机器人校本课程教材

前言在小学教育中，创新教育已经被提到了前所未有的高度。在小学各门学科教学之外，一种新的教学手段正为创新教育注入了新的活力，这就是机器人教育。机器人教育，为学生聪明才智的发挥提供了一个展示的好机会。通过机器人的学习活动，让学生了解掌握传感器知识，结构的搭建方法，各种部件的控制方法；引导学生逐渐形成编程的思想，掌握机器人的程序设计方法；在计算机上编写程序，然后通过计算机和机器人的通讯技术，将程序下载到机器人的微处理器上，通过观察机器人的运行情况来调试、验证、反思、改进。这里面涵盖了计算机知识、数学知识、物理知识、结构学知识等，这种多学科的综合性、合作性学习，极大地激发了学生的学习兴趣，有效地培养了学生的创新能力和综合素质能力。因此，在中小学开展机器人教育有着重要的意义。课程理念一、课程基本理论（一）机器人特色课程教学总目标（教学的三维目标）1.情感态度价值观：通过机器人课程的学习主要培养学生的兴趣爱好、提升空间、逻辑思维能力，并从中获得自我提升的价值取向。2.过程和方法：通过课程的教学，让学生从初步识别一些积木零件名称，到拼装动手组装机器，再到学习编程，再远程遥控机器人操作。3.知识和技能：通过课堂教学，让学生学会机器人的基础理论知识并能够把基础知识运用到课堂实践中来。（二）机器人特色课程教学重难点重点：组装机器零件、编辑程序。难点：在学习中如何获得自我成就感，提升空间、逻辑思维能力，并从中获得自我提升的价值取向。（三）机器人特色课程培养方向（从学生角度）1.通过机器人实践活动，激发学习兴趣，为今后的机器人学习奠定基础。2.在课堂中，加强学生合作交流，发挥团队精神，既要表现好个体的水平，也要有体现群体的意识，增强团队合作的精神。3.在机器人拼装的训练过程中，要有耐心，持之以恒，进而促进人格完善。4.了解机器人的基本理论和拼装技术，让学生多动手、多动脑、促进学生的心智健康发展。5.学习机器人为学校和特色教育添砖加瓦。目录第一课认识机器人第二课机器人的种类及其发展第三课舞蹈教学常用术语与基本功练习第四章EV3软件系统第五章机器人传动结构第六章机器人受控移动第七课使用传感器转向第八课沿线前进第九课太空挑战——激活通信第十课太空挑战——集合您的队员第一课认识机器人各国科学家对机器人的定义都有所不同，而且随着时代的变化，机器人的定义也在不断发生变化。中国的科学家们把机器人定义为：“机器人是一种自动化的机器，而且其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、协同能力等，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”一、机器人的基本的机能机器人作为一种具备一定智能的自动化机器，有如下3个基本的机能：1.对外界产生作用:人们可以用手拿东西和用脚踢球，我们可称之为动作器官。2.获取外界信息:动物可以用耳朵听见声音，蜗牛的触须碰到硬物就会收缩，我们可称之为感应器官。3.规划作业:从家里到学校通常都有几条路可以到达，同学们却通过大脑及其思维能力找到最近的一条路，我们可称之为思维器官及其思想。二、机器人构成的基本条件人类是地球上最高级、最聪明的动物，基本条件是因为人类在漫长的进化过程中不但拥有了复杂的、完美的身体结构，而且还拥有了发达的大脑。那么机器人要发展成为优秀的、高级的机器人也应该具备相应的条件条件一——机械部件正如人类的身体需由骨架和肌肉牵引才能完成一定的动作一样，机器人的身体和动作表现也是由特定的机械结构组成的。在制作机器人的时候，我们不仅可以使用课堂上提供的拼装套件，还可以选取身边随手可得的各种材料作为机器人的加工原料。例如：木板、金属板、塑料板、有机玻璃板，还有像螺丝、螺帽那样的各种各样的五金紧固件。智能机器甲虫的触须是一种感应器官六自由度机械手的手臂是一种动作器官只要我们在日常生活中留心观察身边的各种机械设备的动作，例如缝纫机、变速自行车、起重机、挖土机等等，相信一定能受到良好的启发，从而设计出能满足我们自己功能需求的机械结构。条件二——感应和动作电子部件一个真正拥有智能的机器人通常都需要具备一定的感知能力，具有感知能力的电子器件我们通常又称之为传感器，顾名思义，这类器件具备了“传”递“感”应信息到机器人的大脑的功能。