韓蕾 鐘柏昌 張祿

筆者嘗試將《障礙停車挑戰(zhàn)賽》一課的知識(shí)點(diǎn)以比賽的形式應(yīng)用到具體的機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐過程中，設(shè)計(jì)符合課堂教學(xué)情境的比賽形式，將為學(xué)生帶來不一樣的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在教學(xué)時(shí)，筆者將程序的迭代過程寓于比賽的測(cè)試階段，并在比賽過程中給學(xué)生提供扮演不同角色的機(jī)會(huì)，以此來進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐以便提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與解決問題的能力。

方案設(shè)計(jì)

1.教材與學(xué)生情況分析

本節(jié)課內(nèi)容選自冀教版機(jī)器人教材八年級(jí)下冊(cè)第十四課《障礙停車挑戰(zhàn)賽》，主要達(dá)成的任務(wù)目標(biāo)是小車在規(guī)定的時(shí)間和距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車。在本節(jié)課之前，學(xué)生已學(xué)習(xí)了“超聲波傳感器的功能及使用方法”與“MiniQ小車運(yùn)動(dòng)控制”的相關(guān)內(nèi)容，并且完成了小車循線挑戰(zhàn)的比賽，為本節(jié)課的教學(xué)奠定了理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。本節(jié)課的教學(xué)對(duì)象為八年級(jí)的學(xué)生，經(jīng)過之前的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)習(xí)得了小車運(yùn)動(dòng)方向、速度等基本控制方法，具備了一定的機(jī)器人測(cè)試與調(diào)試的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，在實(shí)踐過程中已逐漸形成了不斷改進(jìn)機(jī)器人功能的迭代思想。

2.教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：進(jìn)一步熟悉超聲波傳感器的使用；掌握“上電運(yùn)行時(shí)間”模塊在ArduBlock中的使用方法；能夠使用超聲波傳感器制作避障小車。

過程與方法目標(biāo)：了解障礙停車挑戰(zhàn)賽的一般過程，了解各個(gè)角色在比賽中的職責(zé)和作用；在完成障礙停車挑戰(zhàn)賽的過程中體驗(yàn)機(jī)器人的測(cè)試與調(diào)試，將迭代思想遷移到實(shí)際問題的解決過程中。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：以比賽的形式，激發(fā)學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣并主動(dòng)投入到學(xué)習(xí)過程中。

3.可選方案的設(shè)計(jì)與選擇

本次比賽要求學(xué)生制作的避障小車能夠在10秒內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)線，并實(shí)現(xiàn)小車與終點(diǎn)線之間距離的最小化（不能超越終點(diǎn)線），難點(diǎn)在于控制小車的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和小車與障礙物之間的距離。對(duì)比賽任務(wù)進(jìn)行分析后，筆者就“計(jì)時(shí)”和“測(cè)距”兩方面設(shè)計(jì)了如上頁表1所示的幾種方案。

對(duì)比表1中“計(jì)時(shí)”的三種方案，方案一無需考慮編程因素，但需耗費(fèi)人力，且計(jì)時(shí)不夠自動(dòng)與精確，方案二只需要使用“上電運(yùn)行時(shí)間”模塊，而方案三則涉及多個(gè)變量的使用。比較而言方案二更簡(jiǎn)潔，而方案三可以更加精確地獲取程序某一階段運(yùn)行的時(shí)間而不是程序運(yùn)行的總時(shí)間。由于本課實(shí)例要求程序的運(yùn)行時(shí)間與小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等，故筆者選擇方案二。在“測(cè)距”的兩種方案中，方案四與方案五均能實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能，但紅外線傳感器的成本遠(yuǎn)高于超聲波傳感器，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，筆者選擇了方案四。

