2019-2020年小學(xué)信息技術(shù)第三冊 學(xué)生機器人行走1選修教案 蘇科版.doc

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2019-2020年小學(xué)信息技術(shù)第三冊 學(xué)生機器人行走1選修教案 蘇科版 ［教學(xué)目的與要求］ 1.認(rèn)識和了解機器人直流電機的工作原理。 2.學(xué)會編寫機器人前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎的程序。 3.學(xué)會編譯、下載程序。 4.以學(xué)生自學(xué)、合作學(xué)習(xí)的方式完成編寫機器人行走程序。 5.讓學(xué)生學(xué)會觀察、交流體會。 6.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、探索精神。 7.讓學(xué)生在解決問題的過程中體會成功的快樂。 8.利用所學(xué)的機器人知識解決現(xiàn)實生活中的應(yīng)用問題。 ［課時安排］ 建議安排1課時。 ［教學(xué)重點與難點］ 1.重點：機器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎程序。 2.難點：機器人左右轉(zhuǎn)彎，將程序?qū)懭霗C器人。 ［教材分析與教法建議］ 1．教材的地位與作用 本課是學(xué)生第一次學(xué)習(xí)通過編寫程序控制機器人的動作，對后面的學(xué)習(xí)有著良好的引導(dǎo)作用。開始可以讓學(xué)生回憶前面學(xué)習(xí)的機器人知識，然后引入到怎樣讓機器人動起來，指揮機器人完成指定的動作，引入本課的學(xué)習(xí)。也可以播放有關(guān)機器人比賽的錄像，讓學(xué)生欣賞，再引入本課的內(nèi)容。 本課重點讓學(xué)生學(xué)會“直流電機”控件的編程，明白“正轉(zhuǎn)”、“反轉(zhuǎn)”、“停止”的含義，特別是設(shè)置延時時，要盡可能多些，便于學(xué)生在調(diào)試機器人時能準(zhǔn)確觀察到機器人的執(zhí)行步驟。教材中給出了機器人右轉(zhuǎn)彎的程序，讓學(xué)生探究出讓機器人左轉(zhuǎn)彎的方法。 在學(xué)生編好程序后，先編譯然后打開機器人的電源進(jìn)行下載，特別要注意與機器人的通信方式，是串口通信還是USB口通信。在調(diào)試的過程中，如果機器人沒有按照程序去執(zhí)行動作，請學(xué)生再次檢查程序是否正確，并檢查機器人各端口的連接線是否連接正確。 2．教學(xué)方法指導(dǎo) 任務(wù)驅(qū)動法、自主探究法。 ［參考資料］ 直流電機是一種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置。直流電機有多種不同尺寸和配置。圖1所示為一些常見的小型直流電機，它們非常適合用來控制小型移動機器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動作。 圖1 幾種DC電機的照片 直流電機工作時需要給電機轉(zhuǎn)子上的線圈通電。電流在線圈中流動便產(chǎn)生一個磁場，該磁場與線圈外固定的永久磁鐵產(chǎn)生的磁場相斥。這兩個磁場相互作用產(chǎn)生的力可推動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 用于描述電機電源要求和電機性能的參數(shù)有很多。其中，最基本的一個就是他的工作電壓（額定電壓），該電壓是驅(qū)動電機推薦使用的電壓。當(dāng)實際電壓低于額定電壓時，大多數(shù)電機仍可以正常工作，但輸出功率要減小。另外，大多數(shù)廠家給出的電機額定電壓都比較保守，所以當(dāng)實際電壓高于額定電壓時，電機一般也可以正常工作，但通過這種方法獲得輸出功率增加是以犧牲電機壽命為代價的。 電機的另一個性能參數(shù)是工作電流。電壓恒定時，電機上的電流與它的輸出功率成正比。當(dāng)空載運行時，電機的電流最小；當(dāng)負(fù)載增大到使電機堵轉(zhuǎn)的程度時，電機上的電流最大，該電流被稱為電機的堵轉(zhuǎn)電流，它也是電機在額定電壓下的最大工作電流。 通過電機的電流越大，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力（或轉(zhuǎn)矩）就越大，這是電機轉(zhuǎn)子線圈與周圍永久磁鐵之間電磁場相互作用的直接結(jié)果。線圈中產(chǎn)生的磁場強度與通過它的電流大小成正比，而電機輸出軸上的轉(zhuǎn)矩與兩個磁場的強度直接相關(guān)。 評價電機性能的另一個參數(shù)是它的賭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。這個轉(zhuǎn)矩是指電機在額定電壓下，被迫賭轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小，此時電機上的電流即為賭轉(zhuǎn)電流。對小電機而言，轉(zhuǎn)矩通常以盎司-英寸（1盎司=28.35克）為單位衡量（即距離電機轉(zhuǎn)軸中心為一英寸的力臂上所產(chǎn)生的直線里大?。?。 電機所提供的功率大小等于輸出軸的轉(zhuǎn)速與力矩的乘積。當(dāng)電機自由轉(zhuǎn)動時（空載狀態(tài)），輸出軸轉(zhuǎn)速最大，但轉(zhuǎn)矩為零，此時電機不驅(qū)動任何機構(gòu)，因此輸出功率為零（實際上電機也會消耗一部分功率克服內(nèi)部摩擦，但這種功率不產(chǎn)生任何輸出作用）；當(dāng)電機賭轉(zhuǎn)時，輸出最大的轉(zhuǎn)矩，但轉(zhuǎn)速為零，因此輸出功率也等于零。