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第2.2课《恰当运用控制器—探索输入输出功能模块》教学设计
课题 恰当运用控制器—探索输入输出模块 单元 第二单元 学科 信息科技 年级 五年级
核心素养目标 信息意识：意识到想法变为现实的必要，理解创客，对制作作品的影响，从而做出更明智的决策。 计算思维：能在开源硬件学习中，学会利用开源硬件并制作鱼菜共生开源系统，识别开源系统和模式，从而更好地理解创客。数字化学习与创新：明白常见开源硬件并能够利用，并通过开源硬件、开源等方式控制鱼菜共生系。信息社会责任： 在学习过程中，培养学习能力，以及在传播输入输出信息时保持准确性和可靠性。
教学重点 认识创客并学习运用开源硬件系统。
教学难点 掌握帮助利用开源硬件获取信息更好地学习等。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第2.2课 《恰当运用控制器—探索输入输出模块》板书课题。1.有了鱼菜共生这个想法，就应该把它制作出来。这些将想法转变为现实的人常常自称创客，他们偏爱使用开源文化背景下衍生的开源硬件制作出更好的作品。有了鱼菜共生开源系统的思维导图，本节课跟小清一起化身为小小创客，进一步认识开源硬件，并列出在鱼菜共生项目中可以使用的硬件清单，一起为项目制作做准备吧! 思考：同学们，想一想，如果我们自己要制作鱼菜共生的自动控制项目，需要哪些硬件材料呢？快和大家讨论一下吧!鱼缸或鱼池：材质可以选择玻璃、塑料或水泥。过滤器：用于过滤鱼缸中的水，去除杂质和有害物质。增氧泵：为鱼缸中的水提供充足的氧气，保证鱼类的生存。水温传感器：监测鱼缸中的水温，以便及时调整温度。加热棒：如果你的鱼菜共生系统在温度较低的环境中运行，可能需要加热棒来保持水温。2.播放视频。 学习新知引入。完成思考问题。观看教学视频。 用鱼菜共生项目知识引入课堂。用提问的方式引入课题，增强课堂互动性。将学生的注意吸引到课堂。
讲授新课 新知讲解：板书课题。一、创客文化创客创客做事源于兴趣与爱好，努力把各种创意转变为现实并加以分享。在《创客：新工业革命》一书中创客的创作被认为是数字技术和个人制造的融合，他们善于挖掘新技术、鼓励创新，他们不但有想法，还有成型的作品，是“知行合一”的忠实实践者。创客文化则是在这个群体中形成的以开源，共享为精神的文化。开源与创客文化创客与开源密不可分、相互融合又相互促进，它们的关系为项目的实现提供了帮助。开源是创客的直通车想要制作鱼菜共生的项目，需要参考很多相关资料，如果让创客独立完成项目，对个人能力的要求可能过高，且不一定都能实现。但在开源文化的影响下，很多创客自发地把自己制作项目的资料以开源的通用文件标准形式发布出来，为有需求的创客提供参考，在此基础上，创新和改进就具有了更大的价值，如图 2.2.1所示。创客是开源的发展和延续在开源文化滋养下的创客也热衷于制作开源的产品，像软件、硬件甚至系统等，促进了开源文化的发展，如图2.2.2所示。在创客文化百花齐放的时期，不少学校和研究单位参考开放源码的处理器设计了自己的微处理器；创客教育工作者联合研发了国内第一块用于教学的开源硬件--掌控板；还有很多创客基于开源的资源设计具有独特功能的开源硬件，并将它的源码分享出去，让其他创客继续进行改造和升级。创客的热心活动，也使开源文化得以延续。创客活动在创客文化的滋养下，社会上举办了很多创客活动，如制汇节、创客嘉年华、创客马拉松、各类创客大赛等(见图 2.2.3)。制汇节又叫Maker Faire，是一个供世界创客交流和分享经验的活动，来自全球的创客聚集在这里分享自己动手制作的作品。创客嘉年华是我国一个面向社会大众的科技狂欢节，是一个集聚民间灵感的手工盛宴。创客活动给创客提供了一个展示创意、创新与创造的舞台，也给人们提供了一个近距离体验创客文化的机会。随着创客教育的普及，越来越多的学校建立了校园创客空间，校园的创客活动也逐渐增多，如创客社团、校园科技节、各类创客比赛等(见图 2.2.4)。