褚志华   上海市普陀区真光小学信息科技教师，学校机器人社团教师，曾获得中国少年科学院优秀科技教师称号，多次带领学生在“RCJ机器人世界杯中国赛区选拔赛”“中国FLL竞赛（上海赛区）”“上海市中小学生创造发明设计竞赛”“全国中小学电脑设计竞赛机器人项目”“上海市机器人比赛足球项目”等竞赛中获一、二等奖。

学习背景
 

本课使用乐高积木搭建智能垃圾分类机，使用LEGO Mindstorms程序完成程序编写，通过颜色传感器判断代表不同垃圾的颜色块，实现对垃圾进行智能分类的效果。通过创作贴合实际生活的创意作品，将创客教育与信息技术相融合，提高了所有学生的兴趣和参与度；通过编程开发和不断调试，培养学生的试错纠错能力；通过面向实际生活应用的机器人制作过程，培养学生的计算思维、工程思维。

教学目标
 

知识与技能
 

1.识别颜色传感器，描述颜色传感器数值与不同颜色的关系。

2.实现颜色传感器控制Mindstorms程序中电机旋转角度。

过程与方法
 

能通过观察分析颜色传感器的数值与距离远近的关系，控制电机进行正确的旋转角度。

情感态度与价值观

1.感受运用信息技术解决实际生活中的问题以及设计创意作品的喜悦。

2.培养垃圾分类意识。
 

教学重点与难点
 

教学重点  利用颜色传感器，实现对智能垃圾分类机模型的控制。
 

教学难点  通过程序调试，实现智能垃圾分类机模型的正确分类。

教学设计
 

一、创设情境
 

结合“上海垃圾分类”的社会热点事件，通过交流上海垃圾分类具体方法，激发学生利用乐高设计智能垃圾分类机模型，实现垃圾自动分类的创意，初步交流创作思路。

二、小组合作，解决问题

1.构思设计
 

教师组织学生讨论在垃圾分类时可能遇到的相关问题，如不知道怎样对垃圾进行正确的分类等，激发学生设计一个可以自动识别垃圾种类并自动进行分类的智能垃圾分类机模型。学生分小组合作设计智能垃圾分类机模型的草图，并使用乐高的积木、颜色传感器和电机相关组件进行搭建。

2.探究新知

学生利用Mindstorms程序观察颜色传感器的数值与不同颜色的关系，判断控制电机转速的大致参数范围。

3.编程与调试
 

学生在初步完成编程后，通过发现问题、分析问题和解决问题的步骤，逐步完善程序编写，实现颜色传感器对程序中电机旋转角度的程序调试，达到智能垃圾分类机模型正确分类垃圾的目的。

三、展示与评价
 

小组进行作品展示，交流作品的特色及创意，任务过程中调试与编程的问题及解决方法，作品成功或失败的心得。
 

四、反思与创新
 

总结颜色传感器的特点和用途。引导学生讨论思考“智能垃圾分类机模型还可以怎样进行优化”，延伸课堂，延伸学生的兴趣。
 

案例详解
 

一、LEGO Mindstorms 简介

LEGO Mindstorms是乐高教育器材中第三代机器人套装。学生在计算机上通过蓝牙连接Mindstorms程序和乐高积木主机，就可以进行编程了。（如图1）

二、智能垃圾分类机结构的搭建
学生在设计创意智能垃圾分类机的时候，由于没有固定装置的参考，外观形色各异，但从结构的有效性来说，主要分为传送结构（如图2）和旋转结构（如图3）。

以传送结构为例，其结构参考物流传送装置，再加上一个识别“垃圾颜色块”的装置，整个结构主要用到一个颜色传感器来识别红、黄、蓝、绿四种代表不同种类的“垃圾颜色块”，一个中电机和一个大电机作为垃圾分类机的传送装置。

三、颜色传感器与电机旋转角度的研究

1. 颜色传感器
 

学生通过使用颜色传感器去检测红、黄、蓝、绿四种代表不同种类的“垃圾颜色块”，读取颜色传感器的数值，发现不同的颜色数值是不一样的。

2. 电机旋转角度
 

电机的旋转由功率和度数两个参数组成。功率范围在-100到100，通过指导学生设置-30、0和80这三个数值，可以让学生体会到负值为逆时针旋转、零值为停止旋转、正值为顺时针旋转，并且数值越大转速越快的工作原理。
 

度数的数值有着每360度作为电机旋转一圈的规律，学生通过设置30、200、720、900等数值，体验到电机旋转小半圈、大半圈、两圈和两圈半之间的差异。

在实验探究后，学生理解了颜色传感器和电机的工作原理，为后续使用颜色传感器判断控制电机旋转角度，实现“垃圾颜色块”的分类打下基础。
 

四、程序设计与调试
 

1.需求分析
 

根据需求，学生需要让垃圾分类机实现可以根据颜色识别不同种类的垃圾，从而控制电机旋转不同的度数，传送至对应颜色的垃圾桶的效果。在本例中，根据传送装置的特点，传送的距离远近是由电机旋转角度决定的。通过实验调试，初步设定角度范围0~50对应为蓝色垃圾桶；角度范围50~200对应为绿色垃圾桶；角度范围200~400对应为黄色垃圾桶；角度范围400~650对应为红色垃圾桶。垃圾分类机模型在每次启动识别前和完成传送后都进入初始等待状态。（如图4）

2.程序设计
 

整个程序主要分为两个模块。第一个模块是识别判断，通过颜色传感器识别到的颜色数值和程序内部预留的颜色数值进行比较匹配（如图5）。第二个模块是“垃圾颜色块”的分类动作，分类动作采用分支结构，程序根据颜色传感器识别到的颜色数值执行对应编号的分支程序，在不同的分支程序中执行不同的电机旋转命令，从而到达不同颜色垃圾桶的位置，完成分类工作（如图6）。最后将两个模块及其他模块嵌套“循环”结构，使智能垃圾分类机可以重复执行识别传送工作。

3.完善创新
 

作品展示交流之后，引导学生讨论思考“智能垃圾分类机模型还可以怎样进行优化”，让学生大胆想象，积极探索，如“在传送装置上安装一个触碰传感器，避免传送电机碰撞两臂”，或“将垃圾分类机由颜色识别改成语音识别”， 想象力、创造力的充分发挥，使学生的创新精神和实践能力得到了发展。

教学点评
 

上海市将于今年7月1日起进入垃圾分类“强制时代”。本课通过创设“智能垃圾分类机”的任务情境，让学生在编程过程中发现问题、分析问题、解决问题，进而培养计算思维、工程思维和环保意识。
 

本节课，学生根据各自的理解，搭建了造型各异的垃圾分类机模型；并都使用了颜色传感器和电机旋转角度的相同思想解决垃圾分类的关键问题。学生在实验过程中既体验了工程思维中的设计、物化、完善的过程，又经历了计算思维培养中界定问题、抽象特征、建立结构模型的过程，也培养了用信息技术解决实际问题的关键能力，还树立了垃圾分类的意识。（点评人：王世达，上海市普陀区教育学院现代教育技术研究室副主任，信息技术教研员）