《阳光之旅》教学参考(NXT版).pdf

阳光之旅 NXT 前言前言 阳光之旅由 12 个活动内容组成，由浅入深。每个活动内容为 2 小时最佳，所以进行完所有活动需要 24 小时。活动为 NXT 机器人入门级别课程，无需机器人基础，但是最好在之前有过乐高设计搭建的相关基础。阳光之旅中的活动通过游戏和比赛的形式来让学生认识和体验机器人的搭建与编程。因为是机器人的入门课程，因此编程的部分会从最初期的 NXT 自带内置编程一直延续到 MINDSTORM NXT 的基础版面学习，从而让学生了解机器人的定义并初步学会设计与控制机器人完成指定的目标。这本教学参考是提供给上阳光之旅活动的老师的。只是活动的说明，不是教案。联系：展开活动，引导孩子们自己去联系，引导他们的思维兴趣进入活动。建构：初步的常识。Building：教参中提供了除搭建卡以外的几种搭建方法。对孩子们来说，搭建不是唯一的。Program：孩子们根据搭建尝试编写程序，再调试，反复修改自己的程序。不同的孩子，不一样的模型，所以程序也不是唯一的，但是程序的物理过程的建构方式是大致相同的。反思：对初步建构所出现的问题思考，进一步改进。延续：以挑战的形式提出，每个孩子都基本能完成最低的挑战，每个孩子在挑战中都是成功的。1 2 课程目录课程目录 序号序号 课程名称课程名称 课程目标课程目标 页码页码 1 登高比赛 认识和学会 NXT 的基本操作，理解输入和输出，初步使用内置编程；知道齿轮传动与力量的关系。4 2 避开障碍 了解超声波传感器的工作原理，学会利用它实现避障功能；熟练掌握 NXT 内置编程。8 3 准点到达 认识 MINDSTORMS NXT 编程界面，理解时间的参数意义；理解机器人控制的意义。11 4 快速行走 使用双马达控制小车，理解分离轴；知道什么是速度，探索影响速度的因素；认识触动传感器。16 5 最漂亮的圆 知道小车如何转弯，理解差速原理；理解圆和半径的含义以及相互之间的关系。20 6 美丽的多边形 理解多步骤任务的动作；理解什么是循环，学会使用循环编程模块。25 7 悬崖勒马 认识光电传感器的工作原理，知道什么是光值；学会使用光感来解决问题。29 8 寻找古城堡出口 加强练习触动传感器并能灵活使用；运用循环模块来解决实际问题。33 9 寻找阳光 学会多步骤来分析问题；学会反复调试程序；运用直线、转弯等物理动作。37 10 修理站 继续利用多步骤来分析解决问题；使机器人熟练完成直线、转弯等物理动作。40 11 沿轨迹行走 知道如何使用光感来让小车沿轨迹行走；理解沿轨迹行走的物理过程；会编写让机器人沿轨迹行走的程序。43 12 阳光舞蹈 发挥学生的想象力，自己编排一个机器人舞蹈；认识和掌握音乐编程模块。47 教学准备教学准备 NXT 蓝牙机器人套装(9797)共 431 个组件的套装中包括一个 NXT 可编程的微型电脑，一块可充电的锂电池，三个伺服电机，二个触动传感器，一个光电传感器，一个超声波传感器，一个声音传感器，三个灯以及足够课堂教学所需的乐高积木。另外还有3根连接RCX传感器或马达的转换线，1根USB导线，以及分类盒和搭建手册等。NXT 蓝牙机器人配件库(9648)这套配件套装包含672个各种各样的组件，不仅用于搭建 NXT 蓝牙机器人，也是科学和技术套装的配件库。套装提供了更多的梁、轴、连接件及多种特殊组件，如起重机吊钩、履带等。各种积木被分类归放在蓝色中型乐高储物盒的分类盘中。MINDSTORMS Edu NXT 使用 LabVIEW 引擎专为 NXT 机器人开发的图形化编程软件。功能强大、简单易用。这个低起步，高发展的直观形象编程工具为教学研究和孩子们提供了循序渐进的编程环境。3 教学目标：知道什么是机器人；认识和学会 NXT 的基本操作，理解输入和输出；初步使用内置编程；知道齿轮传动与力量的关系。器材准备：9797、9648、自制斜面 关键词：摩擦、力、速度 联系：1.讨论什么是机器人：参考：在线课堂。注：机器人是由程序来控制的，机器人没有大脑，大脑和思维就是控制器和程序；机器人的动力就是马达；机器人的五感来自传感器。