乐高MINDSTORMS头脑风暴EV3机器人核心套装

搭建自主机器人探测器

设计和搭建一个机器人系统,并对其进行编程,使其沿路径移动并在此过程中至少发送两次自身的位置信息。

120+分钟
中级
年级 9-12
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课程计划

课前准备

  • 通读教师教学材料。
  • 可根据教学需要使用 EV3 Lab 软件或 EV3 机器人编程 App 应用程序中的入门教学材料来设计课程。这将有助于学生熟悉乐高教育® MINDSTORMS® 头脑风暴 EV3 机器人套装。

参与(30 分钟)

  • 结合下文“发起一次讨论”部分的提示,组织学生围绕本项目展开讨论。
  • 解释项目。
  • 将整个班级按两人一组方式进行分组。
  • 为学生预留头脑风暴的时间。

探究(30 分钟)

  • 让学生创建多个原型。
  • 鼓励学生探索搭建和编程。
  • 让每组学生搭建并测试两种方案。

解释(60 分钟)

  • 要求学生测试自己的方案,并选出最优的一个。
  • 确保学生能够创建自己的测试表。
  • 为每个团队留些时间来完成项目,并收集他们的工作记录材料。

拓展(60 分钟)

  • 给学生一些时间,让他们完成自己的最终报告。
  • 组织一次分享会,让每个团队展示他们的成果。

评估

  • 为每位学生的课堂表现提供反馈。
  • 可借助所提供的评价量表来简化此环节。

发起一次讨论

为任何科学任务而开发的探测器都具有一项共同的功能:能够收集信息,并将其发送回科学基地。多年来,人们发明了各种通信系统以满足不同需求。

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引入头脑风暴环节。

要求学生思考下列问题:

  • 什么是机器人探测器,它们用在哪里?
  • 什么样的电动机制可以用来控制机器人的运动?
  • 机器人如何沿着路径收集数据?
  • 机器人如何与科学基地通信?

鼓励学生记录最初想法,并且解释第一原型选用此方案的原因。要求学生描述:如何在整个项目进行过程中评估自己的想法。通过这种方式,他们在审核和修改过程中将会拥有评估自身方案的具体信息,并可籍此来决定方案是否有效。

拓展

语言艺术拓展

选项 1
为了引入语言艺术能力培养环节,让学生:

  • 通过书面方式、草图和/或照片等方式,对设计过程进行总结,并制作一份最终报告。
  • 制作一段演示设计过程的视频,从最初想法开始,到项目完成结束。
  • 制作一份跟他们程序相关的演示文稿。
  • 制作一份演示文稿,将他们的项目与类似系统的实际应用联系起来,并描述可以根据他们的创造而进行的新发明。

选项 2
在本节课中,学生创建了一个能够传输自身位置的自主探测器。
为了引入语言艺术能力培养环节,让学生:

  • 考虑一个处于地球偏远位置的自主式机器人探测器,并评估其对位置数据传输的需求
  • 描述此情景,并撰写一篇内容翔实的文章,评估数据集传输所带来的风险,并检查可能减少这些风险的传输方法
  • 讨论可能增加这些风险的外部因素
  • 使用数字和表格来支持他们的想法,设计控制这些外部影响的可能方法
  • 根据所提供的证据,就当前情况的总体风险得出结论

数学拓展

在本节课中,学生创建了一个能够沿路径传输自身位置的自主探测器。自主系统可以使用机器学习算法来传输其坐标和位置,如到地标的距离、到达目标的预计时间,或基于其当前位置和电池状态完成任务的可能性。
为了提高数学技能,并探索机器学习算法所使用的一种关系,请要求学生:
*通过收集数据并创建回归函数来查看线性回归,上述函数将机器人的位置数据与其到达目标的预计时间联系起来

  • 将回归函数引入程序,使自主探测器传输其位置和预计到达时间

搭建要诀

允许学生搭建下面链接中的示例。 鼓励学生探索系统工作原理,进行头脑风暴,讨论如何通过这些系统获得“设计任务”的解决方案。

大型电机和轮子
履带
颜色传感器 1
颜色传感器 2
陀螺仪传感器
触动传感器
超声波传感器

Coding Tips

评估环节

教师观察清单
可根据教学需要设定等级,例如:
1.部分完成
2.全部完成
3.超额完成

请使用下列成功完成任务的标准来评估学生的进度:

  • 学生能够识别问题的关键要素。
  • 学生能够自主开发出可行且富有创意的方案。
  • 学生能够清楚地交流他们的想法。

自我评估
当学生收集到所需的性能数据后,给他们一些时间反思自己的方案。通过提出如下问题来帮助他们:

  • 你们的方案是否符合“设计任务”的标准?
  • 你们的机器人运动的能够更精准些吗?
  • 其他人解决这个问题时采用了哪些方法?

要求学生进行头脑风暴,并记录两种能够改进他们方案的方法。

同伴反馈
推动学生进行同伴审核,由每个小组负责评价自己及其他小组的项目。此审核过程能够培养学生提供建设性反馈的能力,提升他们的分析能力和使用客观数据支持论点的能力。

职业连接

喜欢这节课的学生可能会对以下相关行业产生兴趣:

  • 商业与金融(创业学)
  • 制造与工程(工程预科)

教师支持

学生将会:

  • 运用设计流程来解决实际问题

www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201801/t20180115_324647.html
高中信息技术课程标准

人工智能初步模块

4.4 利用开源人工智能应用框架,搭建简单的人工智能应用模块,并能根据实际需要配置适当的环境、参数及自然交互方式等。

开源硬件项目设计模块

6.6 根据设计方案,利用开源硬件的设计工具或编程语言,实现作品的各种功能模块。

学生材料

以 HTML 页面或可打印的 PDF 格式下载、查看或分享学生学习单。

了解详情

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