資源簡介

《信息技術-開源硬件項目設計》教案
課 題 第2章開源硬件項目剖析2.3通信模塊與擴展板 課 型 班課 課 時 1
授課班級 高一1班
學習目標 理解擴展板的功能和必要性：學生應能解釋擴展板如何擴充核心板的功能和引腳數量，以及其在開源硬件項目中的重要性。 了解擴展板的兼容性和接口類型：學生應理解不同核心板和擴展板間的兼容性問題，以及如何根據核心板的引腳布局選擇合適的擴展板。 認識大功率驅動模塊的類型和應用：學生應能區分不同類型的大功率驅動模塊（如繼電器、電機驅動模塊），并了解它們在開源硬件項目中的應用實例。 學習使用電機驅動模塊：學生應掌握如何使用電機驅動模塊（例如L298模塊）來控制直流電機，包括驅動電流的理解及電路的基本配置。
學習重難點 教學重點 2.3.1 通信模塊 串口通信的基本概念和設置：理解串口通信作為點對點通信方式的基本原理，學習如何通過轉換模塊（例如藍牙、WiFi）實現無線數據傳輸。 波特率的設定和編程實現：掌握如何設置串口通信的波特率以匹配不同設備間的通信需求，并能通過編程實現波特率的調整。 I2C通信的特性與應用：了解I2C接口的特點，包括單線數據發送/接收和無需設置波特率的時鐘線協調機制，以及如何在開源硬件項目中利用I2C總線連接多個設備。 核心板與通信模塊的連接方法：熟悉核心板上TXD和RXD引腳的使用，及其與藍牙等通信模塊的連接方式。 2.3.2 擴展板 擴展板的作用與連接方式：認識到擴展板在增加核心板功能和引腳數量方面的重要性，并學會如何將擴展板堆疊接插到核心板上。 開源硬件的規范與兼容性：理解開源硬件開發中遵循的統一規范，以及如何根據這些規范選擇合適的擴展板。 大功率驅動模塊的必要性和應用：明白核心板輸出電流的限制，并學習使用繼電器和電機驅動模塊來控制高功率設備。 教學難點 2.3.1 通信模塊 串口與I2C通信的區別和選擇：學生可能難以理解串口和I2C兩種通信方式的差異及適用場景，選擇恰當的通信方式進行項目設計將是一大挑戰。 波特率的編程設置：對于初學者來說，理解波特率的概念及其在串口通信中的重要性，并通過編程正確設置波特率可能會比較困難。 藍牙模塊的實際連接和配置：實際連接藍牙模塊到核心板，并進行必要的配置以實現無線通信可能會對初學者構成挑戰。 2.3.2 擴展板 擴展板的引腳擴展和功能擴充理解：學生可能難以完全理解擴展板如何通過引腳擴展來實現功能的增加，尤其是在面對多樣化的傳感器和模塊時。 兼容性問題和實際應用：選擇合適的擴展板以兼容不同的核心板，并在實際項目中應用，可能會因為缺乏經驗而遇到困難。 大功率驅動模塊的使用和電路設計：理解和應用繼電器和電機驅動模塊來設計電路，以控制高功率設備，這需要一定的電路設計知識和實踐經驗。
教學方法 理論講解與實際案例結合：在介紹通信模塊和擴展板的基本概念時，結合了具體的應用案例（如使用藍牙模塊實現手機控制開源硬件），以幫助學生更好地理解抽象概念。 圖示輔助教學：通過示意圖（如圖2.3.2至圖2.3.10）來展示模塊的連接方式、電路設計等關鍵信息，使學生能夠直觀地理解教學內容。 代碼示例：提供了設置串口通信波特率的示例代碼，讓學生不僅理解理論，還能學會如何在實際編程中應用這些設置。 比較分析法：教學中對串口通信和I2C通信進行了對比，突出它們的區別和各自的特點，這有助于學生根據實際需求選擇最合適的通信方式。 