课堂活动在开源文化的背景下，制作鱼菜共生开源系统是不是相对容易了呢？请同学们上网查找制作鱼莱共生开源系统的相关案例，看一看其他创客是如何制作的，都用了哪些材料，是否能给你一些启发。和同学们交流一下吧!如何制作？搭建鱼缸或鱼池：选择合适的位置放置鱼缸或鱼池，确保有足够的阳光和通风。制作种植容器：选择合适的种植容器，清洗干净。安装水泵和水管：将水泵安装在鱼缸或鱼池的底部，连接水管。调试系统：打开水泵和气泵，检查水流和氧气供应是否正常。准备哪些材料？鱼缸或鱼池、种植容器、水泵、水管、过滤器、气泵、种植基质、种子或种苗、温度计和 pH 计。给你带来了哪些启发？生态可持续发展：鱼菜共生系统实现了水产养殖和水耕栽培的有机结合，减少了对土地和水资源的依赖。通过循环利用水资源和养分，降低了农业生产对环境的负面影响，为实现生态可持续发展提供了一种可行的模式。创新与合作：制作鱼菜共生开源系统需要不断地创新和探索。从设计规划到材料选择，再到系统搭建和调试运行，都需要发挥创造力，寻找更加高效、环保的解决方案。二、创客与开源硬件要制作鱼菜共生项目，使用开源硬件不失为一种选择。开源的硬件为创客提供了便捷、低门槛的工具，使更多人能够成为创客，能够相对容易地参与到项目中，将自己的创意变成现实。常见的开源硬件开源硬件是开源文化的衍生物，它是指开放硬件设计图、物料清单、制作工艺等的硬件，允许他人进行学习、修改、发布、制作和销售等。这里的硬件是指设备、机器或其他实物。在创客领域，常见的教学用开源硬件有Arduino、掌控板、冲锋舟等，如表 2.2.1 所示。开源软件性能与特点ArduinoArduino由一个欧洲开发团队于2005年冬季开发，是一个开放源码电子原型平台，拥有灵活、易用的硬件和软件。Arduino 可以接收来自各种传感器的输入信号从面检测出运行环境，并通过控制光源、电机及其他驱动器来影响其周围环境。可以对Arduino 进行程序编写，并烧录进控制器，对 Arduino 进行编程可以通过 Arduino 编程语言(基于 Wining)和 Arduino 软件IDE(基于Processing)来实现。Arduino 软件IDE对于初学者来说易于使用，对于高级用户而言足够灵活，它可以在 Windows、macOS 和 Linux 操作系统上运行。掌控版掌控板是国内第一款专为编程教育而设计的开源硬件，于2018年9月15日第六届全国STEAM教育大会上正式发布它是创客教育专家委员会、猫友汇、广大一线教师共同提出需求并与创客教育行业优秀企业代表共同参与研发的教具学具，是一块为教育教学而生的开源硬件。掌控板内置常用传感器，自带Wi-Fi和蓝牙功能，可以用于物联网和人工智能等智能控制领域。冲锋舟冲锋舟是一款面向人工智能学科教学的开源硬件，内置高性能人工智能推理加速单元，自带操作系统，连接上显示器键盘、鼠标、电源等就是一台计算机。温馨小贴士主控板 OLED 显示屏OLED 显示屏通过点亮不同位置的像素点来达到显示不同内容的效果。OLED显示屏由 128x64 个像素点组成，每行有 128 个像素点，每列有 64 个像素点。我们可以把像素点看成一个平面直角坐标系上的点，如图2.2.5 所示。左上角为坐标原点(0,0)，水平方向为X轴，X坐标的范围为 0~127，越往右数值越大；垂直方向为 丫轴，Y坐标的范围为 0~63，越往下数值越大。每一个由X坐标和Y坐标组成的点就是一个位置，如显示屏的中心点为（63，31)，也就是X轴向右第 64 个像素点，Y 轴向下第 32 个像素点。课堂活动在网络上搜索由这几块开源主控板搭建的作品案例，通过观察了解，说一说你认为在制作鱼菜共生开源系统项目中，你想要选用哪一种开源硬件作为主控板，并说明原因。我想采用Arduino开源软件作为主控板，因为它易于上手和简单的编程环境，使用 C/C++ 语言进行编程，其编程语法相对简单，对于初学者来说容易理解和掌握。其硬件设计已经非常成熟和稳定。价格实惠，Arduino 主控板的价格相对较低，相比于其他一些高性能的微控制器或单板计算机，Arduino 的价格更加亲民。