《障碍停车挑战赛》教学设计与反思

韩蕾 钟柏昌 张禄

笔者尝试将《障碍停车挑战赛》一课的知识点以比赛的形式应用到具体的机器人教学实践过程中，设计符合课堂教学情境的比赛形式，将为学生带来不一样的学习体验。在教学时，笔者将程序的迭代过程寓于比赛的测试阶段，并在比赛过程中给学生提供扮演不同角色的机会，以此来进行教学实践以便提高学生的学习兴趣与解决问题的能力。

方案设计

1.教材与学生情况分析

本节课内容选自冀教版机器人教材八年级下册第十四课《障碍停车挑战赛》，主要达成的任务目标是小车在规定的时间和距离内实现精准停车。在本节课之前，学生已学习了“超声波传感器的功能及使用方法”与“MiniQ小车运动控制”的相关内容，并且完成了小车循线挑战的比赛，为本节课的教学奠定了理论及实践基础。本节课的教学对象为八年级的学生，经过之前的学习，学生已经习得了小车运动方向、速度等基本控制方法，具备了一定的机器人测试与调试的实践经验；同时，在实践过程中已逐渐形成了不断改进机器人功能的迭代思想。

2.教学目标

知识与技能目标：进一步熟悉超声波传感器的使用；掌握“上电运行时间”模块在ArduBlock中的使用方法；能够使用超声波传感器制作避障小车。

过程与方法目标：了解障碍停车挑战赛的一般过程，了解各个角色在比赛中的职责和作用；在完成障碍停车挑战赛的过程中体验机器人的测试与调试，将迭代思想迁移到实际问题的解决过程中。

情感态度与价值观目标：以比赛的形式，激发学习机器人的兴趣并主动投入到学习过程中。

3.可选方案的设计与选择

本次比赛要求学生制作的避障小车能够在10秒内到达终点线，并实现小车与终点线之间距离的最小化（不能超越终点线），难点在于控制小车的运动时间和小车与障碍物之间的距离。对比赛任务进行分析后，笔者就“计时”和“测距”两方面设计了如上页表1所示的几种方案。

对比表1中“计时”的三种方案，方案一无需考虑编程因素，但需耗费人力，且计时不够自动与精确，方案二只需要使用“上电运行时间”模块，而方案三则涉及多个变量的使用。比较而言方案二更简洁，而方案三可以更加精确地获取程序某一阶段运行的时间而不是程序运行的总时间。由于本课实例要求程序的运行时间与小车运动时间相等，故笔者选择方案二。在“测距”的两种方案中，方案四与方案五均能实现测距功能，但红外线传感器的成本远高于超声波传感器，考虑到经济因素，笔者选择了方案四。

硬件搭建

障碍停车挑战赛需用到的硬件器材主要包括Romeo控制器、MiniQ小车、超声波传感器。

1.Romeo控制器

本次课采用的主控板是由DFRobot出品的Arduino Romeo V1.3，该控制器采用最基础且应用最广的UNO板卡。

2.HC-SR04超声波传感器

该传感器运用声纳原理，通过监测发射一连串调制后的超声波及其回波的时间差来得知传感器与目标物体间的距离值。它的性能比较稳定，测试距离精确，盲区为2cm，最大探测距离为450cm。它有4根针脚，分别是VCC、GND、Echo和Trig，其中Trig是超声波发射端，Echo是超声波接收端。

3.硬件搭建

学生分别将超声波传感器、MiniQ上的电机与Romeo控制器相连接，其中超声波传感器的Trig和Echo分别与Romeo连接数字针脚，如图1所示。图中Trig和Echo分别连接的数字针脚为9和8。

程序编写

学生将硬件搭建好后，便可进行程序的编写，本节课所采用的编程环境为图形化编程软件ArduBlock。

本课的程序设计包含两部分：一是小车运动时间的控制，二是小车与障碍物之间距离的控制。利用 模块获取程序运行时间即小车运动的时间，比赛规则中要求小车在10秒内完成比赛，因此当小车的运动时间小于10秒时小车运动，否则小车停止。笔者利用超声波传感器测量小车与障碍物之间的距离，终点线距离障碍物只有10cm，因此当小车与障碍物的距离大于10cm时小车运动，否则小车停止。本课中时间与距离控制均用到了选择结构，因此为了使时间控制与距离控制同步进行，笔者让学生在编程的过程中运用了选择结构的嵌套，如上页图2所示。

拓展应用

实现小车避障功能有很多种方法，本课采用小车遇到障碍物时停止运动避免碰撞的方法，也能用其他方法进行拓展应用。例如，当小车距离障碍物一定范围向左转弯或向右转弯时，需要运用双轮差速原理来控制小车运动的方向，并且在小车转弯的过程中继续进行小车与障碍物之间距离的探测，若距离仍在可能发生碰撞的范围内时小车需继续调整行驶的方向。比较本课案例的程序设计思路，拓展应用中的程序设计涉及的编程知识更丰富，而且小车的避障功能更加智能。

教学实践

在本课的实际教学过程中，笔者是通过以下四个环节来完成的。

1.引入主题，了解赛制

在本课开始时，笔者先引入“避障小车”这一主题，介绍何为“避障小车”，让学生对避障小车的运动方式及工作原理有所了解。

比赛时，把距离障碍物2m处的线作为起始线，距离障碍物10cm处的线作为终点线。小车从起始线开始行驶，到终点线停止，行驶时间不得超过10秒钟。小车停止位置离终点线最近者为胜，小车越过终点线则成绩作废，比赛场地如图3所示。

