第九章 E 学习包——自动控制和模块机器人

执教：华东师范大学附属东昌中学 蔡钢

一、教学任务分析

本学习包以模块机器人为实例，利用模块机器人动手体验三个模块的功能及其关系，并学会运用模块电路组合思路联系实际设计简单的自动控制电路，是上一节简单逻辑电路应用的延续。模块机器人作为物理教学用具，有别于市场上的各种机器人。由于是在有限的教学时间内完成特定的教学任务，因此模块机器人没有复杂的“积木”，也不需要高深的编程技巧，更不是少数学生的实验项目。作为教学任务，它要求每一位学生都要参与其中，通过实验了解自动控制的组成部分，并通过实际操作学会如何去获取知识，解决问题。

学习本节内容所需准备的知识和技能主要有：（1）简单逻辑电路相关知识；（2）电子技术相关知识－热敏电阻、光敏电阻、干簧管等元件的特性。（3）电路的组成和简单的串、并联知识。

将“自动控制和模块机器人”内容分成若干个子课题，对学生进行分组，并各自认领探究的课题。

通过子课题1，介绍机器人在生产、生活中的应用；通过子课题2，了解机器人的相关知识；通过子课题3，介绍模块机器人的构成；通过子课题4，理解机器人三个模块的功能；通过子课题5，运用模块电路组合思路，设计生活中简单的自动控制电路。

本节内容采用学习包的形式编写，以问题为载体，以学生的动手实践、自主探索、合作交流为主要的学习方式。通过合作学习、建立“个人－小组－全班”、“学生－教师－学生”三维一体的动态过程，共享“集体思维的成果”，然后通过“学生分组”、“小组合作”、“师生合作”解决有关问题。

二、教学目标

1、知识与技能

（1）知道机器人的相关知识。

（2）理解模块机器人的构成以及各个模块的作用。

（3）知道模块电路及其组合方式。

（4）初步学会组装和操作模块机器人。

2、过程与方法

（1）通过本设计的学习，经历搜集资料、设计方案、实验探究、交流总结的自主学习过程。

（2）通过传感器的体验，感受“信号转换”的思想方法。

（3）通过生活中简单的自动控制电路的设计过程，感受模块化设计的思想方法。

3、情感、态度与价值观

（1）通过机器人实物，图片、影片等相关资料的展示，激发对机器人的兴趣，建立“生活蕴藏着物理，物理服务于生活”的科学认识观。

（2）通过学习包中提供的模块，组合成各种自动控制电路，感悟实践是巩固知识提高能力的有效途径之一。

（3）通过小组合作学习，体验团队协作的重要性。

三、教学重点和难点

重点：（1）模块机器人的构成。（2）模块机器人的实验探究。

难点：运用模块化设计方法设计生活中简单的自动控制电路。

四、教学资源

1、器材

（1）DIS“模块机器人”及配套软件、多媒体计算机及大屏幕投影。（2）其他所需器材。

2、资料

Internet网络、图书资料，有关机器人的实物、图片、视频等资料。

3、课件

自制课件、Flash动画等。

五、教学设计思路

本设计的内容主要包括五个方面：一是机器人在生产、生活中的应用；二是机器人的相关知识；三是模块机器人的构成；四是模块机器人的实验探究；五是生活中自动控制电路的设计。

本设计的基本思路是：学生分组，在教师的指导下根据总课题“自动控制和模块机器人”提出系列性问题或子课题，然后通过自主学习、查找资料、交流讨论、探究实验解决问题，最后进行小结、交流和评价。

本设计要突出的重点是：模块机器人的构成和模块机器人的实验探究。方法是：通过子课题3的研究，了解传感器、控制器、执行器、模块电路、模块机器人等相关知识；通过子课题4的研究，利用模块机器人动手体验三个模块的功能及其关系，进一步熟悉模块机器人的使用方法。