常见输入软件模块输入功能模块用来检测外界环境信息(如按键、温度、光线、声音等)，并将检测到的信息按照一定的规律进行数字化处理，然后传输到主控板上。如生活中的温度计用来检测温度的高低，分贝检测仪用来检测声音的大小，如图 2.2.6~图 2.2.7 所示。输入功能模块的工作原理和使用条件各不相同，可以根据功能进行分类。在创客作品的制作中较为常用的一些输入模块如表 2.2.2所示。功能分类传感器功能距离传感器超声波传感器检测障碍物到传感器的距离红外探测传感器检测是否有物体环境传感器声音传感器检测声音的大小关系传感器检测光线的强弱温湿度传感器检测温度的高低和湿度大小触碰传感器按键传感器检测是否被按下触碰键传感器检测是否被触碰同学们思考一下，主控板上有哪些功能模块属于输入模块？请在图 2.2.8中该功能模块旁边的方框里打勾。思考同学们思考一下，楼道的声控灯用的是什么传感器 你还能举例生活中的哪些产品或设备，可能用了哪些传感器呢 楼道的声控灯通常使用声音传感器（麦克风）来检测声音信号。生活中还有很多产品或设备使用了不同的传感器例如以下：1、智能家居设备温湿度传感器：用于监测室内温度和湿度，自动调节空调、加湿器。烟雾传感器：检测烟雾浓度，在发生火灾时及时报警。2、智能手机加速度传感器：用于检测手机的运动状态，实现自动旋转屏幕、计步等功能。光线传感器：根据周围环境光线强度自动调节屏幕亮度。指纹传感器：用于指纹解锁和支付等安全认证。3、汽车胎压传感器：监测轮胎气压，确保行车安全。氧传感器：检测汽车尾气中的氧含量，优化发动机燃烧效率。雨量传感器：自动感应雨量大小，控制雨刮器的速度。开关量与连续量输入与输出功能模块的信号可分为数字信号和模拟信号。数字信号是指检测到非连续变化的数据，通常采用二进制等离散的数字(如0和1)来表示。例如，开关型台灯，按键只有“开”和“关”两种状态，用来控制灯的亮、灭如图 2.2.9 所示。与数字信号不同，模拟信号用连续变化的电压、电流等物理量直接来表示信息的内容，模拟信号随时间的变化是连续的，模拟信号本身有大小、强弱、变化之分。例如，可调节亮度台灯，旋钮开关可以在一个范围内活动，用来调节台灯的不同亮度，如图 2.2.10 所示。课堂活动同学们，请把表2.2.3 补充完整。传感器功能信号模式声音传感器检测声音的大小数字信号光线传感器检测光线强弱模拟信号温度传感器监测温度的高低数字信号按键传感器检测是否被按下数字信号触摸键传感器检测是否被触碰数字信号常见输出功能模块输出功能模块是一种执行设备，也可以叫执行器，用来接收和执行主控板输送来的控制命令，向外界做出一些能看到、听到或者感受到的现象。如生活中灯泡可以亮，音箱的喇叭可以发出声音，风扇的马达可以带动扇叶旋转等。在创客作品的制作中较为常用的一些输出功能模块，如表2.2.4所示。功能分类传感器功能显示模块超声波传感器单色灯红外探测传感器三色灯OLED显示屏显示文字图案声音模块音乐播放播放音乐蜂鸣器播放音效电机模块电机驱动驱动马达旋转三、课堂活动同学们思考一下，主控板上有哪些功能模块属于输出模块？请在图 2.2.11中该功能模块旁边的方框里打勾。四、课堂练习主控板上通常有输出模块--RGB灯，同学们知道RGB灯里R、GB是什么意思吗 打开编程软件更改该程序模块R、G、B的值，观察一下RGB灯的颜色变化，并把实验结果记录在表 2.2.5 中。R值G值B值灯的颜色25500红色00255蓝色02550绿色常见扩展板扩展板是将主控板上的引脚扩展出来的一种硬件，是主控板与功能模块的桥梁。扩展板是根据主控板的开源资料来设计的，因此扩展板引脚通常与主控板的引脚定义一一对应，可以利用堆叠或直插的方式接到核心板上，如图 2.2.12所示。扩展板还可以根据使用场景的不同而个性化地设计一些接口。温馨小贴士想要了解更多的传感器和执行器及它们的使用方法，可以搜索“乐动魔块维基百科”进行查询。根据本节课所学的内容，请同学们描述你想要实现的鱼菜共生开源系统项目的功能是什么，分别需要主控板上有哪些传感器和执行器列出一个硬件清单，并填写表2.2.6。