资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修2
机器人设计与制作
第四章　机器人感知与传感器
第 一 节 机器人的感知
教学设计
教学背景
党的二十大明确指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势”。
机器人是20世纪人类的伟大发明，今天，它不仅能够代替人类登陆火星和潜入几千米以下的深海，还可以不知疲倦地工作在各种生产线上，并服务于我们的日常生活。
关于机器人，我国科学家认为机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。国际标准化组织认为工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。
教学目标：
知识与技能目标:
1.理解机器人的基本感知功能。
2.掌握机器人感知外部环境信息的基本原理和方法。
教学内容分析:
机器人是一种能够按照预先设计程序而自动执行工作的机械装置。当前机器人已经大规模地走进工业生产、军事、政府管理、商业应用等领域，它们可以帮助或代替人类完成不同的工作，在各个方面影响着人类的生活。通过本章的学习，让我们来初步了解和认识机器人吧。
机器人要准确地模拟人的动作，不但需要类似于人的大脑，还需要各种感觉和灵活的肢体。在机器人中，它的感觉器官由各种传感器来实现，大脑由控制器实现，肢体则由电机及机械装置等组成。让我们通过学习机器人的感知和机器人的传感器，经历设计和制作机器人的过程，领略一下机器人感知设计与制作的无穷魅力。
学情分析:
生活在科技迅猛发展的21世纪，同学们有必要了解一些机器人的知识，因为未来的机器人将对我们的生活和工作产生巨大的影响。
　　自己动手制作机器人是让同学们了解机器人的最好手段。同学们一起进入机器人设计与制作的精彩世界吧。
教学重难点:
理解机器人的基本感知功能。
掌握机器人感知外部环境信息的基本原理和方法。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中发展学生核心素养、培养实践能力、提升创新意识、开阔认知视野；将自主学习、合作学习、探究学习等多种学习方式渗透进学生的学习和教师的教学当中；不断尝试现代教育技术和方法的运用。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景倒入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修2第四章机器人感知与传感器第 一 节 机器人的感知。
情景
图4-1（参见教材P50）是比赛中的足球机器人，它一会断球，一会盘带，一会射门，还能绕过其他机器人。
一、机器感知与传感器
思考
足球机器人是靠什么判断球、球门、己方及对方机器人的位置的？
我们知道，人类借助感觉器官，从外界获得信息并做出反应，经历感觉→大脑思考→做出反应的过程。机器感知的信息处理过程亦如此，它具有类似人类五官的感知功能，并将外界信息转换成电信号，以便配合系统的其他部分共同完成控制任务，像生物一样根据环境的变化做出相应的反应和动作。机器感知与人的信息感知对比如图4-2（参见教材P50）所示。
机器人的感知依靠传感器。传感器（Sensor）是一种能把感受到的被测量信息按一定规律转换成其他形式可用信号的检测器件或装置。安装了各种传感器的机器人，能将外界信息转换成电信号，并传送给控制器进行处理，能对外界环境的变化做出反应，组成一个完整的闭环控制系统（图4-3）（参见教材P51）。
立即行动
上网收集与人的感觉器官对应的机器人的传感器，完成表4-1。
表4-1 五官感觉与传感器
人 的 感 觉 传 感 器
视觉（眼）
听觉（耳）
嗅觉（鼻）
触觉（皮肤）
思考
如果要制作一台可自由行走的机器人，需要哪些传感器？
二、感知原理与方法
思考
从表4-1中，我们找到了一些与人的感觉器官对应的传感器，这些传感器是通过什么物理或化学量的变化而实现感知的？
传感器是通过敏感材料获取外界信息，并将其转换为电信号，以方便传输及单片机处理、存储和输出。敏感材料的种类很多，它们是根据不同的物理、化学、生物原理制造出来的。
案例
图4-4（参见教材P52）为光敏电阻的结构图，它由光导电材料硫化镉（CdS）和电极两部分组成，其顶部有一个光感应窗，光照射到光感应窗时，电阻值就减小。光照越强，电阻值越小。光敏电阻的这种特性使它适用于探测光照强度的变化。
实践
学会用万用表检测光敏电阻，并体悟光敏电阻的特性，完成表4-2。
表4-2 不同光照条件下光敏电阻的阻值
光 照 情 况 阻 值/Ω
用黑色胶布遮盖光敏电阻的光感应面
光敏电阻的光感应面在自然光下
用太阳光直接照射光敏电阻
结论
光照越强，光敏电阻的阻值越＿＿＿＿＿＿ ；光照越弱，光敏电阻的阻值越＿＿＿＿＿＿。
方法指导
（1）准备光敏电阻1个、万用表1个。
（2）按图4-5（参见教材P52）测量3种不同的光照条件下光敏电阻的阻值。
如果我们用心观察，可以发现在日常生活中，传感器被广泛应用。
案例
热释电传感器（图4-6）（参见教材P53）的敏感材料是一种能探测各种波长辐射的广谱材料。为了使传感器对人体的红外辐射更敏感，又使其对太阳、电灯光等有抗干扰性，它采用滤光片作窗口，用以检测人体发出的波长为10μｍ的红外线。当人走近时，传感器就能检测到。如图4-7（参见教材P53）所示的自动开关水龙头就是应用了这种传感器。
交流
举出你在日常生活中观察到的一些传感器的应用，并设法了解它的传感原理和方法。
知识窗
传感器与仿生学
人们对周围环境的感觉，是因为人体有各种相应的感觉器官。但是，人类不可能对所有的自然现象都很敏感，相反，某些动物却在这方面具有奇特的本领。例如，猫能在夜间捕捉老鼠，蝙蝠虽然视力很差，却能在夜晚自由飞行……
人们通过对动物的某些功能的研究，对自然界的认识逐渐深入，并模仿生物的本领为人类服务，于是出现了仿生学。仿生学主要研究生物的各种优异特性。例如，在漆黑的夜晚，响尾蛇能迅速而准确地捕食猎物，是因为在它的头部有一对探测红外线的热敏器官，可以辨别出小于百分之一摄氏度的温度变化并能准确地定向。人类借鉴响尾蛇的这一功能研制出了红外线探测器并用来跟踪导弹。
板书设计
第 一 节 机器人的感知
一、机器感知与传感器
二、感知原理与方法
教学反思
通用技术
选择性必修2
电子控制技术
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：李 榕
本册副主编：郑永驹 钟清华
编 写 人 编：
张百睿 李 榕 郑永驹 钟清华　周 嘉 龚泽祥 胡智豪
广东教育出版社
广东科技出版社

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