在兩種極限情況之間，輸出功率與轉(zhuǎn)速間呈一種拋物線的關(guān)系，如圖2所示。在其正常工作范圍的中部，電機產(chǎn)生的功率最大。 圖中實線表示電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。在該直線的右側(cè)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大（100%），而轉(zhuǎn)矩為零，這一點代表了電機空轉(zhuǎn)，沒有做任何有用功的情況。而在直線的左側(cè)，轉(zhuǎn)速為零，但轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，這一點代表了電機因負(fù)載太大而賭轉(zhuǎn)的情況。圖中虛線表示電機的功率輸出，它等于電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積。輸出功率的最大值位于電機正常工作范圍的中點，此時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都不為零。 圖2 電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及輸出功率之間的理想曲線 附送： 2019-2020年小學(xué)信息技術(shù)第三冊 學(xué)生機器人跳舞1選修教案 蘇科版 ［教學(xué)目的與要求］ 1.認(rèn)識伺服電機，了解伺服電機的組成結(jié)構(gòu)。 2.了解伺服電機的工作原理。 3.學(xué)會編寫控制伺服電機的程序。 4.以學(xué)生自主探究、合作學(xué)習(xí)為主，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、探索精神。 5.讓學(xué)生在解決問題的過程中體會成功的快樂。 6.利用所學(xué)的機器人知識解決現(xiàn)實生活中的應(yīng)用問題。 ［課時安排］ 建議安排1課時。 ［教學(xué)重點與難點］ 1.重點：學(xué)會編寫控制伺服電機的程序。 2.難點：計數(shù)循環(huán)控件的設(shè)置，學(xué)會編寫控制伺服電機的程序。 ［教材分析與教法建議］ 1．教材的地位與作用 本課的重點是學(xué)習(xí)機器人的伺服電機的轉(zhuǎn)角設(shè)置?？梢韵茸寣W(xué)生觀察伺服電機的物理結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生了解伺服電機的工作原理，并比較與直流電機有什么不同之處。 本課介紹了計數(shù)循環(huán)控件，教師要向?qū)W生講解計數(shù)循環(huán)控件的作用，并提醒學(xué)生注意它有兩個圖標(biāo)，中間的程序會按照計數(shù)循環(huán)控件設(shè)置的次數(shù)重復(fù)執(zhí)行。伺服電機是按照角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，最大的值為180度。 在新授內(nèi)容之后，可以安排學(xué)生將前面所學(xué)的直流電機知識結(jié)合起來，讓學(xué)生編寫邊行走邊跳舞的機器人程序。 2．教學(xué)方法指導(dǎo) 本課可以采用自主學(xué)習(xí)探究法、任務(wù)驅(qū)動法，強調(diào)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)。 ［參考資料］ 伺服電機是一種能根據(jù)指令到達(dá)特定位置的專用電機。伺服電機由一個直流電機、一個齒輪減速單元、一個軸位置傳感器和一套控制電機運轉(zhuǎn)的電路組成。“伺服”一詞本身是指系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)其行為能力，也就是說，系統(tǒng)在響應(yīng)控制信號時，能夠檢測自身位置并補償外加的負(fù)載。 伺服電機 伺服電機主要用在定位控制方面，因此它們輸出軸的行程往往限制在180左右。伺服電機的輸入信號是控制輸出軸到達(dá)期望角位移的一串波形。伺服電路的功能是測量當(dāng)前位置并確定它與期望位置的差異。如果有差異存在，伺服電路就會驅(qū)動伺服電機使輸出軸達(dá)到期望位置。下圖所示為伺服電機的工作原理。 伺服電機工作原理圖 伺服電機接收一個代表輸出軸期望位置的輸入信號。伺服控制電路將輸入信號與代表輸出軸實際位置的反饋信號進(jìn)行比較，并得到一個“誤差”信號去控制電機驅(qū)動電路驅(qū)動電機。伺服電機上都有一個內(nèi)置的齒輪減速器，它的輸出才是電機的最終輸出。位置傳感器返回代表實際位置的反饋信號。 伺服控制信號 我們的伺服電機采用標(biāo)準(zhǔn)的三線接口，包括電源線、地線和控制線?？刂凭€采用PWM機制對位置信號進(jìn)行編碼。伺服PWM不同于DC齒輪減速電機的速度控制PWM。在速度控制PWM方法中，占空比（即“ON時間”所占的百分比）決定了電機的速度。而在伺服PWM機制中，脈寬的寬度只代表一個特定的控制值。 下圖所示為三種控制伺服電機的PWM波形。波形寬度范圍從920us到2120us不等。每種脈沖的時間寬度對應(yīng)于伺服電機將要達(dá)到的特定角位移。例如，中間波形的脈沖寬度為1520us，它代表伺服電機行程范圍的中間位置。 伺服電機脈沖寬度定位波形 正脈沖的寬度決定了伺服電機的期望位置。對于我們使用的伺服電機有效的脈沖寬度范圍從920us到2120us，行程中間位置對應(yīng)的脈沖寬度為1520us。