功能描述传感器执行器水质监测与调控溶解氧传感器增氧泵水耕栽培管理温度传感器灌溉电磁阀自动化控制Ph传感器酸碱调节机投放五、拓展延伸1.计算机的输入与输出问：计算机更新换代那么快，外观各式各样，在不同种类的计算机背后是否有什么共性呢 答：我们先要了解计算机系统的组成。计算机系统由硬件和软件两部分组成，硬件是指组成计算机的器件，看得见、摸得着的部分;软件是指计算机上运行的各种程序提供多种多样的功能，帮助人们完成各种任务。问：计算机的硬件包括什么 答：计算机的硬件主要由主机和外部设备组成。主机里面有一个核心部件叫中央处理器，相当于计算机的“大脑”。外部设备主要由一些外接设备组成，有输入设备如键盘、鼠标、麦克风等;有输出设备如显示器、打印机、音箱等。问：那计算机是怎么工作的 答：计算机的工作过程就是“输入一计算一输出”，我们通过使用键盘或鼠标输入信息，传输到计算机的“大脑”(CPU)进行计算处理，最后通过显示器等输出设备输出处理结果。2.如何提高输入设备的准确性和响应速度？传感器优化：对于使用传感器的输入设备，如鼠标、手写板等，可以采用更高精度的传感器。对于触摸屏设备，可以采用更灵敏的电容式或电阻式。连接方式优化：对于有线输入设备，选择高质量的线缆和接口可以减少信号干扰和延迟。无线输入设备可以采用更先进的无线技术。驱动程序优化：及时更新输入设备的驱动程序可以修复已知的问题和提高性能。驱动程序可以优化设备与操作系统的通信。驱动程序优化：及时更新输入设备的驱动程序可以修复已知的问题和提高性能。驱动程序可以优化设备与操作系统的通信。GitHub：GitHub 是一个面向开源及私有软件项目的托管平台。它为开发者提供了版本控制、协作开发、代码审查等功能。3、触摸屏输入设备在哪些方面优于传统的键盘和鼠标输入？直观性：用户可以直接用手指触摸屏幕上的图标、按钮和菜单进行操作，就像在实际物体上操作一样，无需像键盘和鼠标那样通过间接的方式进行指令输入。便携性与空间利用：如平板电脑和智能手机，具有高度的便携性在空间有限的环境中，触摸屏可以节省桌面空间。手势操作与交互多样性：触摸屏支持丰富的手势操作，如滑动、缩放、旋转等。4、未来的输出输入设备可能会遇到哪些发展趋势？智能化与自动化：能够根据用户的输入习惯、上下文以及大量的语言数据和行为模式学习，智能预测用户想要输入的内容，提高输入效率。多模态融合：未来的输入设备将不再局限于单一的输入方式，而是多种输入方式的融合。除传统的视觉和听觉输入外，未来的输入设备将引入更多的感官输入方式。个性化与定制化：输入输出设备将能够根据用户的个人偏好和使用习惯进行定制。设备能够自动感知用户所处的场景并根据场景的变化自动调整。更高的性能与精度：高分辨率与高刷新率，输出设备的分辨率和刷新率将不断提高，为用户提供更清晰、更流畅的视觉体验。5、如何选择合适自己的触摸屏输入设备？选择合适自己的触摸屏输入设备可以从以下几个方面考虑：移动设备：如果你需要在移动中使用触摸屏输入设备，如智能手机或平板电脑，那么便携性、电池续航能力和屏幕尺寸就是重要的考虑因素。办公环境：在办公环境中，可能需要更大尺寸的触摸屏设备，如触摸屏显示器或一体机。这些设备可以提供更大的工作空间，提高工作效率。 学习认识创客。提出问题进行课堂活动。学习创客与开源硬件。进行“主控板 OLED 显示屏”温馨贴士。进行课堂活动。提出思考问题。进行课堂活动。完成课堂实践练习题。进行课外知识拓展。 初步创客，锻炼学生的学习能力和观察能力。通过课堂活动问题，培养学生思考能力和学习能力。进一步学习开源硬件培养学生的学习能力。能够加深学习内容的理解巩固学习知识。通过活动巩固所学内容。通过思考问题加强学生的思考能力。在课堂中强化所学知识内容。测试学生学习内容掌握程度。延伸学生知识面。
课堂小结 作品拓展与优化—接受实践与检验1、引入新知内容2、学习创客文化3、认识创客与开源硬件4、完成课题练习5、进行相关知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 观察家里的电脑，指出哪些部分是输入设备，哪些部分是输出设备？学完本节课，谈谈对输入输出设备的理解和认识是否有了进一步的加深？ 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
