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信息技术《循迹小车——马达与传感器应用》教学设计
课题 《循迹小车——马达与传感器应用》 单元 四单元 学科 信息技术 年级 八年级
教材分析 《循迹小车——马达与传感器应用》这一主题活动来自学生对马达与传感器结合应用制作“循迹小车”，通过学习掌握制作小车的步骤和方法。也认识了各种类的马达，学习了3D的相关知识，这对于提高学生知识有很大帮助，也提高学生的动手实践能力。
学习目标 1.信息意识：建立将使用马达制作“循迹小车”的方法应用到学习中的意识；2.计算思维：培养使用数学方法解决小车沿着轨迹左右运动的思维方式；3.数字化学习与创新：认识数字化学习环境的优势和局限，创新学习方法和思路；4.信息社会责任：在信息社会学习中，不做损害他人道德的事情。
重点 掌握制作“循迹小车”的步骤和方法
难点 对制作“循迹小车”的思路学习，以及最后成品制作
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 导入：师：同学们玩过“循迹小车”吗？说说小车是怎么移动的，它的驱动力来自什么？ 学生思考并回答问题 由问题引出今天的学习内容
讲授新课 学习任务设计制作一个简易的循迹小车，可以由起点沿着指定路线精确地运动到目标地点。任务分析为了能够让小车精确地由起点运动到指定的目标地点，简单的做法是在起点和目标地点之间的地面上画一条黑线，让小车沿着黑线前进。因此，本任务要解决的第一个关键问题是控制小车运动，第二个关键问题是如何检测黑线，确保小车沿线移动。我们可以制作一个简单的小车底盘，然后利用马达驱动模块来控制小车的运动；而循迹可以利用套件中的循迹传感器来实现，确保小车沿黑线前进，中途不能离开黑线。拓展延伸 马达驱动器是一种用于控制电动机的电子设备。它的主要作用是将电源电压转换为电动机所需的电流和电压，并控制电动机的转速和方向。马达驱动器的原理是将直流电源电压转换为交流电压，然后通过控制交流电压的频率和幅值来控制电动机的转速和方向。小车在运动中可能遇到的几种情况：直线行驶、向左转向、向右转向和停止前进。循迹传感器通过感应下方是否有反光来检测地面上的黑线及白色区域。这是利用黑色具有较强的吸光能力的原理，即当看迹模块发射的红外线照射到黑线时，红外线将会被黑线吸收。简单来说就是，白色区域有反光而黑色区域无反光。 搭建小车底盘时，有条件的同学也可以使用3D打印机或激光切割机按自己设计的图纸进行加工。注意尽可能减少小车底盘自身的重量。操作指南一、器材准备（1）自己动手制作好小车底盘。（2）准备好控制板、扩展板、马达及其驱动模块、循迹传感器、电源、轮子等，如图所示。(不能直接从Arduino板引脚连接驱动电机，因为这样很可能会造成控制板损坏，所以我们使用马达驱动模块)二、利用仿真环境编写控制程序1.在仿真环境中选定元器件启动Linkboy软件，进入“专家模式”，选定需使用的元器件，如图所示。2.元器件连线按程序提示，把元器件引脚连接到可接的端口，如图所示。3.编写控制程序（1）单击控制器仿真图，在提示窗口中选择“反复执行”命令，添加“反复执行”程序模块，如图所示。（2）设置马达转速。通过前面的分析我们知道，小车的运动会有四种可能，如表所示。根据这四种不同的情况，对左、右两个马达进行相应转速的调整，使小车能够按照指定的线路前进。控制程序的说明：为了实现小车沿黑线行驶，并且保持中途不离开黑线，采用两个循迹传感器，面向地面分别布置在小车底部的左、右两侧。两个传感器之间的距离应大于黑线的宽度，确保在小车行驶过程中，两个传感器分别在黑线的左、右两侧。