第4章开源硬件项目制作4.1实现功能-高中教学同步《信息技术人工-开源硬件项目设计》教案（人教-中图版2019）

第4章开源硬件项目制作4.1实现功能-高中教学同步《信息技术人工-开源硬件项目设计》(教案）（人教-中图版2019）学校授课教师课时授课班级授课地点教具教学内容分析本节课的主要教学内容选自《信息技术人工-开源硬件项目设计》第4章“开源硬件项目制作”中的4.1节“实现功能”。内容紧密联系学生在先前的信息技术课程中所学的电子元件知识、编程基础以及项目设计流程。具体包括：了解开源硬件如Arduino的基本结构和功能，运用编程技能实现对硬件功能的控制和调试，以及根据实际需求设计简单的开源硬件项目。通过本节课的学习，学生将把之前学到的知识综合运用到开源硬件项目制作中，实现理论与实践的有效结合。核心素养目标分析本节课的核心素养目标致力于培养学生的信息技术应用能力、创新思维和问题解决能力。学生将通过实际操作开源硬件项目，深化对信息技术知识的理解，提高运用电子元件和编程解决问题的实践技能。在此基础上，鼓励学生发挥创意，设计独特的项目，培养其创新意识和团队协作能力。通过项目制作的整个过程，学生将学会分析问题、制定方案、实施并优化项目，全面提升信息素养和综合实践能力，与《信息技术人工-开源硬件项目设计》课程的核心素养要求紧密相连。学习者分析1.学生已掌握相关知识：学生在先前的信息技术课程中，学习了电子元件的基本知识、电路原理、编程基础以及项目设计的基本流程。他们对Arduino等开源硬件有初步了解，能进行简单的编程和电路连接。

2.学习兴趣、能力和学习风格：高中生对科技类课程兴趣较高，喜欢动手实践和探索新知识。他们在逻辑思维和创新能力方面具备一定基础，善于从实践中学习和总结。学生的学习风格多样，部分学生喜欢独立探索，部分学生则更倾向于团队合作。

3.学生可能遇到的困难和挑战：在开源硬件项目制作过程中，学生可能面临以下困难和挑战：电子元件的选用和连接方面的问题，编程语言的理解和运用，以及项目设计中遇到的实际问题。此外，部分学生在团队协作中可能存在沟通不畅、分工不合理等问题。

针对以上学习者分析，本节课将注重引导学生运用已有知识，激发他们的学习兴趣，培养团队协作能力，并提供针对性的指导，帮助学生克服困难和挑战，提高开源硬件项目制作的能力。教学方法与手段教学方法：