硬件搭建

障礙停車挑戰(zhàn)賽需用到的硬件器材主要包括Romeo控制器、MiniQ小車、超聲波傳感器。

1.Romeo控制器

本次課采用的主控板是由DFRobot出品的Arduino Romeo V1.3，該控制器采用最基礎(chǔ)且應(yīng)用最廣的UNO板卡。

2.HC-SR04超聲波傳感器

該傳感器運(yùn)用聲納原理，通過監(jiān)測(cè)發(fā)射一連串調(diào)制后的超聲波及其回波的時(shí)間差來得知傳感器與目標(biāo)物體間的距離值。它的性能比較穩(wěn)定，測(cè)試距離精確，盲區(qū)為2cm，最大探測(cè)距離為450cm。它有4根針腳，分別是VCC、GND、Echo和Trig，其中Trig是超聲波發(fā)射端，Echo是超聲波接收端。

3.硬件搭建

學(xué)生分別將超聲波傳感器、MiniQ上的電機(jī)與Romeo控制器相連接，其中超聲波傳感器的Trig和Echo分別與Romeo連接數(shù)字針腳，如圖1所示。圖中Trig和Echo分別連接的數(shù)字針腳為9和8。

程序編寫

學(xué)生將硬件搭建好后，便可進(jìn)行程序的編寫，本節(jié)課所采用的編程環(huán)境為圖形化編程軟件ArduBlock。

本課的程序設(shè)計(jì)包含兩部分：一是小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間的控制，二是小車與障礙物之間距離的控制。利用 模塊獲取程序運(yùn)行時(shí)間即小車運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，比賽規(guī)則中要求小車在10秒內(nèi)完成比賽，因此當(dāng)小車的運(yùn)動(dòng)時(shí)間小于10秒時(shí)小車運(yùn)動(dòng)，否則小車停止。筆者利用超聲波傳感器測(cè)量小車與障礙物之間的距離，終點(diǎn)線距離障礙物只有10cm，因此當(dāng)小車與障礙物的距離大于10cm時(shí)小車運(yùn)動(dòng)，否則小車停止。本課中時(shí)間與距離控制均用到了選擇結(jié)構(gòu)，因此為了使時(shí)間控制與距離控制同步進(jìn)行，筆者讓學(xué)生在編程的過程中運(yùn)用了選擇結(jié)構(gòu)的嵌套，如上頁圖2所示。

拓展應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)小車避障功能有很多種方法，本課采用小車遇到障礙物時(shí)停止運(yùn)動(dòng)避免碰撞的方法，也能用其他方法進(jìn)行拓展應(yīng)用。例如，當(dāng)小車距離障礙物一定范圍向左轉(zhuǎn)彎或向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，需要運(yùn)用雙輪差速原理來控制小車運(yùn)動(dòng)的方向，并且在小車轉(zhuǎn)彎的過程中繼續(xù)進(jìn)行小車與障礙物之間距離的探測(cè)，若距離仍在可能發(fā)生碰撞的范圍內(nèi)時(shí)小車需繼續(xù)調(diào)整行駛的方向。比較本課案例的程序設(shè)計(jì)思路，拓展應(yīng)用中的程序設(shè)計(jì)涉及的編程知識(shí)更豐富，而且小車的避障功能更加智能。

教學(xué)實(shí)踐

在本課的實(shí)際教學(xué)過程中，筆者是通過以下四個(gè)環(huán)節(jié)來完成的。

1.引入主題，了解賽制

在本課開始時(shí)，筆者先引入“避障小車”這一主題，介紹何為“避障小車”，讓學(xué)生對(duì)避障小車的運(yùn)動(dòng)方式及工作原理有所了解。

比賽時(shí)，把距離障礙物2m處的線作為起始線，距離障礙物10cm處的線作為終點(diǎn)線。小車從起始線開始行駛，到終點(diǎn)線停止，行駛時(shí)間不得超過10秒鐘。小車停止位置離終點(diǎn)線最近者為勝，小車越過終點(diǎn)線則成績(jī)作廢，比賽場(chǎng)地如圖3所示。

