3.1 常见的开源硬件教学设计-2025-2026学年高中信息技术浙教版2019选修6 开源硬件项目设计-浙教版2019

PAGE课题3.1常见的开源硬件教学设计-2025-2026学年高中信息技术浙教版2019选修6开源硬件项目设计-浙教版2019设计意图本节课以“常见的开源硬件项目设计”为主题，旨在引导学生了解开源硬件的基本概念、应用场景和设计方法，通过实际操作，提高学生的动手能力和创新思维。教学内容与浙教版2019选修6《开源硬件项目设计》紧密关联，注重理论与实践相结合，培养学生运用信息技术解决实际问题的能力。核心素养目标1.知识与技能：掌握开源硬件的基本概念、常见模块及其功能。

2.思维品质：培养逻辑思维和问题解决能力，提升创新意识。

3.信息素养：提高信息获取、处理和应用能力，增强信息安全意识。

4.信息技术应用：熟练运用开源硬件工具进行项目设计，提升实践操作能力。教学难点与重点1.教学重点：

-理解开源硬件的基本概念和组成部分。

-掌握Arduino等开源硬件开发板的操作方法。

-熟悉常用开源硬件模块（如传感器、执行器）的功能和应用。

2.教学难点：

-硬件模块之间的连接与通信：学生需要理解不同模块的接口标准和通信协议，例如I2C、SPI等。

-编程实践：学生需要掌握Arduino编程语言的基础语法，能够编写简单的程序控制硬件模块。

-项目设计：学生需要将理论知识应用于实际项目中，设计并实现一个完整的开源硬件项目，这涉及到问题的分析、解决方案的制定和程序的调试。

-问题解决：在实际操作中，学生可能会遇到硬件故障、程序错误等问题，需要学会分析和解决这些问题。例如，当传感器数据异常时，学生需要能够定位问题并修复程序或硬件连接。教学方法与手段教学方法：