1.讲授法：针对开源硬件的基础知识和项目设计原理进行讲解，为学生提供清晰的理论框架。

2.讨论法：鼓励学生就项目设计中的问题进行小组讨论，促进思维碰撞，共同解决问题。

3.实验法：指导学生动手实践，通过实际操作来加深对开源硬件的理解和运用。

教学手段：

1.多媒体设备：利用投影、电脑等设备展示项目案例，直观展示开源硬件项目的制作过程。

2.教学软件：运用编程软件和模拟工具，辅助学生编程学习和电路设计，提高学习效率。

3.网络资源：引导学生利用网络资源进行自主学习，拓展知识视野，激发创新灵感。教学过程设计本节课的教学过程设计共计45分钟，具体安排如下：

1.导入环节（5分钟）

-创设情境：展示一个简易的智能灯控系统，通过手机APP控制灯光开关和亮度，引起学生对开源硬件项目的兴趣。

-提出问题：询问学生“如何设计一个智能灯控系统？”引导学生思考并激发求知欲。

2.讲授新课（15分钟）

-介绍开源硬件：讲解Arduino的基本结构和功能，强调其在项目制作中的应用。

-编程控制：讲解如何使用编程软件（如ArduinoIDE）对开源硬件进行编程控制，实现具体功能。

-项目设计流程：介绍项目设计的基本流程，包括需求分析、方案设计、硬件连接、编程调试等。

3.巩固练习（10分钟）

-小组讨论：学生分组讨论如何实现一个简易的温度监测系统，每组选出一个代表分享讨论成果。

-动手实践：学生根据讨论成果，开始动手实践，连接电子元件、编写程序，实现温度监测功能。

4.课堂提问（5分钟）

-提问：教师针对项目制作过程中可能出现的问题进行提问，检查学生对知识的理解和掌握程度。

-解答：学生回答问题，教师进行点评和解答，引导学生深入思考。

5.双边互动环节（5分钟）

-创新设计：鼓励学生发挥创意，对温度监测系统进行改进，如增加报警功能、数据可视化等。

-交流分享：学生展示自己的创新设计，分享制作过程中的经验和教训，其他学生提问和讨论。

6.解决问题及核心素养能力拓展（5分钟）

-识别问题：引导学生识别在项目制作过程中遇到的问题，分析问题产生的原因。

-解决问题：教师指导学生如何解决问题，提供相关学习资源和技巧。

-核心素养能力拓展：强调团队合作、创新思维、问题解决能力等核心素养在项目制作中的应用。

7.总结与反思（5分钟）

-学生总结：学生总结本次课程所学知识和技能，分享自己的收获和感悟。

-教师反思：教师对本次课程的教学效果进行反思，为后续教学提供改进方向。教学资源拓展1.拓展资源：

-相关书籍：《Arduino实战》、《电子制作入门》等，这些书籍可以为学生提供丰富的开源硬件项目制作案例和技巧。

-技术论坛：参加技术论坛，如Arduino中文社区、电子制作爱好者论坛等，了解行业动态，交流学习经验。

-视频教程：观看Arduino编程和开源硬件项目制作的视频教程，如“Arduino基础教程”、“电子制作实战”等，帮助学生更直观地学习相关知识。

-开源项目案例：研究国内外优秀的开源硬件项目案例，如智能家居、物联网应用等，借鉴经验，激发创新灵感。

2.拓展建议：

-鼓励学生在课余时间自主研究开源硬件项目制作，不断提高实践能力。

-建议学生关注行业动态，了解新兴技术和应用，拓宽知识视野。

-组织学生参加校内外电子制作比赛、创新大赛等活动，锻炼团队合作和问题解决能力。

-鼓励学生分享自己的学习经验和项目成果，提高沟通和表达能力。

-定期组织研讨会，让学生就感兴趣的开源硬件项目进行交流，共同探讨技术难题和解决方案。典型例题讲解例题1：设计一个简单的自动浇水系统，当土壤湿度低于设定值时，自动开启水泵浇水。

答案：使用Arduino、土壤湿度传感器和水泵。编程时，设定一个湿度阈值，当检测到土壤湿度低于该阈值时，通过Arduino控制水泵开启浇水。

例题2：使用Arduino和温湿度传感器设计一个简易的智能家居系统，当室内温度高于设定值时，自动打开风扇降温。

答案：连接Arduino、温湿度传感器和风扇，编写程序监测室内温度。当温度高于设定值时，通过Arduino控制风扇开启。

例题3：设计一个基于Arduino的红外遥控器，实现对电视机的开关、音量调节等功能。

答案：使用Arduino、红外接收器和红外发射器。学习红外编码，编写程序模拟遥控器按键，实现对电视机的控制。

例题4：利用Arduino和超声波传感器设计一个停车场车位检测系统，当检测到车位被占用时，点亮LED灯。

答案：连接Arduino、超声波传感器和LED灯。编程实现当超声波传感器检测到距离小于设定值时，判断车位被占用，点亮LED灯。

例题5：设计一个基于Arduino的智能门禁系统，通过密码输入或刷卡验证身份，控制门锁的开关。

答案：使用Arduino、键盘、RFID模块和继电器。编写程序实现键盘输入密码和RFID刷卡功能，验证身份后通过继电器控制门锁。

1.自动浇水系统：

-补充说明：设定湿度阈值时，需要考虑实际植物的需求和土壤特性。

-举例：设定湿度阈值为40%，当湿度低于此值时，开启水泵浇水。

2.智能家居系统：

-补充说明：可以增加温度范围设定，如25℃~28℃为舒适温度，超过28℃时开启风扇。

-举例：当温度达到30℃时，自动开启风扇降温。

3.红外遥控器：

-补充说明：学习红外编码规律，如NEC编码，实现不同按键的功能模拟。

-举例：按下电源键时，发送对应红外编码，实现电视机的开关。

4.停车场车位检测系统：

-补充说明：可以通过调节超声波传感器的检测距离，适应不同停车场环境。

-举例：设定检测距离为0.3米，当距离小于此值时，点亮LED灯表示车位被占用。

5.智能门禁系统：

-补充说明：增加密码和RFID卡片验证，提高安全性。

-举例：输入正确密码或刷卡，继电器吸合，门锁开启；否则，门锁保持关闭状态。板书设计①重点知识点：

-开源硬件项目制作流程

-Arduino编程控制

-传感器应用与电路连接

-项目创新设计与实现

②关键词：

-开源硬件

-Arduino

-编程

-传感器

-创新设计

-项目实现

③艺术性与趣味性：

-使用不同颜色的粉笔，突出重点知识。

-采用图示、流程图等形式，直观展示项目制作流程。

-板书布局合理，字体工整，保持简洁明了。

-结合实际案例，以趣味故事或情境引入知识点，激发学生兴趣。

板书设计示例：

```

一、开源硬件项目制作

1.流程：需求分析→方案设计→硬件连接→编程调试

2.Arduino编程控制

-控制语句：if-else、for、while

-函数：setup()、loop()

3.传感器应用与电路连接

-温湿度传感器

-超声波传感器

4.项目创新设计与实现

-自动浇水系统

-智能家居系统

-红外遥控器

-停车场车位检测系统

-智能门禁系统

```作业布置与反馈1.作业布置：

-要求学生结合本节课所学知识，设计一个简单的开源硬件项目，如自动浇水系统、智能家居系统等。要求学生撰写项目报告，包括需求分析、方案设计、硬件连接和编程实现等。

-鼓励学生发挥创新思维，在项目设计中融入自己的创意，提高项目的实用性和趣味性。

-学生可以小组合作完成作