《测试自动驾驶车》实验教学说课（教案）-2023-2024学年六年级下册科学教科版

教科版小学科学六下第1单元小小工程师---《测试自动驾驶车》实验教学说课 1、 使用教材 《测试自动驾驶车》是教育科学出版社六年级下册第一单元《小小工程师》的子项目课程。该单元隶属于技术与工程领域，希望学生担当起工程师的角色，像工程师一样根据规定的任务目标，运用已有经验和对科学的理解，设计并建造出相应的产品。学生在前期《小小工程师》的国家课程学习中，经历了一个工程建造的系统过程。基于学生建造塔台、体验、学习工程的过程，在综合实践活动课中实施设计自动驾驶汽车项目。本项目持续一个月的时间，如图1所示：自动驾驶车项目式学习流程图。（讲解流程图）这节课处于流程图中的第5个环节，测试模型能否完成自动避障功能，进一步评估并改进。 图1 自动驾驶车项目流程图 2、 实验器材 本课在人工智能网络环境及设备支持下进行。使用的器材是央馆配套的人工智能AI开源硬件------未来派二，如图2所示，包括各种金属结构件、动力组件、线材电源、电子器件、五金工具以及AI能力开发板和驱动板。其中AI能力开发板：是具备AI能力的开源硬件，实现了语音、视觉、自然语言处理等AI技术与传统创客教育的结合。学生可自由创造出各种作品，同时并赋予其AI技能，使其更加智慧化。 图2 人工智能AI开源硬件----未来派二 3、 实验创新要点 （一）想要让学生在工程师工作流程和工程设计制造的产品之间建立联系。相较于科学家的工作，工程师工作的流程对大多数学生来说陌生的，对工程师的认识大都停留在建房子、架桥梁的层面，认为工程师的工作很复杂、离自己的生活很远，但实际上，我们却每天都在使用工程设计制造的产品，学生对工程师工作流程的认识与工程设计制造的产品的认识是脱节的，通过本课的学习可以在两者之间建立一定的联系。 （二）想要给学生一个爱上机械的契机。课本培养建筑工程师，我们培养机械工程师。不管建筑工程还是机械工程都是工程的关键领域，我们在课本上体验了建筑工程，在课下继续体验机械工程，这样在 知识上：学生通过自主探究，能更深刻地认识科学的原理，活化课内所学科学知识。 方法上：学生通过体验不同工程领域的工程设计流程，更加能够灵活的掌握解决问题的流程方法。 思维上：在解决各个工程问题的过程中，培养了学生的创造性思维、系统思维、筹划思维、评价思维、批判性思维、逆向思维等。 技能上：进一步提升学生的工具使用、识图绘图、建构模型、数据分析等能力。 （三）想要让学生多学科融合，打造高科技产品。软硬件结合的自动驾驶车，涵盖科学、编程、机械，物联网、人工智能等多学科知识科普。可以说，最后的成果，不仅仅是一辆车，而是集合了物理、机械、编程、物联网、人工智能于一体，学生一手创造的，满满的“知识结晶”。 四、实验设计思路 （一）通过实体构建 训练孩子结构化思维拆解复杂问题。 设计一辆自动驾驶车？听起来简直无从下手。 但我们会带孩子通过提问，找到核心问题，再像“剥洋葱”似的，把任务一步步进行拆解。让孩子学会化大为小，逐一解决小问题，从而完成大任务。我们先让学生熟悉超声波传感器的工作原理，通过超声波传感器显示的数据来分析距离。再根据距离设置小车的运动和停止，继而实现让小车自动避障的功能。见图3 图3 结构化思维流程图 （二）融入编程控制 培养孩子程序化思维解决真实问题 编程之前，不过一辆普通的车； 编程之后，就相当于给这台车注入“灵魂”。 而整个编程设计，并非一步到位，而是像闯关一样逐级进阶！ 