資源簡(jiǎn)介

中小學(xué)教育資源及組卷應(yīng)用平臺(tái)
第4課《反饋助力機(jī)器人搭建》教學(xué)設(shè)計(jì)
課題 反饋助力機(jī)器人搭建 單元 第五單元 學(xué)科 信息科技 年級(jí) 六年級(jí)下
核心素養(yǎng)目標(biāo) 信息意識(shí)：通過(guò)觀察機(jī)器人行走的反饋信息，分析偏差變化規(guī)律，初步感知反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用，培養(yǎng)主動(dòng)識(shí)別和利用反饋信息的敏感度。計(jì)算思維：運(yùn)用模塊化思想分解機(jī)器人功能，理解反饋環(huán)路中"目標(biāo)值-偏差-調(diào)整"的邏輯關(guān)系，提升系統(tǒng)化解決問題的思維能力。數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：利用編程工具編寫控制程序，通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)反饋測(cè)試機(jī)器人行走狀態(tài)，培養(yǎng)數(shù)字化工具應(yīng)用與迭代創(chuàng)新能力。信息社會(huì)責(zé)任：在機(jī)器人測(cè)試中遵守操作規(guī)范，理解正反饋可能引發(fā)的失控風(fēng)險(xiǎn)，樹立技術(shù)服務(wù)于社會(huì)的責(zé)任感。
教學(xué)重點(diǎn) 1、設(shè)計(jì)機(jī)器人。2、編寫機(jī)器人控制程序。3、測(cè)試機(jī)器人
教學(xué)難點(diǎn) 1、正確認(rèn)識(shí)機(jī)器人控制程序。
教學(xué)過(guò)程
教學(xué)環(huán)節(jié) 教師活動(dòng) 學(xué)生活動(dòng) 設(shè)計(jì)意圖
導(dǎo)入新課 板書課題。1、活動(dòng)背景參加行走競(jìng)賽的機(jī)器人只有行走得又快又穩(wěn)，才能取得好成績(jī)。利用系統(tǒng)的反饋知識(shí)，可以幫助我們測(cè)試和優(yōu)化機(jī)器人。我想搭建一個(gè)機(jī)器人參加機(jī)器人比賽。反饋一定能幫助你，我們一起動(dòng)手制作吧!2、觀看教學(xué)視頻《觸覺反饋主從手系統(tǒng)》。 學(xué)習(xí)新知引入，觀看教學(xué)視頻。 用提問的方式引入課題，增強(qiáng)課堂互動(dòng)性。將學(xué)生的注意吸引到課堂。
講授新課 一、新知講解：活動(dòng)：設(shè)計(jì)機(jī)器人1、搭建機(jī)器人，要先考慮好機(jī)器人的功能。根據(jù)功能設(shè)計(jì)，進(jìn)一步思考機(jī)器人包含哪些主要硬件模塊。請(qǐng)?zhí)顚懕?-4-1，完成機(jī)器人的設(shè)計(jì)。序號(hào)1主要功能：控制功能。硬件模塊名稱：主控板、遙控器。序號(hào)2主要功能：感知賽道功能。硬件模塊名稱：傳感器。序號(hào)3主要功能：執(zhí)行移動(dòng)功能。硬件模塊名稱：馬達(dá)、輪子/舵機(jī)。序號(hào)4主要功能：供電功能。硬件模塊名稱：電池、電源模塊。核心結(jié)論反饋機(jī)制通過(guò)正負(fù)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定性，在機(jī)器人行走控制中形成閉環(huán)優(yōu)化，借助傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)偏差并調(diào)整動(dòng)作，培養(yǎng)系統(tǒng)思維、邏輯分析及技術(shù)倫理意識(shí)。拓展閱讀能沿著道路行走的機(jī)器人有很多，有的使用視覺傳感器“看”路行走，有的使用灰度傳感器循線行走，有的使用超聲波或紅外避障傳感器沿路行走?；顒?dòng)：編寫機(jī)器人控制程序利用選定的模塊完成硬件搭建后，就可以開始編寫控制軟件了。編寫程序時(shí)，我們可以采用模塊化思想，按照功能模塊進(jìn)行編寫。嘗試將算法的自然語(yǔ)言描述填入表 5-4-2。序號(hào)1軟件模塊功能：道路信息輸入。算法的自然語(yǔ)言描述： (1)初始化傳感器；(2)讀取傳感器數(shù)據(jù)。序號(hào)2軟件模塊功能：目標(biāo)值設(shè)定。算法的自然語(yǔ)言描述： (1)計(jì)算機(jī)器人與道路邊緣距離；(2)設(shè)定距離為目標(biāo)值。