問題引導法：在講解過程中可能穿插問題，引導學生思考，例如詢問學生為何需要使用擴展板以及如何選擇合適的通信模塊，以促進學生的主動學習和深入思考。 實操演示：雖然課程內容為理論教學，但通過詳細講解模塊連接和配置步驟，為實際操作提供了清晰指導，使學生能夠將理論知識應用于實踐操作中。 知識歸納與總結：在每個小節的末尾，對關鍵點進行歸納和總結，幫助學生鞏固和梳理知識點。 互動式教學：課堂上鼓勵學生提問和討論，特別是在講解擴展板兼容性和大功率驅動模塊的應用時，通過互動解決學生的具體疑惑。 逐步遞進法：從基本的通信模塊講起，逐步過渡到更為復雜的擴展板和大功率驅動模塊，確保學生能夠跟隨課程節奏，逐步構建起完整的知識體系。 跨學科教學：在講解通信模塊和擴展板的同時，融入了電子學、計算機科學和工程實踐等多個學科的知識，培養學生的跨學科思維能力。
課前準備 教案準備：詳細編寫教案，包括教學目標、教學內容、教學方法、作業布置等，確保課程結構清晰，內容完整。 教學材料和資源： 準備教學PPT，包含通信模塊和擴展板的理論知識、應用案例、圖示等。 收集并整理相關的代碼示例，如串口通信波特率設置的代碼。 準備示意圖和電路圖，如藍牙模塊連接圖、I2C總線設備連接示意圖等，以輔助講解。 教學工具檢查： 確保電腦、投影儀等教學設備功能正常，以便順利展示電子課件。 準備白板和標記筆，用于即時繪圖或強調重點。 實踐演示準備： 如果課程包含實踐演示，提前準備好相關的開源硬件、通信模塊和擴展板。 測試所有演示用的設備和模塊，確保它們在課堂上能夠正常工作。 學生預備知識調研： 了解學生的基礎知識水平，尤其是他們在電子學和編程方面的背景，以便調整教學內容和難度。 互動環節設計： 設計課堂問題和討論主題，鼓勵學生參與互動，提高課堂活躍度。 準備小組討論或實驗操作指導，促進學生之間的合作學習。 作業和評估準備： 設計相關的課后作業，如理論題和實踐題，以鞏固學生的知識。 準備評估標準，以便課后對學生的作業和課堂表現進行評價。 備份計劃： 準備教學計劃的備份方案，以應對突發情況，如技術故障或時間調整。 知識更新： 查閱最新的開源硬件和通信技術資料，確保教學內容緊跟技術發展。 課堂管理準備： 如果有在線教學部分，測試網絡教學平臺的功能，確保遠程教學順利進行。 準備課堂規則和學習指南，幫助學生快速進入學習狀態。
教學媒體 PPT幻燈片：包含通信模塊和擴展板的理論基礎、實際應用案例、電路圖示和代碼示例，用于在授課過程中提供視覺輔助和重點強調。 教學示意圖：如藍牙模塊與核心板的連接示意圖（圖2.3.4）、I2C總線設備連接示意圖（圖2.3.5）以及電機驅動模塊示意圖（圖2.3.10），幫助學生直觀理解硬件配置和工作原理。 代碼示例：提供設置串口通信波特率的示例代碼，使學生了解如何在實際編程中應用所學知識。 視頻或動畫演示：如果有，可以展示通信模塊和擴展板的實際運作，尤其是藍牙通信和I2C通信的動態過程，以增強學生的直觀理解。 實物展示：展示實際的核心板、通信模塊（如藍牙串口模塊）、擴展板和大功率驅動模塊（如繼電器和電機驅動模塊），讓學生看到和觸摸實物，增加實操體驗。 互動工具：如使用響應系統或在線問答平臺，鼓勵學生提問和參與討論，提高課堂互動性。 實驗工具包：如果課程包括實驗環節，需要準備相關的實驗材料，如開源硬件套件、傳感器、連線等，供學生實踐操作。 教學手冊或指導書：為學生提供詳細的教學材料，包括理論知識、實驗步驟和注意事項，作為課后復習和實驗指導。 網絡資源鏈接：提供相關的在線資源鏈接，如開源硬件社區、技術文檔和教程，以便學生自主學習和深入研究。 板書：在教學過程中，使用黑板或白板記錄關鍵點和學生提出的問題，促進學生筆記的整理和重點的回顧。
