資源簡介

(共36張PPT)
第5單元 第4課
反饋助力機器人搭建
（黔教版）六年級
下
1
核心素養(yǎng)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(yè)
8
01
核心素養(yǎng)目標
信息意識
計算思維
數(shù)字化學習與創(chuàng)新
信息社會責任
在機器人測試中遵守操作規(guī)范，理解正反饋可能引發(fā)的失控風險，樹立技術服務于社會的責任感。
利用編程工具編寫控制程序，通過傳感器數(shù)據(jù)反饋測試機器人行走狀態(tài)，培養(yǎng)數(shù)字化工具應用與迭代創(chuàng)新能力。
運用模塊化思想分解機器人功能，理解反饋環(huán)路中"目標值-偏差-調(diào)整"的邏輯關系，提升系統(tǒng)化解決問題的思維能力。
通過觀察機器人行走的反饋信息，分析偏差變化規(guī)律，初步感知反饋對系統(tǒng)優(yōu)化的作用，培養(yǎng)主動識別和利用反饋信息的敏感度。
02
新知導入
活動背景
參加行走競賽的機器人只有行走得又快又穩(wěn)，才能取得好成績。利用系統(tǒng)的反饋知識，可以幫助我們測試和優(yōu)化機器人。
我想搭建一個機器人參加機器人比賽。
反饋一定能幫助你，我們一起動手制作吧!
02
新知導入
03
新知講解
1、搭建機器人，要先考慮好機器人的功能。根據(jù)功能設計，進一步思考機器人包含哪些主要硬件模塊。請?zhí)顚懕?-4-1，完成機器人的設計。
活動：設計機器人
03
新知講解
序號 主要功能 硬件模塊名稱
控制功能 主控板、遙控器
感知賽道功能 傳感器
1
3
4
表 5-4-1 機器人設計
2
執(zhí)行移動功能
馬達、輪子/舵機
供電功能
電池、電源模塊
03
新知講解
核心結論
反饋機制通過正負調(diào)節(jié)動態(tài)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定性，在機器人行走控制中形成閉環(huán)優(yōu)化，借助傳感器數(shù)據(jù)實時監(jiān)測偏差并調(diào)整動作，培養(yǎng)系統(tǒng)思維、邏輯分析及技術倫理意識。
03
新知講解
能沿著道路行走的機器人有很多，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。
拓展閱讀
03
新知講解
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，我們可以采用模塊化思想，按照功能模塊進行編寫。嘗試將算法的自然語言描述填入表 5-4-2。
活動：編寫機器人控制程序
03
新知講解
序號 軟件模塊功能 算法的自然語言描述
道路信息輸入 (1)初始化傳感器
(2)讀取傳感器數(shù)據(jù)
目標值設定 (1)計算機器人與道路邊緣距離
(2)設定距離為目標值
偏差計算 (1)獲取當前距離
(2)計算與目標值差值，判斷方向
動作調(diào)整 (1)按偏差調(diào)整馬達/轉(zhuǎn)向
(2)循環(huán)調(diào)整至偏差趨零
表 5-4-2 機器人各模塊功能及算法描述
03
新知講解
二、正反饋中偏差越來越大
活動：測試機器人
在測試機器人時，機器人的穩(wěn)固程度、行走速度、行走方向等都是重要的測試點。利用反饋的相關知識，設計測試方法，記錄測試結果，并填入表5-4-3。
03
新知講解
序號 測試點 測試方法 測試結果
行走方向 (1)沿直線行走能力的測試 (2)在拐角處轉(zhuǎn)彎能力的測試 記錄軌跡
行走速度 (1)設定不同速度檔位 (2)不平地面速度穩(wěn)定性測試 速度達標值
轉(zhuǎn)彎 (1)90度/180度轉(zhuǎn)向精準度 (2)連續(xù)急轉(zhuǎn)彎響應測試 轉(zhuǎn)向角度
反饋控制 (1)模擬偏移后自動修正能力 (2)突發(fā)障礙物干擾糾偏測試 糾偏耗時
表5-4-3 機器人的測試計劃
03
新知講解
在機器人搭建任務中，我們需要根據(jù)機器人系統(tǒng)的需求，設計機器人的功能和結構，然后完成硬件組裝。接下來，按功能模塊編寫計算機程序控制機器人的行走。最后，利用反饋對機器人進行全面的測試，讓機器人走得更快、更穩(wěn)。機器人功能的實現(xiàn)需要反饋原理的幫助，其中目標值設定、偏差計算至關重要。
04
課堂練習
一、選擇題
1、 機器人的主控板屬于哪個功能模塊？（ ）。
A. 感知功能模塊 B. 行走功能模塊
C. 控制功能模塊 D. 電源功能模塊
2、測試機器人行走方向時，以下哪種方法是正確的？（ ）。
A. 僅測試直線行走能力
B. 僅測試拐角處轉(zhuǎn)彎能力
C. 同時測試直線行走和拐角轉(zhuǎn)彎能力
D. 無需測試方向，直接比賽
C
C
04
課堂練習
3、反饋在機器人行走中的作用是( ) 。