本设计要突破的难点是：运用模块化设计方法设计生活中简单的自动控制电路。方法是：利用“模块机器人”提供的器材，也可以利用其它实际的器材设计出有一定价值和可行性的“自动控制电路”或“智能机器人”，感受模块化设计思想，进一步加深理解三个模块的功能及联系。

本设计重视培养学生获取、搜集、处理、表达信息的能力以及实验探究，创造发明的能力。

完成本设计的教学任务需3课时。

六、教学流程

1、教学流程图

2、流程图说明

问题探讨 提出问题

课内通过图片、录像、表演、演示实验等手段创设情景，指出自动控制电路在实际生活和生产中已经被广泛采用，机器人对人类文明和社会进步有重大的作用，激发学生的兴趣和探究欲望。

课外通过对学生进行分组、确定子课题及研究内容、明确角色和任务分工。利用网络资源和书籍资料，设计实验方案，制定课题计划书和进度表。

探索研究 实验探究

课内通过小组内部交流设计方案，实验探究模块机器人的构成及传感器、控制器、执行器三个模块的功能及其关系。

课外继续实验探究并完成实验报告，并将搜集到的资料汇总、分析、整合，初步做成ppt、网页、作品等形式，并回答相关问题。

交流小结 成果交流

课内通过学生分组展示和交流研究成果，由教师和学生组成的课题评审团可以用投票的方式对各组成果进行评议，根据成果交流情况评出各奖项，进行表彰和鼓励，点评并提出改进意见。课外，让学生反思学习学习包的过程，做好小结，完成思考与练习。

拓展延伸 继续探究

课内：利用“模块机器人”提供的器材，也可以利用其它实际的器材设计出有一定价值和可行性的“自动控制电路”或“智能机器人”，感受模块化设计思想，进一步加深理解三个模块的功能及联系。

课外：介绍几个机器人网站的地址，激发学生进一步探究机器人的兴趣，增强将科学服务于人类的社会责任感和使命感。

3、教学主要环节

本设计可以分为三个主要教学环节：

第一环节，课前。通过问题探讨、自由组合、资料收集、实验探究、对研究的初步成果进行归纳整理，并制作成课件。

第二环节，课中。学生对制作的作品与研究的成果进行展示、汇报和交流，教师总结评价，实例分析，并作适当的拓展延伸。

第三环节，课后。学生在课后小结学习包的学习情况，完成课题研究结题报告。

七、教学案例

（一）问题探讨

1、学生方面所做的准备

学生分组：以自愿组合为主，每6～8人分为一组，每组由一位组长负责。

角色和任务分工：根据自身的特点，自主选择和承担对应子课题的各项任务。每一位同学必须要参与其中的一项任务，不参与的不给分，每组可设资料收集员，整理员、实验员、课件制作员、展示员，组长（兼）等。总负责人由课代表担任，负责组织、协调和交流汇报会主持工作。

课题选题：包括教师指定选题和学生自主选题。教师可根据学生的知识水平和研究能力，可以提供一系列可操作的课题供学生选择，也可以由学生自主选择有兴趣、能操作的课题，然后填写选题意向表。其他课题需由指导老师主持开题评审会对学生课题研究方案进行评审。

2、教师方面所做的准备

创设学习的情境：从本节课的生活背景出发，激发学生学习“自动控制和模块机器人”的兴趣。编写课前导学：学生自主学习应考虑时间的合理性，高中生课后作业较多，为了让学生有宽裕的课前自主时间，开展研究性学习。教师应根据具体要求，编写了“课前导学”，在“课前导学”中为学生提供了学法指导，针对所学内容，提供一些相关的学习方法让学生参考，重在引导学生围绕重点、难点展开思考，发现疑点，提高学习效率。

教师搜集选题意向表：按照学生的意向分组，最后宣布分组名单。

成立课题评审团：由每个课题组的一名代表和指导老师组成评审团，一方面对学生开题报告进行评审，另一方面以投票方式对各组交流展示的成果进行评议。根据成果交流情况评出各奖项，进行表彰和鼓励，点评并提出改进意见。

