虛擬機器人校本課程活動教案

虛擬機器人校本課程活動教案活動內(nèi)容：一、初識虛擬機器人活動地點：機房1課時：2活動準(zhǔn)備:網(wǎng)絡(luò)教室、范例活動目標(biāo)：1、通過觀看相關(guān)視頻，了解虛擬機器人的原理。2、完成賬號的注冊和登陸。3、初步掌握蘿卜圈虛擬仿真軟件平臺的基本功能及使用方法?；顒舆^程課時：2課時一、欣賞仿真機器人同學(xué)們應(yīng)該對機器人都有所了解了，那么虛擬機器人又是怎么一回事情呢？因特網(wǎng)上有許多關(guān)于虛擬仿真機器人的視頻，請大家來欣賞一下。 （一）、打開百度搜索，在視頻頁面中輸入“虛擬仿真機器人”，搜索機器人視頻。（二）、挑選自己喜歡的視頻進(jìn)行觀看。（三）、了解虛擬機器人和實體機器人的異同點。二、認(rèn)識仿真平臺通過視頻的賞析，同學(xué)們應(yīng)該清楚了，虛擬機器人其實就是使用電腦客戶端通過網(wǎng)絡(luò)連接到仿真平臺，在虛擬3D環(huán)境下模擬出來的機器人，其本質(zhì)和實體機器人無異，機器人的搭建、程序的設(shè)計、各類場景任務(wù)的完成都可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行。我們今天開始要接觸的是“IRobotQ3D”虛擬機器人，它是由杭州蘿卜圈公司研發(fā)的一款虛擬仿真機器人平臺，我們利用它進(jìn)行機器人的各種學(xué)習(xí)，首先就讓我們來認(rèn)識一下這個平臺。(一)、注冊成為會員1、在桌面上雙擊“IRobotQ 3D”快捷方式，啟動“蘿卜圈三維機器人在線仿真平臺”，在登錄窗口中單擊“注冊”，在瀏覽器中顯示注冊網(wǎng)頁。2、如實并負(fù)責(zé)地填寫個人信息，單擊“立即注冊”成為會員。提醒同學(xué)們，賬號的密碼應(yīng)設(shè)置成自己容易記憶的字母、數(shù)字或特殊符號的組合。為了賬號的安全，設(shè)定的密碼的位數(shù)應(yīng)長一些，一般至少在6位以上，如：zhang3#。3、登陸仿真平臺完成注冊后，請同學(xué)們在登陸界面輸入剛才注冊的用戶名和密碼，登陸蘿卜圈虛擬機器人平臺。三、練一練 我們很多的仿真任務(wù)都是在本地模式中完成的，接下來請大家點擊左上方的“本地模式”，進(jìn)入到本地模式界面，讓我們一起來了解一下界面中各個板塊的功能。小組合作交流，匯報探索結(jié)果，教師補充。四、小結(jié)通過這次學(xué)習(xí)，同學(xué)們已經(jīng)基本了解了虛擬機器人的原理并熟悉了虛擬機器人軟件平臺的使用方法，下節(jié)課我們就可以開始搭建屬于自己的機器人啦，大家千萬不要忘記這節(jié)課注冊的賬號和密碼哦?；顒觾?nèi)容：二、搭建機器人活動地點：機房1課時：1活動準(zhǔn)備:網(wǎng)絡(luò)教室、范例活動目標(biāo)：1、熟悉機器人搭建界面的各個功能。2、掌握視角切換的方法。3、會使用模板來提高搭建速度。4、發(fā)揮想象力構(gòu)思設(shè)計機器人。活動過程課時：1課時 展示范例機器人激發(fā)學(xué)生搭建興趣。師：同學(xué)們，上節(jié)課我們初步了解了虛擬機器人的平臺，這節(jié)課，我們來試試搭建屬于我們自己的第一個機器人。一、進(jìn)入操作界面首先請大家陸平臺，然后點擊“搭建機器人”選項，進(jìn)入機器人搭建操作界面。老師先來帶著大家了解一下這一界面的基本功能劃分。l 模型面板：包含機器人所有模型，有控制器、驅(qū)動、安裝塊、傳感器和其它 5 大類。l 模型列表：列出各個模型分類中所有模型。l 模板列表：用戶創(chuàng)建的模板，模板可保存經(jīng)常使用的模型組合。l 菜單工具欄：有文件、功能和操作 3 個菜單，菜單下有相應(yīng)的工具欄命令。l 屬性面板：在屬性面板中設(shè)置直流電機、伺服電機、傳感器的屬性。