A. 加快機器人行走速度 B. 幫助機器人調(diào)整位置和速度，保持穩(wěn)定
C. 直接控制機器人外觀設計 D. 僅用于檢測電池電量
4、程序編寫的模塊化思想是指( )。
A. 將所有功能寫在一個程序中
B. 按功能分模塊編寫，便于調(diào)試和修改
C. 只編寫核心功能，忽略其他模塊
D. 使用復雜的代碼提高運行效率
B
B
04
課堂練習
二、判斷題
1、正反饋可以幫助機器人穩(wěn)定行走。（ ）
2、測試機器人時只需關注行走速度，無需測試轉(zhuǎn)彎能力。（ ）
3、偏差計算是反饋過程中調(diào)整機器人動作的關鍵。 （ ）
√
√
X
三、操作題
設計機器人避障功能的自然語言描述算法，要求包含傳感器初始化和方向調(diào)整步驟。
04
課堂練習
初始化超聲波避障傳感器。
持續(xù)檢測前方障礙物的距離。
如果檢測到障礙物距離小于30厘米，停止前進。
控制機器人向左轉(zhuǎn)90度，避開障礙物。
繼續(xù)沿新方向前進。
05
拓展延伸
工程學中的冗余設計——提升機器人可靠性
冗余設計是工程領域應對不確定性的重要策略，可增強機器人系統(tǒng)的容錯能力。
傳感器冗余：多傳感器融合：例如，機器人同時使用紅外傳感器和攝像頭檢測障礙物，避免單一傳感器受環(huán)境干擾（如強光導致紅外失效）。
數(shù)據(jù)交叉驗證：當不同傳感器數(shù)據(jù)沖突時，采用投票算法或加權平均法選擇可信結果。
硬件冗余：雙電機驅(qū)動：若一個電機故障，另一個仍可維持基本功能。
備用電源：主電池耗盡時，備用電池保障緊急制動或求救信號發(fā)送。
05
拓展延伸
跨學科聯(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)能夠自動保持設定的車速行駛，無需駕駛員持續(xù)踩油門。請分析這一系統(tǒng)與機器人沿賽道行走的反饋原理有何相似之處？結合具體例子說明反饋如何幫助系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
(1) 相似性
兩者均通過傳感器監(jiān)測輸出 （車速傳感器監(jiān)測實際車速/機器人傳感器監(jiān)測位置），將實時數(shù)據(jù)與預設目標 （設定車速/賽道標志線位置）對比，計算偏差（車速差/位置偏移）。
05
拓展延伸
跨學科聯(lián)系：物理與反饋——汽車巡航定速系統(tǒng)
(2)反饋調(diào)節(jié)
當實際車速低于設定值時，系統(tǒng)會增大油門；機器人檢測到偏離賽道時，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向角度，縮小偏差。
(3)穩(wěn)定機制
通過負反饋循環(huán)不斷修正偏差，最終使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定在目標值附近。
(4)思考延伸
如果汽車在爬坡時開啟巡航定速，系統(tǒng)會如何調(diào)整？這對機器人爬坡設計有何啟發(fā)？
05
拓展延伸
數(shù)學中的反饋控制——比例積分微分（PID）算法
機器人精準控制離不開數(shù)學模型的支撐，PID算法是經(jīng)典控制理論的核心。
比例控制（P） ：根據(jù)當前偏差大小直接調(diào)整輸出（如機器人轉(zhuǎn)向角度與位置偏差成正比）。公式：調(diào)整量 = Kp × 當前偏差（Kp為比例系數(shù)）。
積分控制（I） ：累計歷史偏差，消除長期誤差（如機器人持續(xù)微小偏離時逐步修正）。公式：調(diào)整量 = Ki × ∑歷史偏差（Ki為積分系數(shù)）。
微分控制（D） ：預測偏差變化趨勢，提前抑制震蕩（如機器人快速轉(zhuǎn)向時防止過沖）。公式：調(diào)整量 = Kd × 偏差變化率（Kd為微分系數(shù)）。
05
拓展延伸
生物仿生學與機器人設計——自然界的反饋智慧
生物體的反饋機制為機器人設計提供了靈感來源。
人類行走的平衡反饋：內(nèi)耳前庭系統(tǒng)：感知頭部傾斜角度，通過小腦協(xié)調(diào)肌肉收縮，維持身體平衡。仿生移植：機器人搭載陀螺儀和加速度傳感器，模擬前庭功能，實時調(diào)整重心。
蝙蝠超聲波避障：蝙蝠通過發(fā)射超聲波并接收回聲，判斷障礙物距離和方位。
機器人應用：無人機利用超聲波或激光雷達實現(xiàn)自主避障，原理與蝙蝠回聲定位一致。
06
小結與評價
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景。嘗試分析人類保護野生動物的行為蘊含了什么反饋原理。
06
小結與評價
單元閱讀
汽車行駛過程中的反饋