当左、右两个循迹传感器下方都没有黑线时，小车沿直线行驶；若左侧循迹传感器下方出现黑线右侧循迹传感器下方没有黑线时，需要向左转向，左侧电机反向旋转，右侧电机保持正向旋转；向右转向时，右侧电机反向旋转，左侧电机保持正向旋转；如果左、右两个循迹传感器下方同时出现黑线，车停行驶。为保持小车一直沿黑线驶，控制器一遍一遍反复进行循迹工作，所以在控制器“反复执行”事件中添加运动程序代码，如图所示。4.仿真运行，调试程序运行编写好的程序代码，如图所示，观察马达运转情况。如果不能满足需求，则修改程序直至满足需求。三、元器件的物理连接及底盘搭建1.元器件物理连接按照仿真环境的设计动手搭建小车的外观，并将各个物理元器件通过杜邦线实际连接起来，如图所示。小车想要自由运动、完成各种任务，就必须有相当于躯干的执行机构部件。执行机构设计和搭建的基本要求是稳定、牢固，这样才能保证小车能够安全、定地运行。小车的二层支撑板、传感器支架、舵机支架是需要我们使用3D打印机或者激光切割机加工的，这些部件加工完毕后可开始组装搭建。2.底盘搭建参考轮式底盘最常见、最简单的搭建方法是，采用1个万向轮和2个主动轮来驱动小车前后移动和转向。大家也可以根据自己设计的实际情况选择其他方式搭建底盘。（1）底盘是保证小车移动和承载其他执行机构的基本部件。在底盘左、右两侧按要求安装循迹传感器和主动轮。（2）将4支M3*12双通头铜柱(孔径为3毫米、长为12毫米的铜柱）安装到万向轮上，如图所示。（3）利用铜柱的另一端和4颗M3螺丝将万向轮固定到底盘上，如图所示。（4）将马达支架插入底盘对应的长方形孔位，如图所示。将马达置于支架中间，使用2颗M3*30螺丝(孔径为3毫米、长为30毫米的螺丝）进行固定，如图所示。另一侧马达也按同样方法安装固定。（5）安装控制板和驱动模块为了给控制板留下足够的安装空间，需要安装一块二层支撑板。（6）为了方便安装和拆除，电源借助魔术贴固定在底盘上。(在测试小车移动情况时将电源接口接通，不测试时将电源接口断开)四、下载控制程序到Arduino控制板并测试（1）小车搭建完成并确认按图示正确连接后，通过USB接口连接控制板和计算机，下载程序到控制板中。（2）把装配并调试好的小车放置在指定的线路上，测试小车的循迹能力，并调试、修改控制程序，直到满足任务要求。任务小结通过完成本节循迹小车的任务，我们拥有了一台属于，自己的机器人，初步了解和体验了一个简单的机器人设计和制作的方法。机器人设计和制作是一个综合多方面知识和用到多种软、硬件的复杂项目。在制作和调试机器人时，需要关注每一个部分的技术细节，任何一个零件或任何一行代码都会影响机器人的正常工作。 本循迹小车范例中使用了二层支撑板。对于这个部分，或者说小车外观，可以多进行生活观察，按照自己的需求或创意来设计和制作。支撑板可以手工制作，也可以用3 D打印机或激光切割机完成。我们再次学习一下使用马达制作“循迹小车”的过程和方法。知识链接1.直流马达的工作方式直流马达是机器人结构设计中经常用到的一种执行结构部件。马达内部由线圈、转子、电刷、永磁铁、齿轮箱组成。线圈在通电时产生磁场，与水磁铁相互作用而带动马达转动。直流马达有两个电极，无正、负之分。你可以将电源的正、负极任意地接在马达两极上，接法不同，马达转向不同。拓展延伸马达的类别：1.液压马达2.高速马达3.叶片马达4.径向柱塞马达5.轴向柱塞马达6.低速液压马达7.摆线马达8.活塞式气动马达2.马达要连接到马达驱动模块，不能直接连接控制板输入/输出接口Arduino UNO控制板的数字输入/输出管脚本身具备控制外部电路的功能，如果是低功耗设备可以直接连接到Arduino UNO的数字输入/输出管脚进行控制，但是机器人所用的马达都是高功耗设备，必须让Arduino UNO配合一定的驱动电路才能对其进行控制，所以马达需连接在马达驱动模块上。