第二节 开源硬件系统的输入教学设计高中信息技术华东师大版2020选择性必修6 开源硬件项目设计-华东师大版2020

第第页第二节开源硬件系统的输入教学设计高中信息技术华东师大版2020选择性必修6开源硬件项目设计-华东师大版2020备课时间年月日第周课时主备人执教人教学课题课型设计意图本节课旨在通过开源硬件系统的输入模块教学，帮助学生理解开源硬件的基本概念和输入模块的功能，掌握Arduino开源硬件的使用方法，培养学生的动手实践能力和创新思维。教学内容与课本《开源硬件项目设计》紧密相连，旨在提高学生对信息技术学科的兴趣和素养。核心素养目标1.理解开源硬件系统输入模块的功能和作用。

2.培养学生动手实践能力，学会使用Arduino开源硬件进行输入模块的设计和调试。

3.培养学生的创新思维，鼓励学生尝试不同的输入方案和解决方案。

4.提高学生的信息技术素养，增强对开源硬件应用的理解和兴趣。重点难点及解决办法重点：开源硬件输入模块的原理与实际应用。

难点：Arduino开源硬件编程及输入模块的调试。

解决办法：

1.通过实物展示和实例分析，帮助学生理解输入模块的工作原理。

2.分步骤讲解Arduino编程基础，结合具体案例进行编程实践。

3.设定阶梯式练习，逐步提高学生调试输入模块的技能。

4.鼓励学生合作学习，共同解决编程和调试中的难题。教学方法与手段教学方法：

1.讲授法：系统讲解开源硬件输入模块的基本概念和原理。

2.实验法：通过实际操作，让学生体验Arduino开源硬件的输入模块应用。

3.讨论法：引导学生讨论不同输入方案的设计与优化。

教学手段：

1.多媒体展示：利用PPT展示开源硬件输入模块的图片和视频，增强直观感受。

2.实验平台：提供Arduino开源硬件实验平台，让学生动手实践。

3.在线资源：推荐相关在线教程和论坛，方便学生课后自学和交流。教学流程一、导入新课（5分钟）

详细内容：

1.通过展示开源硬件在生活中的应用实例，如智能家居、可穿戴设备等，激发学生的学习兴趣。

2.提问学生：什么是开源硬件？开源硬件有哪些特点？

3.引入本节课的主题：开源硬件系统的输入模块，并提出本节课的学习目标。

二、新课讲授（15分钟）

1.讲解开源硬件输入模块的基本概念和功能，包括传感器、按键、串口等。

2.分析Arduino开源硬件的输入模块编程方法，演示如何通过代码读取传感器数据。

3.介绍输入模块在实际项目中的应用案例，如温度监测、光敏控制等。

三、实践活动（20分钟）

1.学生分组，每组选择一个开源硬件输入模块应用案例进行设计和实践。

2.学生根据所学知识，绘制电路图，编写程序，调试硬件。

3.学生展示作品，分享设计思路和实现过程。

四、学生小组讨论（10分钟）

1.学生讨论：如何优化输入模块的设计，提高系统的稳定性？

2.学生讨论：在实际项目中，如何选择合适的输入模块？

3.学生讨论：如何将输入模块与其他模块（如输出模块、处理模块）进行整合？

五、总结回顾（5分钟）

内容：

1.回顾本节课所学内容，强调开源硬件输入模块的重要性和应用价值。

2.分析本节课的重难点，如Arduino编程、硬件调试等。

3.鼓励学生在课后继续学习开源硬件知识，提升自己的实践能力。

用时：45分钟

注意：以上教学流程仅供参考，教师可根据实际情况进行调整。在实践活动和小组讨论环节，教师应密切关注学生的进展，及时给予指导和帮助。同时，鼓励学生发挥创造力，提出自己的想法和解决方案。教学资源拓展1.拓展资源：

