家长与教师指南

第 6 周：调试与可靠性

课时长度：70 至 85 分钟

学习目的

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。

预期的学生成果

这一周结束时，学生将能够：

把调试解释成：弄清楚实际结果为什么和预期结果不一样
从症状分辨出机械、程序和传感器三类问题
在程序里用变量或计数器来存放或跟踪一个数值
做一次可靠性试验：把同一件任务做三遍，并记录预期与实际
诊断一台不听话的机器人，并说明该怎么修

建议的节奏

About 70 至 85 分钟. Adjust to your group - these are guides, not limits.

步骤	重点	分钟
调试与三大问题家族	预期结果与实际结果，以及机械、程序和传感器三类问题。	15 min
预测问题属于哪一族	先读每一个症状，在动手排查之前先预测它属于哪一族。	5 min
「问题侦探」任务	诊断并修好机械、程序和传感器三类问题，每次只改一样。	18 min
障碍物计数器	用一个变量当计数器，跟踪躲开了多少障碍物。	12 min
三次运行的可靠性试验	把同一件任务跑三遍，记录预期与实际以及「一致吗？」。	15 min
知识检测	关于调试、问题家族、计数器和可靠性的五道题。	8 min
反思	写一写你找到的一个问题，以及那三遍运行让你明白了什么。	7 min

开始之前

场地布置

为每位学生或每组打印三次运行测试记录表和「问题侦探」表。
把上周那些反应式机器人（或模拟器任务、卡片程序）准备好，随时可以拿来调试。
布置一个可重复的测试用例：划出起跑线，并固定墙或障碍物的距离，让每一遍运行都真正一模一样。

提前准备

提前每一族各埋一个问题：把轮子拧松（机械）、改掉一个转向数字（程序）、把阈值设坏（传感器）。
练一练在你的套件或模拟器里读取实时传感器数值，这样才好指导学生调整阈值。
想好在你们的设备上学生要怎样给计数器「加 1」，并自己先把障碍物计数器程序跑一遍。

材料

三次运行测试记录表（可打印）(套件, 模拟器, 不插电)
「问题侦探」活动纸，含三大问题家族（可打印）(套件, 模拟器, 不插电)
记录结果用的铅笔和纸(套件, 模拟器, 不插电)
第 5 周做的一台反应式机器人，至少带一个传感器(套件)
卷尺或直尺，用来在每次运行时布置出同样的测试用例(套件, 不插电)
装有浏览器模拟器的电脑或平板(模拟器)
前几周用过的纸板机器人、程序卡片和地板胶带赛道(不插电)
便利贴或计数表，用来当计数器可选(不插电)

安全

caution拧轮子、挪线缆或检查机械部件之前，先把机器人关掉。(套件)
caution运行过程中，让测试区和障碍赛道上别有手、脚和杂物。(套件, 不插电)
info如果要重做纸质保险杠或模型部件，请使用儿童安全剪刀，并在大人陪同下进行。(不插电)
info常常保存你的程序和测试记录，免得刷新浏览器把结果弄丢。(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.在碰任何机器人之前，先讲清楚预期与实际的区别，以及三大问题家族。
2.让学生先根据症状预测问题属于哪一族，再动手排查；别让他们瞎捣鼓。
3.坚持每次只改一样、然后重跑一遍，这样才知道到底是什么把问题解决的。
4.给完整的三次运行可靠性试验留出时间；碰巧成功的一次算不上证据。

常见误解

「跑通过一次，就算修好了」：可靠性需要多次一致的运行，而不是一次。
以为所有问题都出在代码里：很多其实是机械问题（轮子松、线缆拖地）或传感器问题（阈值不对）。
一次改好几样，结果谁也说不清到底是哪一改起了作用。
以为变量和计数器是两码事：计数器不过就是一个拿来计数的变量。

可以问的问题

你原本预期会发生什么？实际又发生了什么？
它是每一遍都以同样的方式出错，还是只是偶尔？这说明它属于哪一族？
你改动的那「一样」东西是什么？它和你的预测对上了吗？
你凭什么说你的机器人是可靠的，而不是碰巧走运？

课堂与分组的调整

降低难度

一次只给学生一个埋好的问题，并直接告诉他们属于哪一族，让他们专心练习修复和三次运行测试，不必同时去判断家族。

提高难度

同时埋下两个来自不同家族的问题，或者要求做一个能触发动作的计数器（比如躲开 3 个障碍物后就停），并且这个功能同样要经受可靠性测试。

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

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
第 5 周做的一台反应式机器人，至少带一个传感器
卷尺或直尺，用来在每次运行时布置出同样的测试用例

