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        空中機(jī)器人創(chuàng)意制造系列課程

        2021-11-01 23:58:02莊建東
        江蘇科技報·E教中國 2021年16期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計教學(xué)學(xué)生

        莊建東

        教學(xué)背景

        本課程適合小學(xué)拓展課開展活動時使用,適合的教學(xué)對象為四年級以上有一點(diǎn)動手能力的學(xué)生。使用Mind+圖形化編程軟件,以大疆RoboMaster TT教育無人機(jī)和DFRobot旗下出品的為搭配RoboMaster TT而開發(fā)的傳感器套件為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)設(shè)備。通過對空中機(jī)器人——TT教育無人機(jī)飛行原理和搭載的ESP32開源硬件的學(xué)習(xí),學(xué)生學(xué)會設(shè)計和制作自己的空中機(jī)器人。

        本節(jié)課是空中機(jī)器人創(chuàng)意制造系列課程的森林防火巡邏員項目制作。學(xué)生前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了無人機(jī)的連接和飛行操作,可以實現(xiàn)無人機(jī)的擴(kuò)展連接,通過項目式學(xué)習(xí)設(shè)計自己的機(jī)器人功能。

        教學(xué)目標(biāo)

        知識與技能 了解森林火災(zāi)知識,認(rèn)識火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

        過程與方法 通過查看資料,研究滅火方法。

        情感態(tài)度與價值觀 通過學(xué)習(xí)制作防火巡邏機(jī)器人,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力,同時提升學(xué)生的科技應(yīng)用能力,培育學(xué)生的科學(xué)精神和正義感。

        教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

        教學(xué)重點(diǎn) 了解火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

        教學(xué)難點(diǎn) 設(shè)計制作防火巡邏機(jī)器人。

        教學(xué)準(zhǔn)備

        教學(xué)環(huán)境 多媒體教室、電子白板。

        資源準(zhǔn)備 Mind+軟件、RoboMaster TT、火焰?zhèn)鞲衅?,搜集生活中有關(guān)防火巡邏機(jī)器人的例子(包括圖片、視頻等資料)。

        其他準(zhǔn)備 提前將學(xué)生分好小組,3~5人為一個小組,方便學(xué)生內(nèi)部進(jìn)行討論。

        教學(xué)策略 以項目式學(xué)習(xí)為主,引導(dǎo)學(xué)生完成項目任務(wù)。

        教學(xué)過程

        一、情景導(dǎo)入

        森林火災(zāi)每次都給人類帶來巨大的損失。從廣義上講,凡是失去人為控制,在林地內(nèi)自由蔓延和擴(kuò)散,對森林、森林生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來一定危害和損失的林火行為都稱為森林火災(zāi);從狹義上講,森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。

        師:中國每年有大量的火災(zāi)發(fā)生,特別是一些無人地區(qū)森林大火。大火剛開始燃燒的時候,很難被發(fā)現(xiàn)。目前,無人機(jī)森林防火巡邏是未來防范森林大火的一種新思路。而無人機(jī)的最大優(yōu)勢就是不受地形的限制,可以在最短時間內(nèi)到達(dá)火災(zāi)發(fā)生地進(jìn)行滅火。今天,我們也來設(shè)計一個無人機(jī)森林防火巡邏的機(jī)器人,讓它來充當(dāng)森林防火巡邏員 。

        二、了解火焰?zhèn)鞲衅?/p>

        師:傳感器擴(kuò)展包里有一款火焰?zhèn)鞲衅?,我們一起來學(xué)習(xí)一下它的使用特征及注意事項。

        火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其他波長在760~1100納米范圍內(nèi)的光源。其中,火焰探頭起著非常重要的作用,它可以當(dāng)作機(jī)器人的眼睛來尋找火源,利用它可以制作滅火機(jī)器人。火焰?zhèn)鞲衅鞯奶綔y角度達(dá)60度,對火焰光譜特別靈敏,通過光譜的探測實現(xiàn)找到火焰的目的。它有2個M3安裝孔,可以穩(wěn)定模塊使之不會旋轉(zhuǎn)?;鹧?zhèn)鞲衅髂茉?25到85℃條件下工作,性能穩(wěn)定可靠。盡管這款傳感器是用來感知火焰的,但是它并不防火,因此使用時請與火焰保持距離,以免燒壞傳感器。