评价方式：评价分为小组自主活动表现、小组班级交流表现、个人参与活动表现三大块，从教师评价、学生评价和自我评价三个方面进行。

1．小组自主活动的表现

①包括小组的活动报告，自主活动的步骤安排，有关活动感受的文章，成果照片，考考其他组的思考题及参考答案的设计等等。

②小组的凝聚力，即小组成员的主人翁意识。

2．小组班级交流的表现

①小组代表的发挥，包括代表之间的配合默契程度，表达的感染力。

②回答其他小组的思考题、参与现场竞争的能力。

3．个人参与活动表现

由自我评价和小组成员的评价组成。

（二）实践探究

各课题组制定研究方案，自主开展研究活动。学生可以到阅览室、图书馆或通过上网查阅自动控制和模块机器人的相关资料。也可以实验探究构成机器人模块的功能。还可以利用学习包提供的器材和其它实际的器材设计出有一定价值和可行性的“自动控制电路”或“智能机器人”。甚至可以走到校外，进行有关自动控制和模块机器人应用的社会调查研究。

以课题组为单位，归纳整理收集到的信息资料，将研究结果以word，Powerpoint、flash、网页、作品等形式加以总结，便于小结交流。

（三）交流小结

学生分组交流各自课题的研究结果（以下课题供参考）。

子课题1：机器人在生产、生活中的应用

包括机器人实物，图片、影片等相关资料展示。

子课题2：机器人相关知识

• 机器人的定义。
• 机器人的分类。
• 机器人的身体组成。
• 机器人的发展史。

子课题3：模块机器人的构成

包括传感器、控制器、执行器、模块电路、模块机器人等相关知识。

子课题4：模块机器人的实验探究

• 传感器实验。
• 控制器实验。
• 执行器实验。

子课题5：生活中自动控制电路的设计

利用“模块机器人”提供的器材，也可以利用其它实际的器材设计出有一定价值和可行性的“自动控制电路”或“智能机器人”，包括设计方案，实验探究，组装调试，展示交流，反思改进。

其他课题：由指导老师主持开题评审会对学生课题研究方案进行评审。

师生评价由师生组成的评审团以投票方式对各组成果进行评议，根据成果交流情况评出各奖项，进行表彰和鼓励，点评并提出改进意见。 

附录

子课题1：机器人在生产、生活中的应用

机器人实物，图片、影片等相关资料展示。（略）

子课题2：机器人相关知识

1、机器人的定义

在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人：

• （1）具有脑、手、脚等三要素的个体；
• （2）具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；
• （3）具有平衡觉和固有觉的传感器。

1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”。

我国科学家对机器人的定义是：“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”。

为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：

• （1）机器人不应伤害人类；
• （2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；
• （3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。

2、机器人的分类

• （1）工业机器人
• （2）农业机器人
• （3）服务机器人
• （4）仿生机器人
• （5）微型机器人
• （6）机器人玩具

3、机器人的身体组成

• （1）机器人的大脑
• （2）机器人的眼睛
• （3）机器人的鼻子
• （4）机器人的耳朵
• （5）机器人仿生触须
• （6）机器人的手
• （7）机器人的手臂
• （8）机器人的下肢
• （9）会弹跳的机器人腿
• （10）机器人的皮肤
• （11）机器人的触觉
• （12）机器人的语言
• （13）机器人的距离感

4、机器人的发展史

• （1）机器人的萌芽
• （2）首台机器人诞生
• （3）第一代机器人
• （4）第二代机器人
• （5）第三代机器人
• （6）未来的机器人

子课题3：模块机器人的构成

1、传感器：利用敏感元件将外界各种信息转换成电信号。

光传感器：光传感器的敏感元件是光敏电阻。当有光照时，光敏电阻的阻值变小，传感器向控制器输出信号；没有光照时，光敏电阻的阻值变大，传感器停止向控制器输出信号。

声传感器：声传感器的敏感元件是传声器（话筒）。当有突发声响时，传感器向控制器输出信号；没有声音时，传感器停止向控制器输出信号。

温度传感器：温度传感器的敏感元件是热敏电阻。随着温度的升高，热敏电阻的阻值变小，当温度超过设定值时，传感器向控制器输出信号；反之，随着温度的下降，热敏电阻的阻值变大，当温度低于设定值时，传感器停止向控制器输出信号。