汽車行駛中的控制反饋系統(tǒng)通過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），同時提供合理阻尼確保方向穩(wěn)定性；剎車踏板聯(lián)動車身動態(tài)反饋減速過程，油門踏板精準響應動力輸出；儀表盤實時顯示車速、轉(zhuǎn)速等關鍵參數(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。汽車在行駛過程中的控制反饋通過多個系統(tǒng)共同作用實現(xiàn)。
(詳細內(nèi)容見教材p15頁）
06
小結與評價
單元閱讀
社交媒體算法中的反饋
社交媒體算法通過多維反饋機制實現(xiàn)精準內(nèi)容推送：基于用戶點贊、關注等行為構建興趣標簽，完善個人畫像；分析社交網(wǎng)絡中的互動頻率及興趣相似性，識別強關聯(lián)用戶群體；利用行為預測模型預判用戶點擊偏好，提前匹配相關內(nèi)容；結合地理位置、年齡等數(shù)據(jù)實現(xiàn)廣告精準投放。算法通過持續(xù)學習用戶交互反饋，動態(tài)優(yōu)化推薦策略，在提升用戶粘性的同時創(chuàng)造商業(yè)價值，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動的內(nèi)容生態(tài)閉環(huán),不斷的學習和加以調(diào)整，為用戶提供更滿意的社交體驗。
（詳細內(nèi)容見教材p16頁）
06
小結與評價
單元評價
單元練習
1.“負反饋的作用是縮小偏差，從而離設定的目標越來越近，所以偏差縮小得越快越好。”這種說法對嗎 為什么
不完全正確。
負反饋就像“自動修正器”，幫助系統(tǒng)慢慢調(diào)整到目標狀態(tài)（比如保持房間溫度穩(wěn)定）。但如果修正得太快，反而可能“調(diào)過頭”——比如調(diào)節(jié)空調(diào)溫度時，如果一下子開太大冷風，房間可能會過冷，系統(tǒng)又得再加熱，導致溫度反復波動。因此， 穩(wěn)定調(diào)整比快速調(diào)整更重要。
06
小結與評價
單元評價
2.“正反饋讓系統(tǒng)越來越不穩(wěn)定，所以正反饋一定都是有害的。”這種說法對嗎 為什么
不對。
正反饋雖然會放大變化（比如鼓掌時掌聲越來越大），但它在生活中很有用！例如：學習中的進步：當你被表揚后更有動力，成績越來越好，這就是正反饋的積極作用。緊急情況：遇到危險時，身體快速分泌腎上腺素幫你逃跑，這也是正反饋的功勞。所以， 正反饋用對地方，就能發(fā)揮好作用！
06
小結與評價
單元評價
學習評價
請從反饋的原理、反饋的偏差計算、反饋的類型、反饋的作用及小組合作等方面，評價本單元的學習表現(xiàn)。
06
小結與評價
單元總結
本單元我們利用反饋原理，搭建了機器人并編寫機器人行走程序，幫助小智實現(xiàn)了參加學校機器人比賽的愿望。在學習過程中，我們了解了反饋通過環(huán)路實現(xiàn)，理解了反饋的原理和類型，認識到反饋原理對于機器人行走系統(tǒng)的重要性。我們不僅鍛煉了實踐能力，同時也建立了從反饋角度分析和解決問題的意識。
07
課堂總結
1
進行新知引入
反饋助力機器人搭建
2
設計機器人
3
編寫機器人控制程序
4
完成課題練習
5
進行相關知識拓展
1
2
3
5
6
4
4
測試機器人
08
板書設計
反饋助力機器人搭建
1、進行新知引入
2、設計機器人
3、編寫機器人控制程序
4、測試機器人
4、完成課堂練習
5、進行知識拓展
課后作業(yè)。
1、舉例說明生活中一個負反饋現(xiàn)象。
09
課后作業(yè)
1、機器人沿黑線行走的反饋控制。
例子描述：小明的機器人需要沿著操場上的黑色軌跡線行走。機器人底部裝有兩個灰度傳感器（左、右），當檢測到黑色時輸出高電平，白色時輸出低電平。主控板根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)控制左右輪電機轉(zhuǎn)速。
問題：機器人向左偏出黑線時，左右傳感器會檢測到什么信號？
主控板應如何調(diào)整電機轉(zhuǎn)速使機器人回到黑線上？
這個過程中體現(xiàn)了哪種反饋類型？為什么？
09
課后作業(yè)
傳感器信號分析：當機器人向左偏時
左傳感器移到黑線外（白色區(qū)域）→ 輸出低電平。
右傳感器仍在黑線上 → 輸出高電平。
控制策略：主控板發(fā)現(xiàn)左低右高，判斷機器人左偏。
調(diào)整電機：右輪減速 （或停止）；左輪加速。
機器人向右轉(zhuǎn)彎，逐漸回到黑線中心。
反饋類型：負反饋。
原因：偏差（偏離黑線的距離）通過傳感器實時反饋給控制器。
控制器調(diào)整動作減小偏差 （回到黑線）。
系統(tǒng)最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)（沿黑線直行）。
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