教學過程
教學環節 教師活動設計 學生活動設計 設計意圖
活動一： 創設情境 生成問題 開始課程以一個實際案例啟動，如展示一個使用藍牙模塊控制開源硬件的演示視頻，引起學生的興趣。 提出引導性問題，例如：“大家覺得這個設備是如何通過手機進行控制的？” 觀看視頻，思考并回答教師提出的問題。 討論可能的通信方式和模塊的使用。 激發學生的興趣，讓學生在真實情境中理解通信模塊的應用。 引導學生思考并識別通信技術在生活中的應用。
活動二： 調動思維 探究新知 介紹串口通信的概念、特點和應用場景。 通過PPT展示串口通信的基本原理和相關電路圖（如圖2.3.4所示）。 解釋串口通信中波特率的概念，并展示如何設置（如代碼示例）。 聽取介紹，參與互動提問。 觀察電路圖，理解串口通信的連接方式。 分析代碼，理解波特率的設置方法。 提供基礎知識，確保學生對串口通信有基本的了解。 通過可視化工具和代碼示例，促進學生的理解和記憶。
活動三： 調動思維 探究新知 詳細介紹I2C通信方式，與串口通信進行對比，強調其特點和優勢。 展示I2C通信的電路圖（如圖2.3.5和圖2.3.6所示），并解釋地址和時鐘線的作用。 展示擴展板的應用示例，如傳感器擴展板和大功率驅動模塊的應用（如圖2.3.7至圖2.3.10所示）。 主動學習I2C通信的特點，與串口通信進行比較。 觀察和分析I2C通信的電路圖，了解其工作原理。 通過實例學習擴展板和驅動模塊的應用。 通過對比和實例，幫助學生深入理解I2C通信的特性和應用場景。 利用具體案例提高學生的實踐能力和創新思維。
活動四： 鞏固練習 素質提升 布置練習任務，如設計一個簡單的通信系統，要求使用至少一種通信模塊和擴展板。 提供實驗材料，指導學生進行小組合作。 分組討論設計方案，確定使用的模塊和擴展板。 動手搭建通信系統，進行測試和調試。 通過實際操作，鞏固學生對通信模塊和擴展板的理解和應用能力。 培養學生的團隊合作精神和解決問題的能力。
課堂小結 作業布置 課堂小結 通信模塊：我們學習了串口通信和I2C接口兩種通信方式，了解了它們在開源硬件項目中的重要性。串口通信是一種點對點的通信方式，適用于簡單數據傳輸。I2C接口允許多個設備在單一總線上進行通信，適合復雜設備間的信息交換。 無線通信模塊：探討了藍牙和WiFi模塊如何通過串口實現無線數據傳輸，為開源硬件增添遠程控制功能。 擴展板：擴展板的作用是擴充核心板的功能和引腳數量，支持連接更多類型的傳感器和執行器。討論了擴展板與核心板的兼容性，以及如何通過擴展板增加核心板的功能性。 大功率驅動模塊：學習了繼電器和電機驅動模塊的基本原理和應用，理解了它們在驅動高功率設備中的重要性。 實踐應用：通過實例和演示，我們了解了如何將這些模塊和擴展板應用到實際的開源硬件項目中，包括智能家居和自動控制系統。 作業布置 作業一：設計一個使用至少一種通信模塊（串口或I2C）和一個擴展板的開源硬件項目方案。需包括項目的基本描述、使用的模塊和擴展板類型、以及這些組件如何相互作用來實現項目目標。 作業二：編寫一段代碼，設置Arduino與一個藍牙模塊之間的串口通信。確保包括正確的波特率設置，并簡要解釋代碼的工作原理。 作業三：基于今天學習的內容，找出一個實際生活中的問題，提出一個使用通信模塊和擴展板解決該問題的方案。描述問題、解決方案、所需材料和預期結果。
