高中信息技术粤教版 (2019)选修6 开源硬件项目设计2.1.2 设计教案

高中信息技术粤教版(2019)选修6开源硬件项目设计2.1.2设计教案科目授课时间节次--年—月—日（星期——）第—节指导教师授课班级、授课课时授课题目（包括教材及章节名称）高中信息技术粤教版(2019)选修6开源硬件项目设计2.1.2设计教案教学内容分析1.本节课的主要教学内容：高中信息技术粤教版（2019）选修6开源硬件项目设计2.1.2，涉及开源硬件项目的电路设计、编程实现和调试优化等内容。

2.教学内容与学生已有知识的联系：本节课内容基于学生已掌握的电路基础知识、编程语言基础以及计算机组成原理，通过开源硬件项目设计，将理论知识与实际应用相结合，培养学生的动手能力和创新思维。核心素养目标分析本节课旨在培养学生的信息意识、计算思维、数字化学习与创新等核心素养。通过开源硬件项目设计，学生能够学会运用信息技术解决实际问题，提升逻辑思维和问题解决能力；同时，通过项目实践，激发学生的创新意识和团队协作精神，增强学生在信息时代的学习能力和社会适应能力。学习者分析1.学生已经掌握的相关知识：

学生在进入本节课之前，已经学习了基础的电路知识，包括电路元件、电路图、基本电路分析等。此外，他们还具备基础的编程能力，熟悉至少一种编程语言，如Python或ArduinoIDE中的C++。在计算机组成原理方面，学生对计算机的基本工作原理和硬件架构有一定的了解。

2.学生的学习兴趣、能力和学习风格：

学生对信息技术和硬件项目设计表现出较高的兴趣，尤其是对能够动手操作和解决问题的项目。他们的学习能力较强，能够快速掌握新知识，但可能对复杂电路设计和编程逻辑理解存在困难。学习风格上，部分学生偏好通过实践操作来学习，而另一部分学生可能更倾向于理论学习。

3.学生可能遇到的困难和挑战：

在电路设计方面，学生可能面临电路原理理解困难、电路连接错误等问题。在编程实现上，他们可能会遇到逻辑错误、代码调试难题。此外，对于项目设计和团队协作，学生可能需要克服沟通不畅、分工不均等挑战。针对这些困难，教师需提供足够的指导和支持，帮助学生逐步克服学习障碍。教学资源准备1.教材：确保每位学生都有本节课所需的教材《高中信息技术粤教版（2019）选修6开源硬件项目设计》。

