资源简介

《信息技术-开源硬件项目设计》教案
课 题 第2章开源硬件项目剖析2.3通信模块与扩展板 课 型 班课 课 时 1
授课班级 高一1班
学习目标 理解扩展板的功能和必要性：学生应能解释扩展板如何扩充核心板的功能和引脚数量，以及其在开源硬件项目中的重要性。 了解扩展板的兼容性和接口类型：学生应理解不同核心板和扩展板间的兼容性问题，以及如何根据核心板的引脚布局选择合适的扩展板。 认识大功率驱动模块的类型和应用：学生应能区分不同类型的大功率驱动模块（如继电器、电机驱动模块），并了解它们在开源硬件项目中的应用实例。 学习使用电机驱动模块：学生应掌握如何使用电机驱动模块（例如L298模块）来控制直流电机，包括驱动电流的理解及电路的基本配置。
学习重难点 教学重点 2.3.1 通信模块 串口通信的基本概念和设置：理解串口通信作为点对点通信方式的基本原理，学习如何通过转换模块（例如蓝牙、WiFi）实现无线数据传输。 波特率的设定和编程实现：掌握如何设置串口通信的波特率以匹配不同设备间的通信需求，并能通过编程实现波特率的调整。 I2C通信的特性与应用：了解I2C接口的特点，包括单线数据发送/接收和无需设置波特率的时钟线协调机制，以及如何在开源硬件项目中利用I2C总线连接多个设备。 核心板与通信模块的连接方法：熟悉核心板上TXD和RXD引脚的使用，及其与蓝牙等通信模块的连接方式。 2.3.2 扩展板 扩展板的作用与连接方式：认识到扩展板在增加核心板功能和引脚数量方面的重要性，并学会如何将扩展板堆叠接插到核心板上。 开源硬件的规范与兼容性：理解开源硬件开发中遵循的统一规范，以及如何根据这些规范选择合适的扩展板。 大功率驱动模块的必要性和应用：明白核心板输出电流的限制，并学习使用继电器和电机驱动模块来控制高功率设备。 教学难点 2.3.1 通信模块 串口与I2C通信的区别和选择：学生可能难以理解串口和I2C两种通信方式的差异及适用场景，选择恰当的通信方式进行项目设计将是一大挑战。 波特率的编程设置：对于初学者来说，理解波特率的概念及其在串口通信中的重要性，并通过编程正确设置波特率可能会比较困难。 蓝牙模块的实际连接和配置：实际连接蓝牙模块到核心板，并进行必要的配置以实现无线通信可能会对初学者构成挑战。 2.3.2 扩展板 扩展板的引脚扩展和功能扩充理解：学生可能难以完全理解扩展板如何通过引脚扩展来实现功能的增加，尤其是在面对多样化的传感器和模块时。 兼容性问题和实际应用：选择合适的扩展板以兼容不同的核心板，并在实际项目中应用，可能会因为缺乏经验而遇到困难。 大功率驱动模块的使用和电路设计：理解和应用继电器和电机驱动模块来设计电路，以控制高功率设备，这需要一定的电路设计知识和实践经验。
教学方法 理论讲解与实际案例结合：在介绍通信模块和扩展板的基本概念时，结合了具体的应用案例（如使用蓝牙模块实现手机控制开源硬件），以帮助学生更好地理解抽象概念。 图示辅助教学：通过示意图（如图2.3.2至图2.3.10）来展示模块的连接方式、电路设计等关键信息，使学生能够直观地理解教学内容。 代码示例：提供了设置串口通信波特率的示例代码，让学生不仅理解理论，还能学会如何在实际编程中应用这些设置。 比较分析法：教学中对串口通信和I2C通信进行了对比，突出它们的区别和各自的特点，这有助于学生根据实际需求选择最合适的通信方式。 问题引导法：在讲解过程中可能穿插问题，引导学生思考，例如询问学生为何需要使用扩展板以及如何选择合适的通信模块，以促进学生的主动学习和深入思考。 实操演示：虽然课程内容为理论教学，但通过详细讲解模块连接和配置步骤，为实际操作提供了清晰指导，使学生能够将理论知识应用于实践操作中。 知识归纳与总结：在每个小节的末尾，对关键点进行归纳和总结，帮助学生巩固和梳理知识点。 互动式教学：课堂上鼓励学生提问和讨论，特别是在讲解扩展板兼容性和大功率驱动模块的应用时，通过互动解决学生的具体疑惑。 逐步递进法：从基本的通信模块讲起，逐步过渡到更为复杂的扩展板和大功率驱动模块，确保学生能够跟随课程节奏，逐步构建起完整的知识体系。 跨学科教学：在讲解通信模块和扩展板的同时，融入了电子学、计算机科学和工程实践等多个学科的知识，培养学生的跨学科思维能力。