3.3D打印的原理3D打印(3DP)是快速成型技术的一种，它是依据计算机设计的三维数字模型文件，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，将复杂的三维实体模型分解成设定厚度的一系列片层，从而变为简单的二维图形，通过逐层打印加工，以层叠增长方式来构造物体的技术。4.3D设计软件3D设计是数字化、虚拟化、智能化设计平台的应用基础，它是建立在平面（二维）设计的基础上，使设计目标更立体化、形象化的一种新设计方法。在我们制作的项目中，如果需要一个外壳封装电子设备，我们只要通过3D设计软件(如3D One，如图所示)绘制，就可以通过3D打印机制作出这个外壳。5.激光切割激光具有高亮度、高单色性、高相干性以及方向性好的特点。激光切割一般指激光经过聚焦后照射到材料上，使材料温度急速升高达到熔化或汽化状态，随着激光与被切割材料的相对移动,在被切割材料上形成想要的切缝，从而达到切割的目的。 作业布置请同学们根据本节课的学习内容。自己动手制作一个“循迹小车”，要求加入自己的创新想法和设计，下节课在班级上展示并说说你的想法。 学生初步了解今天的学习内容学生了解马达驱动器的含义学生了解制作的材料和工具学生掌握制作“循迹小车”的步骤和方法学生使用元器件进行实操搭建小车学生掌握“任务小结”的学习内容，对本节课的学习进行一个概括学生了解马达的类别学生掌握“知识链接”的学习内容学生完成课后作业 引出今天的学习课题拓展延伸学生知识铺垫接下来的实践环节将制作小车的各个环节进行细分细化，简易学习内容提高学生的动手实践能力增加学生知识技能拓展延伸学生知识增加学生知识技能巩固所学知识
课堂练习 同学们说说生活中有哪些设备或者机器是使用了3D技术？ 学生完成课堂练习 巩固所学知识
课堂小结 学生总结本节课的学习内容 总结概括本节课的学习内容
板书 “循迹小车”制作的方法和步骤马达的类别3D技术学习
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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《循迹小车——马达与传感器应用》
河北大学版 初中版第二册
内容总览
教学目标
01
学习任务
02
任务分析
03
操作指南
04
任务小结
05
知识链接
06
目录
08
07
课堂练习
课堂总结
09
板书设计
10
课后作业
教学目标
1.信息意识：建立将使用马达制作“循迹小车”的方法应用到学习中的意识；
2.计算思维：培养使用数学方法解决小车沿着轨迹左右运动的思维方式；
3.数字化学习与创新：认识数字化学习环境的优势和局限，创新学习方法和思路；
4.信息社会责任：在信息社会学习中，不做损害他人道德的事情。
新知导入
同学们玩过“循迹小车”吗？说说小车是怎么移动的，它的驱动力来自于什么？
新知讲解
学习任务
设计制作一个简易的循迹小车，可以由起点沿着指定路线精确地运动到目标地点。
新知讲解
任务分析
为了能够让小车精确地由起点运动到指定的目标地点，简单的做法是在起点和目标地点之间的地面上画一条黑线，让小车沿着黑线前进。
新知讲解
因此，本任务要解决的第一个关键问题是控制小车运动，第二个关键问题是如何检测黑线，确保小车沿线移动。
我们可以制作一个简单的小车底盘，然后利用马达驱动模块来控制小车的运动；而循迹可以利用套件中的循迹传感器来实现，确保小车沿黑线前进，中途不能离开黑线。
新知讲解
马达驱动器是一种用于控制电动机的电子设备。它的主要作用是将电源电压转换为电动机所需的电流和电压，并控制电动机的转速和方向。马达驱动器的原理是将直流电源电压转换为交流电压，然后通过控制交流电压的频率和幅值来控制电动机的转速和方向。