序號(hào)3軟件模塊功能：偏差計(jì)算。算法的自然語(yǔ)言描述： (1)獲取當(dāng)前距離；(2)計(jì)算與目標(biāo)值差值，判斷方向。序號(hào)4軟件模塊功能：動(dòng)作調(diào)整。算法的自然語(yǔ)言描述： (1)按偏差調(diào)整馬達(dá)/轉(zhuǎn)向；(2)循環(huán)調(diào)整至偏差趨零。活動(dòng)：測(cè)試機(jī)器人在測(cè)試機(jī)器人時(shí)，機(jī)器人的穩(wěn)固程度、行走速度、行走方向等都是重要的測(cè)試點(diǎn)。利用反饋的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)測(cè)試方法，記錄測(cè)試結(jié)果，并填入表5-4-3。序號(hào)1測(cè)試點(diǎn)：行走方向。測(cè)試方法：(1)沿直線行走能力的測(cè)試；(2)在拐角處轉(zhuǎn)彎能力的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果：記錄軌跡。序號(hào)2測(cè)試點(diǎn)：行走速度.測(cè)試方法： (1)設(shè)定不同速度檔位；(2)不平地面速度穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果：速度達(dá)標(biāo)值。序號(hào)3測(cè)試點(diǎn)：轉(zhuǎn)彎。測(cè)試方法： (1)90度/180度轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)度；(2)連續(xù)急轉(zhuǎn)彎響應(yīng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果：轉(zhuǎn)向角度。序號(hào)4測(cè)試點(diǎn)：反饋控制。測(cè)試方法： (1)模擬偏移后自動(dòng)修正能力；(2)突發(fā)障礙物干擾糾偏測(cè)試。測(cè)試結(jié)果：糾偏耗時(shí)。在機(jī)器人搭建任務(wù)中，我們需要根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)機(jī)器人的功能和結(jié)構(gòu)，然后完成硬件組裝。接下來(lái)，按功能模塊編寫計(jì)算機(jī)程序控制機(jī)器人的行走。最后，利用反饋對(duì)機(jī)器人進(jìn)行全面的測(cè)試，讓機(jī)器人走得更快、更穩(wěn)。機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)需要反饋原理的幫助，其中目標(biāo)值設(shè)定、偏差計(jì)算至關(guān)重要。二、課堂練習(xí)完成教材15—17頁(yè)相關(guān)課堂練習(xí)題。三、拓展延伸1、工程學(xué)中的冗余設(shè)計(jì)——提升機(jī)器人可靠性。冗余設(shè)計(jì)是工程領(lǐng)域應(yīng)對(duì)不確定性的重要策略，可增強(qiáng)機(jī)器人系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。傳感器冗余：多傳感器融合：例如，機(jī)器人同時(shí)使用紅外傳感器和攝像頭檢測(cè)障礙物，避免單一傳感器受環(huán)境干擾（如強(qiáng)光導(dǎo)致紅外失效）。 數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證：當(dāng)不同傳感器數(shù)據(jù)沖突時(shí)，采用投票算法或加權(quán)平均法選擇可信結(jié)果。 硬件冗余：雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)：若一個(gè)電機(jī)故障，另一個(gè)仍可維持基本功能。備用電源：主電池耗盡時(shí)，備用電池保障緊急制動(dòng)或求救信號(hào)發(fā)送。2、跨學(xué)科聯(lián)系：物理與反饋——汽車巡航定速系統(tǒng)。汽車巡航定速系統(tǒng)能夠自動(dòng)保持設(shè)定的車速行駛，無(wú)需駕駛員持續(xù)踩油門。請(qǐng)分析這一系統(tǒng)與機(jī)器人沿賽道行走的反饋原理有何相似之處？結(jié)合具體例子說(shuō)明反饋如何幫助系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。