-开源硬件平台介绍：Arduino、RaspberryPi等开源硬件平台的使用和特点。

-传感器种类和应用：介绍常见的传感器类型，如温度传感器、湿度传感器、光敏传感器等，以及它们在开源硬件项目中的应用。

-编程语言基础：学习C++或Python等编程语言的基础知识，为后续的Arduino编程打下基础。

-电路设计与原理：了解基本的电路设计原理，包括电阻、电容、二极管等电子元件的工作原理。

2.拓展建议：

-学生可以阅读开源硬件相关的书籍，如《Arduino编程实战》、《RaspberryPi入门教程》等，以加深对开源硬件的理解。

-鼓励学生参加开源硬件相关的在线课程或工作坊，如Coursera、edX等平台上的相关课程。

-建议学生关注开源硬件社区，如GitHub、Instructables等，了解最新的开源硬件项目和资源。

-学生可以尝试自己设计和制作简单的开源硬件项目，如温度监测器、智能家居控制系统等，以实践所学知识。

-鼓励学生参与学校的科技创新活动或竞赛，如机器人竞赛、电子设计竞赛等，提升自己的实践能力和创新能力。

-建议学生关注国内外开源硬件的发展动态，了解最新的技术趋势和行业应用。

-学生可以尝试与其他学科结合，如物理、化学、生物等，设计跨学科的开源硬件项目，拓宽知识面和技能。

-建议学生参与开源硬件项目的开源贡献，如为开源项目编写代码、提供文档等，培养团队合作和开源精神。

-学生可以尝试将自己的开源硬件项目发布到开源平台，如GitHub、Hackster.io等，分享自己的成果，并从他人的项目中学习。【板书设计】①开源硬件输入模块概述

-输入模块种类：传感器、按键、串口等

-输入模块功能：数据采集、信号转换等

-输入模块特点：多样性、可扩展性、易用性

②Arduino输入模块编程

-程序结构：初始化、读取数据、处理数据、输出结果

-变量定义：定义输入变量，如int、float等

-读取输入：使用read()、analogRead()等函数读取数据

-处理输入：根据需要编写数据处理逻辑

③输入模块应用实例

-温度监测器：使用温度传感器获取温度数据

-光敏控制器：使用光敏传感器控制灯光的开关

-人体感应器：使用红外传感器检测人体移动

④输入模块调试技巧

-故障排查：检查电路连接、代码逻辑等

-调试工具：使用串口监视器观察输入数据

-调试方法：逐步修改代码，观察效果，逐步优化【典型例题讲解】1.例题：使用Arduino读取温度传感器的数据，并在串口监视器中显示温度值。

解答：首先，需要选择合适的温度传感器，如DS18B20。然后，连接传感器到Arduino的数字引脚。编写代码如下：

```cpp

#include<OneWire.h>

#include<DallasTemperature.h>

OneWireoneWire(2);//DS18B20连接到数字引脚2

DallasTemperaturesensors(&oneWire);

voidsetup(){

Serial.begin(9600);

sensors.begin();

}

voidloop(){

sensors.requestTemperatures();//请求温度数据

floattempC=sensors.getTempCByIndex(0);//获取第一个传感器的温度

Serial.print("Temperature:");

Serial.print(tempC);

Serial.println("°C");

delay(1000);

}

```

答案：通过串口监视器，可以实时看到温度传感器的温度值。

2.例题：设计一个简单的光敏控制器，当环境光线变暗时，自动打开LED灯。

解答：使用光敏电阻作为环境光线的感应器，连接到Arduino的模拟输入引脚。编写代码如下：

```cpp

constintlightSensorPin=A0;//光敏电阻连接到模拟引脚A0

constintledPin=13;//LED灯连接到数字引脚13

voidsetup(){

pinMode(ledPin,OUTPUT);

}

voidloop(){

intsensorValue=analogRead(lightSensorPin);

if(sensorValue<512){//假设512为光线较暗的阈值

digitalWrite(ledPin,HIGH);//打开LED灯

}else{

digitalWrite(ledPin,LOW);//关闭LED灯

}

}

