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第3.4课《机器人的跟随验证—测验与功能优化》教学设计
课题 机器人的跟随验证—测验与功能优化 单元 第三单元 学科 信息科技 年级 五年级
核心素养目标 信息意识：意识到在跟随验证测试中具备敏锐的信息首先体现在对各种数据的收集和分析上。 计算思维：能在机器人跟随功能中起着核心作用，其中算法的设计与优化是关键环节。 数字化学习与创新：明白通过不断积累跟随验证测试过程中的数据，机器人可以进行自我学习和改进。 信息社会责任：在学习过程中，在机器人跟随过程中，必须确保不会对人类和环境造成危害。
教学重点 认识学习机器人跟随验证方法。
教学难点 掌握机器人测验与功能优化帮助更好地学习等。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第3.4课 《机器人的跟随验证—测验与功能优化》板书课题。1.人们对美好生活的向往，驱动着人们去发现和创造更美好的事物，机器人就是其中一个例子。渐渐地，我们可以看到各种各样应用在不同场景的机器人，它们的功能丰富多样，可以避障，可以自动跟随等。本节课让我们一起实现机器人的跟随功能，并验证它能否跟随移动吧!思考：同学们，你们拥有一个机器人后，希望它具备什么功能呢 知识解答：能够随时回答我在学习中遇到的各种问题，无论是数学难题、历史事件的背景，还是科学概念的解释。家务助手：能够打扫房间、整理物品，让我的生活环境保持整洁。它可以自动识别不同类型的垃圾并进行分类处理，还能清洁各种家具和地面。音乐和影视播放：可以播放我喜欢的音乐和电影，营造出舒适的娱乐氛围。2.播放视频。 学习新知引入。完成思考问题。观看教学视频。 用举例机器人知识引入课堂。用提问的方式引入课题，增强课堂互动性。将学生的注意吸引到课堂。
讲授新课 新知讲解：板书课题。一、跟随功能分析在电影中，能看到这样的场景：机器人为主人扫地、端茶送餐，不仅如此，机器人还能跟随主人走，主人走到哪里它就跟到哪里，既聪明又有趣。如今，电影照进现实，我们可以看到主人在前面逛街购物挑选商品，机器人在后面跟随主人移动和帮忙携带物品(见图3.4.1）；在人来人往的街道或车站，人们在前面轻松地走着，后面紧跟着一个跟随主人移动的行李箱(见图 3.4.2)……这就是依靠机器人的跟随功能实现的。自动跟随跟随机器人的基本功能：自动跟随目标移动，目标走到哪里它就跟到哪里。在设定的距离范围内跟随目标移动，目标前进，机器人就跟着前进；目标后退，机器人就自动后退；目标停止，机器人也停止。机器人与移动的目标对象始终保持在一定距离内。防碰撞机器人在一定距离内跟随着目标移动，需要防止发生碰撞，能主动避障避免撞上跟随目标或者其他障碍物。机器人能对前方障碍物的距离进行测量，并判断障碍物的位置，当感知前进方向有障碍物时，机器人做停止不动或者后退的动作，并在障碍消除后恢复行进，如图 3.4.3所示。课堂活动说一说，机器人的跟随功能可以应用到哪些场景中。日常生活场景：在商场或超市中，机器人可以跟随主人，帮忙搬运购物袋；在旅行中，机器人可以跟随游客，携带行李并提供导航服务。工作场景：在仓库或物流中心，跟随功能的机器人可以跟随工作人员，自动搬运货物。医疗场景：在医院内部，机器人可以跟随医护人员，运输医疗设备和药品。教学辅助：在课堂上，机器人可以跟随教师，展示教学内容和实验操作。二、跟随功能实现设定机器人的功能后，需要给机器人编写程序来实现跟随功能。例如，利用机器人的超声波传感器检测距离，如果机器人与跟随目标的距离大于设定值，那么机器人跟随前进，如果机器人与跟随目标的距离比较小，在某个距离范围内，那么机器人就静止:如果机器人与跟随目标的距离过小，那么机器人就后退，防止碰撞。程序设计按照功能设计与分析，梳理程序思路，如图 3.4.4所示。相应的示例程序如图 3.4.5 所示完成程序的编写后，把程序刷入机器人中，功能完整的机器人如图3.4.6所示。课堂活动请同学们完成机器人跟随功能的程序设计，实现机器人自动跟随及防碰撞功能。所需技术和工具：传感器、控制器、电机驱动、编程语言。