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第二单元 第2课
恰当运用控制器—探索输入输出功能模板
（清华大学版）五年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
在学习过程中，培养学习能力，以及在传播输入输出信息时保持准确性和可靠性。
明白常见开源硬件并能够利用，并通过开源硬件、开源等方式控制鱼菜共生系统。
能在开源硬件学习中，学会利用开源硬件并制作鱼菜共生开源系统，识别开源系统和模式，从而更好地理解创客。
意识到想法变为现实的必要，理解创客，对制作作品的影响，从而做出更明智的决策。
02
新知导入
有了鱼菜共生这个想法，就应该把它制作出来。这些将想法转变为现实的人常常自称创客，他们偏爱使用开源文化背景下衍生的开源硬件制作出更好的作品。有了鱼菜共生开源系统的思维导图，本节课跟小清一起化身为小小创客，进一步认识开源硬件，并列出在鱼菜共生项目中可以使用的硬件清单，一起为项目制作做准备吧!
02
新知导入
做鱼菜共生项目选用哪类控制器更合适呢？
02
新知导入
思考
同学们，想一想，如果我们自己要制作鱼菜共生的自动控制项目，需要哪些硬件材料呢？快和大家讨论一下吧!
鱼缸或鱼池：材质可以选择玻璃、塑料或水泥。
过滤器：用于过滤鱼缸中的水，去除杂质和有害物质。
增氧泵：为鱼缸中的水提供充足的氧气，保证鱼类的生存。
水温传感器：监测鱼缸中的水温，以便及时调整温度。
加热棒：如果你的鱼菜共生系统在温度较低的环境中运行，可能需要加热棒来保持水温。
02
新知导入
03
新知讲解
一、创客文化
创客做事源于兴趣与爱好，努力把各种创意转变为现实并加以分享。
在《创客：新工业革命》一书中创客的创作被认为是数字技术和个人制造的融合，他们善于挖掘新技术、鼓励创新，他们不但有想法，还有成型的作品，是“知行合一”的忠实实践者。创客文化则是在这个群体中形成的以开源，共享为精神的文化。
创客
03
新知讲解
创客与开源密不可分、相互融合又相互促进，它们的关系为项目的实现提供了帮助。
开源与创客文化
03
新知讲解
开源是创客的直通车
想要制作鱼菜共生的项目，需要参考很多相关资料，如果让创客独立完成项目，对个人能力的要求可能过高，且不一定都能实现。但在开源文化的影响下，很多创客自发地把自己制作项目的资料以开源的通用文件标准形式发布出来，为有需求的创客提供参考，在此基础上，创新和改进就具有了更大的价值，如图 2.2.1所示。
03
新知讲解
图2.2.1 开源的资源对创新和改进有很大的参考价值
修改
开源平台
打印
使用开源平台的资源打印种菜支架
03
新知讲解
创客是开源的发展和延续
在开源文化滋养下的创客也热衷于制作开源的产品，像软件、硬件甚至系统等，促进了开源文化的发展，如图2.2.2所示。在创客文化百花齐放的时期，不少学校和研究单位参考开放源码的处理器设计了自己的微处理器；创客教育工作者联合研发了国内第一块用于教学的开源硬件--掌控板；还有很多创客基于开源的资源设计具有独特功能的开源硬件，并将它的源码分享出去，让其他创客继续进行改造和升级。创客的热心活动，也使开源文化得以延续。
03
新知讲解
我用创客在开源平台分享的设计图示和源代码设计了一款自己的开源硬件。
哇，你设计的这款硬件能做什么
我的这款硬件里有许多像测量声音、光线、加速度等的传感器，另外添加了蓝牙等功能，所以它的功能还是很多的。
比如你的宠物狗佩戴了我的这款硬件在它不小心走失的时候，你可以在手机上将狗的状态设置为“失踪”，那么其他人右到你的狗时，就能根据硬件显示屏上提供的信息找到狗的主人，是不是很酷
此外，我还将我的创意发布到了开源社区，有人在继续优化这款硬件，之后它的功能会越来越强大!
