基于创意机器人“蝙蝠战车”的项目式学习

创意机器人套件“蝙蝠战车”主要采用超声波传感器、单片机、马达等电子元器件。

项目简介

学生在项目式学习过程中通过设计教具、动手操作、延伸拓展等形式设计制作属于自己的蝙蝠战车创意机器人套件，模拟蝙蝠利用超声波检测前方的功能，探究所涉电子元器件的工作原理及拓展功能。在一定距离范围内，若前方障碍物距离较远，蝙蝠战车前进，反之则后退，形成一种跟随的状态，前面没有障碍物时，则静止不动。此外，车顶上的LED 灯能指示机器人是否正常工作。

项目规划

活动结合《义务教育科学课程标准（2022 年版）》，制作蝙蝠战车机器人套件，能进行适当的功能拓展、外观创意设计，并开展比赛（表1）。

项目设计

项目开始前，指导学生提前查阅机器人相关资料；“项目导学”环节，教师提出蝙蝠战车概念，引导学生理解流程和元器件；“项目实践”环节，选取不同制作方案（连接电路），并尝试对比分析不同方案的特点；“项目延伸拓展”环节，列举不同元器件的特点和外观创意，指导感兴趣的学生在课后探索更多功能，制作属于自己的蝙蝠战车机器人。

项目实施

提出项目，列举案例，引入机器人

列举动物感知外界的方式

设置引入性问题，用问题引导学生，让学生自主搜集资料，并独立整理概括不同动物感知外界的方式。有些动物由于生存环境不同，导致某种器官更敏感，比如猫、狗是色盲，但是听觉、嗅觉非常灵敏；蛇的颊窝具有红外感应能力；鼹鼠靠触须感应外界障碍；海豚、蝙蝠能发出超声波，通过反馈辨认障碍物等。

介绍机器人的特点及对物感知方式

设置探究性问题，组织学生分组讨论机器人感知外界与动物感知外界的联系。教师在本环节适当提出目前国际通用的定义，比如通用性、独立性、智能性等，介绍机器人的主要组成部分，包括控制器、传感器和执行器。其中，控制器等同于机器人的“大脑”，用于处理信息和发出指令；传感器等同于机器人的“感官”，与动物的眼睛、耳朵等类似；执行器等同于机器人的“肌肉”，用于执行实际动作。通过视频、课件等资料，调动学生的积极性和探索的兴趣。

认识基本电路，了解蝙蝠战车

介绍基本电路知识

介绍电池正负极、闭合电路等简单的电路知识，给学生提供1 套简单的元器件（面包板、电池盒、马达），让学生动手连接，从中发现面包板接线的基本特点（X、Y行每行分别导通，1 至20 列，每列分别导通），使马达转动。

引入蝙蝠战车

功能设计：参照蝙蝠发出和接收超声波的原理，设计1 台仿生机器人，在一定距离范围内，可跟随物体前后移动，实现“跟随”的功能；如果前方没有物体遮挡，或者物体遮挡还未进入设定的范围，蝙蝠战车保持静止。

理解元器件工作原理，安装机械结构

深入理解主要元器件

深入理解蝙蝠战车的主要元器件，包括超声波传感器、电池盒、马达、面包板等；组织学生根据前一节的探究结果，借助面包板深入练习，准确指出面包板各节点的坐标，以及连通的其他坐标。

制作机械结构，简单测试

制作蝙蝠战车机械结构，观察、核点蝙蝠战车结构件；安装完成后，连接马达和电池盒，测试元器件是否正常。

认识其他电子元器件

介绍蝙蝠战车使用的单片机、驱动芯片、LED、电容等元器件，引导学生讨论日常生活中常见的电子元器件，比如目前主流的屏幕、电灯使用了LED，小朋友的玩具使用了单片机，电阻、电容常常出现在电脑板卡中等。

理解工作流程，连接电路

设计蝙蝠战车工作流程图

根据蝙蝠战车功能示意图（图1），引导学生讨论、设计蝙蝠战车工作流程图（图2）。①单片机预编写好程序，打开电源后会进行程序初始化。②蝙蝠战车前进过程中，超声波传感器会检测前方障碍物，采集数据。③检测到与障碍物距离小于10 cm 时，后退；大于10 cm 且小于20 cm时，前进；如果大于20 cm，则停止不动 。

延伸讨论：①声音在空气中的传播速度约为340 m/s；②超声波echo 管脚发射到接收时间（传感器发出超声波和反射回来的时间）为t ，单位为μ s，由于发射、接收时间内，超声波来回了1 次，因此计算距离时需除以2；③测量的距离

2 种连接方法

节点法：①找出蝙蝠战车电路的10 个节点，每个节点连接相应元器件的管脚；②利用面包板模拟软件或手写模拟接线；③利用模拟接线软件动手操作接线。

器件法：①摆放好各个器件在面包板的位置；②根据相应的示意图进行连接。

故障分析与问题解决

引导学生分析故障及解决方法，比如检查接线、电路、机械结构等。同时，分析节点法和器件法的优缺点（节点法更系统，是电路接线原理的基础，出现故障容易查找原因，但需学生具备一定的电路图知识，且找节点也比较花费时间；器件法更简洁，适合低年级学生，但不利于学生从原理上理解蝙蝠战车如何实现功能，出现问题较难查找原因）。

创意设计，功能拓展——设计改进属于自己的机器人

为机器人设计外观，制作个性化机器人，可从用材合理、环保理念、加工细致、团队合作、艺术特色、家国情怀等方面综合考虑。

成果交流

在班级间或班级内开展比赛，促进交流和学习，可分为制作赛、竞速赛和创意赛3 部分，各校可根据实际情况选择性参与，3 项比赛分加权后得出总分。

后测与拓展

引导学生开拓思维，通过改进结构、增加电子元器件、单片机编程等方法设计新的功能以完成不同的任务。