跟随功能实现步骤：传感器设置安装并配置传感器，确保能够准确地检测到目标物体和障碍物。电机控制根据跟随算法的输出，控制机器人的电机。防碰撞功能实现步骤：障碍物检测，使用传感器检测机器人周围的障碍物。三、调试优化与分享编写完机器人跟随的程序后，对其进行测试，验证机器人是否实现了跟随和防碰撞功能。在测试过程中，根据机器人的反馈，观察机器人的跟随功能存在的问题或不足之处，然后对机器人进行调试和优化。最后，把调试优化后的机器人展示出来。调试优化上述机器人的功能可能会存在一些问题。例如，机器人跟随过程不够流畅，出现忽走忽停的情况；跟随目标转弯时，机器人无法跟着目标灵活转弯；如果跟随目标发生了变化，机器人无法判断等。在测试机器人功能的过程中，根据具体出现的问题，思考解决方法，不断地调试和优化它的功能，使机器人的功能达到比较理想的状态。实践活动请同学们调试机器人的跟随功能，根据出现的问题，分析原因，思考解决方案，对机器人进行调试和优化，并根据不同测试结果填写表3.4.1。感知算法优化控制调试人物识别不准，升级传感器跟随路径抖动，调控指令频率速度控制不稳定，调整参数光线暗感知下降，添加光线反应迟缓，优化程序转向不灵活，优化转向机构距离判断不准，校准距离复杂环境容易迷失，建立识别机制容易出现避障，完善避障算法分享对跟随机器人进行优化后，可以将其分享到开源社区。常见的开源社区有开源中国社区、Arduino 中文社区、掌控板社区、DF 创客社区等。将跟随机器人分享到开源社区，不仅可以供其他学习者借鉴和学习，我们还可以在现有开源跟随机器人的原基础上继续改造和优化自己的机器人，从而为跟随机器人的迭代优化提供了更广阔的空间。四、课堂练习不同的开源社区，其主要功能和内容也有所不同，如表3.4.2所示。请同学们选择一个开源社区平台，将跟随机器人分享到平台上。开源社区名称社区主要内容开源中国开源软件库、相关资讯、讨论区、博客……Arduino中文社区Arduino相关程序、项目、想法、资料掌控版社区教程、项目作品、论坛答疑交流、软件下载、硬件获取渠道DF创客社区一个创客和创客教育者学习与分享的平台，为学生和老师提供丰富的中文学习视频教材、项目分享及常见问题解决方案五、拓展延伸1.智能跟随机器人问：除了利用超声波探测距离来实现智能机器人的跟随功能，还有其他方法吗 答：当然有啦！现在人工智能技术越来越成熟了，利用人工智能的相关技术可以更灵活地实现跟随。问：哇，听上去很棒！可以举个例子吗 答：比如在机器人的头部安装 A 摄像头，使机器人不仅除了可以识别障碍物，还可以通过识别主人的脸部特征辨别主人。问：既然识别人脸可以实现跟随，那是不是也可以通过识别人体其他特征实现跟随呢 答：你太聪明了！没错，智能机器人确实可以通过人体识别实现智能跟随，不仅如此，它还能通过识别宠物实现智能跟随。2.机器人跟随验证测试需要在什么样的环境下进行？光线条件稳定的房间：室内环境的光线相对比较容易控制。例如在实验室或者专门的测试房间里，稳定的光线可以让机器人的视觉传感器更好地工作。空间布局简单的场所：选择空间开阔、没有太多障碍物的室内环境很重要。比如在一个空旷的仓库或者大型会议室进行测试。天气良好的开阔场地：在室外进行测试时，最好选择晴朗、无风或者微风的天气。在开阔的操场或者广场上，机器人可以有足够的空间进行跟随动作。干扰因素少的区域：要尽量避开人流、车流密集和有大量电磁干扰的区域。比如不能在交通繁忙的马路边或者高压线附近进行测试。3、机器人是通过什么原理来实现跟随功能的？视觉识别原理：基于特征匹配机器人通过摄像头捕捉周围环境的图像。光流是指图像中模式运动的速度。机器人利用光流法分析图像中像素的运动。传感器感应原理：机器人装备有红外线传感器。超声波传感器可以发出超声波并接收反射波。机器人通过计算超声波从发出到返回的时间来确定与目标物体之间的距离。机器学习与深度学习原理：神经网络模型通过大量的标记数据对神经网络进行训练。神经网络模型通过大量的标记数据对神经网络进行训练。惯性导航与定位原理（辅助）：机器人内部有惯性测量单元（IMU），它可以测量机器人自身的加速度、角速度等信息。4、当机器人电量不足时，它会如何处理正在进行的跟随任务？