7/7超聲波傳感器課題：超聲波傳感器（第2章第3節(jié)）一、教材分析本課是第2章第3節(jié)，主要講述了超聲波傳感器及倒車避障機器人的原理及算法。這部分教學(xué)內(nèi)容是后續(xù)課程的基礎(chǔ)，起到了一個知識儲備的作用。二、學(xué)情分析在本節(jié)課學(xué)習(xí)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過紅外傳感器、灰度傳感器，可以說在傳感器的應(yīng)用方面已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)知識，這些都為超聲波傳感器的學(xué)習(xí)提供了幫助，將更加有利于學(xué)生完成本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)，掌握本節(jié)課的知識內(nèi)容。三、教學(xué)目標(biāo)和要求學(xué)生了解超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用，理解倒車避障機器人的原理和算法，具備一定的讀程能力及編程能力，增強學(xué)生的團隊精神、創(chuàng)新意識及創(chuàng)造能力。四、教學(xué)重點與難點1.重點（1）超聲波傳感器的工作原理。（2）相關(guān)程序的修改、編寫、調(diào)試、理解。2.難點（1）程序的編寫調(diào)試。（2）倒車避障機器人算法的理解。五、教學(xué)方法講授指導(dǎo)法合作學(xué)習(xí)法項目教學(xué)法。六、教學(xué)過程1.情境導(dǎo)入（1）教師活動與學(xué)生活動教師：同學(xué)們，蝙蝠一般都在夜間飛行，還能捕捉飛蛾和蚊子；而且無論怎么飛，都不會和東西相撞，即使一根極細(xì)的電線，它也能靈巧地避開。難道它的眼睛特別敏銳，能在漆黑的夜里看清楚所有的東西嗎？蝙蝠能夠在夜間安全地飛行依靠的是什么？學(xué)生：積極討論，充滿探索欲望。教師：蝙蝠利用的是聲音和耳朵。它一邊飛，一邊從嘴里發(fā)出一種聲音。這種聲音叫做超聲波，人的耳朵是聽不見的，蝙蝠的耳朵卻能聽見。超聲波像波浪一樣向前推進，遇到障礙物就反射回來，傳到蝙蝠的耳朵里，蝙蝠就立刻改變飛行的方向。引出主題：今天我們就將圍繞“超聲波”來開啟學(xué)習(xí)之旅。（2）設(shè)計意圖通過蝙蝠夜間飛行的這一具體情境導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，引出教學(xué)內(nèi)容。2.介紹超聲波及超聲波傳感器（1）教師活動與學(xué)生活動通常人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz~20000Hz。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為\t"/item/%E8%B6%85%E5%A3%B0%E6%B3%A2%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"射線而定向傳播等特點，它的應(yīng)用非常廣。（可以適當(dāng)展示超聲波在各行各業(yè)應(yīng)用的實例）利用超聲波的方向性強，可以反射和折射的原理，把超聲波發(fā)射出去，遇到障礙物被反射回來，由接收器接收，再計算從發(fā)射到接收到反射波所用時間來獲取距離的傳感器，稱為超聲波傳感器。（可以適當(dāng)展示超聲波傳感器的原理圖和傳感器的照片）（2）設(shè)計意圖通過講解讓學(xué)生充分地理解超聲波傳感器的原理，這樣不僅僅能夠豐富學(xué)生的知識儲備，同時也能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。3.超聲波傳感器的算法原理（1）教師活動與學(xué)生活動教師：同學(xué)們，能不能在我們的身邊找一個超聲波傳感器的應(yīng)用實例呢？學(xué)生：積極討論，給出很多答案。填寫項目實驗報告。教師：給出預(yù)設(shè)答案——我們身邊最常見的超聲波傳感器的應(yīng)用就是汽車倒車?yán)走_(dá)，倒車?yán)走_(dá)的主要部件就是超聲波傳感器。那么倒車?yán)走_(dá)的工作流程是怎樣的呢？（倒車的工作流程算法）圖1（2）設(shè)計意圖知己知彼才能百戰(zhàn)不殆，知曉原理就是成功的一半。通過這部分內(nèi)容的講解培養(yǎng)學(xué)生運用算法思維分析問題、解決問題的能力。4.項目實訓(xùn)（1）初階項目（項目描述見教材）a.教師活動與學(xué)生活動學(xué)生：在機器人平臺軟件中打開“超聲波.dat”文件，在機器人上安裝超聲波傳感器，然后結(jié)合上面的工作流程圖初步了解程序的算法及功能。