資源簡介

(共41張PPT)
第3單元 第1課
走進機器人世界—科幻與現實
（清華大學版）五年級
上
1
核心素養目標
3
新知講解
5
拓展延伸
7
板書設計
2
新知導入
4
課堂練習
6
課堂總結
課后作業
8
01
核心素養目標
信息意識
計算思維
數字化學習與創新
信息社會責任
在學習過程中，我們需要思考如何確保機器人的行為符合道德和法律規范，以及如何保護個人隱私和信息安全。
明白能夠了解和掌握機器人技術的新途徑，讓我們可以隨時隨地學習機器人編程、設計和應用的知識。
能將問題分解是將復雜的任務分解為一系列簡單的子任務，以便機器人能夠逐步完成。
意識在機器人領域至關重要。它使我們能夠敏銳地捕捉到機器人技術的最新動態和發展趨勢。
02
新知導入
機器人一詞，如今已是家喻戶曉，無論是在影視作品中，還是在現實生活中，多多少少都會看到機器人的身影。究竟什么才算是機器人？機器人一般具備哪些能力？有哪些我們普通人也能參與的機器人項目？這節課我們就一起來了解一下機器人的相關知識吧!
02
新知導入
冰箱是機器人嗎
發條玩具是機器人嗎
遙控玩具車是機器人嗎
工廠中的機械臂是機器人嗎
02
新知導入
思考
同學們，提起機器人，你們首先想到的是什么？跟大家分享一下你們知道的關于機器人的知識吧!
在我看來，計算機計算機依靠傳感器來接收外界的信息。就像我們的眼睛和耳朵一樣，傳感器可以感知光、聲音、溫度、壓力等各種物理量，并將這些信息轉化為電信號。例如，攝像頭就是一種圖像傳感器，它可以將外界的圖像轉化為數字信號，讓計算機能夠處理和分析。編碼就像是一個神秘的密碼世界。它雖然看不見摸不著，卻在計算機的世界里起著非常重要的作用。
提起機器人，首先想到的是高效、精準的執行各種任務的能力。
從應用領域來看，它們可以進行重復性高、精度要求嚴格的工作，如汽車組裝、電子產品制造等，大大提高了生產效率。
從技術層面來說，機器人通常由機械結構、傳感器、控制系統和動力系統等部分組成。傳感器可以讓機器人感知周圍環境。
02
新知導入
03
新知講解
一、想象世界中的機器人
自古以來，人們一直對制造能夠幫助和減輕人類工作的機器很感興趣。不過最初還沒有機器人的概念，一般把它們叫作自動機?，F在我們經常說的“機器人”即“robot”，最早出現在1920年捷克劇作家卡雷爾恰佩克創作的一部科幻戲劇《羅素姆萬能機器人》(見圖 3.1.1)中，后來科幻作家艾薩克·阿西莫夫在一篇短篇小說中進一步普及了“機器人”一詞，并提出了著名的機器人三定律。
圖3.1.1 《羅素姆萬能機器人》
Robot說法的由來
03
新知講解
機器人是科幻作品中不可或缺的一部分，人們在小說、動漫、電影、游戲等科幻作品中勾勒出了各種機器人形象。例如《星球大戰》中的宇航技工機器人R2-D2,《我，機器人》中可以學習人類情感的 Sonny,《銀河系漫游指南》中聰明卻憂郁的馬文，如圖 3.1.2所示。
科幻作品中的機器人
《星球大戰》中的 R2-D2
《我，機器人》中的sonny
《銀河系漫游指南》中的馬文
圖3.1.2 科幻作品中的機器人形象
03
新知講解
機器人科幻作品并不只是供人們娛樂，還激發了對機器人研究的發展，幫助人們思考機器人可能帶來的社會影響和倫理問題。
04
課堂練習
實踐
同學們，你們有沒有幻想過某種機器人呢？它長什么樣子？它具有什么能力？把你的想法在下面的空白處寫一寫、畫一畫，也許有一天就會成為現實呢!
