机器人与自动化

学生要弄明白，到底是什么让一样东西成为机器人，而不只是一台机器。他们会知道，机器人先感知世界，再决定要做什么，然后行动，这就是「输入、处理、输出」的循环；而正是程序让它能自己一遍遍地把活儿干下去。他们还要考察身边真实的设备，把其中一件当作机器人系统画出来，并设计一台自己的实用机器人。

任务：

先判断什么才算机器人，再画出并设计一台能干一件实事的机器人。

时间与器材：

60 至 75 分钟 · 6-part lesson

主要材料：

三四件日常设备，用来考察（玩具、手机、手电筒、扫地机器人等）, 「机器人系统图」活动纸（可打印）, 画草图用的铅笔和纸 等

新概念：

机器人, 机器, 输入, 处理

学生已经知道机器人是什么，现在要动手搭一台真能跑的。他们会学到电机如何带动车轴，轮子和齿轮如何把这份转动变成前进的动作，以及齿轮又是怎样用速度换取转动的力气（扭矩）的。他们还要弄清楚为什么有的轮式底盘会翻、有的却稳稳当当：摩擦力和抓地力负责「抓住地面」，又低又宽的质心负责「站得稳」。接着他们会认识差速驱动，也就是靠两个轮子转速不同来让机器人转向。最后，每位学生都要搭出并测试自己的轮式底盘。

任务：

搭一个稳固的轮式底盘，并测试轮子、齿轮和底盘的不同选择会怎样改变它的行驶表现。

时间与器材：

65 至 80 分钟 · 8-part lesson

主要材料：

「底盘测试记录」活动纸（可打印）, 铅笔、纸，以及一把直尺或卷尺, 一段短斜坡，或者一摞书，用来搭出坡面做翻倒测试 等

新概念：

电机, 车轴, 轮子, 齿轮

学生会明白：计算机是照字面、一丝不苟地执行指令的，机器人做的是你真正说出口的那件事，而不是你心里想的那件事。他们要写出算法，也就是一份清晰的分步计划，先用日常语言写成伪代码，再把它变成一段由移动指令排成直线的程序，其中包含时间、距离和转向。运行之前先预测机器人会停在哪里，然后运行并对照结果。这一周只讲顺序：还没有循环、条件和传感器，只有精确、有序的指令，用来带着机器人穿过送货路线或迷宫抵达终点。

任务：

规划一串精确的前进与转向指令，预测它会在哪里结束，再编程让机器人沿着路线走到终点。

时间与器材：

60 至 75 分钟 · 7-part lesson

主要材料：

带起点、终点和网格方格的路线图或迷宫图（可打印）, 伪代码规划页（可打印）, 预测与验证记录页（可打印） 等

新概念：

程序, 指令, 顺序, 算法

机器人已经会走、也会照指令做事了，这一周学生要给它装上感官。他们会认识触碰、距离、光线和颜色四种传感器，并明白传感器读数是一个机器人能测出来的数字。他们会发现：阈值是一个分界点，能把数字变成「近还是远」「亮还是暗」；每个传感器都有探测极限；读数还会来回小幅跳动（噪声），所以要多测几次，并针对这个房间、这台机器人做校准。读数和校准之后，他们要编写一个由传感器触发的停车程序：机器人一边前进一边用距离传感器在墙前刹住，这样阈值终于控制了一个真实的动作。至于用循环和条件贯穿整个任务的完整自动行为，下周才登场。

任务：

在不断变化的条件下读取传感器，找出一个阈值，并把它校准到在这个房间里读数可靠为止。

时间与器材：

70 至 85 分钟 · 7-part lesson

主要材料：

「传感器读数记录」活动纸（可打印）, 卷尺或直尺，用来量出已知的距离, 记录读数用的铅笔和纸 等

新概念：

触碰传感器, 距离传感器, 光线传感器, 颜色传感器

这是编程的重头戏周。学生要把第 4 周的传感器和第 3 周的顺序结构，跟循环和条件组合到一起，让机器人能自己作出反应。他们会学到：循环负责重复步骤，无限循环会一直重复到有人叫停，而「重复直到」循环则一直跑到某个条件变成真为止。他们还会认识条件和布尔（真/假）判断，然后用「如果」和「如果/否则」来选择动作。他们要编写避障程序：循环、读距离传感器，一旦有东西靠近就转弯；还要探索循线，通过查看光线或颜色传感器来调整方向、始终压在线上。

任务：

编写一个能自己作出反应的机器人程序：它不断循环、查看传感器，并用「如果/否则」来避开障碍或沿线行驶。

时间与器材：

70 至 85 分钟 · 7-part lesson

主要材料：

积木程序规划页（可打印）, 「如果/否则」决策卡片组（可打印）, 反应测试记录表（可打印） 等

新概念：

循环, 无限循环, 重复直到, 条件

学生要把自己做出来的反应式机器人变得靠得住。他们会明白，调试就是弄清楚实际结果为什么和预期结果不一样，而问题一共分三大类：机械类（某个实体部件出了岔子）、程序类（指令写错了或漏了）和传感器类（读数、阈值或校准不对）。他们要在专门设计的调试任务里练手，认识变量和计数器这两样用来存放和跟踪数值的工具，还要做可靠性试验：把同一件任务做三遍，逐次记录预期与实际，用来证明机器人是真的管用。

任务：

诊断并修好机械、程序和传感器三类问题，然后用三次运行的测试证明机器人是可靠的。

时间与器材：

70 至 85 分钟 · 7-part lesson

主要材料：

三次运行测试记录表（可打印）, 「问题侦探」活动纸，含三大问题家族（可打印）, 记录结果用的铅笔和纸 等

新概念：

调试, 变量, 计数器, 存放的值

学生要学的是：工程师在动手造之前，是怎样规划机器人这份活儿的。他们先分清自主系统（靠传感器和程序自己作决定）和遥控系统（由人来操控），然后为一项任务写下需求、约束和评判标准，并权衡其中的取舍。他们要画出自主程序的流程图，用矩形表示动作、菱形表示判断，其中还包括一次安全停车；最后跑一次简短的引导练习任务，为下周的结业项目预演。

任务：

用需求、约束和一张流程图规划一次自主任务，再用一次简短的引导练习任务把它排演一遍。

时间与器材：

60 至 75 分钟 · 8-part lesson

主要材料：

「任务规划书」活动纸（可打印）, 带动作方框和判断菱形的流程图页（可打印）, 铅笔、橡皮和纸 等

新概念：

自主, 遥控, 需求, 约束

这是结业项目。学生要挑一项任务（配送、搜救、检测、分拣或无障碍辅助），把整门课的东西都汇到一起：一份规划书、一张标注好的草图、一张「输入、处理、输出」示意图、一张流程图、一套能动起来的机械设计、至少一个传感器，以及一个用到顺序、循环和条件、并带有安全停车行为的程序。他们要跑三轮测试，记录一处改进，并说明自己的机器人是怎样帮上忙的。

任务：

设计、搭建或模拟、编程、测试并改进一台机器人，让它完成一项你自己挑的、有用的任务。

时间与器材：

90 至 120 分钟（可以分两次课上完） · 7-part lesson

主要材料：

结业项目规划书（可打印）, 流程图页和草图页（可打印）, 三次运行测试记录表（可打印） 等

新概念：

任务, 规划书, 「输入、处理、输出」示意图, 流程图