相似性兩者均通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)輸出 （車速傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)際車速/機(jī)器人傳感器監(jiān)測(cè)位置），將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)目標(biāo) （設(shè)定車速/賽道標(biāo)志線位置）對(duì)比，計(jì)算偏差（車速差/位置偏移）。反饋調(diào)節(jié)當(dāng)實(shí)際車速低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)增大油門；機(jī)器人檢測(cè)到偏離賽道時(shí)，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向角度，縮小偏差。穩(wěn)定機(jī)制通過(guò)負(fù)反饋循環(huán)不斷修正偏差，最終使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定在目標(biāo)值附近。思考延伸 如果汽車在爬坡時(shí)開啟巡航定速，系統(tǒng)會(huì)如何調(diào)整？這對(duì)機(jī)器人爬坡設(shè)計(jì)有何啟發(fā)？3、數(shù)學(xué)中的反饋控制——比例積分微分（PID）算法。機(jī)器人精準(zhǔn)控制離不開數(shù)學(xué)模型的支撐，PID算法是經(jīng)典控制理論的核心。比例控制（P） ：根據(jù)當(dāng)前偏差大小直接調(diào)整輸出（如機(jī)器人轉(zhuǎn)向角度與位置偏差成正比）。公式：調(diào)整量 = Kp × 當(dāng)前偏差（Kp為比例系數(shù)）。 積分控制（I） ：累計(jì)歷史偏差，消除長(zhǎng)期誤差（如機(jī)器人持續(xù)微小偏離時(shí)逐步修正）。公式：調(diào)整量 = Ki × ∑歷史偏差（Ki為積分系數(shù)）。 微分控制（D） ：預(yù)測(cè)偏差變化趨勢(shì)，提前抑制震蕩（如機(jī)器人快速轉(zhuǎn)向時(shí)防止過(guò)沖）。公式：調(diào)整量 = Kd × 偏差變化率（Kd為微分系數(shù)）。4、生物仿生學(xué)與機(jī)器人設(shè)計(jì)——自然界的反饋智慧。生物體的反饋機(jī)制為機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了靈感來(lái)源。人類行走的平衡反饋：內(nèi)耳前庭系統(tǒng)：感知頭部?jī)A斜角度，通過(guò)小腦協(xié)調(diào)肌肉收縮，維持身體平衡。仿生移植：機(jī)器人搭載陀螺儀和加速度傳感器，模擬前庭功能，實(shí)時(shí)調(diào)整重心。蝙蝠超聲波避障：蝙蝠通過(guò)發(fā)射超聲波并接收回聲，判斷障礙物距離和方位。機(jī)器人應(yīng)用：無(wú)人機(jī)利用超聲波或激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)自主避障，原理與蝙蝠回聲定位一致。四、小結(jié)與評(píng)價(jià)1、單元拓展掌握了反饋原理，我們就能利用它解釋生活中的場(chǎng)景。嘗試分析人類保護(hù)野生動(dòng)物的行為蘊(yùn)含了什么反饋原理。 2、單元閱讀（1）汽車行駛過(guò)程中的反饋 汽車行駛中的控制反饋系統(tǒng)通過(guò)多維度交互保障駕駛安全與舒適：方向盤傳遞轉(zhuǎn)向狀態(tài)與路面信息（如顛簸感、材質(zhì)差異），同時(shí)提供合理阻尼確保方向穩(wěn)定性；剎車踏板聯(lián)動(dòng)車身動(dòng)態(tài)反饋減速過(guò)程，油門踏板精準(zhǔn)響應(yīng)動(dòng)力輸出；儀表盤實(shí)時(shí)顯示車速、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)。各系統(tǒng)協(xié)同工作，使駕駛員高效感知車輛狀態(tài)并做出調(diào)整，提升行車安全性和操控體驗(yàn)。汽車在行駛過(guò)程中的控制反饋通過(guò)多個(gè)系統(tǒng)共同作用實(shí)現(xiàn)。