我幻想過一種全能醫療機器人。它的樣子像一個可愛的小熊，有著圓潤的身體和溫暖的顏色，讓人在看到它的第一眼就感到安心。它的頭部有一個顯示屏，可以顯示病人的各項身體數據和治療進度。它的眼睛是兩個高清攝像頭，能夠仔細觀察病人的癥狀。它的四肢靈活，可以輕松地移動和操作各種醫療設備。
03
新知講解
二、現實世界中的機器人
想象是無限的，科幻作品中的機器人或者同學們想象出來的機器人可能有著遠超人類的強大能力，但是制造一個這樣的機器人卻困難重重。雖然部分科幻作品中的場景已經成為現實，但是目前生活中的機器人還遠沒有像科幻作品中那樣無所不能。
機器人究竟是指什么？什么樣的機器才能稱作機器人？也許我們很難給機器人下一個精確的定義，不過機器人通常是指有一定智能的、實體化的機器具有感知環境、做出決策、執行動作等基本特征，具備在一定程度上自主執行任務的能力，
機器人的基本特征
03
新知講解
如圖 3.1.3所示。機器人的外形不一定是人形，可以是各種各樣的形態，有些計算機程序也可以叫作機器人。
感知環境信息
根據環境做出決策
執行決策動作
感知
決策
執行
環境
圖3.1.3 機器人的基本特征
03
新知講解
課堂活動
對于本節課最前面小清思考的那幾個問題，冰箱、發條玩具、遙控玩具車、機械臂等是不是機器人，你的看法是什么？說一說你的理由。
冰箱不是機器人。理由：冰箱只能按照設定程序運行，不能自主感知。
發條玩具不是機器人。理由：發條玩具靠機械動力運動，無感知和決策。
遙控玩具車不是機器人。理由：需人遠程操控，不能自主行動和決策，缺乏智能性，不能算作機器人。
機械臂是一種機器人。理由：能按照編程指令精準動作，可感知環境并做出一定決策，具備機器人的特性。
03
新知講解
早期的機器人嚴格按照程序進行活動，可以不斷地重復工作，一般不具備感知功能，無法感知環境的變化，不能對環境的變化做出反應，因此在復雜多變的環境中，這種機器人就不能勝任工作了。
隨著傳感器技術的發展，機器人擁有了感知系統(見圖3.1.4)，讓機器人像人一樣具有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、溫度覺等，還具備一些其他感知能力，比如感知物體的接近、感知自身所處的位置和方向等能力。這種機器人能夠對環境的狀況與變化做出判斷和決策，并做出相應改變，在外界環境變化的情況下仍能很好地完成作業，具備一定的自主能力。
機器人感知能力的發展
03
新知講解
攝像頭
麥克風
超聲波傳感器
慣性傳感器
角度傳感器
壓力傳感器
溫度傳感器
觸覺傳感器
圖3.1.4 機器人的感知覺系統
03
新知講解
智能機器人除了具備感知能力，還具有一定的決策能力。它們不僅具有任務理解、路徑規劃、推理、分析、決策等能力，有些還具備學習能力，能夠從對周圍世界的觀察及過往經驗中，尋找規律或模式，從而不斷提高自身能力。
目前，人們對智能機器人的探索如火如荼。如圖3.1.5所示，2014年6月7日聊天機器人Eugene Goostman 首次通過了圖靈測試，機器的智能化水平進入全新時代，圍棋在過去被認為是人工智能不可能攻克的一道關卡，然而2016年3月，AlphaGo打敗了世界圍棋冠軍，掀起了人工智能熱。隨著人工智能技術的不斷發展，相信在不久的將來我們就能看到更加智能的機器人。
機器人決策能力的發展
03
新知講解
Eugene Goostmanoostman
AlphaGO 圍棋對奕
圖3.1.5 人工智能程序
03
新知講解
