家长与教师指南

第 2 周：搭一台能跑起来的机器人

课时长度：65 至 80 分钟

学习目的

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。

预期的学生成果

这一周结束时，学生将能够：

说明电机、车轴和轮子是怎样把转动变成滚动的
找出轮式底盘上的轮子、车轴和齿轮
比较速度和扭矩，以及齿轮如何用一个换取另一个
用摩擦力和抓地力解释轮子为什么会抓住地面或者打滑
分辨稳固和不稳的底盘设计
说明轮距和质心是怎样影响平衡的
搭出或模拟一个轮式底盘，并用差速驱动来操控它
测试一个设计，并根据结果加以改进

建议的节奏

About 65 至 80 分钟. Adjust to your group - these are guides, not limits.

步骤	重点	分钟
机器人是怎么动起来的	电机、车轴、轮子，用速度换扭矩的齿轮，以及摩擦力和抓地力。	15 min
怎样才立得住	平衡、稳定性、质心、底盘设计和差速驱动。	10 min
底盘虚拟考察	每次只改一样，并记录它对速度、抓地力和稳定性的影响。	15 min
预测哪个底盘最稳	在翻倒测试之前，先猜猜哪个底盘立得最久。	5 min
轮式底盘挑战	搭一个能走直线、能转向、又立得稳的底盘。	20 min
速度与翻倒测试	记录每种配置的速度、直线性和翻倒角度。	10 min
知识检测	关于行驶、扭矩、抓地力、稳定性和转向的五道题。	8 min
反思	写一写齿轮、稳定性和差速驱动转向。	7 min

开始之前

场地布置

把轮子、齿轮和底盘零件（套件路线），或者纸板、瓶盖、木签和胶带（不插电路线）摆出来并分门别类，方便学生快速更换。
打印「底盘测试记录」和速度与翻倒测试记录表，每人或每组一份。
在地板上划出一条一米长的测试跑道，并搭好斜坡或一摞书用于翻倒测试。
如果用模拟器，在每台设备上先打开底盘实验室任务。

提前准备

自己先搭一个跑得动的轮式底盘，这样既能展示稳固的范例，也能识别常见的晃动问题。
用一个高底盘和一个又低又宽的底盘各做一次翻倒测试，好预判学生会看到什么。
备一些橡皮筋在手边，用来解决抓地力不足的轮子。

材料

「底盘测试记录」活动纸（可打印）(套件, 模拟器, 不插电)
铅笔、纸，以及一把直尺或卷尺(套件, 模拟器, 不插电)
一段短斜坡，或者一摞书，用来搭出坡面做翻倒测试(套件, 不插电)
一套可编程机器人套件，配两个电机、轮子、车轴和齿轮(套件)
套件里各式各样的轮子和齿轮，用来更换和比较(套件)
装有浏览器模拟器的电脑或平板(模拟器)
做底盘用的纸板，外加胶带和剪刀(不插电)
瓶盖或罐盖当轮子，木签或吸管当车轴(不插电)
橡皮筋、硬币或黏土，用来增加抓地力和重量可选(不插电)
一颗玻璃弹珠或小球，用来演示质心的移动可选(不插电)

安全

caution让手指、头发和宽松的衣服远离转动的轮子和齿轮，换零件之前先把电机关掉。(套件)
caution切割纸板和车轴孔时请使用儿童安全剪刀，并在大人陪同下进行，木签尖头要磨钝。(不插电)
caution在空旷处测试轮式底盘，远离桌边、楼梯和落差处。(套件, 不插电)
info常常保存你的成果，免得刷新浏览器时把底盘和测试记录弄丢。(模拟器)

完整安全须知

Review these once with your group. They apply across the whole course; the notes above are what matters most this week.

Batteries and circuits套件

Use only appropriate low-voltage educational equipment - no wall outlets and no household batteries wired by hand.
Never connect a battery's two terminals directly to each other.
Stop right away if a motor, wire, or battery becomes hot, and tell an adult.
Disconnect the power before changing wheels, motors, or other mechanical parts.

Motors and gears套件

Keep fingers, hair, jewelry, sleeves, and loose clothing away from moving gears and wheels.
Do not force a stalled motor that has stopped turning - switch it off and find out why.
Make sure moving parts are secured before you run a test.

Moving robots

Test on the floor, not on a table where the robot could drive off an edge.
Keep robots away from stairs, roads, water, pets, and people's feet.
Use a clear, open test area.
Always include a safe-stop behavior so the robot halts when the job is done or something is in the way.

Tools and materials套件, 不插电

Ask an adult for help with cutting or any sharp tools.
Use safe classroom materials - no sharp, toxic, or breakable items.
Never launch or swing an attachment toward a person.