1.讲授法：系统讲解开源硬件的基本概念和原理，为学生提供知识框架。

2.实验法：通过实际操作，让学生亲手连接硬件，验证理论知识。

3.讨论法：分组讨论项目设计，激发学生的创新思维和团队协作能力。

教学手段：

1.多媒体展示：利用PPT展示开源硬件的相关知识，增强直观性。

2.在线资源：提供Arduino编程教程和开源硬件项目案例，方便学生自学。

3.实验设备：确保每位学生都能使用到Arduino开发板和相关传感器、执行器等硬件设备。教学过程1.导入（约5分钟）

-激发兴趣：展示一些开源硬件的应用实例，如智能家居、机器人等，引导学生思考这些产品背后的技术原理。

-回顾旧知：简要回顾电子元件的基础知识，如电阻、电容、二极管等，为学习开源硬件打下基础。

2.新课呈现（约30分钟）

-讲解新知：

a.介绍开源硬件的概念、特点和发展历程。

b.详细讲解Arduino开发板的结构、功能和编程环境。

c.介绍常见的开源硬件模块，如传感器、执行器、通信模块等。

-举例说明：

a.以温度传感器为例，讲解如何读取温度数据并控制LED灯亮灭。

b.以无线通信模块为例，展示如何实现两个Arduino板之间的数据传输。

-互动探究：

a.学生分组讨论，分析开源硬件在生活中的应用场景。

b.学生尝试设计一个简单的开源硬件项目，如自动浇水系统。

3.工具使用与编程（约30分钟）

-讲解Arduino编程语言的基础语法和编程规范。

-学生练习编写简单的程序，如控制LED灯闪烁、读取传感器数据等。

-教师指导学生使用ArduinoIDE进行编程，并解决编程过程中遇到的问题。

4.项目实践（约60分钟）

-学生分组，根据所学知识设计并实现一个开源硬件项目。

-教师巡视指导，帮助学生解决项目实施过程中遇到的问题。

-学生展示项目成果，分享设计思路和心得体会。

5.总结与反思（约10分钟）

-教师总结本节课的重点内容，强调开源硬件在信息技术教育中的重要性。

-学生反思自己在学习过程中的收获和不足，提出改进措施。

6.课后作业（约15分钟）

-学生完成以下作业：

a.查阅资料，了解至少一种开源硬件模块的原理和应用。

b.设计一个开源硬件项目方案，包括项目背景、目标、实施步骤等。

c.编写项目所需的基本程序，如控制LED灯闪烁、读取传感器数据等。学生学习效果学生学习效果主要体现在以下几个方面：

1.知识掌握：

-学生能够准确理解开源硬件的基本概念、组成部分和发展趋势。

-学生熟悉Arduino开发板的结构、功能和编程环境，能够熟练使用ArduinoIDE进行编程。

-学生了解常见的开源硬件模块，如传感器、执行器、通信模块等，掌握其功能和应用场景。

2.技能提升：

-学生具备硬件连接和调试的能力，能够独立完成开源硬件的搭建和程序编写。

-学生能够运用所学知识设计并实现简单的开源硬件项目，如温度监测系统、智能家居等。

-学生在项目实践中，提高了问题解决能力和创新思维，学会了如何将理论知识应用于实际项目。

3.思维发展：

-学生通过讨论、实验等活动，培养了逻辑思维和批判性思维能力。

-学生在项目设计过程中，学会了如何分析问题、制定解决方案，并逐步完善自己的设计。

-学生在合作学习过程中，提升了团队协作能力和沟通能力。

4.信息素养：

-学生在查阅资料、学习新知识的过程中，提高了信息获取和处理能力。

-学生学会了如何利用网络资源，获取开源硬件相关资料和项目案例。

-学生在项目实践中，增强了信息安全意识，学会了如何保护自己的知识产权。

5.实践能力：

-学生通过动手实践，提高了动手能力和实践操作能力。

-学生在项目实施过程中，学会了如何使用各种工具和设备，如万用表、烙铁等。

-学生在项目完成后，能够撰写项目报告，总结经验教训，为以后的学习和工作打下基础。

6.终身学习：

-学生在开源硬件学习过程中，培养了自主学习和持续学习的意识。

-学生了解到开源硬件技术的快速发展，激发了他们不断学习新知识的动力。

-学生在项目实践中，学会了如何查找资料、解决问题，为今后的学习和工作奠定了基础。教学反思与改进教学结束后，我通常会进行一番反思，思考这节课的教学效果如何，哪些地方做得好，哪些地方还有待提高。首先，我觉得本节课通过实际操作和项目设计，激发了学生的兴趣，他们参与度很高，这是值得肯定的。不过，我也发现了一些问题。

比如，在讲解Arduino编程语言的基础语法时，我发现部分学生对于一些概念理解不够深入，这在编程实践中体现得尤为明显。有些学生在编写程序时，对变量、循环等基本概念的应用不够熟练，导致程序出错。这说明我在讲解理论知识时，可能需要更加细致和耐心，确保每个学生都能跟上进度。

另外，虽然我在课堂上鼓励学生分组讨论和合作，但实际操作中，我发现一些小组在讨论时缺乏有效的沟通，导致项目设计进度缓慢。这可能是因为我没有提前给出明确的讨论规则和流程。在未来的教学中，我计划提前制定详细的讨论指南，帮助学生更好地进行团队合作。

还有一点，我发现有些学生在面对项目中的问题时，缺乏解决问题的信心和勇气。他们在遇到困难时，往往会选择放弃或寻求老师的帮助，而不是自己尝试解决。这让我意识到，我需要更加注重培养学生的独立思考和解决问题的能力。

