。
了解机器人的应用领域和最新发展，能以客观辩证的立场看待机器人给人类社会带来的便利与问题。
开拓视野，提高学习兴趣。
课堂小结
归纳总结本课学习内容。
小组评价本组成员课堂表现。
重温学习内容，形成整体认知。
七、参考资料
第二节 探秘机器人系统
教学目标
1．知识与技能
（1）掌握机器人的构成，各部分的作用。
（2）了解顺序、选择、重复三种行动步骤；掌握用流程图表示生活中某个活动及机器人工作的步骤。
（3）认识机器人的图形化编程界面。
（4）了解机器人的设计制作过程。
2． 过程与方法
（1）结合生活中的具体问题，能够用自然语言及手工画流程图的方式描述解决问题的过程；与使用自然语言相比较，体验使用流程图方式的优点；在此过程中逐渐领悟算法中三种基本行动步骤的作用，并提升思维的条理性与逻辑性。
3. 情感态度与价值观
学习如何在生活中发现问题，运用机器人等科技方法来解决问题，为社会服务。
二、教材分析
1．本节的作用和地位
本课是第一章《初探智能机器人》的第二节，本章第一节课介绍了人工智能与智能机器人的概念、应用与发展趋势后，激发了学生学习机器人的兴趣。在本课中，首先介绍了机器人的构成——感知系统、微电脑和机械部分。如同计算机由硬件与软件两部分组成，搭好的机器人需要用程序赋予它智慧，才能正常工作。本课接着介绍了解决问题的三种常见行动步骤，以及用流程图描述处理事情步骤的方法，并对用流程图方式编写程序的机器人编程软件进行了初步的介绍。接着，通过观摩自动感应风扇的制作过程了解机器人的创意、设计、制作、编程、调试完整过程，为后面的学习打下基础，同时也培养整体规划的思想。
2．本节主要内容介绍
本课先介绍了机器人的构成，包括感知系统、微电脑和机械部分。然后介绍了机器人的智慧来源——机器人编程软件，学习用流程图描述解决问题的行动步骤，为第二章的学习打下基础。通过观摩自动感应风扇的完整搭建过程，加深对机器人组成的了解，直观认识各个部件间如何协作来完成具体的任务。在了解机器人搭建、编程、仿真、下载、检验的完整创作流程中形成整体规划思路。
3．重点和难点分析
教学重点：
机器人的构成，各部分的功能。
用流程图描述机器人过程程序的步骤。
教学难点：
用流程图描述事情的过程与步骤；用流程图描述机器人的工作。
三、教学建议
用流程图描述机器人工作过程是第二章编写机器人控制程序的学习基础，也是本课的学习重点与难点。除了完成教材13页“交流”栏目中的流程图填空任务外，可以安排更多的生活问题处理或机器人任务，以部分任务填空、流程图拼图排列等方法，让学生在课堂有限时间内高效完成绘制与学习。
也可以采用小组合作学习的方法，如每小组布置不同任务，以小组合作学习形式讨论画出流程图后，小组轮流展示，这样能让学生在较短时间内通过自己实践与交流观点掌握三种基本程序的用处。21cnjy.com
此外，用一个安装了程序正常工作和一个没安装程序不停指挥的机器人作对比演示，能让学生对控制程序的作用有清晰印象。www.21-cn-jy.com
四、教学评价
本节内容应侧重于学生用流程图描述事情处理步骤。
五、练习说明
本课可采用小组合作学习方式，布置若干不同问题，各小组讨论完成流程图。
六、教学参考案例
【课题名称】
【教学目标】
1．知识与技能
（1）掌握机器人的构成与各部分作用。
（2）掌握顺序、选择、重复三种生活中的行动步骤，并能够用画流程图的方法描述机器人的工作过程。
（3）认识RC机器人图形化编程软件。
（4）了解机器人的完整制作过程。
2．过程与方法
（1）在用自然语言及画流程图的方式描述解决问题的过程中，领悟算法中三种基本结构的作用，提升思维的条理性与逻辑性。21世纪教育网版权所有
3． 情感态度与价值观
（1）培养对科技技术的兴趣，学习用信息技术解决生活中的问题。
【教学重点】
机器人的构成，各部分的功能。
（2） 用流程图描述机器人过程程序的步骤。
【教学难点】
（1）用流程图描述事情的过程或机器人的工作。
【教学方法】
游戏、演示、小组合作学习。
【教学时间】
1课时。
【教学环境】
地点：多媒体网络教室、带多媒体教学平台的教室、机器人实验室均可。
【教学过程】
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
课前准备
指导学生进行分组
组建学习小组
分组要相对固定，便于每节课的讨论，以及机器人制作时分工。
展示设备，导入新课
准备两三个调试好的自动感应风扇，让各小组体验设备如何工作。
2 指出要实现环保可持续的发展，我们需要设计出高效节能的设备和工具。例如上述展示的自动感应风扇。
3 引导学生观察自动感应风扇的各个组成部分。
体验自动感应风扇如何工作，分析它的组成部分。
小组汇报各组的分析总结。
鼓励学生创新，引导学生通过观察归纳建构新知。
归纳新知
1 出示课件：
机器人的感官——感知系统：红外避障、轨迹识别、声音传感器
机器人的大脑——微电脑
机器人的身体——机械部分：风扇、LED灯、支架、导向轮等
聆听与思考，巩固自己建构的理论知识。
巩固新学习知识。
设置疑点，讲授新知
教师拿出另一个与上述环节中一模一样的自动感应风扇，请学生试用。
引导学生与电脑对比，电脑只有硬件，没有软件，会发生什么情况？要让机器人能够“弄懂”人的意图和执行任务，还缺什么？
提出结论：需要用编程知识，按照我们的意图编写出特定计算机程序， 然后把程序传给机器人的大脑。
指出RC软件是一宽支持通过画流程图的方式来编写程序的机器人编程软件。
学生发现自动感应风扇不能工作，引起学生的疑惑
与已学的计算机系统的理论知识联系起来，建构控制机器人工作的编程软件的概念。
对比设疑，知识迁移，便于理解
小组合作学习，建构新知
1 引入：流程图是什么东西呢？
2 讲解：
生活中做什么事情都有一定的思路、方法和步骤。最常见的是哪些呢？用图书馆借书、走路还是坐公交车上学、锻炼跳绳100下作为范例，引导学生自己分析出它们各自的特点。
出示三种结构及流程图
4 介绍并出示流程图常见图形符号的作用。
聆听与思考，归纳建构三种行动步骤及如何用流程图描述三种结构
联系生活实际，进行思维训练
小组合作学习，巩固新知
给出四种常见生活中处理问题的步骤，各小组自选任务完成流程图。
过马路时红灯停，如果不是红灯则继续往前走。
骑自行车直到到达目的地为止。
洗衣服。
有人经过时风扇转，没有人时风扇停止。
巡视围墙四周，直走100米，左转90度，然后重复4次。
四人小组，自选任务，完成流程图。
各小组交流展示。
通过小组讨论与分享巩固认知。
课堂训练
布置课堂作业：完成课本13页交流栏目中的流程图填空练习。
独立完成练习后小组讨论。
巩固新知。
演示实物制作
教师将自动感应风扇的零件拼装，编程，仿真调试，下载程序，实际检验过程操作演示一遍。（也可用播放预先摄录视频的方法。）
了解整体制作过程，形成设计规划思想
直观认识，形成整体印象。
小结课堂
1 小结本课知识。
2 在线或书面检测。
完成检测。
用检测来及时反馈课堂教学效果。