空中機器人創(chuàng)意制造系列課程—— 高樓搜救機器人

莊建東 浙江省嘉興市秀洲區(qū)印通小學信息技術教師，信息技術教研組組長。2019年加入校第一夢想團隊，主要負責創(chuàng)客教育和編程無人機拓展課教學。

教學背景

本課程適合小學拓展課開展活動時使用，教學對象為四年級及以上具備一定動手能力的學生。本課使用Mind+圖形化編程軟件，以大疆推出的RoboMaster TT教育無人機和DFRobot旗下出品的為搭配RoboMaster TT而開發(fā)的傳感器套件為學習基礎設備。通過對空中機器人——TT教育無人機飛行原理和搭載的ESP32開源硬件的學習，讓學生學會設計和制作自己的空中機器人。

本節(jié)課是空中機器人創(chuàng)意制造系列課程的高樓搜救機器人項目制作。學生前面已經(jīng)學習了無人機的連接和飛行操作，能以項目式的學習方式編程設計自己的機器人，使其完成簡單的搜救功能，實現(xiàn)無人機的擴展連接。

教學目標

知識與技能 認識人體紅外熱釋電運動傳感器，完成創(chuàng)意制作。

過程與方法 團隊合作，設計制作。

情感態(tài)度與價值觀 通過自身的努力，設計高樓搜救機器人去幫助更多的人。

教學重點與難點

教學重點 認識人體紅外熱釋電運動傳感器工作原理。

教學難點 應用人體紅外熱釋電運動傳感器工作原理設計高樓搜救機器人。

教學準備

教學環(huán)境 多媒體教室、電子白板。

資源準備 Mind+軟件、RoboMaster TT教育無機機、Gravity：人體紅外熱釋電運動傳感器，生活中有關搜救機器人的例子（包括圖片、視頻等資料）。

其他準備 提前將學生分好組，3～5人為一個小組，方便學生內(nèi)部進行討論。

教學策略 以項目式學習為主，引導學生完成項目任務。

教學過程

一、情境導入

生活中無人機的應用很廣泛，無人機搜救巡邏就是其中一個很重要的應用領域。教師出示無人機開展搜救工作的視頻、圖片。

師：今天，我們要讓無人機變成一個高樓搜救機器人，讓無人機代替或者幫助我們?nèi)ニ丫雀嗟氖芎φ?。同學們知道搜救機器人可以靠什么來感知周圍的人嗎？

生：紅外熱釋電運動傳感器。

師：對，今天我們使用的Gravity：人體紅外熱釋電運動傳感器就是一款紅外熱釋電運動傳感器，它可以檢測我們?nèi)梭w的運動，接下來我們一起來了解一下。

二、認識紅外熱釋電運動傳感器

紅外熱釋電運動傳感器能檢測到運動的人或動物身上發(fā)出的紅外線，輸出開關信號，能應用于各種需要檢測運動人體的場合。傳統(tǒng)的紅外熱釋電傳感器需要人體熱釋電紅外探頭、專用芯片和復雜的外圍電路來實現(xiàn)，體積略大，電路復雜，可靠性略低。DFRobot新推出的Gravity：人體紅外熱釋電運動傳感器，專為Arduino設計，采用數(shù)字一體化集成人體熱釋電紅外探頭，具有體積小、可靠性高、功耗低、外圍電路簡單等特點，如圖1。

師：Gravity：人體紅外熱釋電運動傳感器是一款能檢測人體運動及生命體特征的傳感器，在一些生命搜救工作中應用特別廣泛，今天我們就用這個傳感器制作一個高樓搜救機器人。首先，大家學習一下怎么應用這個傳感器。

教學小貼士：了解傳感器的基本原理，了解應用場景，能讓學生設計出更加科學的機器人。

三、連接與測試紅外熱釋電運動傳感器

師：首先，我們要學習怎么連接紅外熱釋電運動傳感器。Gravity：人體紅外熱釋電運動傳感器需要通過3PIN線連接。注意，傳感器剛通上電時，會出現(xiàn)一小段時間的不穩(wěn)定，輸出端會出現(xiàn)電平抖動現(xiàn)象。

具體接線方式可參考下表，將相對應的數(shù)據(jù)接口線連接，注意要防止插反數(shù)據(jù)線的情況發(fā)生。

測試傳感器。我們通過讀取IO13號端口，如圖2，獲取傳感器顯示的信息并進行測試，研究傳感器數(shù)據(jù)信息獲得情況。

小組討論如何測試端口信息，并探究傳感器的性能。

師：我們一起來查看一下傳感器的說明文檔。

教學小貼士：設計測試環(huán)境，讓學生學會使用傳感器。在生活中有各種各樣的傳感器，教導學生學會查看傳感器資料文檔，是一個快速入門的好方法。

四、擴展紅外熱釋電運動傳感器應用

師：同學們，我們剛才測試了紅外熱釋電運動傳感器的功能。接下來，大家小組討論一下怎么應用這個傳感器來做一個有意義的高樓搜救機器人。

學生小組討論，根據(jù)所學知識擴展設計思路，創(chuàng)意設計自己的高樓搜救機器人。學生思考紅外熱釋電運動傳感器該如何安裝、如何搜救被困群眾等問題。

學生動手安裝、固定擴展模塊，選擇固定傳感器的最佳位置。利用紅外熱釋電運動傳感器制作高樓搜救機器人。

編寫高樓搜救機器人代碼，如圖3。

學生測試高樓搜救機器人運行效果，如圖4。然后教師組織學生展開小組頭腦風暴，探討自己設計的機器人還有哪些地方可以改進。

教學小貼士：頭腦風暴，讓學生有更廣闊的想象空間。對應用設計的猜想，能讓學生有更多的想法，通過編寫代碼實現(xiàn)設計，即使目前受到器材、技術等限制，也能為學生將來的發(fā)展提供思考方向。

五、總結與拓展

師：同學們，今天我們學習的是紅外熱釋電運動傳感器，其實它在生活中有很多應用的地方。紅外熱釋電運動傳感器可以感知人和動物，在很多需要檢測的地方都可以應用。生活中，我們的機器人在搜救的時候，可能不僅需要紅綠燈指示，有時候還需要跟物聯(lián)網(wǎng)、GPS定位等多種設備連接發(fā)送多個信息，包括圖像、坐標等。同學們可以據(jù)此設計更多的紅外熱釋電運動傳感器應用場景。

教學反思

本節(jié)課是TT擴展板拓展紅外熱釋電運動傳感器教學的一課。之前學生已經(jīng)學會了擴展板的連接和測試，這節(jié)課學生主要是學習和了解紅外熱釋電運動傳感器的作用。學生通過頭腦風暴的方式探討傳感器的使用，設計自己的高樓搜救機器人，完成設計任務。但學生掌握的知識有限，可能只會設計出一些提示性的救援機器人，如果后期有機械臂等知識的提升，可以引導學生完善作品，做成更實用的機器人。

在教學過程中，首先學生通過已有的學習經(jīng)驗進行自主學習，以自己的學習經(jīng)驗來驅(qū)動新的學習任務，學習新的傳感器。學生測試新的傳感器的功能后，通過頭腦風暴來擴展傳感器的使用場景。學習能力較弱的小組可采用閱讀文檔資料的方式擴充對傳感器的了解，以任務驅(qū)動的方式來完成各環(huán)節(jié)的教學。在最后總結中，教師可以給學生講授更多的知識融合應用的領域，開闊學生的眼界，為他們提供更多思考的空間。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）