机器人可以通过连接的通信系统，向控制中心或用户终端发送电量不足的警报信息。这个信息可能包括机器人的当前位置、剩余电量估计等内容。这样，操作人员就可以及时采取措施，比如手动将机器人移动到充电位置或者对机器人的任务进行重新安排。在一些仓储物流场景中，当搬运机器人电量不足时，它会向仓库管理系统发送警报，工作人员可以根据实际情况，优先处理该机器人所负责的货物，或者安排其他机器人协助其返回充电。5、当遇到障碍物遮挡时，机器人会采取什么策略 当遇到障碍物遮挡跟随对象时，机器人会采取以下策略。基于历史运动数据：机器人会记录跟随对象在被遮挡之前的运动速度、方向和加速度等历史数据。结合环境信息推测：机器人可以利用预先存储的环境地图或者通过传感器实时感知环境来推测跟随对象的可能路径。视觉与其他传感器结合：如果机器人主要依靠视觉来跟随对象，当视觉被遮挡时，它会启动其他辅助传感器。六、知识回顾自制开源机器人—机电结合控制系统走进机器人—科幻与现实想象世界中的机器人现实世界中的机器人开源机器人避障机器人—感知障碍与行动规划感知障碍物—做出行动规划知识准备器材准备项目体验—避障机器人避障功能的调试—强化感知并优化算法输入—环境感知不足控制与输出—算法的优化机器人的跟随验证—测试与功能优化跟随功能分析跟随功能的实现调试优化与分享七、过程与收获1.对机器人知识进行学习 。2.进行避障机器人感知障碍的学习，认识到理论与实际之间的差距。3.对避障功能进行调试 。4. 进行机器人跟随的验证。成果与交流各小组成员将本组完成的项目创意文稿及相关记录文档和同学进行交流在班级上进行展示，和老师或同学共享成果，分享快乐。在参与自制开源机器人—机电结合控制系统的学习过程中，我深入了解了机械结构与电子控制系统之间的紧密关系。在机械方面，学会了如何设计和组装机器人的框架、关节和传动系统，以确保机器人具备稳定的结构和灵活的运动能力。同时，也明白了不同材料的特性和适用场景，能够根据实际需求选择合适的机械部件。它不仅提升了我的专业技能，还培养了我的团队合作精神和创新意识。七、自评与他评评价内容自我评价教师评价1.项目的完成度☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆2.分工协作的合理性☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆3.演讲展示的表现能力☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆4.解决问题的综合能力☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆ 学习跟随功能分析。完成课堂活动。学习跟随功能的实现。完成课堂活动练习题。学习机器人的调试优化程序。完成实践。进行课堂练习。进行内容的拓展延伸。进行知识回顾。进行知识的总结成果与交流。完成自评与他评。 初步学习跟随功能，锻炼学生的学习能力和观察能力。通过课堂活动问题，培养学生思考能力和学习能力。进一步学习跟随功能实现的知识培养学生的学习能力。通过课堂活动问题，培养学生思考能力和学习能力。进行系统性整体学习本节内容。进行实践与理论的结合。对课堂所学内容进行检验强化所学内容。拓宽学生知识面。巩固学生所学知识，加深所学内容。将本课学习情况进行总结探讨。学生通过自评，能够深入反思自己的学习过程、行为表现和成果，更加清楚地了解自己的优势和不足。
课堂小结 机器人的跟随验证—测试与功能优化1、引入新知内容2、学习跟随功能分析和实现3、学习调试优化与分享4、完成课题练习5、进行相关知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 请列举四个在进行机器人跟随验证时需考虑哪些因素？利用简单材料制作一个简易的跟随装置。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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