2.什么样的小车可以上坡，而且可以爬得很高呢？今天我们就要进行登高比赛。4 建构：Building：搭建一辆小车，可以使用两个马达，连接上 NXT 参考搭建方案：小车主体的搭建 与 NXT 连接上，机器人小车就完成了。让学生熟悉零件的使用。底盘对小车很重要！一定要牢固！把它从低矮的桌上推到地上会散架吗？X 详细搭建看辅助搭建图 注意导线连接！5 Program：在 NXT 上编写简单程序 可以通过 NXT 编写的程序直接控制机器人 编写程序 2 2 前进指令 等待 2 秒 后退指令 等待 2 秒 整个程序的动作是，机器人前进两秒钟后，才是后退两秒。你们可以尝试让它转弯。1.登高比赛:按下NXT上的橙色确认按钮，看你的小车跑得高吗?？能否开上斜坡呢？2.观察你小车轮子的转速！6 反思：齿轮传动是小车上常用的传动方法。两个齿轮相互啮合，转动方向相反。大齿轮带动小齿轮速增加，小齿轮带动大齿轮速减小。传动比=齿数相除 延续：1.看谁的小车爬上坡的时间最短？师计时间。2.谁的小车能够爬的坡最陡？调节斜面倾斜角。3.拔河比赛。看到明显拖动痕迹为止。7 教学目标：了解超声波传感器的工作原理，学会利用它实现避障功能；熟练掌握 NXT 内置编程。器材准备：9797、9648、自制障碍物 关键词：超声波、避障 联系：超声波是利用仿生学原理，从蝙蝠的生理构造上模仿而来，可以通过声波的往返来探测出前方的障碍物。感觉距离 识别物体 识别运动 建构：Building：搭建一辆以 NXT 为主体的小车，需要安装上超声波传感器，有两个马达使小车自由转弯。参考搭建方案：小车主体的搭建 8 9 Program：在 NXT 上编写简单程序 10 1.同样使用 NXT 内置编程进行控制。2.等待条件选择使用超声波传感器。参考程序 反思：小车避障除了用超声波传感器来实现以外，还有别的方法来实现吗？延续：游戏：让小车在障碍物中穿梭，看谁的小车蔽障能力最强。教学目标：认识 MINDSTORMS NXT 编程界面，理解时间的参数意义；理解机器人控制的意义。器材准备：9797、9648、黑线 关键词：时间、编程、控制 联系：现在有辆BUS，要完成一个任务就是从一个站到另一个站，这辆BUS是个机器人，没有驾驶员。1 号站台 2 号站台 11 你如何使这辆BUS可以自动停在下一站呢？千万别开过站噢！建构：Building：搭建一辆小车，可以使用两个马达，连接上 NXT 参考搭建方案：Program：启动 MINDSTORMS Edu NXT 编程区编程面板普通面板完整面板自定义面板控制板帮助工具条12 1、这个模块右上角的字母表示马达连接到 NXT 的哪个输出端口。2、这个图标表示机械人运动的方向。3、这个图标表示马达能量。4、这个图标表示你设置马达的延续特性是没有限制、角度、圈数或者时间。这个图标表示方向属性设置为“停止”，该设置将停止所有被选择的马达。1、选择你所要控制的马达端口。2、选择马达是向前、向后还是停止运动。3、如果使用了两个马达驱动一辆小车（轮子在两侧），通过移动操纵滑条可以控制机械人走曲线的方向。4、滑条和输入框可以设置马达能量0-100。5、通过延续下拉菜单，可以设置马达运行方式。6、选择马达在完成动作后是剎车还是缓停。7、反馈工具箱，可以检测马达转了多少角度或者几圈。设置马达运行方式，13 选择第四个选项“秒”，根据任务设置马达的运行时间。反思：1.时间对小车的作用：观察时间图标，你可以看到5个时间，让学生一次尝试5个不同的时间，看看小车在不同的时间内行驶的距离是多少？（让学生通过作图来记录）注意：这是一个非常好的课堂活动课，几组孩子可以一起参与，每次执行形同的任务，然后比较结果。让每组制作一张时间与距离关系的图表并将他们得到的结果绘制上去。学生会发现行驶距离与时间成正比关系，时间越长，小车行驶距离越长，而且几乎在一根直线上！14 延续：1.准点到站：a）可以使用时间设置，你可以自己来设定时间。记住：0.01 秒也是时间。b）当完成时间定位后，可以使用第二个选项，角度进行精确定位，试一试小车马达需要转动多少角度可以走到指定位置？