教師：簡單介紹超聲波傳感器的安裝，然后通過“超聲波.dat”文件，分析超聲波傳感器的算法及原理。注意：講解過程中強調(diào)程序中“CSB()”是超聲波傳感器測得的距離值?！癈SB()”三個字母必須大寫，括號必須是英文字符。（可通過操作把設(shè)定的過程展示給學(xué)生）學(xué)生：學(xué)生把程序下載到機器人上，運行機器人并觀察機器人的運行情況。完成項目實驗報告。表1超聲波.dat程序截圖及分析程序截圖C代碼思考實踐eq\o\ac(○,1)本機器人都用到了哪些構(gòu)件和控件？eq\o\ac(○,2)超聲波傳感器的安裝位置和方向？eq\o\ac(○,3)機器人倒車時電機的方向應(yīng)該怎么設(shè)置？eq\o\ac(○,4)機器人的倒車速度和什么有關(guān)？eq\o\ac(○,5)嘗試修改程序中的停車距離默認(rèn)值，看看默認(rèn)值最小能夠設(shè)定為多少？觀察機器人是否能在規(guī)定的距離范圍內(nèi)停止。（可以讓學(xué)生多修改幾次，加深理解）b.設(shè)計意圖通過對“超聲波.dat”程序的分析，學(xué)生進一步了解超聲波傳感器的工作原理及算法，把枯燥的概念通過程序形象化，變抽象為形象，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時通過讓學(xué)生修改程序參數(shù)、調(diào)試程序，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、探究能力，形成思考的習(xí)慣。（2）項目優(yōu)化a.教師活動與學(xué)生活動在倒車的過程中速度都是先快后慢，機器人在倒車過程中也可以實現(xiàn)這一點。機器人在倒車過程中通過超聲波傳感器循環(huán)測量到擋板的距離，可以根據(jù)距離的不同設(shè)置機器人的運行速度，當(dāng)退到最小距離時停止。圖2工作算法圖任務(wù)：嘗試動手修改程序，在“超聲波.dat”程序的基礎(chǔ)上添加流程控制，實現(xiàn)倒車過程中倒車速度和超聲波傳感器測得實時距離的聯(lián)動。完成項目實驗報告。任務(wù)解讀：任務(wù)的核心是在“超聲波.dat”程序的基礎(chǔ)上添加流程控制（即雙分支或條件循環(huán)），實現(xiàn)倒車時速度控制。b.設(shè)計意圖這里進一步把程序和現(xiàn)實生活進行聯(lián)系，理論聯(lián)系實際，促進學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解。同時培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)實際需求選擇最佳設(shè)計方案的能力。（3）項目實踐a.教師活動與學(xué)生活動在理解“超聲波.dat”基礎(chǔ)上，分小組合作，嘗試編寫獲取超聲波傳感器實時數(shù)據(jù)的程序，并進行實踐測量。表2程序截圖程序說明C代碼測量距離的程序；程序開始；定義一個變量jl；循環(huán)開始；把超聲波傳感器測得的距離賦值給變量jl；顯示jl的值；循環(huán)結(jié)束。教師：重點強調(diào)機器人是如何獲得超聲波傳感器測到的實時距離值，引導(dǎo)學(xué)生思考。（運用條件循環(huán)）學(xué)生：編寫調(diào)試程序，并完成項目實驗報告四。b.設(shè)計意圖通過倒車程序“超聲波.dat”及“超聲波傳感器測距程序”的分析和講解，進一步加深學(xué)生對于超聲波傳感器工作原理及工作算法的理解，促進后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。（4）項目進階——避障機器人的學(xué)習(xí)a.教師活動與學(xué)生活動在日常駕車倒車過程中，需要先避開障礙物然后才能繼續(xù)倒車，那么機器人在倒車過程中是如何進行避障的呢？學(xué)生：積極發(fā)言，討論機器人如何避障。教師：引導(dǎo)學(xué)生回答，并和學(xué)生一起總結(jié)出倒車過程中避障的方法。（超聲波傳感器檢測到需要避開的障礙物→進行轉(zhuǎn)向避障操作）學(xué)生：打開“倒車避障.dat”文件，根據(jù)總結(jié)出的避障方法去嘗試分析程序、讀懂程序、理解程序。教師：在倒車避障的過程中還需要注意什么？（避障距離的控制、機器人本身的大小等等）學(xué)生：把程序下載到機器人上并運行，嘗試在實驗場地放置障礙物，檢驗程序的有效性，進一步總結(jié)出用超聲波傳感器倒車避障時的注意事項。完成項目實驗報告五。b.設(shè)計意圖通過分析程序、讀懂程序、理解程序這一過程，讓學(xué)生對于倒車避障的原理更加熟悉；通過讓學(xué)生實踐測試程序讓學(xué)生對于抽象的程序