和人的感觉器官——眼、耳、舌、鼻、皮肤分别对光线、声音、味道、气味、触碰、气温起感应作用一样，构成机器人的电子传感器也是按功能分类的，例如光源传感器、声音传感器、气体（煤气、烟雾）传感器、压力传感器、温度传感器等等；它们的灵敏度和感应范围甚至超越了人的感知界限，例如电子指南针、红外线传感器等。因此，在我们设计机器人的时候，应该根据设计的要求，选用合适的电子传感器件。条件三——机器人的大脑机器人的大脑可称之为RCU(robotcontrolunit),RCU就好象一台微型的家用电脑，它可以执行程序指令，并向具体动作器官发出相应的动作信息。条件四——机器人的思想智能机器人尽管具备了以上的感应、动作和大脑器官，但它们只是让智能机器人有了个躯壳，机器人的大脑（RCU）初期是完全空白的，像初生的婴儿一样。需要我们用学到的编程知识，按照我们的意图编写出特定的程序，灌输给它后才能变成真正具备智能的大脑。机器人对知识的掌握是非常快速的，而当它跟人类一样能够对外界的复杂环境进行观察、思考，然后做出反应的时候，我们的机器人就拥有真正的智能了。因此，必须学习编写机器人程序的方法，才能让我们的机器人不但拥有漂亮的躯壳，还能拥有真正的灵魂。思考：1.机器人具有那些基本的机能2.机器人构成的基本条件是什么第二课机器人的种类及其发展一、机器人的种类机器人的种类很多，分类的方法也非常多，如果按机器人的用途分，可以把它们分为工业机器人和特种机器人。工业机器人有搬运上料机器人、喷漆机器人、焊接与切割机器人、装配机器人、最后工序机器人等。特种机器人有军用或警用机器人、空间机器人、水下机器人、医用机器人、农业机器人、建筑机器人、服务机器人和娱乐机器人等。现在许多国家对学校开展早期的机器人学习非常重视，随之相应的教育机器人也出现了。积木式机器人以其自由拼装，创意无限的特点而深受同学们欢迎。机器人已成为人类的朋友。目前世界上已有数百万台机器人工作在各自的岗位上，发挥着巨大的作用。二、机器人的发展史机器人的历史并不算长,1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人,机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论,这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论.德沃尔曾于1946年发明了一种系统,可以重演所记录的机器的运动。1954年,德沃尔又获得可编程机械手专利,这种机械手臂按程序进行工作,可以根据不同的工作需要编制不同的程序,因此具有通用性和灵活性,英格伯格和德沃尔都在研究机器人,认为汽车工业最适于用机器人干活,因为是用重型机器进行工作,生产过程较为固定。1959年,英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。第一代机器人属于示教再现型,第二代则具备了感觉能力,第三代机器人是智能机器人,它不仅具有感觉能力,而且还具有独立判断和行动的能力.英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人,属于示教再现型,即人手把着机械手,把应当完成的任务做一遍,或者人用示教控制盒发出指令,让机器人的机械手臂运动,一步步完成它应当完成的各个动作.第二代是有感觉的机器人:它们对外界环境有一定感知能力,并具有听觉,视觉,触觉等功能。机器人工作时,根据感觉器官(传感器)获得的信息,灵活调整自己的工作状态,保证在适应环境的情况下完成工作，如:有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋,具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类。第三代机器人是智能机器人,它不仅具有感觉能力,而且还具有独立判断和行动的能力,并具有记忆,推理和决策的能力,因而能够完成更加复杂的动作。智能机器人不同于工业机器人的示教,再现,不同于遥控机器人的主—从操纵,而是以一种认知—适应的方式自律地进行操作。