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第4课《反馈助力机器人搭建》教学设计
课题 反馈助力机器人搭建 单元 第五单元 学科 信息科技 年级 六年级下
核心素养目标 信息意识：通过观察机器人行走的反馈信息，分析偏差变化规律，初步感知反馈对系统优化的作用，培养主动识别和利用反馈信息的敏感度。计算思维：运用模块化思想分解机器人功能，理解反馈环路中"目标值-偏差-调整"的逻辑关系，提升系统化解决问题的思维能力。数字化学习与创新：利用编程工具编写控制程序，通过传感器数据反馈测试机器人行走状态，培养数字化工具应用与迭代创新能力。信息社会责任：在机器人测试中遵守操作规范，理解正反馈可能引发的失控风险，树立技术服务于社会的责任感。
教学重点 1、设计机器人。2、编写机器人控制程序。3、测试机器人
教学难点 1、正确认识机器人控制程序。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 板书课题。1、活动背景参加行走竞赛的机器人只有行走得又快又稳，才能取得好成绩。利用系统的反馈知识，可以帮助我们测试和优化机器人。我想搭建一个机器人参加机器人比赛。反馈一定能帮助你，我们一起动手制作吧!2、观看教学视频《触觉反馈主从手系统》。 学习新知引入，观看教学视频。 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 一、新知讲解：活动：设计机器人1、搭建机器人，要先考虑好机器人的功能。根据功能设计，进一步思考机器人包含哪些主要硬件模块。请填写表5-4-1，完成机器人的设计。序号1主要功能：控制功能。硬件模块名称：主控板、遥控器。序号2主要功能：感知赛道功能。硬件模块名称：传感器。序号3主要功能：执行移动功能。硬件模块名称：马达、轮子/舵机。序号4主要功能：供电功能。硬件模块名称：电池、电源模块。核心结论反馈机制通过正负调节动态平衡系统稳定性，在机器人行走控制中形成闭环优化，借助传感器数据实时监测偏差并调整动作，培养系统思维、逻辑分析及技术伦理意识。拓展阅读能沿着道路行走的机器人有很多，有的使用视觉传感器“看”路行走，有的使用灰度传感器循线行走，有的使用超声波或红外避障传感器沿路行走。活动：编写机器人控制程序利用选定的模块完成硬件搭建后，就可以开始编写控制软件了。编写程序时，我们可以采用模块化思想，按照功能模块进行编写。尝试将算法的自然语言描述填入表 5-4-2。序号1软件模块功能：道路信息输入。算法的自然语言描述： (1)初始化传感器；(2)读取传感器数据。序号2软件模块功能：目标值设定。算法的自然语言描述： (1)计算机器人与道路边缘距离；(2)设定距离为目标值。序号3软件模块功能：偏差计算。算法的自然语言描述： (1)获取当前距离；(2)计算与目标值差值，判断方向。序号4软件模块功能：动作调整。算法的自然语言描述： (1)按偏差调整马达/转向；(2)循环调整至偏差趋零。活动：测试机器人在测试机器人时，机器人的稳固程度、行走速度、行走方向等都是重要的测试点。利用反馈的相关知识，设计测试方法，记录测试结果，并填入表5-4-3。序号1测试点：行走方向。测试方法：(1)沿直线行走能力的测试；(2)在拐角处转弯能力的测试。测试结果：记录轨迹。序号2测试点：行走速度.测试方法： (1)设定不同速度档位；(2)不平地面速度稳定性测试。测试结果：速度达标值。序号3测试点：转弯。测试方法： (1)90度/180度转向精准度；(2)连续急转弯响应测试。测试结果：转向角度。序号4测试点：反馈控制。测试方法： (1)模拟偏移后自动修正能力；(2)突发障碍物干扰纠偏测试。测试结果：纠偏耗时。在机器人搭建任务中，我们需要根据机器人系统的需求，设计机器人的功能和结构，然后完成硬件组装。接下来，按功能模块编写计算机程序控制机器人的行走。最后，利用反馈对机器人进行全面的测试，让机器人走得更快、更稳。机器人功能的实现需要反馈原理的帮助，其中目标值设定、偏差计算至关重要。二、课堂练习完成教材15—17页相关课堂练习题。三、拓展延伸1、工程学中的冗余设计——提升机器人可靠性。冗余设计是工程领域应对不确定性的重要策略，可增强机器人系统的容错能力。传感器冗余：多传感器融合：例如，机器人同时使用红外传感器和摄像头检测障碍物，避免单一传感器受环境干扰（如强光导致红外失效）。 数据交叉验证：当不同传感器数据冲突时，采用投票算法或加权平均法选择可信结果。 硬件冗余：双电机驱动：若一个电机故障，另一个仍可维持基本功能。