👩🏫 教師設計與教學手冊
SPIKE 仿蝙蝠避障車：從仿生概念到條件判斷
本手冊協助教師設計與帶領四、五年級學生完成「仿蝙蝠避障車」課程。 重點不是讓作品像蝙蝠，而是讓學生理解：生物感知環境的方式，可以轉化成感測器、程式判斷與機器行動。
一、課程設計核心
為什麼四、五年級適合從蝙蝠避障車開始？
對四、五年級學生來說，SPIKE 課程最需要先建立「感測器取得訊息 → 程式做判斷 → 馬達做動作」的概念。 蝙蝠避障車剛好把這三件事串在一起，而且作品效果清楚，學生容易測試與改良。
這堂課的核心不是「做一隻蝙蝠」，而是「模仿蝙蝠偵測環境並避開障礙的解決策略」。
二、教學目標與評量對應
讓學生從會動，進入會判斷
| 目標面向 | 學生要能做到 | 教師觀察重點 |
|---|---|---|
| 仿生理解 | 說明蝙蝠用回聲定位感知環境，機器人用距離感測器模擬。 | 學生是否只說「像蝙蝠」，還是能說出模仿哪一種功能。 |
| 程式邏輯 | 能使用「如果距離小於某數值，就停止／後退／轉彎」。 | 學生是否理解 if 條件，而不是只照抄程式。 |
| 工程改良 | 能根據撞牆、太早轉彎、轉不夠等結果調整參數。 | 學生是否能說出修改原因。 |
| 表達反思 | 能說明距離門檻、車速、轉彎時間如何影響避障效果。 | 學生是否用測試結果支持說法。 |
三、教師引導架構
從生物現象走到 SPIKE 程式
1
現象
蝙蝠在黑暗中也能避開障礙。
2
問題
看不清楚時，牠如何知道前方有東西？
3
仿生轉換
把「感知距離」轉成距離感測器。
4
程式判斷
距離夠遠就前進，太近就避開。
5
工程測試
調整門檻、速度、轉彎時間。
6
反思
說明機器人模仿了蝙蝠哪個策略。
四、兩節課教學流程
建議課堂安排
| 時間 | 活動 | 教師引導 | 學生產出 |
|---|---|---|---|
| 第 1 節 5 分 | 蝙蝠現象引入 | 問：如果看不清楚，蝙蝠怎麼避開障礙？ | 提出猜想 |
| 第 1 節 8 分 | 仿生對應 | 建立蝙蝠回聲定位與 SPIKE 距離感測器的對應。 | 仿生對應表 |
| 第 1 節 17 分 | 組裝基本車體 | 確認馬達方向、感測器位置、車輪穩定。 | 可前進的車體 |
| 第 1 節 10 分 | 基本程式 | 先完成「距離夠遠前進，太近停止」。 | Lv.1 停止避障 |
| 第 2 節 8 分 | 問題回顧 | 問：只停止夠不夠？如何繼續前進？ | 提出改良策略 |
| 第 2 節 12 分 | 加入後退與轉彎 | 引導學生調整後退時間與轉彎時間。 | Lv.2 轉向避障 |
| 第 2 節 12 分 | 迷宮測試 | 要求記錄距離門檻、速度、結果。 | 測試紀錄表 |
| 第 2 節 8 分 | 成果發表 | 收束仿生與工程改良概念。 | 小組說明 |
五、教師提問腳本
用問題引導學生，不急著給答案
仿生引導
- 蝙蝠在黑暗中會遇到什麼問題？
- 牠需要知道前方的哪些資訊？
- 我們的機器人可以用哪個元件模擬這種感知？
程式引導
- 距離多近算危險？
- 如果距離太近，車子只停止夠嗎？
- 後退多久比較合適？轉彎多久比較合適？
工程改良
- 它為什麼撞到？是太快、太晚偵測，還是轉不夠？
- 你們改了哪個參數？
- 改良後有什麼證據顯示變好了？
六、程式設計引導
從簡單條件到多步驟避障
第一階段：只停止
重複執行：
讀取距離感測器
如果距離 > 15 公分：
前進
否則：
停止
教學目的：讓學生先理解「感測值會影響行動」。
第二階段：會避開
重複執行：
讀取距離感測器
如果距離 > 15 公分：
前進
否則：
停止
後退一小段
轉彎一小段
教學目的：讓學生理解避障不是單一動作，而是停止、後退、轉向的動作序列。
七、常見問題與處理
課堂上最容易遇到的卡關點
| 現象 | 可能原因 | 教師可引導學生檢查 |
|---|---|---|
| 車子一直撞牆 | 距離門檻太短、車速太快、感測器角度不對。 | 把門檻從 10 改 15 或 20 公分；降低速度；確認感測器朝前。 |
| 車子太早轉彎 | 距離門檻太長，或障礙物太寬造成提前偵測。 | 把門檻調小，並測試不同障礙物距離。 |
| 車子只會原地轉 | 轉彎時間太長，或程式反覆進入避障狀態。 | 縮短轉彎時間，確認後退後是否離開障礙物。 |
| 車子走歪 | 左右輪阻力不同、馬達方向或功率不同。 | 檢查輪子是否卡住，兩側馬達是否使用相同速度。 |
| 感測器沒反應 | 線路、連接埠或程式感測器設定錯誤。 | 先單獨讀取感測器數值，確認距離是否改變。 |
八、分層任務設計
同一堂課可以讓不同程度學生都有挑戰
| 層級 | 任務內容 | 適合學生 | 評量重點 |
|---|---|---|---|
| 基礎 | 偵測障礙後停止。 | 初次使用 SPIKE 或程式能力較弱者。 | 能完成距離感測與 if 判斷。 |
| 標準 | 偵測障礙後停止、後退、轉彎。 | 多數四、五年級學生。 | 能調整門檻與動作時間。 |
| 進階 | 走出簡單迷宮，並記錄三次測試結果。 | 完成標準任務且願意改良者。 | 能用資料說明改良原因。 |
| 創意 | 距離越近，聲音越急促或燈光越亮。 | 想加入展示效果的小組。 | 能把感測值轉化成回饋效果。 |
九、評量規準
建議以歷程與說明為主，不只看有沒有成功走完迷宮
| 項目 | 優良表現 | 基礎表現 | 需要協助 |
|---|---|---|---|
| 仿生概念 | 能清楚說明蝙蝠感知與機器感測器的對應。 | 能說出機器人模仿蝙蝠避障。 | 只描述外型，無法說出模仿的功能。 |
| 程式邏輯 | 能解釋距離門檻與動作條件。 | 能完成基本 if 判斷程式。 | 需依賴老師或同學完成程式。 |
| 工程測試 | 能記錄多次測試並依結果調整參數。 | 有進行測試與簡單修改。 | 只反覆嘗試，未能說出修改原因。 |
| 合作與發表 | 能分工、記錄、操作，並用證據說明成果。 | 能完成作品並簡單發表。 | 發表缺少重點或小組分工不清。 |
十、教師收束語
把課程帶回仿生與運算思維
仿生收束
「今天我們不是把機器人做成蝙蝠的樣子，而是模仿蝙蝠面對黑暗環境時的解決策略： 先感知前方，再根據距離改變行動。」
運算思維收束
「這台車會避障，是因為我們把問題拆成感測、判斷、行動三個步驟。 當條件不同，機器人的行為也會不同，這就是程式控制的核心。」
提醒：不要讓學生只追求作品跑很快。四、五年級最重要的是理解「感測值如何變成判斷條件」，
以及「測試後如何根據問題調整參數」。