筆者將學(xué)生每?jī)扇朔譃橐唤M，共分為16個(gè)小組進(jìn)行比賽，比賽分初賽和復(fù)賽兩輪進(jìn)行。初賽時(shí)以抽簽的形式將每四個(gè)小組組成一大組，并分為A、B、C、D四組進(jìn)行比賽，每大組中的優(yōu)勝組將參加復(fù)賽。若小車超過終點(diǎn)線或者在規(guī)定時(shí)間內(nèi)電機(jī)沒有停止則成績(jī)作廢，每組中成績(jī)的距離值最小者為優(yōu)勝隊(duì)伍，若距離值相等，則使用時(shí)間最短者勝出（即最先到達(dá)終點(diǎn)位置的組），比賽用表如表2所示。

2.梳理思路，合作探究

學(xué)生完成項(xiàng)目需要解決以下三個(gè)問題：一是小車須在10秒內(nèi)停止運(yùn)動(dòng)；二是小車停止運(yùn)動(dòng)時(shí)距離障礙物的距離大于等于10cm；三是小車的時(shí)間控制與距離控制同步執(zhí)行。在本環(huán)節(jié)中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生整理解決這三個(gè)問題的思路，并與組員配合完成避障小車程序的編寫。

首先，教師提出問題：在比賽中如何控制小車運(yùn)動(dòng)的時(shí)間？學(xué)生回答。教師歸納學(xué)生提供的方法，分析其可行性，并結(jié)合學(xué)生的回答給出以下三種計(jì)時(shí)方式：第一種，利用計(jì)時(shí)工具計(jì)時(shí)，淘汰運(yùn)動(dòng)時(shí)間超時(shí)的隊(duì)伍；第二種，利用ArduBlock中的“上電運(yùn)行時(shí)間”控制程序的運(yùn)行時(shí)間，即控制小車的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；第三種，獲取小車開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與小車運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)時(shí)間，利用時(shí)間差來控制小車的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。教師要求學(xué)生對(duì)這三種方法進(jìn)行分析，選擇可執(zhí)行度最高的方法并說出理由。教師總結(jié)：第一種計(jì)時(shí)方式誤差最大且消耗人力，第二種方式計(jì)時(shí)較精確且自動(dòng)化，第三種方式計(jì)時(shí)精度最高但編程較復(fù)雜。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生確定選擇第二種計(jì)時(shí)方式，并介紹“上電運(yùn)行時(shí)間”模塊的應(yīng)用。

比賽時(shí)，小車距離終點(diǎn)線越近越好，即要控制好小車停止運(yùn)動(dòng)時(shí)與障礙物之間的距離。教師提出問題：如何實(shí)現(xiàn)小車與障礙物之間距離的控制？因?yàn)樵谥暗膶W(xué)習(xí)過程中學(xué)生已經(jīng)對(duì)超聲波傳感器的應(yīng)用有所了解，在此學(xué)生很容易回答出“利用超聲波傳感器來測(cè)距”的答案。教師帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)超聲波傳感器的應(yīng)用方法及工作原理，并與紅外線傳感器對(duì)比，明確使用超聲波傳感器測(cè)距更具有優(yōu)勢(shì)。

教師提出問題：小車運(yùn)動(dòng)過程中既要執(zhí)行時(shí)間控制又要實(shí)現(xiàn)距離控制，如何使這二者同步執(zhí)行呢？

在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過選擇結(jié)構(gòu)的使用，此時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生思考并引出利用選擇結(jié)構(gòu)的嵌套來實(shí)現(xiàn)小車時(shí)間控制與距離控制的同步執(zhí)行。小組成員合作完成避障小車程序的編寫，在學(xué)生編寫程序的過程中教師予以適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。