必须严格到点(小车最前沿必须压黑线)学生自己调试时间，找到最合适的时间。2.换站距。把两个站（两条黑线）之间的距离换一下，变大或者变小，让学生重复找到最合适的时间和角度。15 教学目标：使用双马达控制小车，理解分离轴；知道什么是速度，探索影响速度的因素；认识触动传感器。器材准备：9797、9648、自制障碍物 关键词：摩擦、时间、触感 联系：你的小车即将要参加一场 F1 比赛！F1 赛车的速度有多快？16 建构：Building：搭建一辆用两个马达驱动的小车，连接上 NXT 17 2 个马达 一个马达控制一个轮子 Program：进入编程区 将使用端口 B 和 C，设置能量输出大小，使用触动传感器。注意马达状态的设置 点击马达图标，右边的数字可以设置马达的能量级别，范围 0100 点击后，可以停止马达或灯的工作 反思：1.比比，看看谁的小车先冲过终点？18 起 终 点 点 注意：你的小车必须是停在终点位置，过了终点不能再往前开了。2.你的 F1 小车速度是多少？小车要往前开，所以两个马达的速度必须相同。两个轮子同时向前行驶一定时间。V（小车速度）=S（行驶距离）/t（时间）S=起点到终点的距离，可以用尺量；t=程序所设置的时间。让每组学生计算自己的小车的行驶速度。3.有哪些因素会影响你的小车的速度呢？参考因素：马力、轮子大小等等。马力20 马力100 让学生根据不同因素（马达转速、轮子大小）绘制图表来研究，找到速度最快的方案。由于起点与终点之间距离是暂时不变的，所以只需要计算时间即可。例如：以马达转速为研究因素，马力越大，速度越快，时间越少。延续：小车开得太快，就要撞上墙了，需要紧急刹车。小车笔直开，一旦触感被按下，说明撞到墙了，马上停。在端口 1 上连接触感，注意触感上导线的连接 19 教学目标：知道小车如何转弯，理解差速原理；理解圆和半径的含义以及相互之间的关系。器材准备：9797、9648、尺 关键词：转弯、圆、半径 联系：现在你的小车需要急速转弯！怎么样转弯可以让小车画一个圆出来呢？20 建构：Building：搭建一辆小车 参考搭建方案：需要转弯，需要安装两个马达，一个马达控制一个轮子。(注意马达与NXT的连接)为了更容易地转弯，不适合加轮子，因为轮子与地面摩擦比较大，但是如果去除了轮胎，只是用轮毂就可以很好地减小摩擦力。当然，也可以考虑使用万向轮，但一定要注意车身必须保持水平。你的小车转弯方便吗？Program：进入编程区 21 改变马达的拖动指针，使小车可以转弯。反思：1.仔细看看大家的小车，讨论一下谁的小车转出来的圆是最漂亮的？可以向学生介绍什么是圆、圆心、半径。通过小车画圆加深对圆的理解。22 两个马达转动速度一样，方向一样，小车向前笔直行驶。两个马达速度一样，转动方向相反时候，小车以自己的半车身长度为转动半径。当小车的两个马达方向一样，速度不一样时候。比如：C马达100，B马达50，小车会开出一个很大圆。注意轮子的半径不一样，圆也会不一样。其中的B、C马达速度可以不需要单独设置。除了上面的方法外，还有一种设置方式，单独控制 B、C 马达，如下图。只要马达速度不同，则会产生转弯动作 23 让学生自己找到那个正好转到90度的时间。转弯时速度快还是慢会更好？通过活动理解角度的概念。当小车一个轮子停下来，另一个轮子在转的时候，小车以车身为半径画圆，停下来的那个轮子就是圆心。让学生调试，活动手册上记录，找出最美丽的圆。延续：1.高架道路上往往是有很多的圆形转弯角的，你可以让你的小车走规定的圆弧吗？90度的拐弯 2180度的大转弯 3小车的行驶过程中，有紧急情况，需要掉头。（计算掉头时间，谁的最少？）24 美丽的多边形美丽的多边形教学目标：理解多步骤任务的动作；理解什么是循环，学会使用循环编程模块。器材准备：9797、9648、黑线 关键词：循环、多步骤 联系：你的小车所负责的BUS线路在三个小区之间，从站台到三个小区，路线形成了一个正方形。建构：Building：搭建一辆由两个马达控制的小车，要能够转弯。25 26 两个马达控制两个轮子 轮轴可以对转弯起到 非常重要的作用。