模拟器

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
装有浏览器模拟器的电脑或平板

不插电

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
卷尺或直尺，用来在每次运行时布置出同样的测试用例
前几周用过的纸板机器人、程序卡片和地板胶带赛道
便利贴或计数表，用来当计数器

疑难排查

这一周活动中常见的问题，以及可以试试的办法。

一口气把「所有地方」都改了，结果不知道原因是哪一处套件Try: 把改动一个一个撤回，只留一处；改一样，跑一遍，看是不是就是它。
拿不准问题属于哪一族套件Try: 跑三遍：每次错得一模一样，多半是程序；每次结果都不同，那就指向机械或者不稳的传感器。
循环永远结束不了模拟器Try: 这是程序类症状：检查「重复直到」的那个条件是不是真有机会变成真。
机器人对墙毫无反应模拟器Try: 在模拟器里读一下传感器数值，看看阈值是不是落在它正确的那一侧：这是传感器问题。
每次「运行」这个机器人的方式都不一样不插电Try: 把每张卡都写成一条精确的指令，让实际结果可以重现：这样才找得出真正的问题。
分不清是卡片的事还是保险杠的事不插电Try: 把卡片一字不差地念出来；要是卡片没错，那问题就是机械上的。
三遍下来结果一点点地在漂套件Try: 检查电池和起始位置：电量渐渐不足，正是造成不可靠的一种机械或供电原因。
对上了两次，第三次失手套件Try: 失手那一遍就是你的线索：那一遍刚跑完就立刻检查传感器读数和实体安装。
明明什么都没改，几遍跑出来却不一样模拟器Try: 检查起点格是不是真的一模一样，以及循环是靠一个明确的条件结束的，而不是碰运气结束的。
每一遍都对得严丝合缝，感觉太容易了模拟器Try: 换一个更难的测试用例（墙更近、弯更急），看看可靠性在哪里开始崩。
换个人来跑，终点就不一样不插电Try: 把卡片重写成精确、没有歧义的步骤，好让实际结果能够重现。
同一个人跑出来的终点也不一样不插电Try: 把起点位置和步幅都标出来，让测试用例每一遍都真正一模一样。
计数器数出来太多了套件Try: 机器人对同一个障碍物加了不止一次 1：要保证每检测到一次才计一次数，而不是每绕一圈循环就计一次。
计数器一直停在 0套件Try: 检查加 1 这一步是不是在「如果有障碍物」那一支里面，而不是在外面：这是程序问题。
计数器数多了模拟器Try: 只要还挨着同一个障碍物，加 1 就每圈触发一次；应该每检测到一个「新的」才计一次。
计数器一直不变模拟器Try: 确认加 1 的积木块在传感器条件里面，而不是在光秃秃的循环里。
笔画画得太多了不插电Try: 只有「转弯躲开」那张卡真的被触发时才画一笔，而不是每走一步都画。
忘了把计数器清零不插电Try: 每开始新的一遍，都要先把计数器归 0：存放的值必须从头开始。

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. 诊断一下最可能是哪一类问题。
正确答案：需要重新校准的传感器问题
原因：同样的代码，加上变了的光线，再加上不对劲的读数，指向的是传感器与校准的问题，而不是程序或机械问题。
2. 什么是调试？
正确答案：弄清楚实际结果为什么和预期结果不一样，然后把它修好
原因：调试是那种侦探工作：找出实际结果为什么和预期结果不一样，然后把那个原因解决掉。
3. 一台机器人上周还走直线。它的程序没改过，可现在每一遍都往一边打弯。这最可能属于哪一族问题？
正确答案：机械问题
原因：代码没改过，机器人却总往同一边偏，那就怀疑机械问题，比如轮子松了或线缆拖地。
4. 什么是计数器？
正确答案：一个从某个数字开始、每发生一次事情就加一的变量
原因：计数器是一个保存累计数目的变量：它从某个数字开始，每发生一次事件就加一。
5. 在可靠性试验里，「预期结果」指的是什么？
正确答案：程序运行正确时「应该」发生的事
原因：预期结果是应该发生的事；你每跑一遍都拿它和实际结果对照，看机器人可不可靠。
6. 在可靠性试验里，为什么要把同一件任务跑三遍？
正确答案：为了证明机器人一遍又一遍都能行，而不是碰巧成功了一次
原因：反复一致的运行才能证明可靠性；如果某一遍的实际结果和预期结果对不上，你就找到了一个要修的问题。