磁传感器：磁传感器的敏感元件是干簧管（相当于一只小开关）。当有磁铁接近时，干簧管内的簧片受磁场的作用而闭合，传感器向控制器输出信号；移去磁铁后，干簧管内的簧片分离，传感器停止向控制器输出信号。

红外线传感器：传感器端部的两只小圆孔内，有一只是红外线发射管，不断向外发射红外线。另一只是红外线接收管，这是红外线传感器的敏感元件。当传感器的前方有物体遮挡时，发射管发射的红外线经物体反射回来，被红外线接收管接收，此时接收管的阻值变小，传感器向控制器输出信号；而当没有物体遮挡时，接收管的阻值变大，传感器停止向控制器输出信号。

触发传感器：触发传感器实际是一个小开关，按下触发传感器前端的按扭，小开关闭合，传感器向控制器输出信号；松开按扭，小开关打开，传感器停止向控制器输出信号。

循迹传感器：循迹传感器实际上是由两组红外线传感器组成的，分别输出两路信号，这在以后控制小车沿黑线行走时要用到。目前我们暂且将它看作是一只方向向下的红外线传感器。其基本原理与红外线传感器完全相同：当传感器接近浅色桌面时有信号输出，否则没有输出。

2、控制器：是模块机器人的控制中心，它的核心器件是微控制器（又称单片机）。

（1）控制器的三只按键：

• 复位键——用来终止执行程序。
• 选择键——用来调节数码管的数字，从而选择所对应的控制方式。
• 运行键——用来启动程序。

（2）控制器中预先存放的综合实验程序（五种控制方式）：

3、执行器

4、模块电路

（1）模块电路的定义：不一定要明白电路的内部结构, 而只需要知道它所具有的功能，有时我们把具有某一特定功能的电路称为模块电路。

（2）模块电路组合：只要我们了解每种基本模块电路的功能, 以及不同模块电路之间的相互联系后, 就可以根据课题要求将它们进行组合，以达到预期的目的。它是促进现代电路的不断创新，加快新电路的开发和应用的一种重要思维方式。

5、模块机器人

经过理论研究，任何自动控制（包括简单的机器人）都可以分解为传感器、控制器和执行器三个模块。假设有5种传感器、5种控制方式、5种执行器，经过组合排列，从理论上可以组合成125种自动控制电路。

子课题4：模块机器人的实验探究

1、传感器实验：让学生了解传感器的作用。

以小灯作为执行器，选用各种传感器，程序选用“即时控制”方式，体会传感器的作用。

（1）触发传感器控制小灯实验

• 将触发传感器插入控制器的输入端，小灯模块插入控制器的输出端。
• 按下电源按键，数码管显示“00”。
• 按“运行”键，控制器中预先存放的“综合实验”程序开始运行。
• 按“选择”键，数码管显示“01”，表示选择第一种控制方式——“即时控制”。
• 按“运行”键，实验开始进行。
• 按下触发传感器前端的按钮，传感器向控制器输出信号，小灯点亮。反复按动触发传感器前端的按钮，可以看到，小灯随着传感器输出信号的变化而立即做出反应。
• 按“复位”键，退出程序。

（2）光照控制小灯实验

• 将光传感器插入控制器的输入端，小灯模块插入控制器的输出端。
• 按下电源按键，数码管显示“00”。
• 按“运行”键，控制器中预先存放的“综合实验”程序开始运行。
• 按“选择”键，数码管显示“01”，表示选择第一种控制方式——“即时控制”。
• 按“运行”键，实验开始进行。
• 如果没有用物体遮挡光传感器，由于光传感器受较强光照的作用有信号输出，所以小灯随着程序的运行而立即点亮；用物体遮挡光传感器后，传感器停止向控制器输出信号，小灯熄灭；移去遮挡物，小灯重新点亮。
• 按“复位”键，退出程序。

