資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修2
機器人設計與制作
第四章　機器人感知與傳感器
第 一 節(jié) 機器人的感知
教學設計
教學背景
黨的二十大明確指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，開辟發(fā)展新領域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢”。
機器人是20世紀人類的偉大發(fā)明，今天，它不僅能夠代替人類登陸火星和潛入幾千米以下的深海，還可以不知疲倦地工作在各種生產線上，并服務于我們的日常生活。
關于機器人，我國科學家認為機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。國際標準化組織認為工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。
教學目標：
知識與技能目標:
1.理解機器人的基本感知功能。
2.掌握機器人感知外部環(huán)境信息的基本原理和方法。
教學內容分析:
機器人是一種能夠按照預先設計程序而自動執(zhí)行工作的機械裝置。當前機器人已經大規(guī)模地走進工業(yè)生產、軍事、政府管理、商業(yè)應用等領域，它們可以幫助或代替人類完成不同的工作，在各個方面影響著人類的生活。通過本章的學習，讓我們來初步了解和認識機器人吧。
機器人要準確地模擬人的動作，不但需要類似于人的大腦，還需要各種感覺和靈活的肢體。在機器人中，它的感覺器官由各種傳感器來實現，大腦由控制器實現，肢體則由電機及機械裝置等組成。讓我們通過學習機器人的感知和機器人的傳感器，經歷設計和制作機器人的過程，領略一下機器人感知設計與制作的無窮魅力。
學情分析:
生活在科技迅猛發(fā)展的21世紀，同學們有必要了解一些機器人的知識，因為未來的機器人將對我們的生活和工作產生巨大的影響。
　　自己動手制作機器人是讓同學們了解機器人的最好手段。同學們一起進入機器人設計與制作的精彩世界吧。
教學重難點:
理解機器人的基本感知功能。
掌握機器人感知外部環(huán)境信息的基本原理和方法。
教學策略:
本節(jié)課教學主要由教師通過實物和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中發(fā)展學生核心素養(yǎng)、培養(yǎng)實踐能力、提升創(chuàng)新意識、開闊認知視野；將自主學習、合作學習、探究學習等多種學習方式滲透進學生的學習和教師的教學當中；不斷嘗試現代教育技術和方法的運用。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景倒入:
老師：本節(jié)課我們學習《通用技術》選擇性必修2第四章機器人感知與傳感器第 一 節(jié) 機器人的感知。
情景
圖4-1（參見教材P50）是比賽中的足球機器人，它一會斷球，一會盤帶，一會射門，還能繞過其他機器人。
一、機器感知與傳感器
思考
足球機器人是靠什么判斷球、球門、己方及對方機器人的位置的？
我們知道，人類借助感覺器官，從外界獲得信息并做出反應，經歷感覺→大腦思考→做出反應的過程。機器感知的信息處理過程亦如此，它具有類似人類五官的感知功能，并將外界信息轉換成電信號，以便配合系統的其他部分共同完成控制任務，像生物一樣根據環(huán)境的變化做出相應的反應和動作。機器感知與人的信息感知對比如圖4-2（參見教材P50）所示。
機器人的感知依靠傳感器。傳感器（Sensor）是一種能把感受到的被測量信息按一定規(guī)律轉換成其他形式可用信號的檢測器件或裝置。安裝了各種傳感器的機器人，能將外界信息轉換成電信號，并傳送給控制器進行處理，能對外界環(huán)境的變化做出反應，組成一個完整的閉環(huán)控制系統（圖4-3）（參見教材P51）。
立即行動
上網收集與人的感覺器官對應的機器人的傳感器，完成表4-1。
表4-1 五官感覺與傳感器
人 的 感 覺 傳 感 器
視覺（眼）
聽覺（耳）
嗅覺（鼻）
觸覺（皮膚）
思考
如果要制作一臺可自由行走的機器人，需要哪些傳感器？
二、感知原理與方法
思考
從表4-1中，我們找到了一些與人的感覺器官對應的傳感器，這些傳感器是通過什么物理或化學量的變化而實現感知的？
傳感器是通過敏感材料獲取外界信息，并將其轉換為電信號，以方便傳輸及單片機處理、存儲和輸出。敏感材料的種類很多，它們是根據不同的物理、化學、生物原理制造出來的。
案例
圖4-4（參見教材P52）為光敏電阻的結構圖，它由光導電材料硫化鎘（CdS）和電極兩部分組成，其頂部有一個光感應窗，光照射到光感應窗時，電阻值就減小。光照越強，電阻值越小。光敏電阻的這種特性使它適用于探測光照強度的變化。
實踐
學會用萬用表檢測光敏電阻，并體悟光敏電阻的特性，完成表4-2。
表4-2 不同光照條件下光敏電阻的阻值
光 照 情 況 阻 值/Ω
用黑色膠布遮蓋光敏電阻的光感應面
光敏電阻的光感應面在自然光下
用太陽光直接照射光敏電阻
結論
光照越強，光敏電阻的阻值越＿＿＿＿＿＿ ；光照越弱，光敏電阻的阻值越＿＿＿＿＿＿。
方法指導
（1）準備光敏電阻1個、萬用表1個。
（2）按圖4-5（參見教材P52）測量3種不同的光照條件下光敏電阻的阻值。
如果我們用心觀察，可以發(fā)現在日常生活中，傳感器被廣泛應用。
案例
熱釋電傳感器（圖4-6）（參見教材P53）的敏感材料是一種能探測各種波長輻射的廣譜材料。為了使傳感器對人體的紅外輻射更敏感，又使其對太陽、電燈光等有抗干擾性，它采用濾光片作窗口，用以檢測人體發(fā)出的波長為10μｍ的紅外線。當人走近時，傳感器就能檢測到。如圖4-7（參見教材P53）所示的自動開關水龍頭就是應用了這種傳感器。
交流
舉出你在日常生活中觀察到的一些傳感器的應用，并設法了解它的傳感原理和方法。
知識窗
傳感器與仿生學
人們對周圍環(huán)境的感覺，是因為人體有各種相應的感覺器官。但是，人類不可能對所有的自然現象都很敏感，相反，某些動物卻在這方面具有奇特的本領。例如，貓能在夜間捕捉老鼠，蝙蝠雖然視力很差，卻能在夜晚自由飛行……
人們通過對動物的某些功能的研究，對自然界的認識逐漸深入，并模仿生物的本領為人類服務，于是出現了仿生學。仿生學主要研究生物的各種優(yōu)異特性。例如，在漆黑的夜晚，響尾蛇能迅速而準確地捕食獵物，是因為在它的頭部有一對探測紅外線的熱敏器官，可以辨別出小于百分之一攝氏度的溫度變化并能準確地定向。人類借鑒響尾蛇的這一功能研制出了紅外線探測器并用來跟蹤導彈。
板書設計
第 一 節(jié) 機器人的感知
一、機器感知與傳感器
二、感知原理與方法
教學反思
通用技術
選擇性必修2
電子控制技術
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發(fā)
副 主 編：李 榕 周衛(wèi)星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：李 榕
本冊副主編：鄭永駒 鐘清華
編 寫 人 編：
張百睿 李 榕 鄭永駒 鐘清華　周 嘉 龔澤祥 胡智豪
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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