```

答案：当环境光线变暗时，LED灯会自动打开。

3.例题：设计一个按钮控制LED灯的开关。

解答：使用按钮连接到Arduino的数字输入引脚，编写代码如下：

```cpp

constintbuttonPin=3;//按钮连接到数字引脚3

constintledPin=13;//LED灯连接到数字引脚13

voidsetup(){

pinMode(buttonPin,INPUT_PULLUP);//启用内部上拉电阻

pinMode(ledPin,OUTPUT);

}

voidloop(){

if(digitalRead(buttonPin)==LOW){//检测按钮是否被按下

digitalWrite(ledPin,HIGH);//打开LED灯

}else{

digitalWrite(ledPin,LOW);//关闭LED灯

}

}

```

答案：按下按钮时，LED灯会打开；松开按钮时，LED灯会关闭。

4.例题：设计一个触摸感应器控制LED灯的开关。

解答：使用触摸感应模块（如MCP3008）连接到Arduino，编写代码如下：

```cpp

constinttouchSensorPin=A0;//触摸感应模块连接到模拟引脚A0

constintledPin=13;//LED灯连接到数字引脚13

voidsetup(){

pinMode(ledPin,OUTPUT);

}

voidloop(){

intsensorValue=analogRead(touchSensorPin);

if(sensorValue>500){//假设500为触摸检测的阈值

digitalWrite(ledPin,HIGH);//触摸时打开LED灯

}else{

digitalWrite(ledPin,LOW);//触摸时关闭LED灯

}

}

```

答案：触摸感应器检测到触摸时，LED灯会打开；未检测到触摸时，LED灯会关闭。

5.例题：设计一个旋转编码器控制LED灯的亮度。

解答：使用旋转编码器连接到Arduino，编写代码如下：

```cpp

constintencoderPinA=2;//旋转编码器A连接到数字引脚2

constintencoderPinB=3;//旋转编码器B连接到数字引脚3

constintledPin=9;//LED灯连接到PWM引脚9

intlastEncoded=0;

intlastMSB=0;

intlastLSB=0;

intencoded=0;

intoldEncoded=0;

intpulsos=0;

voidsetup(){

pinMode(encoderPinA,INPUT);

pinMode(encoderPinB,INPUT);

pinMode(ledPin,OUTPUT);

digitalWrite(encoderPinA,HIGH);//设置内部上拉电阻

digitalWrite(encoderPinB,HIGH);

Serial.begin(9600);

}

voidloop(){

intMSB=digitalRead(encoderPinA);//读取引脚状态

intLSB=digitalRead(encoderPinB);

intencoded=(MSB<<1)|LSB;//合并MSB和LSB

intsum=(encoded<<2)|lastEncoded;//创建一个4位的二进制数

if(sum==0b1101||sum==0b0100||sum==0b0010||sum==0b1011){

pulsos++;

}

if(sum==0b1110||sum==0b0111||sum==0b0001||sum==0b1000){

pulsos--;

}

lastEncoded=encoded;

if(pulsos>0){

analogWrite(ledPin,pulsos*255/10);//增加亮度

pulsos=0;

}

if(pulsos<0){

analogWrite(ledPin,255-pulsos*255/10);//减少亮度

pulsos=0;

}

}

```

答案：旋转编码器的旋转可以增加或减少LED灯的亮度。【课堂小结，当堂检测】课堂小结：

1.本节课我们学习了开源硬件系统的输入模块，了解了传感器、按键、串口等输入模块的基本概念和功能。

2.通过Arduino编程，我们学会了如何读取输入模块的数据，并进行了简单的处理。

3.通过实际案例，我们看到了输入模块在温度监测、光敏控制等实际项目中的应用。

当堂检测：

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