图2.2.2 创客源源不断地开发出新的开源产品
03
新知讲解
创客活动
在创客文化的滋养下，社会上举办了很多创客活动，如制汇节、创客嘉年华、创客马拉松、各类创客大赛等(见图 2.2.3)。
制汇节又叫Maker Faire，是一个供世界创客交流和分享经验的活动，来自全球的创客聚集在这里分享自己动手制作的作品。创客嘉年华是我国一个面向社会大众的科技狂欢节，是一个集聚民间灵感的手工盛宴。
创客活动给创客提供了一个展示创意、创新与创造的舞台，也给人们提供了一个近距离体验创客文化的机会。
03
新知讲解
图2.2.3 制汇节和创客嘉年华
03
新知讲解
图2.2.4 创客空间和中小学创客比赛
随着创客教育的普及，越来越多的学校建立了校园创客空间，校园的创客活动也逐渐增多，如创客社团、校园科技节、各类创客比赛等(见图 2.2.4)。
03
新知讲解
课堂活动
在开源文化的背景下，制作鱼菜共生开源系统是不是相对容易了呢？请同学们上网查找制作鱼莱共生开源系统的相关案例，看一看其他创客是如何制作的，都用了哪些材料，是否能给你一些启发。和同学们交流一下吧!
03
新知讲解
如何制作？
搭建鱼缸或鱼池：选择合适的位置放置鱼缸或鱼池，确保有足够的阳光和通风。
制作种植容器：选择合适的种植容器，清洗干净。
安装水泵和水管：将水泵安装在鱼缸或鱼池的底部，连接水管。
调试系统：打开水泵和气泵，检查水流和氧气供应是否正常。
准备哪些材料？
鱼缸或鱼池、种植容器、水泵、水管、过滤器、气泵、种植基质、种子或种苗、温度计和 pH 计。
03
新知讲解
给你带来了哪些启发？
生态可持续发展：鱼菜共生系统实现了水产养殖和水耕栽培的有机结合，减少了对土地和水资源的依赖。通过循环利用水资源和养分，降低了农业生产对环境的负面影响，为实现生态可持续发展提供了一种可行的模式。
创新与合作：制作鱼菜共生开源系统需要不断地创新和探索。从设计规划到材料选择，再到系统搭建和调试运行，都需要发挥创造力，寻找更加高效、环保的解决方案。
03
新知讲解
二、创客与开源硬件
要制作鱼菜共生项目，使用开源硬件不失为一种选择。开源的硬件为创客提供了便捷、低门槛的工具，使更多人能够成为创客，能够相对容易地参与到项目中，将自己的创意变成现实。
03
新知讲解
开源硬件是开源文化的衍生物，它是指开放硬件设计图、物料清单、制作工艺等的硬件，允许他人进行学习、修改、发布、制作和销售等。这里的硬件是指设备、机器或其他实物。在创客领域，常见的教学用开源硬件有Arduino、掌控板、冲锋舟等，如表 2.2.1 所示。
常见的开源硬件
03
新知讲解
开源硬件 性能与特点
Arduino由一个欧洲开发团队于2005年冬季开发，是一个开放源码电子原型平台，拥有灵活、易用的硬件和软件。Arduino 可以接收来自各种传感器的输入信号从面检测出运行环境，并通过控制光源、电机及其他驱动器来影响其周围环境。可以对Arduino 进行程序编写，并烧录进控制器，对 Arduino 进行编程可以通过 Arduino 编程语言(基于 Wining)和 Arduino 软件IDE(基于Processing)来实现。Arduino 软件IDE对于初学者来说易于使用，对于高级用户而言足够灵活，它可以在 Windows、macOS 和 Linux 操作系统上运行。
表2.2.1 创客主流的几款开源硬件主控制板
Arduino
03
新知讲解
开源硬件 性能与特点