课前准备 教案准备：详细编写教案，包括教学目标、教学内容、教学方法、作业布置等，确保课程结构清晰，内容完整。 教学材料和资源： 准备教学PPT，包含通信模块和扩展板的理论知识、应用案例、图示等。 收集并整理相关的代码示例，如串口通信波特率设置的代码。 准备示意图和电路图，如蓝牙模块连接图、I2C总线设备连接示意图等，以辅助讲解。 教学工具检查： 确保电脑、投影仪等教学设备功能正常，以便顺利展示电子课件。 准备白板和标记笔，用于即时绘图或强调重点。 实践演示准备： 如果课程包含实践演示，提前准备好相关的开源硬件、通信模块和扩展板。 测试所有演示用的设备和模块，确保它们在课堂上能够正常工作。 学生预备知识调研： 了解学生的基础知识水平，尤其是他们在电子学和编程方面的背景，以便调整教学内容和难度。 互动环节设计： 设计课堂问题和讨论主题，鼓励学生参与互动，提高课堂活跃度。 准备小组讨论或实验操作指导，促进学生之间的合作学习。 作业和评估准备： 设计相关的课后作业，如理论题和实践题，以巩固学生的知识。 准备评估标准，以便课后对学生的作业和课堂表现进行评价。 备份计划： 准备教学计划的备份方案，以应对突发情况，如技术故障或时间调整。 知识更新： 查阅最新的开源硬件和通信技术资料，确保教学内容紧跟技术发展。 课堂管理准备： 如果有在线教学部分，测试网络教学平台的功能，确保远程教学顺利进行。 准备课堂规则和学习指南，帮助学生快速进入学习状态。
教学媒体 PPT幻灯片：包含通信模块和扩展板的理论基础、实际应用案例、电路图示和代码示例，用于在授课过程中提供视觉辅助和重点强调。 教学示意图：如蓝牙模块与核心板的连接示意图（图2.3.4）、I2C总线设备连接示意图（图2.3.5）以及电机驱动模块示意图（图2.3.10），帮助学生直观理解硬件配置和工作原理。 代码示例：提供设置串口通信波特率的示例代码，使学生了解如何在实际编程中应用所学知识。 视频或动画演示：如果有，可以展示通信模块和扩展板的实际运作，尤其是蓝牙通信和I2C通信的动态过程，以增强学生的直观理解。 实物展示：展示实际的核心板、通信模块（如蓝牙串口模块）、扩展板和大功率驱动模块（如继电器和电机驱动模块），让学生看到和触摸实物，增加实操体验。 互动工具：如使用响应系统或在线问答平台，鼓励学生提问和参与讨论，提高课堂互动性。 实验工具包：如果课程包括实验环节，需要准备相关的实验材料，如开源硬件套件、传感器、连线等，供学生实践操作。 教学手册或指导书：为学生提供详细的教学材料，包括理论知识、实验步骤和注意事项，作为课后复习和实验指导。 网络资源链接：提供相关的在线资源链接，如开源硬件社区、技术文档和教程，以便学生自主学习和深入研究。 板书：在教学过程中，使用黑板或白板记录关键点和学生提出的问题，促进学生笔记的整理和重点的回顾。
教学过程
教学环节 教师活动设计 学生活动设计 设计意图
活动一： 创设情境 生成问题 开始课程以一个实际案例启动，如展示一个使用蓝牙模块控制开源硬件的演示视频，引起学生的兴趣。 提出引导性问题，例如：“大家觉得这个设备是如何通过手机进行控制的？” 观看视频，思考并回答教师提出的问题。 讨论可能的通信方式和模块的使用。 激发学生的兴趣，让学生在真实情境中理解通信模块的应用。 引导学生思考并识别通信技术在生活中的应用。
活动二： 调动思维 探究新知 介绍串口通信的概念、特点和应用场景。 通过PPT展示串口通信的基本原理和相关电路图（如图2.3.4所示）。 解释串口通信中波特率的概念，并展示如何设置（如代码示例）。 听取介绍，参与互动提问。 观察电路图，理解串口通信的连接方式。 分析代码，理解波特率的设置方法。 提供基础知识，确保学生对串口通信有基本的了解。 通过可视化工具和代码示例，促进学生的理解和记忆。
活动三： 调动思维 探究新知 详细介绍I2C通信方式，与串口通信进行对比，强调其特点和优势。 展示I2C通信的电路图（如图2.3.5和图2.3.6所示），并解释地址和时钟线的作用。 展示扩展板的应用示例，如传感器扩展板和大功率驱动模块的应用（如图2.3.7至图2.3.10所示）。 主动学习I2C通信的特点，与串口通信进行比较。 观察和分析I2C通信的电路图，了解其工作原理。 通过实例学习扩展板和驱动模块的应用。 通过对比和实例，帮助学生深入理解I2C通信的特性和应用场景。 利用具体案例提高学生的实践能力和创新思维。
活动四： 巩固练习 素质提升 布置练习任务，如设计一个简单的通信系统，要求使用至少一种通信模块和扩展板。 提供实验材料，指导学生进行小组合作。 分组讨论设计方案，确定使用的模块和扩展板。 动手搭建通信系统，进行测试和调试。 通过实际操作，巩固学生对通信模块和扩展板的理解和应用能力。 培养学生的团队合作精神和解决问题的能力。