板書設計 2.3 通信模塊與擴展板 2.3.1 通信模塊 現代通信特點：速度快、多樣化、大容量、無地域限制 串口通信方式： 點對點通信 通過轉換模塊實現無線傳輸（藍牙、WiFi） 連接示意圖（如圖2.3.4） I2C通信方式： 一條線完成發送和接收 無需設置波特率，有時鐘線協調數據傳送 支持多達127個設備 連接示意圖（如圖2.3.5） 2.3.2 擴展板 作用：擴充核心板功能和引腳數量 特點： 與核心板引腳布局一致 可實現引腳擴展，連接更多設備 傳感器擴展板：常用外圍模塊，兼容多種核心板 連接方式： 直接插拔或特殊接口連接（如圖2.3.8） 大功率驅動模塊 繼電器： 弱電控制強電，如圖2.3.9所示 電機驅動： L298電機驅動模塊，驅動電流最大2A，如圖2.3.10所示
教學反思 2.3.1 通信模塊 在本次課程中，我深入講解了現代通信的多種方式，包括電話、電報、傳真和互聯網等，強調了這些通信方式速度快、信息承載多樣化、傳遞量大且不受地域限制的特點。通過具體實例，如藍牙和WiFi轉換模塊，我向學生展示了串口通信如何在開源硬件項目中實現無線數據傳輸，這增加了課程的實用性和互動性。 在講述串口通信時，我詳細介紹了串口的發送端(TXD)和接收端(RXD)的概念，并通過圖示幫助學生理解核心板與藍牙模塊之間的連接方式。此外，我還解釋了設置波特率的重要性，并提供了示例代碼，讓學生能夠在實踐中應用這些理論知識。 I2C通信部分，我指出了它與串口通信的不同點，即數據的發送和接收在一條線上完成，且無需設置波特率。通過展示I2C總線的容量和設備地址的概念，學生能夠理解I2C在多設備通信中的應用。 2.3.2 擴展板 在介紹擴展板時，我強調了其擴充核心板功能和引腳數量的能力，這對于連接多個設備至關重要。通過講解不同類型傳感器的擴展板，我展示了開源硬件的靈活性和多樣性。此外，我還討論了擴展板與核心板的兼容性問題，例如虛谷號與Arduino的兼容性，這有助于學生在實際項目中選擇合適的組件。 對于大功率驅動模塊，我詳細講解了繼電器和電機驅動模塊的原理和應用，特別是如何通過這些模塊來控制高功率設備。通過L298電機驅動模塊的例子，學生能夠了解到實際電路設計中的一些考慮因素。 教學效果與改進 整體上，學生對通信模塊和擴展板的理解和興趣較高，特別是在實際操作和示例代碼演示時。然而，我也發現了一些需要改進的地方： 更多互動環節：在未來的課程中，可以設計更多的互動環節，如小組討論或實驗，讓學生親自嘗試配置和使用這些模塊。 深化理論與實踐結合：盡管提供了代碼示例，但部分學生仍然感到難以理解。因此，可以增加更多關于編程邏輯和電路設計的深入講解。 案例研究：可以通過分析真實項目中的通信和擴展板應用案例，增強學生的應用能力。 總之，本次課程成功地介紹了通信模塊和擴展板的基本概念和應用，但仍需不斷優化教學方法，以更好地滿足學生的學習需求。

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