备用电源：主电池耗尽时，备用电池保障紧急制动或求救信号发送。2、跨学科联系：物理与反馈——汽车巡航定速系统。汽车巡航定速系统能够自动保持设定的车速行驶，无需驾驶员持续踩油门。请分析这一系统与机器人沿赛道行走的反馈原理有何相似之处？结合具体例子说明反馈如何帮助系统稳定运行。相似性两者均通过传感器监测输出 （车速传感器监测实际车速/机器人传感器监测位置），将实时数据与预设目标 （设定车速/赛道标志线位置）对比，计算偏差（车速差/位置偏移）。反馈调节当实际车速低于设定值时，系统会增大油门；机器人检测到偏离赛道时，调整电机转速或转向角度，缩小偏差。稳定机制通过负反馈循环不断修正偏差，最终使系统输出稳定在目标值附近。思考延伸 如果汽车在爬坡时开启巡航定速，系统会如何调整？这对机器人爬坡设计有何启发？3、数学中的反馈控制——比例积分微分（PID）算法。机器人精准控制离不开数学模型的支撑，PID算法是经典控制理论的核心。比例控制（P） ：根据当前偏差大小直接调整输出（如机器人转向角度与位置偏差成正比）。公式：调整量 = Kp × 当前偏差（Kp为比例系数）。 积分控制（I） ：累计历史偏差，消除长期误差（如机器人持续微小偏离时逐步修正）。公式：调整量 = Ki × ∑历史偏差（Ki为积分系数）。 微分控制（D） ：预测偏差变化趋势，提前抑制震荡（如机器人快速转向时防止过冲）。公式：调整量 = Kd × 偏差变化率（Kd为微分系数）。4、生物仿生学与机器人设计——自然界的反馈智慧。生物体的反馈机制为机器人设计提供了灵感来源。人类行走的平衡反馈：内耳前庭系统：感知头部倾斜角度，通过小脑协调肌肉收缩，维持身体平衡。仿生移植：机器人搭载陀螺仪和加速度传感器，模拟前庭功能，实时调整重心。蝙蝠超声波避障：蝙蝠通过发射超声波并接收回声，判断障碍物距离和方位。机器人应用：无人机利用超声波或激光雷达实现自主避障，原理与蝙蝠回声定位一致。四、小结与评价1、单元拓展掌握了反馈原理，我们就能利用它解释生活中的场景。尝试分析人类保护野生动物的行为蕴含了什么反馈原理。 2、单元阅读（1）汽车行驶过程中的反馈 汽车行驶中的控制反馈系统通过多维度交互保障驾驶安全与舒适：方向盘传递转向状态与路面信息（如颠簸感、材质差异），同时提供合理阻尼确保方向稳定性；刹车踏板联动车身动态反馈减速过程，油门踏板精准响应动力输出；仪表盘实时显示车速、转速等关键参数。各系统协同工作，使驾驶员高效感知车辆状态并做出调整，提升行车安全性和操控体验。汽车在行驶过程中的控制反馈通过多个系统共同作用实现。(详细内容见教材p15页）（2）社交媒体算法中的反馈 社交媒体算法通过多维反馈机制实现精准内容推送：基于用户点赞、关注等行为构建兴趣标签，完善个人画像；分析社交网络中的互动频率及兴趣相似性，识别强关联用户群体；利用行为预测模型预判用户点击偏好，提前匹配相关内容；结合地理位置、年龄等数据实现广告精准投放。算法通过持续学习用户交互反馈，动态优化推荐策略，在提升用户粘性的同时创造商业价值，形成数据驱动的内容生态闭环,不断地学习和加以调整，为用户提供更满意的社交体验。（详细内容见教材p16页） 3、单元评价（1）完成教材27—28页相关单元练习。（2）学习评价请从反馈的原理、反馈的偏差计算、反馈的类型、反馈的作用及小组合作等方面，评价本单元的学习表现。 4、单元总结本单元我们利用反馈原理，搭建了机器人并编写机器人行走程序，帮助小智实现了参加学校机器人比赛的愿望。在学习过程中，我们了解了反馈通过环路实现，理解了反馈的原理和类型，认识到反馈原理对于机器人行走系统的重要性。我们不仅锻炼了实践能力，同时也建立了从反馈角度分析和解决问题的意识。 设计机器人并搭建。学习核心结论。完成机器人控制程序。完成测试机器人的体验和学习。完成课堂练习。进行课外知识拓展。 思考机器人包含哪些主要硬件模块，锻炼学生的学习能力和思考能力。进行内容总结性学习。培养学生思考能力和实际动手能力，提高学生的注意力和课堂参与度。引导学生思考，加深所学知识内容。在课堂练习中强化所学知识内容。拓宽学生知识面。
课堂小结 反馈助力机器人搭建1、进行新知引入2、设计机器人3、编写机器人控制程序4、测试机器人5、完成课堂练习6、进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 1、举例说明生活中的一个负反馈现象。 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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