笔者将学生每两人分为一组，共分为16个小组进行比赛，比赛分初赛和复赛两轮进行。初赛时以抽签的形式将每四个小组组成一大组，并分为A、B、C、D四组进行比赛，每大组中的优胜组将参加复赛。若小车超过终点线或者在规定时间内电机没有停止则成绩作废，每组中成绩的距离值最小者为优胜队伍，若距离值相等，则使用时间最短者胜出（即最先到达终点位置的组），比赛用表如表2所示。

2.梳理思路，合作探究

学生完成项目需要解决以下三个问题：一是小车须在10秒内停止运动；二是小车停止运动时距离障碍物的距离大于等于10cm；三是小车的时间控制与距离控制同步执行。在本环节中，教师需要引导学生整理解决这三个问题的思路，并与组员配合完成避障小车程序的编写。

首先，教师提出问题：在比赛中如何控制小车运动的时间？学生回答。教师归纳学生提供的方法，分析其可行性，并结合学生的回答给出以下三种计时方式：第一种，利用计时工具计时，淘汰运动时间超时的队伍；第二种，利用ArduBlock中的“上电运行时间”控制程序的运行时间，即控制小车的运动时间；第三种，获取小车开始运动的时间与小车运动的实时时间，利用时间差来控制小车的运动时间。教师要求学生对这三种方法进行分析，选择可执行度最高的方法并说出理由。教师总结：第一种计时方式误差最大且消耗人力，第二种方式计时较精确且自动化，第三种方式计时精度最高但编程较复杂。最后，教师引导学生确定选择第二种计时方式，并介绍“上电运行时间”模块的应用。

比赛时，小车距离终点线越近越好，即要控制好小车停止运动时与障碍物之间的距离。教师提出问题：如何实现小车与障碍物之间距离的控制？因为在之前的学习过程中学生已经对超声波传感器的应用有所了解，在此学生很容易回答出“利用超声波传感器来测距”的答案。教师带领学生复习超声波传感器的应用方法及工作原理，并与红外线传感器对比，明确使用超声波传感器测距更具有优势。

教师提出问题：小车运动过程中既要执行时间控制又要实现距离控制，如何使这二者同步执行呢？

在学习本节课之前，学生已经学习过选择结构的使用，此时教师引导学生思考并引出利用选择结构的嵌套来实现小车时间控制与距离控制的同步执行。小组成员合作完成避障小车程序的编写，在学生编写程序的过程中教师予以适当的指导。

3.测试作品，完成比赛

学生在完成编写避障小车程序的基础上，测试小车的运行情况，因为每台小车的性能各不相同而且由于惯性的原因小车会在程序终止后继续运动一段距离。所以，此时教师应提醒学生根据小车的运动情况对避障小车程序进行修改，在经过不断的调试之后找到合适的参数，以使避障小车的运动效果达到最佳，也就是既快又稳地到达终点线。教师在调试过程中应联系实际生活，教会学生在遇到问题时应尝试选择最佳方案，并在执行的过程中不断完善，使学生体会迭代思想的价值，深化其对迭代思想的认知。

根据比赛流程进行比赛，每一大组中各选取一位评分员与记分员，评分员的职责为测量小车距终点线的距离，记分员的职责为记录各组的成绩。初赛时，若其中一组进行比赛则由其他三组的评分员与记分员进行分数统计。复赛时，由被淘汰组的评分员与记分员来进行分数的统计。

4.拓展应用，课堂总结

基于本节课所执行的项目，教师为学生提供了拓展思路，即避障小车实现避障功能可使用遇到障碍物停止运动的方式，也可用小车遇到障碍物更改运动方向的方式。教师引导学生借鉴该思路进行本项目的拓展提升，鼓励学生提出更好的想法并付诸实践。

教师总结本节课中学生的表现，并对他们在操作过程中出现的共性问题予以讲解，对表现较好的学生给予表扬。

教学反思

在课堂教学中，教师引入比赛的形式能更好地激发学生对Arduino机器人的学习兴趣，从学生对知识点的掌握情况来看，学生在比赛过程中能够主动对障碍小车编程进行优化，并在该过程中深化对知识点的理解与认知。评分员和记分员在比赛过程中均能很好地完成相应的任务，并表现出了评委角色所应具有的责任意识。

当然，笔者教授本课时还有一些不足之处。首先，应尽量对教室内的可用空间进行合理规划，使每组的作品在参赛前都能进行充分的测试与调试。其次，设置更多的“角色”以供学生进行选择，如比赛主持人、纪律监督员等，从而使学生在比赛中能感受到较强的存在感与主体意识，并体会不同角色带来的实践感受。最后，可将本课的基础知识与基本技能部分作为学生的课前学习任务。教师应尝试使用翻转课堂的形式，在课上针对学生学习中遇到的问题进行答疑解惑，从而提高教学效率，为程序测试、调试及比赛争取更多的时间。

本文为国家社科基金教育学青年项目“多平台、跨学科、聚类化、重创造的中小学机器人教育研究”（项目编号：CCA130133）研究成果。