        【教學(xué)小貼士】

        了解傳感器,了解森林火災(zāi),讓學(xué)生主動思考解決生活中難題的辦法。

        三、測試火焰?zhèn)鞲衅?/p>

        師:了解了火焰?zhèn)鞲衅鞯墓ぷ髟砗?,接下來我們開始連接火焰?zhèn)鞲衅??;鹧鎮(zhèn)鞲衅魇峭ㄟ^3PIN線連接,如圖1,連接時注意不要插反。

        師:我們可以通過連接IO13號端口,來獲取數(shù)據(jù)的模擬值。

        學(xué)生嘗試連接數(shù)據(jù)串口,編寫測試代碼,讀取串口信息,如圖2。

        教師巡回指導(dǎo),學(xué)生小組合作,測試火焰?zhèn)鞲衅鳙@得的數(shù)據(jù)值并記錄數(shù)據(jù)。

        【教學(xué)小貼士】

        學(xué)生動手實踐,測試數(shù)據(jù),培養(yǎng)了實踐應(yīng)用與探究能力。測試時,教師要提醒學(xué)生注意用火安全。

        四、制作森林防火巡邏員機(jī)器人

        師:同學(xué)們,通過測試,我們已經(jīng)得到了很多的數(shù)據(jù),獲得了火焰?zhèn)鞲衅髟诳拷鹪磿r候的數(shù)值。通過數(shù)值的變化,我們可以準(zhǔn)確地判斷火源的位置。如果我們要制作一個無人機(jī)機(jī)器人充當(dāng)森林防火巡邏員,怎樣才能讓它實現(xiàn)巡邏功能?如何讓其判斷火源?

        學(xué)生思考討論如何設(shè)計制作防火巡邏機(jī)器人,各小組合作學(xué)習(xí),一起探討安裝機(jī)器人。

        1.組裝防火巡邏機(jī)器人

        將火焰?zhèn)鞲衅靼惭b到擴(kuò)展板上,并固定好傳感器,如圖3。

        2.編寫代碼

        計算判斷條件臨界值,測試合理的判斷數(shù)值區(qū)間。學(xué)生編寫完整代碼,實現(xiàn)機(jī)器人防火巡邏的功能,如圖4,通過檢測火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測距離,設(shè)置合理的飛行區(qū)間。(注意:檢測距離可以參考傳感器技術(shù)文檔,也可以實際測試)

        3.測試優(yōu)化

        代碼編寫完畢后,需要不斷地調(diào)試優(yōu)化,直到數(shù)值被調(diào)整到合理的區(qū)間。

        4.擴(kuò)展延伸

        師:生活中,檢測火焰一般會使用聲音報警提示,有條件的同學(xué)也可以安裝一個蜂鳴器發(fā)出提示音,當(dāng)作報警器。

        【教學(xué)小貼士】

        設(shè)計火焰?zhèn)鞲衅鞯陌惭b位置,優(yōu)化檢測方案,小組需要思考設(shè)計的合理性和應(yīng)用性。

        五、課堂小結(jié)

        師:今天我們學(xué)習(xí)了火焰?zhèn)鞲衅?,也了解了森林火?zāi),希望將來同學(xué)們能夠?qū)W習(xí)更多知識、掌握更多技能,制作出更加高效優(yōu)質(zhì)的防火巡邏機(jī)器人,還可以給機(jī)器人設(shè)計更強(qiáng)大的功能,比如滅火。

        六、課后拓展

        學(xué)生根據(jù)自己的能力,為防火巡邏機(jī)器人添加更復(fù)雜的功能,思考滅火機(jī)器人該如何設(shè)計。

        七、評價與交流

        在最后評價中,分別以小組評價和活動評價的多個維度來評價學(xué)生活動開展情況,從而觀察記錄學(xué)生的成長過程。

        教學(xué)反思

        本節(jié)課是TT擴(kuò)展板拓展火焰?zhèn)鞲衅鹘虒W(xué)的一課,本節(jié)之前學(xué)生已學(xué)過很多的傳感器,掌握了學(xué)習(xí)新傳感器的方法,包括閱讀技術(shù)文檔、測試接口數(shù)據(jù)等。

        本節(jié)課主要是引導(dǎo)學(xué)生以實際生活為背景,探究問題解決的方案。創(chuàng)客作為一門讓創(chuàng)意物化的課程,側(cè)重于解決生活中的實際問題。森林火災(zāi)就是一個生活中的問題,而且是關(guān)系人類生存的重大問題。全世界各國都在防范森林火災(zāi),森林火災(zāi)不僅對全球氣候有著較大的影響,而且對物種也有著較大的影響。如果學(xué)生在創(chuàng)作設(shè)計中,加入一些真善美的東西,會讓科技更有溫度。

        在教學(xué)過程中,筆者以森林火災(zāi)為突破口,以生活中防火報警為思考點(diǎn),以火災(zāi)報警為任務(wù)驅(qū)動,使學(xué)生以生活實踐為基礎(chǔ),結(jié)合新的場景設(shè)計新的設(shè)備。當(dāng)然,在教學(xué)過程中,也要增加一些新的應(yīng)用場景,引出問題,讓學(xué)生思考討論,然后學(xué)生通過自己的想象實踐與小組間的交流合作,共同完成一些挑戰(zhàn)任務(wù)。最后,筆者還為學(xué)生留下了課后思考題:如何在實現(xiàn)檢測火焰功能后讓機(jī)器人實現(xiàn)滅火功能。

        (本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦)

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