为了改进这些问题，我计划采取以下措施：

-在讲解理论知识时，我会采用更多实例和案例，让学生在实际情境中理解抽象的概念。

-我会设计一些小组合作的游戏或练习，帮助学生提高沟通和协作能力。

-我会鼓励学生面对问题时不轻易放弃，通过提问、查阅资料等方式，培养他们的自主解决问题的能力。典型例题讲解1.例题：使用Arduino读取温度传感器（如DS18B20）的值，并通过串口监视器显示出来。

```cpp

#include<OneWire.h>

#include<DallasTemperature.h>

//Datawireispluggedintopin2ontheArduino

#defineONE_WIRE_BUS2

//SetupaoneWireinstancetocommunicatewithanyOneWiredevices

OneWireoneWire(ONE_WIRE_BUS);

//PassouroneWirereferencetoDallasTemperaturesensor

DallasTemperaturesensors(&oneWire);

voidsetup(void)

{

Serial.begin(9600);

sensors.begin();

}

voidloop(void)

{

sensors.requestTemperatures();//Sendthecommandtogettemperatures

floattemperatureC=sensors.getTempCByIndex(0);//GettingtemperatureinCelsius

if(temperatureC!=DEVICE_DISCONNECTED_C)//Checkifreadingwassuccessful

{

Serial.print("Currenttemperatureis:");

Serial.print(temperatureC);

Serial.println("C");

}

else

{

Serial.println("Error:Couldnotreadtemperaturedata");

}

delay(2000);

}

```

2.例题：编写一个程序，使用按钮（如按钮模块）控制LED灯的开关。

```cpp

constintbuttonPin=2;//thenumberofthepushbuttonpin

constintledPin=13;//thenumberoftheLEDpin

intbuttonState=0;//variableforreadingthepushbuttonstatus

intlastButtonState=0;//thepreviousreadingfromtheinputpin

voidsetup(){

pinMode(ledPin,OUTPUT);

pinMode(buttonPin,INPUT);

}

voidloop(){

buttonState=digitalRead(buttonPin);

//checkifthepushbuttonispressed.

//ifitwaspressedandthelastbuttonstatewasnotpressed,

//resettheLEDandturniton:

if(buttonState==HIGH&&lastButtonState==LOW){

digitalWrite(ledPin,HIGH);

}

//ifthepushbuttonisnotpressedandthelastbuttonstatewaspressed,

//resettheLEDandturnitoff:

elseif(buttonState==LOW&&lastButtonState==HIGH){

digitalWrite(ledPin,LOW);

}

lastButtonState=buttonState;//savethereading.Nexttimethroughtheloop,it'llbethelastButtonState:

delay(50);//debouncetheswitch

}

```

3.例题：使用串口通信，在Arduino上接收来自PC的数据，并根据接收到的数据控制LED灯的亮度。

```cpp

intledPin=13;//LEDconnectedtodigitalpin13

intbrightness=0;//howbrighttheLEDis

intfadeAmount=5;//howmanypointstofadetheLEDby

//thesetupfunctionrunsoncewhenyoupressresetorpowertheboard

voidsetup(){

pinMode(ledPin,OUTPUT);

Serial.begin(9600);

}

//theloopfunctionrunsoverandoveragainforever

voidloop(){

if(Serial.available()>0){

//readtheincomingbyte:

intincomingByte=Serial.parseInt();

//maptheincomingbytetotherangeof0to255:

brightness=map(incomingByte,0,1023,0,255);

//fadeouttheLED:

analogWrite(ledPin,brightness);

}

delay(30);

}

```

4.例题：使用PWM控制电机速度，通过接收串口数据来调节电机的转速。

```cpp

intmotorPin=9;//MotorconnectedtoPWMpin9

intvalue=0;//Variabletostorethereceivedvalue

voidsetup(){

pinMode(motorPin,OUTPUT);

Serial.begin(9600);

}

voidloop(){

if(Serial.available()>0){

value=Serial.parseInt();//Readtheincomingvalueasaninteger

analogWrite(motorPin,value);//Writethevaluetothemotorpintocontrolspeed

}

delay(100);

}

```

5.例题：使用红外传感器检测物体，当检测到物体时，通过串口发送信号到PC。

```cpp

intirSensorPin=7;//Infraredsensorconnectedtodigitalpin7

intledPin=13;//LEDconnectedtodigitalpin13

voidsetup(){

pinMode(irSensorPin,INPUT);

pinMode(ledPin,OUTPUT);