2.辅助材料：准备电路设计原理图、编程示例代码、开源硬件项目成功案例的视频和图片。

3.实验器材：准备Arduino开源硬件套件、面包板、电阻、电容、LED灯等实验所需器材，并确保其完整性和安全性。

4.教室布置：设置分组讨论区，每个小组配备实验操作台，便于学生进行实际操作和项目设计。教学流程一、导入新课（5分钟）

详细内容：

1.通过展示一些有趣的开源硬件项目，如智能小车、环境监测器等，激发学生的兴趣。

2.提问学生对于这些项目的认识，引导学生回顾之前学过的电路知识和编程知识。

3.引出本节课的主题：“开源硬件项目设计”，并简要介绍本节课的学习目标和内容。

二、新课讲授（15分钟）

1.电路设计原理讲解：

-详细讲解电路设计的基本概念和原则，如串联、并联电路，电压、电流、电阻的关系。

-通过电路图示例，分析电路的工作原理和功能。

-鼓励学生提问，解答学生的疑问。

2.编程实现方法讲解：

-介绍Arduino编程语言的基本语法和编程逻辑。

-以一个简单的LED灯控制项目为例，讲解编程步骤和代码实现。

-强调编程中的调试技巧和常见错误处理方法。

3.项目调试优化讲解：

-讲解项目调试的基本流程和常见问题，如电路故障、代码错误等。

-介绍调试工具的使用方法，如串口监视器、逻辑分析仪等。

-强调调试过程中的团队协作和沟通。

三、实践活动（20分钟）

1.学生分组：

-将学生分成若干小组，每组4-6人，确保每组都有具备不同特长和知识背景的学生。

2.项目设计：

-每组选择一个开源硬件项目，如智能小车、环境监测器等。

-根据项目需求，设计电路图，编写程序，并进行调试。

3.项目展示与评价：

-每组展示他们的项目，包括项目介绍、电路设计、程序实现和调试过程。

-邀请其他小组和教师对项目进行评价，提出改进意见。

四、学生小组讨论（10分钟）

1.电路设计：

-讨论如何选择合适的电路元件，如电阻、电容、二极管等。

-分析电路图中的连接方式，如串联、并联、分压等。

2.编程实现：

-讨论如何编写程序实现项目功能，如控制LED灯、读取传感器数据等。

-分析程序中的变量、函数、循环等编程元素。

3.项目调试：

-讨论如何进行项目调试，如查找电路故障、修改代码等。

-分析调试过程中的团队协作和沟通。

五、总结回顾（5分钟）

内容：

1.总结本节课所学内容，包括电路设计、编程实现、项目调试等。

2.强调本节课的重难点，如电路原理、编程逻辑、调试技巧等。

3.鼓励学生在课后继续学习和实践，提高自己的开源硬件项目设计能力。

用时：45分钟拓展与延伸1.《开源硬件入门指南》：这本书详细介绍了开源硬件的基本概念、发展历程以及在实际应用中的优势，适合学生了解开源硬件的全面知识。

2.《Arduino编程实战》：通过实际项目案例，讲解了Arduino编程的基础知识，包括编程环境搭建、编程语法、硬件接口等，有助于学生提高编程技能。

3.《电路基础与电子技术》：该书涵盖了电路分析、电子元件、电路设计等方面的知识，为学生提供电路设计的理论基础。

4.《物联网技术》：介绍了物联网的基本概念、技术架构以及应用领域，有助于学生了解开源硬件在物联网领域的应用。

二、鼓励学生进行课后自主学习和探究

1.深入研究开源硬件的原理和应用，了解其在不同领域的应用案例，如智能家居、智能交通等。

2.探究开源硬件与其他技术的结合，如云计算、大数据等，拓宽学生的视野。

3.尝试设计自己的开源硬件项目，如制作一个简单的智能设备或改善现有的开源硬件产品。

4.参加开源硬件相关的竞赛或活动，提高自己的实践能力和团队协作精神。

5.通过网络资源，学习最新的开源硬件技术和编程技巧，关注开源硬件行业的发展动态。

1.开源硬件的生态系统：介绍开源硬件的生态系统，包括硬件、软件、社区等组成部分，以及它们之间的关系。

2.常用开源硬件平台：如Arduino、RaspberryPi、BeagleBoneBlack等，比较它们的优缺点，让学生了解不同平台的特点和应用场景。

3.传感器技术应用：讲解常见传感器的原理和应用，如温度传感器、湿度传感器、光照传感器等，并举例说明如何将这些传感器应用于开源硬件项目中。

4.无线通信技术：介绍无线通信技术在开源硬件中的应用，如蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等，让学生了解如何利用无线技术实现数据传输和控制。

5.机器视觉与人工智能：探讨机器视觉和人工智能在开源硬件中的应用，如人脸识别、物体检测等，激发学生的创新思维。

6.物联网安全：讲解物联网安全的重要性，介绍常见的安全威胁和防范措施，提高学生对开源硬件项目安全的认识。

7.开源硬件设计与制造：介绍开源硬件的设计流程，包括需求分析、电路设计、PCB设计、制造等，让学生了解开源硬件从设计到生产的全过程。典型例题讲解1.例题：设计一个简单的串联电路，包含一个电源、一个电阻和一个LED灯。电源电压为5V，电阻阻值为220Ω，求LED灯的额定电压和电流。

解答：根据欧姆定律，电路中的电流I=U/R，其中U为电源电压，R为电阻阻值。代入数值得到I=5V/220Ω≈0.0227A。由于LED灯和电阻串联，电路中的电流相等，因此LED灯的电流也为0.0227A。根据串联电路的电压分配原理，LED灯的额定电压U_LED=U-U_R，其中U_R为电阻上的电压。电阻上的电压U_R=I*R=0.0227A*220Ω≈5V。因此，LED灯的额定电压U_LED=5V-5V=0V。这表明LED灯的额定电压为0V，实际上LED灯的额定电压应大于0V，这里假设LED灯的额定电压为2V，则电路中的总电压为5V+2V=7V，LED灯的电流为I_LED=7V/(220Ω+2V/0.0227A)≈0.0227A。

2.例题：设计一个并联电路，包含两个电阻，分别为100Ω和150Ω，电源电压为12V。求并联电路的总电阻和每个电阻上的电压。

解答：并联电路的总电阻R_total=1/(1/R1+1/R2)，其中R1和R2分别为两个电阻的阻值。代入数值得到R_total=1/(1/100Ω+1/150Ω)≈60Ω。由于并联电路中各支路电压相等，每个电阻上的电压U=U_total=12V。因此，100Ω电阻上的电流I1=U/R1=12V/100Ω=0.12A，150Ω电阻上的电流I2=U/R2=12V/150Ω=0.08A。

3.例题：设计一个电路，包含一个电源、一个开关、一个电阻和一个LED灯。电源电压为9V，电阻阻值为330Ω，LED灯的额定电压为2V，额定电流为20mA。求电路中开关的位置对电路工作状态的影响。

解答：当开关断开时，电路不通，LED灯不亮。当开关闭合时，电路导通，LED灯亮。由于LED灯的额定电压为2V，电阻上的电压U_R=U_total-U_LED=9V-2V=7V。根据欧姆定律，电路中的电流I=U_R/R=7V/330Ω≈0.0212A。由于LED灯的额定电流为20mA，实际电流小于额定电流，因此LED灯不会损坏。

4.例题：设计一个电路，包含一个电源、一个二极管和一个电阻。电源电压为5V，二极管的正向电压为0.7V，电阻阻值为1kΩ。求电路中的电流和电阻上的电压。

解答：由于二极管导通时正向电压为0.7V，电阻上的电压U_R=U_total-U_Diode=5V-0.7V=4.3V。根据欧姆定律，电路中的电流I=U_R/R=4.3V/1kΩ=0.0043A。

5.例题：设计一个电路，包含一个电源、一个三极管和一个电阻。电源电压为12V，三极管的基极-发射极电压为0.7V，集电极-发射极饱和电压为0.2V，电阻阻值为2.2kΩ。求电路中的电流和三极管的工作状态。

解答：三极管工作在放大区时，基极-发射极电压约为0.7V，集电极-发射极电压约为0.2V。电阻上的电压U_R=U_total-U_B-E-U_C-E=12V-0.7V-0.2V=11.1V。根据欧姆定律，电路中的电流I=U_R/R=11.1V/2.2kΩ=0.005A。由于三极管的基极-