首先，实现单次的自动避障； 继而，实现连续的自动避障； 因为一节课的时间有限，我们在后面的课程中还要实现遇到障碍物逐渐减速停止；自动避障后并后退等等 不断拓展问题的难度，不断深化孩子的思考力，不断通过清晰直观的程序化设计、屡次调试的实验过程，锻炼孩子的编程思维和问题解决能力。如图4 图4 程序化思维流程图 （三）综合多学科知识 促进孩子学以致用、学以致创 软硬件结合的人工智能课程，涵盖物理、编程、机械，电子电路、物联网、人工智能等多学科知识科普。 （四）所编即所得 让孩子更好理解编程的实际价值 区别纯软编程单调重复、脱离实际的游戏，这样软硬件结合的方式，让孩子实实在在感受到智能创造、科技创新的魔力，过一把“工程师”的瘾。 五、实验教学目标 （一）科学教学目标 （1）测试是工程设计中的重要环节，是衡量设计是否达到规范要求的重要方法。 （2）能对测试结果进行反思，能归因问题所在。 （3）了解超声波传感器的工作原理及应用。 （二）人工智能教学目标 （1）通过体验自动驾驶车避障的过程，感知自动驾驶车的功能，初步了解计算机视觉的含义及应用。 （2）通过体验自动驾驶车，产生对人工智能领域的学习兴趣和探究热情。 （三）信息技术教学目标 （1）了解人工智能与智慧社会 （2）了解物联网实践与探索 （四）实验重点：能够梳理自动驾驶车存在的问题并初步提出改进设想。 （五）实验难点：能自觉运用批判性思维和创造性思维开展工程实践活动。 六、实验教学内容 实验教学内容主要是编程实现小车自动避障的功能，主要有两个实验活动 1.需要学生先认识超声波传感器的工作原理，学生在用超声波传感器检测跟其他物体距离时，会有一个距离值。根据距离值的数据，学生分析后会得出检测到距离变近，数值就会变小；检测到距离变远，数值就会变大，继而根据超声波传感器的数值设定安全行车距离。2.利用超声波传感器让小车实现自动避障，学生编写程序并进行测试。 7、 实验教学过程 （一）创设情境，巩固引入 先来回顾一下工程建设过程的步骤。请一位同学先梳理一下我们最近都做了哪些工作。今天我们的任务是什么？今天我们就一起来测试自动驾驶车。 （二）编程知识 认识超声波传感器 在做任务前，一起来了解下超声波传感器的工作原理。超声波传感器看起来有两只“眼睛”，其实分别是超声波发射器（“发射探头”）和超声波接收器（“接收探头”），可发射和接收超声波。当发射出的声波遇到物体后，就会被反弹回并被传感器接收到。也就是说超声波传感器可以检测跟其他物体的距离。 活动：用超声波传感器检测跟其他物体的距离，并语言播报距离值。 学生测试、分享自己的程序并运行展示自己的编程结果。 老师引导学生说出检测到距离变近，数值就会变小，检测到距离变远，数值就会变大。 通过视频了解自然界中哪些动物可以发出超声波。以及超声波传感器的应用领域 老师总结：我们的自动驾驶汽车就使用各种传感器来监控道路和周围环境。有了智能传感器，汽车就相当于有了人类的眼睛、鼻子、耳朵，可以观察、感受周围一切情况。 （三）探究发现 编程实现小车自动避障 这节课我们先来利用超声波传感器让小车自动避障。来看看我们的任务：启动汽车，然后，控制它向前行驶，等到看到前方有障碍物，停止运行。 学生编写程序，并进行测试。测试过程中学生会发现小车无法完成自动避障。流程图见图5所示。 图5 程序流程图 团队讨论决策，教师适时引导学生在程序中加入循环模块。流程图见图6所示。 图6 迭代后的程序流程图 学生实现了让小车自动避障的功能。 （四）拓展延伸 一起思考一个社会问题： 如果一个车主因为自动驾驶汽车出了车祸，对别人造成了伤害，该怎么办？ 车主需要承担责任吗？ 又是谁来负责给对方进行赔偿呢？留给大家下课后思考。 