嵌入式技术与工业控制应用项目教程教学设计 2、I2C总线协议与通信测试

《I2C总线协议与通信测试》教学设计课程教学设计课程名称嵌入式技术及应用本课名称I2C总线协议与通信测试课时数2课时（90分钟）授课地点一体化教室（嵌入式开发板、一人一机模拟仿真）教学资源多媒体课件、STM32手册、I2C硬件接线图等授课形式理论讲授+硬件实操+多媒体演示【学情分析】知识基础学生已掌握I2C硬件组成与GPIO配置，但对I2C协议的时序逻辑（起始/停止、数据有效性）无认知，不理解“通信如何实现”。能力基础学生能完成简单代码编写，但无法解读时序图，缺乏“通过代码控制信号时序”的经验，排查通信故障能力弱。学生具备问题解决能力和创新思维能力，为学习本课程提供了实践操作保障。素养基础学生对I2C通信有探索欲，但易忽略时序细节（如SCL高电平时SDA跳变），调试时缺乏耐心。学生具备团队合作意识，能够与他人有效沟通和协作，共同解决问题。学生具备一定的耐心与细心，实操时需要严谨对待。【教学目标】知识目标掌握I2C关键信号（起始/停止）的电平特征；理解I2C数据有效性规则；掌握I2C寻址与应答（ACK/NACK）机制。能力目标能解读I2C时序图，区分起始/停止信号；能编写I2C起始/停止、数据发送/接收函数；能测试STM32与OLED的I2C通信（如读取OLED设备地址）。素养目标培养“从时序图推导代码逻辑”的严谨性；提升“排查通信故障”的问题解决能力；强化“时序精准”的工程意识。在实验操作和小组讨论中，增强团队协作能力和沟通能力。【教学分析】内容分析本课是I2C技术的核心，承接上节课硬件基础，聚焦I2C协议逻辑，通过“信号→时序→函数”的递进，实现STM32与OLED的通信验证，为后续OLED显示铺垫。重点I2C起始/停止信号的电平特征与代码实现；数据有效性规则（SCL高电平SDA稳定）；I2C寻址与应答信号的处理。难点SCL与SDA的时序配合；应答信号（ACK）的检测与代码实现；通信故障排查（如地址错误、时序不匹配）。【教学策略和方法】教学策略可视化拆解：用动画演示I2C时序（起始→寻址→应答→停止），降低抽象性；分步实操：先实现单信号（起始/停止），再实现完整通信；故障驱动：故意设置地址错误，引导学生排查，提升调试能力。教学方法为帮助学生更好地理解抽象概念，结合教学内容灵活运用多种教学方法。讲授法：讲解时序规则与函数编写逻辑；演示法：用示波器展示I2C实际信号波形；实操法：学生编写通信函数，测试与OLED的连接；讨论法：分析“通信失败的可能原因”。【课程思政】本课课程思政元素精准意识：通过时序调试（如SCL高电平SDA跳变导致通信失败），培养“毫秒级精准”的工程素养；攻坚精神：通过排查通信故障，培养“不放弃、找根源”的问题解决态度。切入方法与举措演示时展示“时序错误导致的乱码/无响应”现象，让学生感受精准的重要性；实操中鼓励学生记录故障现象（如OLED无显示），小组讨论排查方案；表扬成功排查故障的学生，分享经验。【教学实施过程】步骤环节（用时）具体内容活动设计意图教师学生课前自主学习发布预习任务I2C关键信号以及数据有效性规则等；发布预习任务单，组织学生平台学习等。1.观看微课视频，完成预习任务单。2.记录难点。提前熟悉时序逻辑，为课上代码编写铺垫。课中知识回顾（5分钟）回顾I2C硬件接线的核心要点？教师提问学生回答巩固已有的知识，为新知识的学习做好铺垫。任务导入（5分钟）展示各种状态I2C时序图，纠正错误（如起始信号的电平变化）。导入项目，引导学生思考其实工作原理。学生紧跟老师思路思考、讨论以及回答问题探索新知，激发学生学习热情。任务实施（知识详解35分钟）关键信号：-起始信号：SCL高→SDA高变低；-停止信号：SCL高→SDA低变高；数据有效性：SCL高电平→SDA稳定（1/0），低电平→SDA切换；寻址与应答：-7位地址+1位读写位；-ACK：从机拉低SDA，NACK：SDA高电平；代码逻辑：-配置I2C的工作参数并初始化I2C；-编写I2C通信的数据传输函数。教师结合多媒体课件讲解I2C基础知识。教师通过演示、互动、小组讨论等形式引导学习主动参与学习。记录时序规则，补充完善自己的时序图；标注代码中关键函数的作用等掌握I2C协议核心逻辑，为代码编写提供指导。任务实施（实操演练40分钟）提供代码框架：包含I2C初始化等；指导步骤：-步骤1：编写I2C发送地址函数（OLED地址通常为0x78）；-步骤2：添加ACK检测代码，判断通信是否成功；-步骤3：编译下载，用示波器观察I2C信号（可选）；-步骤4：故意设置错误地址（如0x79），引导学生排查故障；巡回指导，解决代码报错（如函数参数错误）。教师演示操作步骤、巡回指导补全代码，实现“起始→发地址→检测ACK→停止”流程；下载代码，观察开发板LED（如通信成功亮绿灯）；记录异常现象，排查原因（如地址错误、接线松动）；成功实现通信后，记录OLED地址验证结果。动手实现I2C通信，提升代码能力和调试能力。总结提升（5分钟）梳理I2C通信流程；强调难点：ACK检测是通信成功的关键.梳理关键知识点，帮助学生形成清晰的知识体系。整理代码，标注关键点；记录重点。巩固协议知识，明确后续学习方向。课后课后作业整理记录调试过程中遇到的故障及解决方案。预习：OLED显示模块的配置与字符显示。发布学习通作业。批阅作业并及时答疑解惑。整理故障排查手册，提升经验。检验学生知识的掌握程度等。课后提升提供I2C协议完整版手册，鼓励研究“10位地址寻址”发布拓展任务，提供相关资料线索，鼓励学生创新。查阅资料，思考可能应用，完成拓展任务，并交流分享。拓展知识面，培养自主学习能