家长与教师指南

第 4 周：让机器人学会感知

课时长度：70 至 85 分钟

学习目的

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。

预期的学生成果

这一周结束时，学生将能够：

说出触碰、距离、光线和颜色传感器的名称，以及它们各自测量什么
读出传感器数值，并说明读数是一个数字，而不是「是」或「否」
找出一个能把近和远、或者亮和暗分开的阈值
说明什么是探测极限和噪声，以及为什么要多测几次
校准传感器，让它的读数在这个房间、这台机器人上都靠得住

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
四种感官，以及什么是读数	触碰、距离、光线和颜色传感器；读数是一个数字，不是「是」或「否」。	15 min
预测读数	猜一猜读数怎样随距离变化，以及对着不动的墙读两次是否会得到同样的数字。	5 min
传感器考察实验	在不同条件下读取传感器，并找出一个阈值。	18 min
校准与阈值挑战	对付噪声，然后为这个房间校准一个可靠的阈值。	12 min
传感器停车挑战	编程让机器人前进并用距离传感器在墙前停住；跑三次，把阈值调到最合适。	15 min
知识检测	关于读数、阈值、噪声和校准的五道题。	8 min
反思	写一写阈值、噪声，以及校准为什么重要。	7 min

开始之前

场地布置

为每位学生或每组打印「传感器读数记录」。
布置一个量好的测试点：卷尺上标出 10、20、40 和 80 厘米，并准备一堵墙或一个盒子放在那里。
走套件路线的，装好传感器并预先载入一个「读数并报告」的短程序；走模拟器路线的，在每台设备上打开它；走不插电路线的，准备好眼罩和一套深浅卡片。

提前准备

自己先做一遍传感器实验，摸清你手上这个传感器的真实读数和探测极限。
提前对着一个不动的物体测五次，好向学生展示噪声长什么样。
先定好校准挑战里要用的那两个界限分明的条件（暗对亮，或者近对远）。

材料

「传感器读数记录」活动纸（可打印）(套件, 模拟器, 不插电)
卷尺或直尺，用来量出已知的距离(套件, 模拟器, 不插电)
记录读数用的铅笔和纸(套件, 模拟器, 不插电)
一台带触碰、距离、光线或颜色传感器的可编程机器人(套件)
一堵墙、一本书或一个盒子，放在量好的距离上(套件)
一支手电筒和一些彩色卡片，用于光线和颜色测试可选(套件)
装有浏览器模拟器的电脑或平板(模拟器)
做人体传感器活动用的眼罩或围巾(不插电)
深浅不同的卡片（或灰度色条），用来分类(不插电)

安全

caution把机器人放在稳当的平面上，在各个测试点之间搬动它时当心轮子。(套件)
caution给蒙眼扮演「人体传感器」的同学做好引导，并把地面清空，免得有人绊倒。(不插电)
caution测试光线传感器时，不要用手电筒直射任何人的眼睛。(套件)
info常常保存你的读数记录，免得刷新浏览器时把数据弄丢。(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.开始测量之前，先讲这四种传感器，以及「读数是一个数字，不是是或否」这个核心观点。
2.先让学生预测读数，再开展传感器考察实验，并把每个数值都记下来。
3.强调这一周机器人只负责读数和报告：判断这些数字含义的是学生，不是机器人；自动反应下周才会出现。
4.开展校准与阈值挑战：用重复读数展示噪声，并把阈值定在两个界限分明的条件之间。

常见误解

「传感器给出的是是或否」：大多数传感器给的是一个随外界平滑变化的数字。
「测一次就够了」：因为有噪声，应该多测几次，取中间值或平均值。
「同一个阈值到哪儿都好使」：光线和表面会随房间而变，所以要针对所在的地方校准。
「数字在跳，说明传感器坏了」：小幅跳动是正常的噪声，不是故障。

可以问的问题

你读到的是什么数字？它意味着什么：近还是远，亮还是暗？
同一个位置你为什么要读不止一次？
你把阈值定在了哪里？是怎么决定的？
换到更亮的房间，你的阈值还管用吗？你会怎么去验证？