（3）红外线控制小灯实验

• 将红外线传感器插入控制器的输入端，小灯模块插入控制器的输出端。
• 操作步骤同上。
• 在实验开始前，先调节红外线传感器内部的可调电阻，让小灯不发光。开始实验时，用物体遮挡红外线传感器，小灯立即点亮；移去遮挡物，小灯熄灭。
• 按“复位”键，退出程序。

2、执行器实验：让学生了解执行器的作用。

选用光照传感器，程序选用“即时控制”方式，分别插入不同的执行器，体会执行器的作用。

3、控制器实验

（1）即时控制方式：所谓“即时控制方式”，就是执行器的工作状态随着传感器检测到的信号立即做出反应。应用举例如下：

（2）延时控制方式：在自动控制过程中，有时需要执行器的工作能持续一段时间，有时又希望执行器等待一段时间才开始工作。这就需要使用“延时控制方式”。

声音控制小灯实验：

• 将声传感器插入控制器的输入端，小灯模块插入控制器的输出端。
• 按下电源按键，数码管显示“00”。
• 按“运行”键，控制器中预先存放的“综合实验”程序开始运行。
• 依次按“选择”键，使数码管显示“02”，表示选择第二种控制方式——“延时控制”。
• 按“运行”键，实验开始进行。
• 击掌发出声响，光传感器有信号输出，小灯点亮，持续几秒钟后自动熄灭。
• 按“复位”键，退出程序。

（3）“与”门控制方式

• 在控制器的任意输入端插入两只触发传感器，输出端插入小灯模块。
• 选择“与”门控制方式，开始实验。
• 按动任何一只传感器，小灯都不亮，只有两只传感器同时按下，小灯才亮，松开其中一只传感器，小灯立即熄灭。

（4）“或”门控制方式

• 在控制器的输入端插入两只触发传感器，输出端插入小灯模块。
• 选择“或”门控制方式，开始实验。
• 按动任何一只传感器，小灯都会点亮，松手后小灯立即熄灭。

（5）“非”门控制方式

• 在控制器的输入端插入触发传感器，输出端插入小灯模块。
• 选择“非”门控制方式，开始实验。
• 实验开始后，小灯立即点亮，按动传感器，小灯立即熄灭。

*子课题5：生活中自动控制电路的设计

要求：运用模块化设计方法，每个小组设计出一个能改善生活质量的自动控制电路或模块机器人，交流展示后评选出最有价值、最体现创新精神的作品。

以下仅供参考：

与门的应用

1、自动风扇模拟：当温度升高，并且人接近时，电风扇转动。

2、声控灯模拟：晚上，楼道中有声响，灯亮。

3、滚筒洗衣机控制电路模拟：只有当电源开关和洗衣机盖子同时闭合，电动机才会工作。

或门的应用

1、简单车门报警电路模拟1：只要有一个车门没关好，报警灯就发光。

2、简单车门报警电路模拟2：只要有一个车门没关好，报警灯就发光。

3、保险箱防盗报警器模拟：只要放在保险箱前地板上的按钮开关被脚踩下，或者保险箱内部被手电筒照射，警报器报警。

非门的应用

1、光控路灯：白天灯不亮；夜晚小灯点亮。

2、简易火警报警电路：正常情况下电铃不响，当火警发生时电铃响起。

3、遇障即停小车：程序启动后，小车立即开动。当用手接近红外线传感器时，小车立即停止。

其他

还可将不同传感器和执行器进行组合，并通过计算机下载预先编制的程序，轻而易举的组合成各种自动控制装置。

在计算机上利用简单易学的语言，自己编写程序，然后下载到控制器中，组合成自己的机器人。

发布时间：2013/6/11 上午7:41:10  阅读次数：2669