减少摩擦！轴套正好恰如其分地卡在轴上（严密的单位性）导轮也是对转弯非常有用的方法。（可能由于比较灵敏不容易控制，可以把导轮放在后面，前驱）Program：反思：1.讨论BUS如何完成运输任务呢？引导学生将任务分割，将任务分割成四个步凑，分成四个“四个前进转弯”。2.编写程序，完成任务。你可以重复按 NXT 上的 RUN 按钮，但能改变程序走完指定的正方形。按四次RUN，但是不能改变程序噢！27 前进！转弯！行驶正方形的边长！90 度转弯！3.小车走的是正方形，所以我们四个步骤是完全的相同的。但是我们却要按四下，有什么好办法只用一个程序就可以轻松地重复程序，而不需要我们去按吗？延续：1.三角形：注意是等边三角形 通过走图形让学生理解程序的循环。28 2.多边形：教学目标：认识光电传感器的工作原理，知道什么是光值；学会使用光感来解决问题。器材准备：9797、9648、黑线 关键词：光感、光值 联系：如果你的小车前面是和悬崖或是个深海，怎么才能让你的小车不掉下去呢？悬崖绝壁可是不会告诉你在什么地方，离你有多远！有没有听说过“悬崖勒马”的成语故事？小车自己可以悬崖勒马吗？建构：Building：搭建一辆由马达控制的小车，安装上光感。认识光感，机器人的眼睛，连接在端口 1、2、3、4（输入端口）。29 讲解光值的大小：越亮，光值就越大（白色）越暗，光值就越小（黑色）光感就是通过反射光线来读取光值。范围：0100%选择 View选择光电传感器（light sensor）选择端口（port）步骤：进入 NXT 主菜单 可直接在 NXT 上读取光值 Program：进入编程界面，认识光感图标。30 当 NXT 运行一次光电传感器图标后，NXT 与电脑连接时，此处会显示现在光感读取的光值，相当于 NXT 中 View 的读值。打开/关闭，传感器灯光表示设置等待光值变大（光线变亮）反思：编写悬崖马的程序。（在桌面上试，桌子的高度就相当于悬崖）注意每个图标参数的设置状态 小车笔直开光值变小（变暗）后马达停止转动！（培养学生分析物过程的思维能）延续：1 往返跑比赛：两根黑线之间有一定的距离，小车到达前面的黑线马上往返，到达后面的黑线再向前，重复。在一定时间内，看哪组来回次数最多？提示：用光感，当看到光值变暗，说明到了前面的那根黑线，然后小车向后退后一定距离。31 2接力赛：全班的小车组合起来，来进行一次接力赛。每辆小车行驶一定距离后，要到达下一辆小车的位置，接近 1cm，然后，下辆小车才可以行驶。提示：光感或者触感。32 考虑一下，应该如何搭建小车 当两辆小车很接近时候，第二辆小车可以 （灯光感）通过尾灯来告诉后一辆小车已经接近。教学目标：加强练习触动传感器并能灵活使用；运用循环模块来解决实际问题。器材准备：9797、9648、自制盒装场地 关键词：循环、迷宫、触碰、解决问题 联系：你的机器人小车要进入一个陌生黑暗、又神秘的城堡去进行探险。但是好像出不出来了，你猜古堡的出口在哪？33 建构：Building：城堡任务：在四边形的城堡周围，让机器人行走一圈（紧贴墙壁）34 Program：编写程序让小车围绕古堡四周环绕一圈。反思：1.什么方法可以使小车能够准确地沿着四周的墙壁行驶呢？我们可以使用准确的时间控制。35 结构上，我们可以使用导轮。（是不是很像四驱车？）使小车碰壁后能很及时地沿着墙壁转弯。2.测试你的小车在城堡内的运行。延续：1 探索完城堡，当然是要出城堡，城堡房间内是一片黑暗的，没有灯光，看不出出口在哪里？你有什么好办法吗？触感：撞到墙壁后转弯后退再循环，继续向前，周而复始，终会走到出口的。（可以再用光感来判断出口，因为出口往往光线较亮。）36 前进，触感判断是否撞墙 撞墙后转弯一定角度 循环反复执行，终会找到出口 2.为了更。好地判断是否撞到墙壁，触碰传感器的使用可以参考汽车的“保险杠”。触感的接触面也就是一小块橙色的点。要提高它的接触效果，可以利用轴延伸接触。3.可以更改出口的位置，或者把场地变大，再来看看出口还容易找吗？让学生知道“概率”。