拓展延伸
新知讲解
小车在运动中可能遇到的几种情况：直线行驶、向左转向、向右转向和停止前进。循迹传感器通过感应下方是否有反光来检测地面上的黑线及白色区域。这是利用黑色具有较强的吸光能力的原理，即当看迹模块发射的红外线照射到黑线时，红外线将会被黑线吸收。简单来说就是，白色区域有反光而黑色区域无反光。
搭建小车底盘时，有条件的同学也可以使用3D打印机或激光切割机按自己设计的图纸进行加工。注意尽可能减少小车底盘自身的重量。
新知讲解
操作指南
一、器材准备
（1）自己动手制作好小车底盘。
（2）准备好控制板、扩展板、马达及其驱动模块、循迹传感器、电源、轮子等，如图所示。(不能直接从Arduino板引脚连接驱动电机，因为这样很可能会造成控制板损坏，所以我们使用马达驱动模块)
新知讲解
二、利用仿真环境编写控制程序
1.在仿真环境中选定元器件启动Linkboy软件，进入“专家模式”，选定需使用的元器件，如图所示。
新知讲解
2.元器件连线
按程序提示，把元器件引脚连接到可接的端口，如图所示。
新知讲解
3.编写控制程序
（1）单击控制器仿真图，在提示窗口中选择“反复执行”命令，添加“反复执行”程序模块，如图所示。
新知讲解
（2）设置马达转速。
通过前面的分析我们知道，小车的运动会有四种可能，如表所示。根据这四种不同的情况，对左、右两个马达进行相应转速的调整，使小车能够按照指定的线路前进。
新知讲解
直线
左转
右转
停止
新知讲解
控制程序的说明：
为了实现小车沿黑线行驶，并且保持中途不离开黑线，采用两个循迹传感器，面向地面分别布置在小车底部的左、右两侧。两个传感器之间的距离应大于黑线的宽度，确保在小车行驶过程中，两个传感器分别在黑线的左、右两侧。当左、右两个循迹传感器下方都没有黑线时，小车沿直线行驶；
新知讲解
若左侧循迹传感器下方出现黑线右侧循迹传感器下方没有黑线时，需要向左转向，左侧电机反向旋转，右侧电机保持正向旋转；向右转向时，右侧电机反向旋转，左侧电机保持正向旋转；如果左、右两个循迹传感器下方同时出现黑线，车停行驶。为保持小车一直沿黑线驶，控制器一遍一遍反复进行循迹工作，所以在控制器“反复执行”事件中添加运动程序代码，如图所示。
新知讲解
4.仿真运行，调试程序
运行编写好的程序代码，如图所示，观察马达运转情况。如果不能满足需求，则修改程序直至满足需求。
新知讲解
三、元器件的物理连接及底盘搭建
1.元器件物理连接
按照仿真环境的设计动手搭建小车的外观，并将各个物理元器件通过杜邦线实际连接起来，如图所示。
新知讲解
小车想要自由运动、完成各种任务，就必须有相当于躯干的执行机构部件。执行机构设计和搭建的基本要求是稳定、牢固，这样才能保证小车能够安全、定地运行。小车的二层支撑板、传感器支架、舵机支架是需要我们使用3D打印机或者激光切割机加工的，这些部件加工完毕后可开始组装搭建。
新知讲解
2.底盘搭建参考
轮式底盘最常见、最简单的搭建方法是，采用1个万向轮和2个主动轮来驱动小车前后移动和转向。大家也可以根据自己设计的实际情况选择其他方式搭建底盘。
（1）底盘是保证小车移动和承载其他执行机构的基本部件。在底盘左、右两侧按要求安装循迹传感器和主动轮。
新知讲解
（2）将4支M3*12双通头铜柱(孔径为3毫米、长为12毫米的铜柱）安装到万向轮上，如图所示。
（3）利用铜柱的另一端和4颗M3螺丝将万向轮固定到底盘上，如图所示。
新知讲解
（4）将马达支架插入底盘对应的长方形孔位，如图所示。将马达置于支架中间，使用2颗M3*30螺丝(孔径为3毫米、长为30毫米的螺丝）进行固定，如图所示。另一侧马达也按同样方法安装固定。
新知讲解
（5）安装控制板和驱动模块
为了给控制板留下足够的安装空间，需要安装一块二层支撑板。
