基于分支結構的智能駕駛安全出行探究

馮乾

課程背景

智能駕駛是近幾年的一個社會熱點問題，但是智能汽車在給我們的生活帶來便利的同時也造成了很多社會安全問題，比如汽車智能駕駛系統遇到突發情況來不及反應導致車禍，通過復雜路口時難以判斷引起交通事故，等等。本節課以幫助汽車智能駕駛系統更安全為主題，聚焦智能汽車行駛過程中可能遇到的安全問題，與學生一起探索如何利用分支結構改進智能駕駛系統，使得行駛更加安全。

教學目標

知識與技能 了解分支結構的基本作用;了解顏色傳感器和紅外線傳感器的基本作用。

過程與方法 通過實現程序的“紅燈停，‘會轉彎”和“躲障礙”功能，梳理分支結構使用的一般步驟;經歷腳本編寫、運行、調試、糾錯的基本流程，感受算法的效率，掌握程序調試與運行的方法。

情感態度與價值觀 了解智能信息處理的巨大進步和應用潛力，認識人工智能在信息社會中的重要作用;體會程序設計的快樂，激發學習興趣，形成應用所學知識解決問題的意識;經歷行車過程中會遇到的具體問題，培養學生交通安全意識。

教學重點與難點

教學重點 使用分支結構和顏色傳感器、紅外線傳感器實現智能駕駛功能。

教學難點 理解分支結構和傳感器是如何智能調整車輛行駛狀態的。

教學準備

華為平板電腦40臺，樂高EV3套件8套，智能車運行場地8塊，作業單、實物投影儀，等等。

教學過程

一、情境導入，提出問題

教師介紹人工智能在汽車駕駛中的應用，然后出示幾個近期智能汽車在自動駕駛中出車禍的新聞，再請學生觀看一段無人駕駛汽車在公路上行駛的視頻，分析視頻場景里的無人駕駛汽車在馬路上行駛的時候怎樣可以更加安全。

學生思考并總結、交流、分享。

二、引入新課，走進分支結構

1.復習舊課，拆分問題

師：從視頻中我們發現很多事故發生的原因就是智能駕駛系統在該停下的時候沒有停下。那么哪些情況下汽車應該停下來呢？

學生交流討論，總結出兩種情況：路口遇到紅燈;行駛過程中遇到障礙。

師：那么我們就先來實現讓小車能夠在路口遇到紅燈的時候停下來的功能。大家根據之前學過的知識回憶一下，樂高機器人識別顏色需要用到什么傳感器呢？

預設學生答案：顏色傳感器。

2.如何幫助小車破解紅燈困局

構建問題情境：汽車智能駕駛系統的顏色傳感器在路口偵測到紅燈亮起應該怎么辦，沒有紅燈亮起應該怎么辦。

化歸為算法問題：當小車行駛到路口時，判斷紅燈是否亮起。如果亮起，小車停下;否則，小車繼續行駛。

走進分支結構：過去我們學習了順序結構，順序結構雖然能夠做很多事，但是沒有辦法做判斷和選擇，遇到一些需要做判斷選擇的問題就要用到分支結構。在剛剛的問題里，程序開始后小車就要對是否遇到紅燈做判斷，“是”的話停止，“否”的話繼續前進。

在使用樂高編程的時候可以使用“切換”模塊來實現分支結構的功能?？梢詫⒉煌某绦蚰K拖到不同的分支上來實現分支結構的效果。同時注意一定要給分支模塊找對合適的傳感器以及正確的端口，才能夠讓小車對需要的信息進行反饋。這里需要讓分支結構對色彩傳感器的“測量”“顏色”進行判斷。

學生以小組為單位編程，程序如圖1，安裝傳感器并通過機器人調試程序，完成后學生交流展示。

3.總結歸納，功能擴展

師：智能駕駛汽車每一次在路口遇到紅燈也不能一直停在那里，有的時候交通管理部門會出示一些指示牌，幫助車主去繞行。請同學們試著給程序添加一個功能，讓小車遇到藍色的指示牌能夠向左轉彎繞行重新找路到達目的地。

構建問題情境：汽車智能駕駛系統在路口偵測到紅燈亮起應該怎么辦，偵測到藍色指示牌應該怎么辦，其他情況應該怎么辦。

化歸為算法問題：首先小車行駛到路口，然后判斷遇到的顏色。如果遇到紅色，小車停下;如果遇到藍色，小車向左轉彎;否則，小車繼續行駛。

學生以小組為單位編程，修改程序，如圖2，通過機器人調試程序。學生交流展示。

三、鞏固拓展，舉一反三

為了幫助學生鞏固拓展所學知識，教師請學生根據剛剛所學自己設計智能駕駛汽車遇到障礙物能夠停下的系統程序，引導其思考是否應該使用不同的傳感器來接收不同的信息。

師：紅外線傳感器可以測量物體的紅外線反射信號。躲避障礙是當障礙物離我們特別近的時候才需要去躲避，遇到障礙物停下采用紅外線傳感器的近程模式測量得比較準確。紅外線傳感器受到環境光、陰影和障礙物材質的影響比較大，每一個小組需要根據情況對具體的數值進行調整。

率先完成的小組，教師可讓其拓展延伸，自主探索如何讓智能汽車避開障礙物。教師要鼓勵學生提出不同的方法并嘗試實現，評價不同方法的優劣。

構建問題情境：小車逐漸靠近障礙物，汽車智能駕駛系統偵測到紅外線傳感器反饋數值變小。

劃歸算法問題：當紅外線傳感器反饋數值小于某一個值時，汽車智能駕駛系統執行停止或回避;當紅外線傳感器反饋數值大于等于某一個值時，汽車智能駕駛系統執行前進，如圖3。

學生以小組為單位編程，修改程序，如圖4。

學生交流展示，教師評價學生不同的方案。學生常見方案有：向后退然后轉彎來躲避障礙;直接轉彎再躲避障礙;與障礙物留出一段空間直接轉彎;等等。這里需要強調躲避的時候不能碰到障礙物，也不能碰到后車。汽車智能駕駛系統發出的指令需要對紅外線傳感器反饋的結果做出合適的調整。

四、總結歸納，深化主題

教師總結分支結構程序設計要點，提醒學生要慎重編寫判斷條件，仔細調試才能夠達成需求，讓程序比較完美地運行。

教學反思

本節課從社會熱點智能駕駛的安全問題入手，圍繞如何幫助智能駕駛系統提高安全性展開。由“遇到紅燈亮”引出運算關系，由紅外線傳感器的應用引出對分支結構條件的進一步思考，層層遞進，層層深入。

人與人工智能之間的關系是近幾年來常討論的話題。人工智能給生活帶來了便利，在擴展人腦思維界限的同時也給我們帶來了很多安全問題。學生在學習運用算法知識解決問題的同時，還需要了解算法應用所帶來的社會問題、人文問題，將人文關懷滲透進冰冷的機器語言中。

本節課在教學過程中涉及一定的硬件安裝和調試環節，尤其是紅外線傳感器的使用。紅外線傳感器受制于環境光和陰影等因素，需要根據具體情況調整變量。教師在培養學生動手能力的同時，更要讓學生養成具體問題具體分析的思維習慣和軟硬件要互相適應的直觀體驗。