3.測(cè)試作品，完成比賽

學(xué)生在完成編寫避障小車程序的基礎(chǔ)上，測(cè)試小車的運(yùn)行情況，因?yàn)槊颗_(tái)小車的性能各不相同而且由于慣性的原因小車會(huì)在程序終止后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段距離。所以，此時(shí)教師應(yīng)提醒學(xué)生根據(jù)小車的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)避障小車程序進(jìn)行修改，在經(jīng)過不斷的調(diào)試之后找到合適的參數(shù)，以使避障小車的運(yùn)動(dòng)效果達(dá)到最佳，也就是既快又穩(wěn)地到達(dá)終點(diǎn)線。教師在調(diào)試過程中應(yīng)聯(lián)系實(shí)際生活，教會(huì)學(xué)生在遇到問題時(shí)應(yīng)嘗試選擇最佳方案，并在執(zhí)行的過程中不斷完善，使學(xué)生體會(huì)迭代思想的價(jià)值，深化其對(duì)迭代思想的認(rèn)知。

根據(jù)比賽流程進(jìn)行比賽，每一大組中各選取一位評(píng)分員與記分員，評(píng)分員的職責(zé)為測(cè)量小車距終點(diǎn)線的距離，記分員的職責(zé)為記錄各組的成績(jī)。初賽時(shí)，若其中一組進(jìn)行比賽則由其他三組的評(píng)分員與記分員進(jìn)行分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)。復(fù)賽時(shí)，由被淘汰組的評(píng)分員與記分員來進(jìn)行分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)。

4.拓展應(yīng)用，課堂總結(jié)

基于本節(jié)課所執(zhí)行的項(xiàng)目，教師為學(xué)生提供了拓展思路，即避障小車實(shí)現(xiàn)避障功能可使用遇到障礙物停止運(yùn)動(dòng)的方式，也可用小車遇到障礙物更改運(yùn)動(dòng)方向的方式。教師引導(dǎo)學(xué)生借鑒該思路進(jìn)行本項(xiàng)目的拓展提升，鼓勵(lì)學(xué)生提出更好的想法并付諸實(shí)踐。

教師總結(jié)本節(jié)課中學(xué)生的表現(xiàn)，并對(duì)他們?cè)诓僮鬟^程中出現(xiàn)的共性問題予以講解，對(duì)表現(xiàn)較好的學(xué)生給予表揚(yáng)。

教學(xué)反思

在課堂教學(xué)中，教師引入比賽的形式能更好地激發(fā)學(xué)生對(duì)Arduino機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣，從學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況來看，學(xué)生在比賽過程中能夠主動(dòng)對(duì)障礙小車編程進(jìn)行優(yōu)化，并在該過程中深化對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與認(rèn)知。評(píng)分員和記分員在比賽過程中均能很好地完成相應(yīng)的任務(wù)，并表現(xiàn)出了評(píng)委角色所應(yīng)具有的責(zé)任意識(shí)。

當(dāng)然，筆者教授本課時(shí)還有一些不足之處。首先，應(yīng)盡量對(duì)教室內(nèi)的可用空間進(jìn)行合理規(guī)劃，使每組的作品在參賽前都能進(jìn)行充分的測(cè)試與調(diào)試。其次，設(shè)置更多的“角色”以供學(xué)生進(jìn)行選擇，如比賽主持人、紀(jì)律監(jiān)督員等，從而使學(xué)生在比賽中能感受到較強(qiáng)的存在感與主體意識(shí)，并體會(huì)不同角色帶來的實(shí)踐感受。最后，可將本課的基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能部分作為學(xué)生的課前學(xué)習(xí)任務(wù)。教師應(yīng)嘗試使用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，在課上針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的問題進(jìn)行答疑解惑，從而提高教學(xué)效率，為程序測(cè)試、調(diào)試及比賽爭(zhēng)取更多的時(shí)間。

本文為國家社科基金教育學(xué)青年項(xiàng)目“多平臺(tái)、跨學(xué)科、聚類化、重創(chuàng)造的中小學(xué)機(jī)器人教育研究”（項(xiàng)目編號(hào)：CCA130133）研究成果。