课堂与分组的调整

降低难度

只用一个传感器和两个界限分明的条件（一堵近墙和一堵远墙），并由全班一起把阈值定下来。

提高难度

让学生比较两个传感器，把噪声表述成一个区间，并校准出一个在两个不同房间都好用的阈值。

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

「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
一台带触碰、距离、光线或颜色传感器的可编程机器人
一堵墙、一本书或一个盒子，放在量好的距离上
一支手电筒和一些彩色卡片，用于光线和颜色测试

模拟器

「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
装有浏览器模拟器的电脑或平板

不插电

「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
做人体传感器活动用的眼罩或围巾
深浅不同的卡片（或灰度色条），用来分类

疑难排查

这一周活动中常见的问题，以及可以试试的办法。

读数上蹿下跳，就是稳不下来套件Try: 那就是噪声：每个距离上测三次，取中间那个值。
不管怎么弄，距离读数都卡在一个很大的数字上套件Try: 你可能已经超出了传感器的探测极限，或者对着空处；把它正对着一米以内的一堵平整的墙。
机器人明明没动，模拟器的读数每次却都差一点点模拟器Try: 那是特意模拟出来的噪声：多读几次，取中间那个值。
不知道屏幕上哪个数字才是传感器的模拟器Try: 找那个在你把墙挪近时会变的数值：那就是距离。
同一张卡片，两名学生给的数字不一样不插电Try: 这就好比传感器之间的噪声：先商定一套共同的评分标准，再重新读一遍，这也是一种校准。
什么都得同一个数字不插电Try: 把条件拉得更开（墙近得多、卡片深得多），读数的差别自然就明显了。
某个表面有时会落错边套件Try: 可能两个条件靠得太近，也可能噪声太大；挪一挪阈值，或者换对比更强烈的表面。
整批读数比先前整体偏移了套件Try: 房间的光线变了：现在就重新校准，这正是校准重要的原因。
阈值已经定在中间了，格子还是老分错模拟器Try: 把格子之间的对比调强，或者把模拟噪声调小，然后重新校准。
平均值不好算模拟器Try: 把三个读数加起来再除以三，或者干脆用这三个里中间的那一个。
两个人定出了不同的阈值不插电Try: 这正是校准重要的原因：全组商定一套共同的评分标准和一个共同的阈值。
中间那几张卡片很难分不插电Try: 中间的数值本来就贴着阈值；这很正常，把它们记下来当作最难的例子。

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. 把每种传感器和它测量的东西连起来。
正确答案：距离传感器 -> 某样东西有多远; 光线传感器 -> 环境有多亮; 触碰传感器 -> 有没有东西被按下; 颜色传感器 -> 一个表面是什么颜色
原因：每种传感器只测一样东西：距离、光线强弱、触碰，或者颜色。
2. 用你自己的话说说，什么是传感器阈值？
正确答案：阈值就是一个分界数字。读数落在它的一边，机器人就作一种判断；落在另一边，就作另一种判断，比如「比 15 厘米还近就说明有墙靠近了」。
原因：阈值是一个分界数值，它把传感器给出的数字变成一个「是或否」的判断。
3. 什么是传感器读数？
正确答案：传感器在某一刻给出的数字
原因：传感器读数就是传感器在某一刻报出的数字，它会随着外界的变化平滑地变化。
4. 距离传感器对着一堵墙读出 30 厘米，对着一堵更近的墙读出 12 厘米。这说明读数是怎么回事？
正确答案：东西越近，读数越小
原因：距离传感器的读数会随着物体靠近而变小，正因如此，你才能把它变成一个「近还是远」的判断。
5. 你想让机器人把 15 厘米以内的一切都当作「近」。这个数字 15 叫什么？
正确答案：阈值
原因：阈值是你自己挑的一个分界数值，用来区分两种情况，比如近与远，或者亮与暗。
6. 你对着同一堵不动的墙读了五次，得到 30、31、30、29、31。这些数字为什么会跳？
正确答案：因为有噪声，所以要多测几次
原因：噪声是读数中那种小小的、正常的跳动，就算什么都没变也会出现，所以做机器人的人都会多测几次，取中间值或平均值。
7. 你的亮暗阈值在教室里好用，到了阳光充足的房间却失灵了。你该怎么办？
正确答案：为新房间校准传感器，并定一个新的阈值
原因：同一个阈值不可能在每个房间都好使，所以你要针对新的光线校准传感器，并挑一个能可靠区分亮暗的新阈值。