空中机器人创意制造系列课程

庄建东

教学背景

本课程适合小学拓展课开展活动时使用，适合的教学对象为四年级以上有一点动手能力的学生。使用Mind+图形化编程软件，以大疆RoboMaster TT教育无人机和DFRobot旗下出品的为搭配RoboMaster TT而开发的传感器套件为学习基础设备。通过对空中机器人——TT教育无人机飞行原理和搭载的ESP32开源硬件的学习，学生学会设计和制作自己的空中机器人。

本节课是空中机器人创意制造系列课程的森林防火巡逻员项目制作。学生前面已经学习了无人机的连接和飞行操作，可以实现无人机的扩展连接，通过项目式学习设计自己的机器人功能。

教学目标

知识与技能 了解森林火灾知识，认识火焰传感器。

过程与方法 通过查看资料，研究灭火方法。

情感态度与价值观 通过学习制作防火巡逻机器人，培养学生的动手能力，同时提升学生的科技应用能力，培育学生的科学精神和正义感。

教学重点与难点

教学重点 了解火焰传感器。

教学难点 设计制作防火巡逻机器人。

教学准备

教学环境 多媒体教室、电子白板。

资源准备 Mind+软件、RoboMaster TT、火焰传感器，搜集生活中有关防火巡逻机器人的例子（包括图片、视频等资料）。

其他准备 提前将学生分好小组，3～5人为一个小组，方便学生内部进行讨论。

教学策略 以项目式学习为主，引导学生完成项目任务。

教学过程

一、情景导入

森林火灾每次都给人类带来巨大的损失。从广义上讲，凡是失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩散，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火行为都称为森林火灾;从狭义上讲，森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。

师：中国每年有大量的火灾发生，特别是一些无人地区森林大火。大火刚开始燃烧的时候，很难被发现。目前，无人机森林防火巡逻是未来防范森林大火的一种新思路。而无人机的最大优势就是不受地形的限制，可以在最短时间内到达火灾发生地进行灭火。今天，我们也来设计一个无人机森林防火巡逻的机器人，让它来充当森林防火巡逻员 。

二、了解火焰传感器

师：传感器扩展包里有一款火焰传感器，我们一起来学习一下它的使用特征及注意事项。

火焰传感器可以用来探测火源或其他波长在760～1100纳米范围内的光源。其中，火焰探头起着非常重要的作用，它可以当作机器人的眼睛来寻找火源，利用它可以制作灭火机器人。火焰传感器的探测角度达60度，对火焰光谱特别灵敏，通过光谱的探测实现找到火焰的目的。它有2个M3安装孔，可以稳定模块使之不会旋转。火焰传感器能在-25到85℃条件下工作，性能稳定可靠。尽管这款传感器是用来感知火焰的，但是它并不防火，因此使用时请与火焰保持距离，以免烧坏传感器。

【教学小贴士】

了解传感器，了解森林火灾，让学生主动思考解决生活中难题的办法。

三、测试火焰传感器

师：了解了火焰传感器的工作原理后，接下来我们开始连接火焰传感器。火焰传感器是通过3PIN线连接，如图1，连接时注意不要插反。

师：我们可以通过连接IO13号端口，来获取数据的模拟值。

学生尝试连接数据串口，编写测试代码，读取串口信息，如图2。

教师巡回指导，学生小组合作，测试火焰传感器获得的数据值并记录数据。

【教学小贴士】

学生动手实践，测试数据，培养了实践应用与探究能力。测试时，教师要提醒学生注意用火安全。

四、制作森林防火巡逻员机器人

师：同学们，通过测试，我们已经得到了很多的数据，获得了火焰传感器在靠近火源时候的数值。通过数值的变化，我们可以准确地判断火源的位置。如果我们要制作一个无人机机器人充当森林防火巡逻员，怎样才能让它实现巡逻功能？如何让其判断火源？

学生思考讨论如何设计制作防火巡逻机器人，各小组合作学习，一起探讨安装机器人。

1.组装防火巡逻机器人

将火焰传感器安装到扩展板上，并固定好传感器，如图3。

2.编写代码

计算判断条件临界值，测试合理的判断数值区间。学生编写完整代码，实现机器人防火巡逻的功能，如图4，通过检测火焰传感器的检测距离，设置合理的飞行区间。（注意：检测距离可以参考传感器技术文档，也可以实际测试）

3.测试优化

代码编写完毕后，需要不断地调试优化，直到数值被调整到合理的区间。

4.扩展延伸

师：生活中，检测火焰一般会使用声音报警提示，有条件的同学也可以安装一个蜂鸣器发出提示音，当作报警器。

【教学小贴士】

设计火焰传感器的安装位置，优化检测方案，小组需要思考设计的合理性和应用性。

五、课堂小结

师：今天我们学习了火焰傳感器，也了解了森林火灾，希望将来同学们能够学习更多知识、掌握更多技能，制作出更加高效优质的防火巡逻机器人，还可以给机器人设计更强大的功能，比如灭火。

六、课后拓展

学生根据自己的能力，为防火巡逻机器人添加更复杂的功能，思考灭火机器人该如何设计。

七、评价与交流

在最后评价中，分别以小组评价和活动评价的多个维度来评价学生活动开展情况，从而观察记录学生的成长过程。

教学反思

本节课是TT扩展板拓展火焰传感器教学的一课，本节之前学生已学过很多的传感器，掌握了学习新传感器的方法，包括阅读技术文档、测试接口数据等。

本节课主要是引导学生以实际生活为背景，探究问题解决的方案。创客作为一门让创意物化的课程，侧重于解决生活中的实际问题。森林火灾就是一个生活中的问题，而且是关系人类生存的重大问题。全世界各国都在防范森林火灾，森林火灾不仅对全球气候有着较大的影响，而且对物种也有着较大的影响。如果学生在创作设计中，加入一些真善美的东西，会让科技更有温度。

在教学过程中，笔者以森林火灾为突破口，以生活中防火报警为思考点，以火灾报警为任务驱动，使学生以生活实践为基础，结合新的场景设计新的设备。当然，在教学过程中，也要增加一些新的应用场景，引出问题，让学生思考讨论，然后学生通过自己的想象实践与小组间的交流合作，共同完成一些挑战任务。最后，笔者还为学生留下了课后思考题：如何在实现检测火焰功能后让机器人实现灭火功能。

（本课件由DF创客社区推荐）