怎样组织这节课

1.动手搭建之前，先讲清楚电机-车轴-轮子这条链条，以及齿轮怎样用速度换扭矩。
2.开展底盘虚拟考察，坚持要求学生每次只改一样，并逐条记录结果。
3.让学生先预测哪个底盘最稳，再做翻倒测试来验证预测。
4.接着进入轮式底盘的搭建，然后是速度与翻倒测试，最后以知识检测和反思收尾。

常见误解

「轮子越大机器人就越好」：大轮子跑得快，但起步要更大的扭矩，还可能把底盘抬高。
「调低齿轮配比会让机器人又慢又弱」：它是变慢了，但更有劲；这是用速度换扭矩。
「轮子在转就说明机器人在动」：在打滑的地板上，它可能只是在原地空转，根本没有抓地力。
「机器人是用方向盘转向的」：差速驱动的机器人靠两轮转速不同来转向。
「机器人越高越结实」：又低又宽、质心也低的底盘要难翻得多。

可以问的问题

电机的转动要经过哪些地方才能传到地面？
如果你想让这台机器人爬坡，需要的是更大的速度还是更大的扭矩？
这个轮子为什么在打滑，抓不住地面？
如果左轮慢下来，机器人会往哪边转？
重量在哪里？你要怎么做才能让这个底盘更难被弄翻？

课堂与分组的调整

降低难度

给学生一个已经搭好的底盘，只让他们换轮子并做斜坡翻倒测试，不必从零开始搭底盘。

提高难度

让学生挑战：调好底盘的齿轮以取得最佳爬坡表现，并只用差速驱动的转弯走出一个方方正正的正方形。

小组与全班

In pairs or small groups, give each student a role that rotates - driver (builds or types), navigator (reads the plan), and recorder (fills the worksheet) - so everyone participates. For a whole-class demo, run one shared robot or simulator on the board, have students predict together, then let groups repeat it on their own path. Groups can also mix paths: one builds on the kit while another checks the same idea in the simulator or unplugged, then they compare results.

有器材与无器材说明

Every activity this week runs three ways - all three teach the same core idea, so pick whichever fits your room. No specific product is required.

套件

「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
一套可编程机器人套件，配两个电机、轮子、车轴和齿轮
套件里各式各样的轮子和齿轮，用来更换和比较

模拟器

「底盘测试记录」活动纸（可打印）
铅笔、纸，以及一把直尺或卷尺
装有浏览器模拟器的电脑或平板

不插电

「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
做底盘用的纸板，外加胶带和剪刀
瓶盖或罐盖当轮子，木签或吸管当车轴
橡皮筋、硬币或黏土，用来增加抓地力和重量
一颗玻璃弹珠或小球，用来演示质心的移动

疑难排查

这一周活动中常见的问题，以及可以试试的办法。

底盘不直着走，老是拐弯套件Try: 检查两个轮子是不是都拧紧了、两个电机转速是不是一样；轮子松动或电机不匹配都会让它跑偏。
轮子在转，底盘却不动套件Try: 轮子在打滑，说明抓地力不足。换一个更抓地的轮子，或者换一个更粗糙的地面试试。
每种配置跑起来都一个样模拟器Try: 确认你确实改了设置并重新运行了；每次只改一个设置，效果才看得清楚。
底盘一转弯就翻模拟器Try: 把质心调低或者把底盘加宽，然后转弯时慢一点。
底盘滚歪了不插电Try: 把车轴摆正，让它们互相平行，并保证两侧轮子大小一致。
轮子在蹭着走，不滚不插电Try: 车轴可能卡住了。把孔稍微扩大一点，让车轴能自由转动。
它总是往一边偏套件Try: 可能某个电机转得更快，或者某个轮子松了；把两个电机的转速调一致，并把两个轮子都拧紧。
它一停下来就往前栽套件Try: 质心太高或者太靠前了；把重量放低，并往后挪到轮子上方。
底盘只会直着走，从来不转弯模拟器Try: 把两个轮子的速度设成不同的数值；速度一样就永远是直着走。
底盘转弯时会翻模拟器Try: 把质心调低或者把轮距加宽，然后转弯时轻一点。
它滚歪了不插电Try: 车轴没对平行，或者两侧轮子大小不一样；把孔戳正，再把轮子配成一对。
轮子在桌面上打滑不插电Try: 在每个轮子外面缠一根橡皮筋，增加抓地力。

知识检测参考答案

这里的答案只给成人看；学生活动纸上是不显示答案的。

1. 诊断一下这个设计问题。
正确答案：质心太高了
原因：又高又头重脚轻，意味着质心高，快速转弯时就会翻。把重量放低，或者把轮距加宽。
2. 转动的电机是怎样让机器人在地板上滚起来的？
正确答案：电机带动车轴，车轴再带动轮子
原因：电机带动车轴，车轴带动装在上面的轮子，轮子一转，机器人就滚起来了。
3. 你把机器人的齿轮调低，让轮子转得更慢。你得到了什么，又放弃了什么？
正确答案：得到扭矩（转动的力气），放弃速度
原因：齿轮用速度换扭矩。让轮子转得更慢，爬坡和推东西时的转动力气就更大。
4. 机器人的轮子转得飞快，可在光滑打滑的地板上却几乎不动。问题出在哪儿？
正确答案：抓地力不足：轮子在打滑，抓不住地面
原因：光滑的地板摩擦力很小，轮子抓地力不足，只能在原地打滑，没法让机器人往前走。
5. 哪一种机器人底盘最难被弄翻？
正确答案：又低又宽、沉重部件都靠近底部的底盘
原因：又低又宽的底盘把质心压得很低，而且落在轮子范围之内，所以很难被弄翻。
6. 在差速驱动里，一台双轮机器人是怎么左转的？
正确答案：左轮转得比右轮慢
原因：在差速驱动里，机器人会朝转得慢的那一侧偏，所以把左轮放慢就能让它左转。