除了感知能力和決策能力之外，機器人在運動能力的發展上也有很多要克服的障礙。目前機器人的運動系統還比較笨重,沒有任何驅動系統能與人的肌肉和骨骼相媲美。波士頓動力公司已經制造出擁有高度行走能力的機器人Atlas(見圖 3.1.6)，它可以走動、蹦跳甚至跳舞，但和真正的人類運動相比，仍有不小差距。目前，研究新型材料和制造工藝的實驗室遍布全世界，包括人造肌肉、柔性材料、先進制造工藝和組裝策略等，這些研究對于制造下一代機器人至關重要。
機器人運動能力的發展
03
新知講解
圖3.1.6 波士頓動力公司的Atlas機器人
03
新知講解
如今機器人已經進入人們生活中的不同領域，在很大程度上已經成為現代世界的一部分。例如，在工廠生產線上組裝汽車的工業機器人，幫忙運送快遞的服務型機器人，家用的掃地機器人，用于太空探測的太空機器人，模仿螞蟻或蜜蜂等社會性昆蟲行為的群體機器人，增強人類運動能力的可穿戴式外骨骼機器人等，如圖 3.1.7 所示。
不同類型的機器人
工業機器人 快遞機器人 家用掃地機器人
太空機器人 群體機器人 外骨骼機器人
圖3.1.7 各種類型的機器人
03
新知講解
平時見到的很多機器人是商業產品化的機器人，它們的設計原理通常是不對外公開的，盡管我們可以體驗它們展現的多種功能，卻很難知道它們具體的工作原理，對用戶和學習者來說他們就像一個“黑箱子”，無法對其進行改造與優化。
而開源機器人開放了所有軟硬件材料，包括電路設計圖、零件清單、結構設計圖、程序源代碼等，使用戶和學習者可以揭開這個“黑箱子”，對機器人進行全面地探索，從底層上了解它的工作原理和運行機制。我們對它們的認識越深刻，就越有能力對其進行改造和優化升級。
三、開源機器人
03
新知講解
互聯網上有許多優秀的開源機器人項目，圖3.1.8展示了一部分。本單元將以開源機器人為載體，了解機器人實現感知、決策、執行功能的軟硬件組成，在持續地調試優化和功能驗證中理解機器人的控制過程，從開源機器人的學習與制作中獲得過程控制方面的知識與技能。
開源人形機器人 Poppy 開源雙足機器人OTTO
開源四足機器狗WAVEGO 開源四足機器人Open Cat
圖3.1.8 各式各樣的開源機器人
03
新知講解
開源輪式機器人 Ascbot
開源機器人 掌控魔盒
圖3.1.8 （續）
04
課堂練習
實踐
同學們，從上面選擇一款你感興趣的開源機器人，上網搜索更多關于它們的資料吧!
開源機器人掌控魔盒在教育領域，開源機器人掌控魔盒發揮著重要的作用。它為學生們提供了一個直觀、有趣的學習平臺，讓他們能夠親身體驗機器人技術的魅力。學生們可以通過魔盒學習編程、電子電路、機械結構多方面的知識。
在工業領域，魔盒的價值同樣不可小覷。它可以提高生產效率，降低人力成本。企業可以利用魔盒對機器人進行定制化編程，使其適應不同的生產任務和環境。同時，魔盒的開源特性也使得企業能夠根據自身需求進行二次開發。
05
拓展延伸
機器人交流活動
雖然機器人已經有了很大發展，但是想在生活中見到各種各樣的機器人還是很不容易的，尤其是一些先進的機器人。在哪里可以看到很多機器人呢？
有不少機器人主題的展會，比如世界機器人大會、中國機器人峰會等。會議期間會展出各種先進的機器人，如果能去現場肯定大開眼界，如果不能去到現場，也可以通過網絡直播觀看。你所在的城市可能也會有機器人博物館、科技館等，可以去參觀體驗。此外還有很多的機器人競賽，各種機器人同臺競技也十分精彩。
05
拓展延伸
機器人交流活動
有哪些競賽呀？有我能參加的嗎？
當然有啦!比較出名的青少年機器人競賽有 FIRST 系列賽事，分為JFLL、FLL、FTC、FRC 四個賽事，分別適合不同年齡段的孩子。還有 WRC 世界機器人大賽、VEX機器人大賽、全國青少年人工智能創新挑戰賽、全國中小學信息技術創新與實踐大賽等。你也可以找老師或者通過網絡了解更多信息。