(詳細(xì)內(nèi)容見教材p15頁(yè)）（2）社交媒體算法中的反饋 社交媒體算法通過(guò)多維反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)內(nèi)容推送：基于用戶點(diǎn)贊、關(guān)注等行為構(gòu)建興趣標(biāo)簽，完善個(gè)人畫像；分析社交網(wǎng)絡(luò)中的互動(dòng)頻率及興趣相似性，識(shí)別強(qiáng)關(guān)聯(lián)用戶群體；利用行為預(yù)測(cè)模型預(yù)判用戶點(diǎn)擊偏好，提前匹配相關(guān)內(nèi)容；結(jié)合地理位置、年齡等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)廣告精準(zhǔn)投放。算法通過(guò)持續(xù)學(xué)習(xí)用戶交互反饋，動(dòng)態(tài)優(yōu)化推薦策略，在提升用戶粘性的同時(shí)創(chuàng)造商業(yè)價(jià)值，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)容生態(tài)閉環(huán),不斷地學(xué)習(xí)和加以調(diào)整，為用戶提供更滿意的社交體驗(yàn)。（詳細(xì)內(nèi)容見教材p16頁(yè)） 3、單元評(píng)價(jià)（1）完成教材27—28頁(yè)相關(guān)單元練習(xí)。（2）學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)請(qǐng)從反饋的原理、反饋的偏差計(jì)算、反饋的類型、反饋的作用及小組合作等方面，評(píng)價(jià)本單元的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。 4、單元總結(jié)本單元我們利用反饋原理，搭建了機(jī)器人并編寫機(jī)器人行走程序，幫助小智實(shí)現(xiàn)了參加學(xué)校機(jī)器人比賽的愿望。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，我們了解了反饋通過(guò)環(huán)路實(shí)現(xiàn)，理解了反饋的原理和類型，認(rèn)識(shí)到反饋原理對(duì)于機(jī)器人行走系統(tǒng)的重要性。我們不僅鍛煉了實(shí)踐能力，同時(shí)也建立了從反饋角度分析和解決問題的意識(shí)。 設(shè)計(jì)機(jī)器人并搭建。學(xué)習(xí)核心結(jié)論。完成機(jī)器人控制程序。完成測(cè)試機(jī)器人的體驗(yàn)和學(xué)習(xí)。完成課堂練習(xí)。進(jìn)行課外知識(shí)拓展。 思考機(jī)器人包含哪些主要硬件模塊，鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和思考能力。進(jìn)行內(nèi)容總結(jié)性學(xué)習(xí)。培養(yǎng)學(xué)生思考能力和實(shí)際動(dòng)手能力，提高學(xué)生的注意力和課堂參與度。引導(dǎo)學(xué)生思考，加深所學(xué)知識(shí)內(nèi)容。在課堂練習(xí)中強(qiáng)化所學(xué)知識(shí)內(nèi)容。拓寬學(xué)生知識(shí)面。
課堂小結(jié) 反饋助力機(jī)器人搭建1、進(jìn)行新知引入2、設(shè)計(jì)機(jī)器人3、編寫機(jī)器人控制程序4、測(cè)試機(jī)器人5、完成課堂練習(xí)6、進(jìn)行知識(shí)拓展 總結(jié)回顧 對(duì)本節(jié)課內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)概括。
課后作業(yè) 1、舉例說(shuō)明生活中的一個(gè)負(fù)反饋現(xiàn)象。 布置作業(yè) 拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)能力
課堂板書 觀看板書 強(qiáng)調(diào)教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容。
21世紀(jì)教育網(wǎng) www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁(yè) （共 2 頁(yè)）
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