掌控板是国内第一款专为编程教育而设计的开源硬件，于2018年9月15日第六届全国STEAM教育大会上正式发布它是创客教育专家委员会、猫友汇、广大一线教师共同提出需求并与创客教育行业优秀企业代表共同参与研发的教具学具，是一块为教育教学而生的开源硬件。掌控板内置常用传感器，自带Wi-Fi和蓝牙功能，可以用于物联网和人工智能等智能控制领域。
冲锋舟是一款面向人工智能学科教学的开源硬件，内置高性能人工智能推理加速单元，自带操作系统，连接上显示器键盘、鼠标、电源等就是一台计算机。
续表：
掌控板
冲锋舟
03
新知讲解
温馨小贴士
主控板 OLED 显示屏
OLED 显示屏通过点亮不同位置的像素点来达到显示不同内容的效果。OLED显示屏由 128x64 个像素点组成，每行有 128 个像素点，每列有 64 个像素点。我们可以把像素点看成是一个平面直角坐标系上的点，如图2.2.5 所示。左上角为坐标原点(0,0)，水平方向为X轴，X坐标的范围为 0~127，越往右数值越大；垂直方向为 丫轴，Y坐标的范围为 0~63，越往下数值越大。
每一个由X坐标和Y坐标组成的点就是一个位置，如显示屏的中心点为（63，31)，也就是X轴向右第 64 个像素点，Y 轴向下第 32 个像素点。
图2.2.5 OLED显示屏坐标系
03
新知讲解
课堂活动
在网络上搜索由这几块开源主控板搭建的作品案例，通过观察了解，说一说你认为在制作鱼菜共生开源系统项目中，你想要选用哪一种开源硬件作为主控板，并说明原因。
我想采用Arduino开源软件作为主控板，因为它易于上手和简单的编程环境，使用 C/C++ 语言进行编程，其编程语法相对简单，对于初学者来说容易理解和掌握。其硬件设计已经非常成熟和稳定。价格实惠，Arduino 主控板的价格相对较低，相比于其他一些高性能的微控制器或单板计算机，Arduino 的价格更加亲民。
03
新知讲解
输入功能模块用来检测外界环境信息(如按键、温度、光线、声音等)，并将检测到的信息按照一定的规律进行数字化处理，然后传输到主控板上。如生活中的温度计用来检测温度的高低，分贝检测仪用来检测声音的大小，如图 2.2.6~图 2.2.7 所示。
输入功能模块的工作原理和使用条件各不相同，可以根据功能进行分类。在创客作品的制作中较为常用的一些输入模块如表 2.2.2所示。
常见输入软件模块
图2.2.7 分贝检测仪
图2.2.6 温度计
03
新知讲解
功能分类 传感器 功能
距离传感器 检测障碍物到传感器的距离
检测是否有物体
超声波传感器
红外探测传感器
表2.2.2 常用的输入模块
03
新知讲解
环境传感器 检测声音的大小
检测光线的强弱
检测温度的高低和湿度大小
声音传感器
关系传感器
续表：
温湿度传感器
03
新知讲解
触碰传感器 检测是否被按下
检测是否被触碰
按键传感器
触碰键传感器
续表：
03
新知讲解
课堂活动
同学们思考一下，主控板上有哪些功能模块属于输入模块？请在图 2.2.8中该功能模块旁边的方框里打勾。
图2.2.8 主控板上的各功能模块
√
√
√
RGB灯
显示屏
麦克风
光线传感器
触摸键
按键
磁力计
蜂鸣器
加速度计
03
新知讲解
思考
同学们思考一下，楼道的声控灯用的是什么传感器 你还能举例生活中的哪些产品或设备，可能用了哪些传感器呢
楼道的声控灯通常使用声音传感器（麦克风）来检测声音信号。生活中还有很多产品或设备使用了不同的传感器例如以下：
智能家居设备
温湿度传感器：用于监测室内温度和湿度，自动调节空调、加湿器。
烟雾传感器：检测烟雾浓度，在发生火灾时及时报警。
03
新知讲解
智能手机