课堂小结 作业布置 课堂小结 通信模块：我们学习了串口通信和I2C接口两种通信方式，了解了它们在开源硬件项目中的重要性。串口通信是一种点对点的通信方式，适用于简单数据传输。I2C接口允许多个设备在单一总线上进行通信，适合复杂设备间的信息交换。 无线通信模块：探讨了蓝牙和WiFi模块如何通过串口实现无线数据传输，为开源硬件增添远程控制功能。 扩展板：扩展板的作用是扩充核心板的功能和引脚数量，支持连接更多类型的传感器和执行器。讨论了扩展板与核心板的兼容性，以及如何通过扩展板增加核心板的功能性。 大功率驱动模块：学习了继电器和电机驱动模块的基本原理和应用，理解了它们在驱动高功率设备中的重要性。 实践应用：通过实例和演示，我们了解了如何将这些模块和扩展板应用到实际的开源硬件项目中，包括智能家居和自动控制系统。 作业布置 作业一：设计一个使用至少一种通信模块（串口或I2C）和一个扩展板的开源硬件项目方案。需包括项目的基本描述、使用的模块和扩展板类型、以及这些组件如何相互作用来实现项目目标。 作业二：编写一段代码，设置Arduino与一个蓝牙模块之间的串口通信。确保包括正确的波特率设置，并简要解释代码的工作原理。 作业三：基于今天学习的内容，找出一个实际生活中的问题，提出一个使用通信模块和扩展板解决该问题的方案。描述问题、解决方案、所需材料和预期结果。
板书设计 2.3 通信模块与扩展板 2.3.1 通信模块 现代通信特点：速度快、多样化、大容量、无地域限制 串口通信方式： 点对点通信 通过转换模块实现无线传输（蓝牙、WiFi） 连接示意图（如图2.3.4） I2C通信方式： 一条线完成发送和接收 无需设置波特率，有时钟线协调数据传送 支持多达127个设备 连接示意图（如图2.3.5） 2.3.2 扩展板 作用：扩充核心板功能和引脚数量 特点： 与核心板引脚布局一致 可实现引脚扩展，连接更多设备 传感器扩展板：常用外围模块，兼容多种核心板 连接方式： 直接插拔或特殊接口连接（如图2.3.8） 大功率驱动模块 继电器： 弱电控制强电，如图2.3.9所示 电机驱动： L298电机驱动模块，驱动电流最大2A，如图2.3.10所示
教学反思 2.3.1 通信模块 在本次课程中，我深入讲解了现代通信的多种方式，包括电话、电报、传真和互联网等，强调了这些通信方式速度快、信息承载多样化、传递量大且不受地域限制的特点。通过具体实例，如蓝牙和WiFi转换模块，我向学生展示了串口通信如何在开源硬件项目中实现无线数据传输，这增加了课程的实用性和互动性。 在讲述串口通信时，我详细介绍了串口的发送端(TXD)和接收端(RXD)的概念，并通过图示帮助学生理解核心板与蓝牙模块之间的连接方式。此外，我还解释了设置波特率的重要性，并提供了示例代码，让学生能够在实践中应用这些理论知识。 I2C通信部分，我指出了它与串口通信的不同点，即数据的发送和接收在一条线上完成，且无需设置波特率。通过展示I2C总线的容量和设备地址的概念，学生能够理解I2C在多设备通信中的应用。 2.3.2 扩展板 在介绍扩展板时，我强调了其扩充核心板功能和引脚数量的能力，这对于连接多个设备至关重要。通过讲解不同类型传感器的扩展板，我展示了开源硬件的灵活性和多样性。此外，我还讨论了扩展板与核心板的兼容性问题，例如虚谷号与Arduino的兼容性，这有助于学生在实际项目中选择合适的组件。 对于大功率驱动模块，我详细讲解了继电器和电机驱动模块的原理和应用，特别是如何通过这些模块来控制高功率设备。通过L298电机驱动模块的例子，学生能够了解到实际电路设计中的一些考虑因素。 教学效果与改进 整体上，学生对通信模块和扩展板的理解和兴趣较高，特别是在实际操作和示例代码演示时。然而，我也发现了一些需要改进的地方： 更多互动环节：在未来的课程中，可以设计更多的互动环节，如小组讨论或实验，让学生亲自尝试配置和使用这些模块。 深化理论与实践结合：尽管提供了代码示例，但部分学生仍然感到难以理解。因此，可以增加更多关于编程逻辑和电路设计的深入讲解。 案例研究：可以通过分析真实项目中的通信和扩展板应用案例，增强学生的应用能力。 总之，本次课程成功地介绍了通信模块和扩展板的基本概念和应用，但仍需不断优化教学方法，以更好地满足学生的学习需求。

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