l 機器人信息：查看機器人零部件的數(shù)量，機器人的重量、尺寸等信息。l 機器人編輯區(qū)：用于構(gòu)建機器人的操作區(qū)，完成機器人零部件的安裝等操作。l 視角控制面板：調(diào)整查看編輯區(qū)的視角，完成視角旋轉(zhuǎn)、縮放、移動等操作二、探索嘗試通過老師的介紹后，大家應(yīng)該對這些功能區(qū)有所了解了?，F(xiàn)在請同學(xué)們動動腦，動動手，從模型面板中選擇自己喜歡的模型，放到機器人編輯區(qū)，注意視角的控制和安裝點的點選，看誰能組裝出屬于自己的第一臺機器人！三、問題解決（一）、機器人搭建首先需要選擇好控制器，這是機器人的主體，沒有控制器，其他的零件是無法起作用的。（二）、控制器安放是有方向的，編輯區(qū)藍(lán)色坐標(biāo)軸的方向為機器人前方，學(xué)生容易出現(xiàn)錯誤。（三）、在旋轉(zhuǎn)3D視角時，切忌用鼠標(biāo)左鍵進(jìn)行拖動，這會改變機器人零件的實際位置。而應(yīng)該使用視角控制按鈕或者鼠標(biāo)的右鍵和滾輪來進(jìn)行視角切換。（四）、輪子是和電機安裝在一起，電機再和控制器連接起來，而不是直接把輪子安裝到控制器上。 教師在巡視指導(dǎo)過程中，發(fā)現(xiàn)問題，適時引導(dǎo)講解。四、拓展延伸 其實在機器人搭建的過程中，我們還可以使用一些小技巧來提高搭建的效率。教授“模板”的使用方法，把一些多次使用的零件組合創(chuàng)建為模板，可以直接拖出來重復(fù)使用。五、秀一秀通過電子教室“學(xué)生演示”的功能，請同學(xué)們來展示一下自己的個性機器人，大家來評評誰最有想象力和創(chuàng)造力。學(xué)生點評，教師總結(jié)?；顒觾?nèi)容：三、機器人直行任務(wù)活動地點：機房1課時：2活動準(zhǔn)備:網(wǎng)絡(luò)教室、范例活動目標(biāo)：1、掌握機器人搭建后電機的命名和端口設(shè)置；2、掌握簡單直行程序的編寫3、學(xué)會場景任務(wù)的仿真調(diào)試?；顒舆^程一、觀看機器人直行效果通過觀看范例，大家已經(jīng)明確了我們要完成的任務(wù)，就是讓機器人從起點出發(fā)經(jīng)過拱門到達(dá)終點。二、搭建任務(wù)相應(yīng)的機器人（一）討論機器人搭建設(shè)想針對這樣一個直行任務(wù)，我們需要搭建一個相應(yīng)的機器人，那么大家覺得什么樣的機器人比較適合這個場景呢，既簡單又能快速完成任務(wù)？學(xué)生小組討論，匯報結(jié)果，形成共識，搭建一輛四輪汽車比較合適。（二）嘗試搭建根據(jù)討論結(jié)果，學(xué)生嘗試搭建一輛四輪汽車。選擇合適的控制器、電機、輪子進(jìn)行搭建。（三）問題解決學(xué)生可能會出現(xiàn)的問題：1、直接將輪子連接到控制器上的現(xiàn)象，要讓他們明白輪子是靠電機進(jìn)行驅(qū)動的，一定要把輪子和電機先進(jìn)行連接，然后再安裝到控制器上。2、在對電機進(jìn)行命名的時候會出現(xiàn)混亂的現(xiàn)象，導(dǎo)致后期編程的麻煩對學(xué)生進(jìn)行規(guī)范，按照從左往右，從前往后的順序?qū)λ膫€電機進(jìn)行命名。二、初識程序設(shè)計那么如何才能讓機器人往前走呢？這就需要我們編寫程序來控制機器人了。請大家進(jìn)入“編寫程序”界面，我們一起來學(xué)習(xí)一下如何進(jìn)行虛擬機器人的程序設(shè)計。新授虛擬機器人模塊化編程的基本使用方法。三、探索嘗試初步了解程序設(shè)計的基本方法后，我們來嘗試編寫一個最簡單的機器人直行前進(jìn)的程序。學(xué)生進(jìn)行探索嘗試。教師巡視。這里會出現(xiàn)一個問題，就是程序編寫界面中，學(xué)生在設(shè)置四個電機速度的時候會發(fā)現(xiàn)列表中沒有電機可選擇，引出端口設(shè)置。