05
拓展延伸
機器人交流活動
哇!竟然有這么多機器人相關的競賽和展會，希望有一天我也能參與機器人比賽。
嗯，參加比賽不僅是對綜合技能的挑戰，還能讓你與全國、全世界的同齡人分享交流，有機會你可以多多關注和參與。
05
拓展延伸
哪些行業已經廣泛應用了機器人？
化工行業：
機器人可以在化工生產過程中進行危險化學品的搬運、投料、攪拌等工作，減少人工操作的風險。
醫療保健行業：
手術機器人可以幫助醫生進行高精度的手術操作，如微創手術等。
05
拓展延伸
哪些行業已經廣泛應用了機器人？
物流與倉儲行業：
機器人可以在倉庫內自動搬運貨物，將貨物從一個地點搬運到另一個地點，提高貨物搬運的效率和準確性。
金融行業：
金融行業的數據量龐大，機器人可以用于數據的采集、整理和分析等工作。
05
拓展延伸
服務機器人在家庭中的應用場景有哪些？
家務勞動：
掃地機器人是目前家庭中最為常見的服務機器人之一。它能夠自動規劃清掃路線，高效地清理地面灰塵、毛發等雜物。
健康護理:
健康監測機器人可以實時監測家庭成員的健康，如體溫、血壓、心率等。通過傳感器與成員的身體接觸或非接觸式監測，將數據傳輸到手機或其他設備上。
05
拓展延伸
服務機器人在家庭中的應用場景有哪些？
娛樂陪伴：
智能玩具機器人可以與兒童進行互動游戲，講故事、唱歌、回答問題等，激發兒童的想象力和創造力。
智能家居控制：
服務機器人可以作為智能家居的控制中心，通過語音指令或手機 APP 控制家庭中的各種設備，如燈光、電視、空調、窗簾等。
05
拓展延伸
機器人的應用是否會導致大量人員失業？
導致部分崗位減少：機器人擅長執行重復性、規律性強的任務。例如在制造業的生產線上，一些簡單的裝配、搬運等工作，以前由大量工人完成，現在可以被機器人替代。
創造新的就業機會：機器人的研發、生產、維護、銷售等環節都需要大量專業人才。隨著機器人應用的增加，這些領域的就業需求會不斷增長。
提升行業效率：機器人的應用可以提高生產效率和產品質量，降低企業成本，使企業在市場競爭中更具優勢。
05
拓展延伸
機器人是否會擁有情感和意識？
目前機器人并不具備真正的情感和意識，但在未來是否會擁有仍存在爭議，以下是相關的分析：
情感方面：現階段的機器人可以通過數據驅動、預定義規則以及模擬人類認知架構等方式，在一定程度上模擬出類似于情感的反應。
意識方面：意識是人類對自身和周圍環境的感知、理解、思考和判斷的能力，目前機器人完全不具備這種能力。
06
活動日志
活動日志 班級：XX 姓名：XX
活動名稱 走進機器人世界—科幻與現實
活動環節 1口 2口 3口 4口（在對應環節畫V）
活動完成內容 想象世界中的機器人、現實世界中的機器人、開源機器人
活動完成度 口口口口口口口口口(100%)
活動小結 問題與反思：技術難題運動能力不足。
改進的方法：研發機械結構驅動技術等。
07
課堂總結
1
引入新知內容
走進機器人世界—科幻與現實
2
學習想象世界與現實世界機器人
3
學習開源機器人
4
完成課題練習
5
進行相關知識拓展
1
2
3
4
5
08
板書設計
走進機器人世界—科幻與現實
1.進行新知引入
2.學習想象世界和現實世界機器人
3. 學習開源機器人
4.完成課堂練習
5.進行知識拓展
09
課后作業
01
對比現實生活中的工業機器人和科幻作品的機器人不同之處？
09
課后作業
02
假如你擁有一個家庭機器人，你希望它具備哪些功能？
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