VEX IQ测距自动控制技术实践活动方案

方案背景（需求分析）

政策引领

2017 年，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，明确了我国新一代人工智能发展的战略目标，明确在中小学阶段设置人工智能相关课程，大力促进人工智能与教育教学深度融合，着力培育具有人工智能创新潜质的青少年群体。

教育需求

《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》中明确指出，“创新教学方式，以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，建构知识，提升问题解决能力。”本教学活动以真实项目为驱动，基于STEM理念，为学生营造自主创新的环境，推动学生科学素养全面发展。

科技馆兴趣班、学校兴趣班与社团都非常希望参加科技馆教师开展的智能控制类主题实践活动，同时为学校开展主题创意与设计学习提供支持。

智能控制信息技术

面向小学生开展现代信息教育是当前技术教育的热门项目，而且基于智能的自动感应探头、机器人主机等材料在市场上非常丰富，且价格低廉，为学生动手实践提供了物质条件。

设计理论依据

利用ADDIE 教学模式的5 个阶段：分析、设计、开发、实施和评价，制订精细化的教学目标、个性化的教学方法、精准化的教学内容，培养学生的高阶思维能力，全面提高学生分析问题、解决问题的能力，达到现代工程教育认证理论所要求的素质能力。

学生兴趣

自动智能工具的互动性强，小学生比较感兴趣。

活动对象、人数、课时

小学中高年级（5—6 年级），科技馆学员106 人，“科技馆活动进校园”10 个班约300 人，共计9 课时。

活动内容

知识与技能学习

学习控制信号、自动测距相关组件功能与工作原理（ 教师演示教育+ 讲解）；学习控制信号随自动测距变化、智能控制系统的工作原理；学习、测试、体验、理解自动测距方法。

创意与设计方法学习

创意：学生结合生活经验，基于出行、工作、生活便利等场景，开展头脑风暴，提出运用所学技术可能解决的生活问题。

设计：各小组确定要解决的问题及设计思路，并经教师审核确认。

模型制作与调试

按照设计方案搭建硬件结构；编写、调试程序；修改、完善作品。

设计方案模型演示交流

展示汇报作品；交流、评价；总结拓展。

核心素养目标

理解科学原理

学生通过聆听教师讲解、观摩教师演示，掌握超声波传感器的使用方法，正确理解超声波传感器的工作原理。

掌握智能控制技术

知道分支程序结构的判断条件、流程，能够根据控制距离设置控制参数（阈值）。

尝试运用技术解决实际问题

能够综合运用超声波传感器等机器人零件，围绕生活中的问题，提出解决方案，并能完成运用VEX IQ测距自动控制技术解决实际问题的创意设计与模型制作。

表达与交流

依据尝试解决问题的模型制作过程，撰写基于问题解决的创意与设计报告，采用演示文稿结合实物（模型）演示，开展作品展示与交流。

活动筹备

与学校建立联系，排定活动课程实施计划；组织学生进行问卷调查，摸清学生对机器人的了解情况，同时让学生对活动有初步的认识；初步拟订活动方案，准备VEX IQ机器人套材、设计学习单、制作微课，收集相关资料。

活动实施

知识与技能（4 课时）

通过教师讲授、演示超声波传感器编程使用方法，观看《超声波传感器工作原理》微课，学生学习超声波传感器的工作原理与测距方法。

传感器工作原理

VEX IQ 机器人超声波传感器通过一侧的发射器发出微小的超声波脉冲，计算“听”到声音反射回传感器另一侧接收器所需的时间，并根据往返时间计算距离。随后，距离传感器根据声速进行计算，“告诉”机器人大脑最近的物体有多远。传感器可以测量的距离范围为24 mm ～ 1 m。

知识拓展：传感器测距范围由器材功率决定。

测距方法

①打开VEX IQ 主机，按“右箭头”，选择“设备”，选择“超声波传感器”，读取数值。②编程实现，先打开程序界面，然后拖拽程序块。

技能练习

按表1 要求进行指定物体测距练习。

提示、报警

通过聆听教师讲授、观看微课学习VEX IQ 机器人两种提示、报警方法：①通过编程设置让主机鸣叫；②让TouchLED 显示不同颜色。软件参数设置见图1、表2。

模仿样例

动手制作智能感应书桌（图2），运用超声波传感器，实现靠近书桌50 mm 内，TouchLED 亮黄灯，主机提示音响3 声; 远离书桌50 mm 外，TouchlLED 灭。

演示、讲解功能： 测试、确定阈值，将流程图（图3）补充完整，利用超声波传感器测距功能实现本例功能。

创意与设计（1 课时）

运用超声波传感器、TouchLED或主机提醒、报警功能，结合生活经验，比如运用到测距情况的汽车倒车雷达、文物靠近报警装置、入户门靠近报警装置等，设计制作“自动测距与提示（报警）”工具。

绘制“自动测距与提示（报警）”工具的设计草图，并在展示汇报中说明设计原理、用到的传感器，并分析可行性。

模型制作与调试（3课时）

根据设计结构与功能草图，搭建硬件完成演示模型。要求硬件结构结实，符合作品特点，能够实现作品设定的功能，并能操作模型进行演示。

根据功能设计编写程序，通过不断调试，确定控制参数，要求思路清晰、算法正确、阈值确定准确。

持续调试、优化、完善作品，实现VEX IQ 测距自动控制设备作品设定的功能。

对完成有困难的学生安排答疑与个别辅导。

成果展示汇报（1 课时）

组织学生进行成果展示、交流，要求说明解决问题思路、具体路径与方法，以及成品达到的性能情况，同时介绍使用操作方法。

进行演示文档展示和实物演示。要求包括题目、目录、背景、方案、设计图纸、结构功能、演示效果、收获体会、致谢等。

学生在交流中相互学习，发现其他组作品的优点和不足，并提出改进建议。

活动总结

通过活动掌握了哪些新知识、新技能？用什么技术方法、技术路径解决了哪个生活问题？试着说一说什么是科学、技术、方法？

评价标准与方式

依照信息科技课程标准和理念，注重评价育人，强化素养立意，坚持过程性评价与终结性评价相结合，自评与他评相结合。

该项目获得第38 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