四、機器人端口設(shè)置 同學(xué)們在編寫程序的時候發(fā)現(xiàn)電機列表中沒有電機可選，也就無法進(jìn)行速度的設(shè)置了，這是什么原因呢？（老師講授機器人端口設(shè)置和程序編寫的關(guān)系）。講授完畢，請學(xué)生返回到機器人搭建界面來完成四個電機的端口設(shè)置。進(jìn)而完成機器人直行前進(jìn)的程序編寫。五、仿真調(diào)試有了機器人和相應(yīng)的程序，接下來我們就可以去前進(jìn)任務(wù)場景中進(jìn)行仿真了。請大家跟著老師一起進(jìn)入到精彩的虛擬仿真世界吧。（教授場景仿真的方法）學(xué)生在前進(jìn)任務(wù)的仿真過程中會出現(xiàn)一個問題，就是明明設(shè)置了四個電機一樣的速度前進(jìn)，結(jié)果機器人一直在原地打轉(zhuǎn)。教師通過在機器人搭建界面中的實際演示，讓學(xué)生明白左右兩側(cè)的電機是對稱安裝的，其旋轉(zhuǎn)方向就會剛好相反，因此為了讓機器人能夠直行前進(jìn)，應(yīng)該把左側(cè)電機進(jìn)行反轉(zhuǎn)設(shè)置。問題解決，學(xué)生繼續(xù)操作，完成場景任務(wù)，并通過不斷地調(diào)試提高仿真成績。六、展示、小結(jié)通過電子教室軟件進(jìn)行作品展示，學(xué)生點評，教師補充小結(jié)?；顒觾?nèi)容：四、機器人向左走任務(wù)活動地點：機房1活動準(zhǔn)備:網(wǎng)絡(luò)教室、范例活動目標(biāo)：1、初步掌握程序流程分析。2、掌握延時模塊的使用方法。3、會對不同速度進(jìn)行延時匹配?；顒舆^程課時：1課時一、觀看機器人向左走任務(wù)視頻通過視頻的觀看，大家可以明確我們要完成的任務(wù)，就是讓機器人從起點出發(fā)經(jīng)過拱門后左轉(zhuǎn)再直行經(jīng)過終點。二、搭建任務(wù)相應(yīng)的機器人小組交流討論，這一任務(wù)的機器人應(yīng)該如何搭建，匯報。得出結(jié)論，這一任務(wù)在本質(zhì)上其實和前一章的機器人直行任務(wù)是一樣的，只是在經(jīng)過拱門后多了左轉(zhuǎn)的動作，因此我們不需要重新搭建新的機器人，可以直接使用直行任務(wù)中搭建的機器人。二、程序設(shè)計那么如何才能讓機器人經(jīng)過拱門后進(jìn)行左轉(zhuǎn)呢？小組交流討論、匯報。教師補充：要進(jìn)行左轉(zhuǎn)的前提就是左側(cè)輪子速度要慢于右側(cè)輪子速度，且兩側(cè)速度相差越多，左轉(zhuǎn)的幅度也就越大。因此為了讓車子快速完成左轉(zhuǎn)，可以讓左側(cè)輪子反轉(zhuǎn)，右側(cè)輪子正轉(zhuǎn)。三、探索嘗試初步了解程序設(shè)計的基本方法后，我們來嘗試在原有直行程序基礎(chǔ)上添加做左轉(zhuǎn)程序，完成任務(wù)。學(xué)生進(jìn)行探索嘗試。教師巡視。五、問題解決學(xué)生在嘗試的過程中可能出現(xiàn)的問題：（一）車子過拱門后什么時候開始左轉(zhuǎn)，這個時間點很多學(xué)生掌握不好。這里要引入一個延時模塊，進(jìn)行時間的設(shè)置，并進(jìn)行多次調(diào)試（二）同樣的左轉(zhuǎn)需要花多少時間，不同速度要搭配不同的時間，還要考慮到物理引擎中的慣性問題。讓學(xué)生明白，速度越快，所需時間也越少，要根據(jù)自己設(shè)置的速度進(jìn)行調(diào)試。問題解決，學(xué)生繼續(xù)操作，完成場景任務(wù)，并通過不斷地調(diào)試提高仿真成績。六、展示、小結(jié)通過電子教室軟件進(jìn)行作品展示，學(xué)生點評，教師補充小結(jié)?