师总结：就像人工智能一样，它虽然是划时代的伟大发明，可是它却会给人类现实生活带来许许多多其它的问题。 八、实验效果评价 本课是一堂融合科学＋信息技术+人工智能多学科融合的课程。我们知道自动驾驶时代已加速来临；我们希望孩子们，能通过他们亲手打造的“自动驾驶车”，奔往这个新智能时代。这节课并不是简单的知识讲解或技能传授，更重要的是帮助学生引发思考，跨学科综合应用解决问题。引导学生去解决物物互联的问题。 在学生探究的过程中，把任务一步步进行拆解。让孩子学会化大为小，逐一解决小问题，从而完成大任务。不断拓展问题的难度，不断深化孩子的思考力，不断通过清晰直观的程序化设计、屡次调试的实验过程，锻炼孩子的编程思维，和问题解决能力。 他们通过观看视频，参与设计、编程测试、展示自己的作品等形式，实施了工程实践活动，同时，多样化的学习活动设计，也激发了学生的学习兴趣，培养了他们的探究意识，创新思维和社会责任感。见表1是本课的评价方案，见表2是本课的小组评价报告。 表1 自动驾驶车评价方案 自动驾驶车避障功能评价表 项目 1分 2分 3分 自评 互评 师评 前 置 课 设计图 图纸上一些较复杂结构看不懂，需要帮助。 能够根据图纸一步一步拼搭，但没有分析图纸的能力。 能够看懂图纸，图纸上没有的步骤也可以通过分析进行搭建。 车体 搭错某个结构、马达选错或者线路接反等较大的失误。 完全按照图纸搭建（创意部分除外）有个别螺丝松动 完全按照图纸搭建（创意部分除外）坚固且稳定 本 节 课 超声波传感器 传感器被其他元件遮挡，无法使用。 安装位置太靠下或者太靠上，虽然能够正常测距，但测距范围变小。 安装位置恰当、前方无遮挡、能够正常测距 自动避障功能 不能完成避障任务 只完成一次避障任务，程序终止 能够重复多次完成避障 驾驶安全性 避障功能不稳定 避障功能稳定但车辆运行过程中掉落零件。 避障功能稳定且车辆运行过程中无零件松动掉落。 紧急情况处理能力 机器突发故障后出现大喊大叫、敲打车体、乱改程序等不理智行为。 机器突发故障后不进行排查，直接寻求同学和老师的帮助。 机器突发故障能够临危不乱，冷静理智分析原因作出判断进而修复。 程序设计 逻辑不清晰，有所缺失。 基本实现逻辑，较为完整。 能够设计完整的实现逻辑，流程结构清晰准确 编程实践 在小组合作中表现较为被动，自动驾驶小车避障功能实现不够完整。 能够通过小组合作讨论、承担小组角色、较为主动参与，共同完成编程实践任务，编程基本实现自动驾驶小车避障的功能。 能够通过小组合作讨论、承担小组角色，积极出谋划策，共同完成编程实践任务，编程完整实现自动驾驶小车避障的功能。 探究发现 能够充分利用器材，积极测试，未完成学习单任务，调试程序思路不够清晰。 能够充分利用器材，积极测试，较为完整填写学习单，汇报小组发现，并根据发现说出调试程序思路。 能够充分利用器材，积极测试，完整填写学习单，主动汇报小组的发现，并根据发现说出调试程序的思路。 分工合作 分工不明确，每个成员不知道各自应该做什么。 有基本的分工，但是分工不系统，或执行分工不彻底，或有未承担任务的成员。 有明确的分工且贯彻实施，为每个成员安排了相应的任务，并且每个成员都明确自己的任务，能有组织地执行。 统计 表2 小组评价报告 我们小组的名字 我们小组能做到分工明确、合理，大家对自己的职责很清楚 能（） 基本上能（） 还需努力（） 我们小组在活动时能主动参与、积极讨论 能（） 基本上能（） 还需努力（） 遇到有争议的问题我们能很好的分析、探讨 能（） 基本上能（） 还需努力（） 我们能公平、公正的评价其他成员 能（） 基本上能（） 还需努力（） 学科网（北京）股份有限公司 $$