智能机器人在发生故障时,通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位,并能自我修复。三、机器人的未来:1.机器人会越来越小目前各国的研究现状而言,表明微型机器人大多还处于实验室或原型开发阶段,但可以预见,将来微型机器人将广泛出现。由德国工程师莱纳尔·格茨恩发明的微型机器人,可直接由针头注射进入人体血管,尿道,胆囊或肾脏。它依靠微型磁铁驱动器前进,由医生通过遥控器指挥,既可用于疾病诊断,也可用于如动脉硬化,胆结石等管腔阻塞类疾病治疗，还能听从医生指挥,将药物直接送达到需要医治的患病器官,以取得更好的治疗效果，当这种微型机器人工作完成后,医生便可以像抽血那样用针头将它抽出来。未来,将会有可以进入人体血液循环系统的功能齐全的医用微型机器人,能进入工业上的小管道甚或裂缝,进行检测与维护的工业用微型机器人,以及各种微型传感器,微型机电产品,如掌上电视等.在军事上,将有小如昆虫的飞行器,用于侦察敌情;装有自动驾驶系统,能在海底航行数年的微型潜艇……2.机器人会越来越聪明现在的智能机器人,它的智力最高也只相当于两三岁幼儿的智力水平。在将来,高智能的机器人将越来越多,其智力水平也一定会不断提高,慢慢地达到七八岁,十几岁少年甚至青年人的智力水平。也许在将来的某一天,就如同1996年世界国际象棋冠军卡斯帕罗夫输给了计算机深蓝一样,我们会看到世界顶尖级的球员组成的超级联队也对付不了的机器人球队。思考：1.机器人的发展经历了什么变化2.设想未来机器人的发展会是什么样的。第三课EV3硬件系统一、EV3控制器显示屏可显示EV3程序块内部进程，您能够通过程序块界面进行操控。您还可以在编程或实验时增加文本、数值或图形。例如，您可以设计让显示屏显示一张笑脸或苦瓜脸作为对比反应，或是显示一个通过数学计算得到的结果数字(在EV3软件帮助中，您会了解更多关于如何使用显示屏的信息)。程序块按钮可引导您进人EV3程序块界面。这些按钮还可被用作可编程激活器。例如，您可以编制程序按压“向上”按钮，机器人抬起胳膊;按压“向下”按钮，机器人放下胳膊。二、EV3电机大型电机大型电机是一个强大的“智能”电机。它有一个内置转速传感器，分辨率为1度，可实现精确控制。大型电机经过优化可成为机器人的基础驱动力。通过使用EV3软件中的“移动转向”或“坦克式移动”编程模块，大型电机可以同时协调动作。中型电机中型电机也包含一个内置转速传感器(分辨率为1度)，但是它比大型电机更小更轻。这意味着它比大型电机反应更迅速。中型电机可以被编程为开启或关闭，控制功率等级或运行特定时间或进行指定数量的旋转。两种电机的比较:+大型电机每分钟转速为160-170转，旋转扭矩为20Ncm,失速扭矩为40Ncm(更低但更强劲)。大型电机中型电机+中型电机每分钟转速为240-250转，旋转扭矩为8Ncm,失速扭矩为12Ncm(更快但弱一些)。+两种电机都支持自动识别。三、EV3连接技术连接传感器和电机要使电机和传感器运行，必须将其连接到EV3程序块。使用黑色扁平连接电缆，通过输人端口1、2、3和4将传感器连接到EV3程序块。如果编程时EV3程序块没有连接到计算机，软件会将传感器分配到默认端口。这些默认端口分配为:+端口1:触动传感器+端口2:陀螺仪传感器1温度传感器+端口3:颜色传感器+端口4:超声波传感器/红外传感器如果编程时EV3程序块已连接到计算机，软件会自动为每个传感器或电机指定端口。使用黑色扁平连接电缆，通过输出端口A、B、C和D将电机连接到EV3程序块。和传感器一样，当您编程时，如果EV3程序块没有连接到计算机，每个电机将会被分配到默认端口。默认端口分配为:+端口A中型电机+端口B和C两个大型电机+端口D大型电机如果编程时EV3程序块已连接到计算机，软件会在您的程序里自动分配正确端口。四、EV3控制界面程序块应用程序EV3程序块带有五个预先安装的程序块应用程序。此外，您也可以在EV3软件中创建自己的应用程序。将其下载到EV3程序块后，自制的应用程序会在此处显示。五个预先安装的应用程序如下:端口视图在端口视图的第一个屏幕上，您将会立刻看到哪些端口连接有传感器或电机。使用EV3程序