；顒觾?nèi)容：五、傳感器-機器人的“感覺器官”活動地點：機房1活動準(zhǔn)備:網(wǎng)絡(luò)教室、范例活動目標(biāo)：1、了解各類傳感器的功能與用途2、明確傳感器的工作原理及其檢測到數(shù)據(jù)的意義?；顒舆^程課時：2課時同學(xué)們，我們通過這段時間的學(xué)習(xí)，已經(jīng)可以讓自己的機器人動起來了，不過，現(xiàn)在的機器人都是我們來控制它運動的。為了讓我們的機器人更加智能，我們今天就要來給機器人安裝上“感覺器官”，也就是傳感器。一、什么是傳感器傳感器是機器人的“感覺器官”，是一種電子元件或裝置，能響應(yīng)或感知被測量的物理量或化學(xué)量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號，以供機器人核心識別。它就像人的眼睛、耳朵、鼻子一樣，能夠感應(yīng)到周圍環(huán)境的信息，并把這些信息傳遞給機器人的“大腦”。有了傳感器，機器人就變得更加聰明了。一般包括以下幾種類型：1.距離傳感器 2.障礙傳感器 3.灰度傳感器教師結(jié)合視頻演示，簡單介紹幾種常見的傳感器的功能。二、探索嘗試傳感器可以在仿真場景中檢測到各種相應(yīng)的數(shù)據(jù)。請同學(xué)們來嘗試安裝幾個不同類型的傳感器，并結(jié)合前兩節(jié)課的內(nèi)容，選擇一個場景來進(jìn)行仿真測試，觀察傳感器返回的數(shù)據(jù)。別忘了和身邊的伙伴交流探討哦，團隊合作才能更好地完成任務(wù)?。▽W(xué)生在安裝傳感器的時候可能又會忘記端口設(shè)置，教師根據(jù)實際情況進(jìn)行引導(dǎo)解決。） 同時，傳感器的安裝是有方向要求的，需要學(xué)生明確所安裝的傳感器是用來檢測什么的，以及檢測的方向是什么。三、虛擬機器人傳感器數(shù)據(jù)的意義 結(jié)合學(xué)生場景仿真中各類傳感器檢測返回的數(shù)據(jù)，教師可以簡單介紹一下虛擬機器人中各類傳感器的設(shè)置以及返回數(shù)據(jù)的意義。1、距離傳感器：用于檢測傳感器前方與物體之間的距離，返回值為 03000 的整型數(shù)值。距離傳感器最大檢測距離為3000，超出其檢測范圍時返回3000。2、障礙傳感器：用于判斷在指定的檢測距離內(nèi)有無障礙物，檢測到障礙時返回 1，沒檢測到障礙時返回 0。障礙傳感器默認(rèn)的檢測距離為500，最大檢測距離為500，最小檢測距離為1。3、灰度傳感器：將檢測到的各種顏色轉(zhuǎn)換為灰度值，使用0255的數(shù)值表示，其檢測距離固定為5。轉(zhuǎn)換方式按照計算機圖像學(xué)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，純白色的灰度值為255，純黑色的灰度值為0。 四、說一說通過老師的介紹，請學(xué)生來說一說自己的機器人在場景中通過各個傳感器檢測到了什么數(shù)據(jù)，分別代表什么意義?；顒觾?nèi)容：六、機器人循跡踢球活動地點：機房1活動準(zhǔn)備:網(wǎng)絡(luò)教室、范例活動目標(biāo)：1、學(xué)會如何根據(jù)任務(wù)選擇傳感器，并進(jìn)行針對性安裝。2、運用邏輯思維來分析任務(wù)。3、掌握判斷模塊的使用方法?；顒舆^程課時：1課時一、觀看范例，明確任務(wù)學(xué)生觀看范例視頻，分組討論明確循跡踢球任務(wù)。讓車子從起點出發(fā)沿著一條s形黑色路線到達(dá)終點并碰到足球為完成任務(wù)。那么我們?nèi)绾巫屟刂诰€前進(jìn)呢？小組討論得出結(jié)果，需要使用灰度傳感器。二、搭建機器人我們可以在原有車子的基礎(chǔ)上進(jìn)行加裝灰度傳感器。基本思路：在車頭左右各安裝一個灰度傳感器，根據(jù)路面的灰度值不同進(jìn)行檢測，然后控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)