教学目标：学会多步骤来分析问题；学会反复调试程序。运用直线、转弯等物理动作。器材准备：9797、9648、手电筒或者台灯 关键词：步骤、物理动作 联系：光感可以用来分辨光值的大小，但是如何寻找在远处的光源或者是移动的光源呢？使用一个光感可以初步了解周围环境光值的强弱。使用两个光感就可以进行比较，从而得到更精确的光源位置。37 建构：Building：搭建一个小车，装上 NXT 主机以及两个光感。参考搭建方案：光感作为眼睛 下面用两个马达来 驱动，可以任意转弯 38 反思：如何让小车知道哪一边的光线更亮呢？利用两个光电传感器的差值就可以知道那一边的光线更亮了。延续：比赛：看谁的小车可以最早找到光源所在位置，并且可以停在靠光源最近的地方。39 修理站修理站 教学目标：继续利用多步骤来分析解决问题；使机器人熟练完成直线、转弯等物理动作。器材准备：9797、9648、自制停车场 关键词：步骤、物理分析过程 联系：在车辆行驶 过程中难免有故障，F1 比赛中，赛车也会进修理站。现在你的小车要从一个修理站，行驶一段距离后，再到下一个修理站。你可以吗？40 建构：Building：搭建一个双马达小车，装上 NXT。41 物理过程分析：以两个站台为例，从修理站出发，前进 转弯 前进 转弯 前进 进修理站 Program：进入编程界面。反思：小车进修理站后，一定要到位准确无误，该停就停，你有什么好办法吗？提示：可以改进修理站。参考方法：1.给车前面加上带触感的保险杠。2.在修理站的停车位上贴上黑线。3.在站台竖立一个有特殊光值的“站牌”。延续：1.车在站内修理的时候，小车的灯要不断地闪烁，一闪一闪。2.团队合作项目：整个班级的学生来一起建造一个城市的 BUS 站系统，每个站里面都有自己明显的站牌显示。颜色贴纸或灯（需要零件补充或一个小组专门负责做站台）都可以完成效果非常好的站牌。你可以看到教室里面所有的小车都动了起来，都在轮流进站或出战。全班集体完成的一个项目。42 教学目标：知道如何使用光感来让小车沿轨迹行走；理解沿轨迹行走的物理过程；会编写让机器人沿轨迹行走的程序。器材准备：9797、9648、黑线 关键词：轨迹、光值 联系：很多交通工具都有自己规定的行驶路线，比如：火车、地铁。F1比赛更是非常注重每个场地的跑道。你的小车可以按照规定的路线行驶吗？43 建构：Building：搭建一辆 NXT 双马达小车，安装上光感。小车在识别黑线后要有转弯的动作，所以要安装两个马达。44 如果按照一个规定的轨迹行驶，有两种方法：用时间来控制（多步骤）光感来识别黑线 Program：学生编写轨迹小车时，可能会产生多个步凑，他们还没有简化物理过程的能力。其实沿轨迹前进的小车就两步。沿轨迹行走：物理过程其实就是小车到白的区域，光值变大，向黑线处转弯；到黑线区域，光值变小，向白的区域转弯。所以路线就像是Z字。反思：检测自己的小车，可以按照黑线轨迹来行驶吗？如果有问题，用光感和NXT上的View选项检查一下你的光值。有个好办法来设置传感器上的光值，可以=（白色区域光值+黑线光值）/2 45 延续：1.如果轨迹不是直线，是曲线的话，你可以吗？2.田径赛跑 轨迹是类似田径场的400米跑道，从起点出发，计时间，看谁用最短的时间来跑完。46 教学目标：发挥学生的想象力，自己编排一个机器人舞蹈；认识和掌握音乐编程模块。器材准备：9797、9648、自制舞台 关键词：音乐、想象 联系：今天是阳光之旅的最后一站，通过前面11次活动，孩子们对机器人有了一定的了解，也掌握了一些技能。今天要让每个孩子发挥他们的想象力，表演一段机器人的舞蹈！47 建构：Building：设计并搭建一个机器人，配上音乐，让机器人表演一段舞蹈。48 端盘子的服务员，下面有光感，可以沿黑线走 49 跳舞的小人 注意：不要低估孩子的想象力。Program：用于检测环境声音的大小 当机器人听到音乐后，会跟着音乐做动作（动作是自己编辑的）0100 dB 反思：介绍你的机器人的舞蹈计划，如何表演？想想如何编程？（多步骤分析）可以调试一下！延续：自己使用黑线或其它东西来布置你自己的舞台。准备表演！