（6）为了方便安装和拆除，电源借助魔术贴固定在底盘上。(在测试小车移动情况时将电源接口接通，不测试时将电源接口断开)
新知讲解
四、下载控制程序到Arduino控制板并测试
（1）小车搭建完成并确认按图示正确连接后，通过USB接口连接控制板和计算机，下载程序到控制板中。
（2）把装配并调试好的小车放置在指定的线路上，测试小车的循迹能力，并调试、修改控制程序，直到满足任务要求。
新知讲解
任务小结
通过完成本节循迹小车的任务，我们拥有了一台属于自已的机器人，初步了解和体验了一个简单的机器人设计和制作的方法。
机器人设计和制作是一个综合多方面知识和用到多种软、硬件的复杂项目。在制作和调试机器人时，需要关注每一个部分的技术细节，任何一个零件或任何一行代码都会影响机器人的正常工作。
本循迹小车范例中使用了二层支撑板。对于这个部分，或者说小车外观，可以多进行生活观察，按照自己的需求或创意来设计和制作。支撑板可以手工制作，也可以用3 D打印机或激光切割机完成。
新知讲解
我们再次学习一下使用马达制作“循迹小车”的过程和方法。
新知讲解
知识链接
1.直流马达的工作方式
直流马达是机器人结构设计中经常用到的一种执行结构部件。马达内部由线圈、转子、电刷、永磁铁、齿轮箱组成。线圈在通电时产生磁场，与水磁铁相互作用而带动马达转动。直流马达有两个电极，无正、负之分。你可以将电源的正、负极任意地接在马达两极上，接法不同，马达转向不同。
新知讲解
拓展延伸
马达的类别：
1.液压马达
2.高速马达
3.叶片马达
4.径向柱塞马达
5.轴向柱塞马达
6.低速液压马达
7.摆线马达
8.活塞式气动马达
新知讲解
2.马达要连接到马达驱动模块，不能直接连接控制板输入/输出接口
Arduino UNO控制板的数字输入/输出管脚本身具备控制外部电路的功能，如果是低功耗设备可以直接连接到Arduino UNO的数字输入/输出管脚进行控制，但是机器人所用的马达都是高功耗设备，必须让Arduino UNO配合一定的驱动电路才能对其进行控制，所以马达需连接在马达驱动模块上。
新知讲解
3.3D打印的原理
3D打印(3DP)是快速成型技术的一种，它是依据计算机设计的三维数字模型文件，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，将复杂的三维实体模型分解成设定厚度的一系列片层，从而变为简单的二维图形，通过逐层打印加工，以层叠增长方式来构造物体的技术。
新知讲解
4.3D设计软件
3D设计是数字化、虚拟化、智能化设计平台的应用基础，它是建立在平面（二维）设计的基础上，使设计目标更立体化、形象化的一种新设计方法。在我们制作的项目中，如果需要一个外壳封装电子设备，我们只要通过3D设计软件(如3D One，如图所示)绘制，就可以通过3D打印机制作出这个外壳。
新知讲解
5.激光切割
激光具有高亮度、高单色性、高相干性以及方向性好的特点。激光切割一般指激光经过聚焦后照射到材料上，使材料温度急速升高达到熔化或汽化状态，随着激光与被切割材料的相对移动,在被切割材料上形成想要的切缝，从而达到切割的目的。
课堂练习
同学们说说生活中有哪些设备或者机器是使用了3D技术？
课堂总结
1.认识了各种类的马达；
2.马达与传感器的结合制作“循迹小车”的方法和步骤；
3.了解3D技术及其应用。
板书设计
“循迹小车”制作的方法和步骤
马达的类别
3D技术学习
作业布置
请同学们根据本节课的学习内容。自己动手制作一个“循迹小车”，要求加入自己的创新想法和设计，下节课在班级上展示并说说你的想法。
谢谢
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