加速度传感器：用于检测手机的运动状态，实现自动旋转屏幕、计步等功能。
光线传感器：根据周围环境光线强度自动调节屏幕亮度。
指纹传感器：用于指纹解锁和支付等安全认证。
汽车
胎压传感器：监测轮胎气压，确保行车安全。
氧传感器：检测汽车尾气中的氧含量，优化发动机燃烧效率。
雨量传感器：自动感应雨量大小，控制雨刮器的速度。
03
新知讲解
输入与输出功能模块的信号可分为数字信号和模拟信号。数字信号是指检测到非连续变化的数据，通常采用二进制等离散的数字(如0和1)来表示。例如，开关型台灯，按键只有“开”和“关”两种状态，用来控制灯的亮、灭如图 2.2.9 所示。
开关量与连续量
图2.2.9 开关型台灯
03
新知讲解
与数字信号不同，模拟信号用连续变化的电压、电流等物理量直接来表示信息的内容，模拟信号随时间的变化是连续的，模拟信号本身有大小、强弱、变化之分。例如，可调节亮度台灯，旋钮开关可以在一个范围内活动，用来调节台灯的不同亮度，如图 2.2.10 所示。
图2.2.10 可调节亮度台灯
03
新知讲解
课堂活动
同学们，请把表2.2.3 补充完整。
传感器 功能 信号模式
声音传感器 检测声音的大小 数字信号
光线传感器 检测光线强弱 模拟信号
温度传感器 监测温度的高低 数字信号
按键传感器 检测是否被按下 数字信号
触摸键传感器 检测是否被触碰 数字信号
表 2.2.3 各种传感器及其功能、信号式
03
新知讲解
输出功能模块是一种执行设备，也可以叫执行器，用来接收和执行主控板输送来的控制命令，向外界做出一些能看到、听到或者感受到的现象。如生活中灯泡可以亮，音箱的喇叭可以发出声音，风扇的马达可以带动扇叶旋转等。
在创客作品的制作中较为常用的一些输出功能模块，如表2.2.4所示。
常见输出功能模块
03
新知讲解
功能分类 执行器 功能
显示模块 单色灯
三色灯
显示文字图案
LED灯
RGB灯
表2.2.4 常用的输出功能模块
OLED显示屏
03
新知讲解
功能分类 执行器 功能
声音模块 播放音乐
播放音效
电机模块 驱动马达旋转
音乐播放
蜂鸣器
续表：
电机驱动
03
新知讲解
课堂活动
同学们思考一下，主控板上有哪些功能模块属于输出模块？请在图 2.2.11中该功能模块旁边的方框里打勾。
图2.2.11 主控板上的各功能模块
√
√
RGB灯
显示屏
麦克风
光线传感器
触摸键
按键
磁力计
蜂鸣器
加速度计
04
课堂练习
主控板上通常有输出模块--RGB灯，同学们知道RGB灯里R、GB是什么意思吗 打开编程软件更改该程序模块
R、G、B的值，观察一下RGB灯的颜色变化，并把实验结果记录在表 2.2.5 中。
实践
表2.2.5 R、G、B值变化对应灯颜色
R值 G值 B值 灯的颜色
255 0 0 红色
0 0 255 蓝色
0 255 0 绿色
03
新知讲解
扩展板是将主控板上的引脚扩展出来的一种硬件，是主控板与功能模块的桥梁。扩展板是根据主控板的开源资料来设计的，因此扩展板引脚通常与主控板的引脚定义一一对应，可以利用堆叠或直插的方式接到核心板上，如图 2.2.12所示。扩展板还可以根据使用场景的不同而个性化地设计一些接口。
常见扩展板
图2.2.12 常见扩展板
03
新知讲解
温馨小贴士
想要了解更多的传感器和执行器及它们的使用方法，可以搜索“乐动魔块维基百科”进行查询。
04
课堂练习
根据本节课所学的内容，请同学们描述你想要实现的鱼菜共生开源系统项目的功能是什么，分别需要主控板上有哪些传感器和执行器列出一个硬件清单，并填写表2.2.6。
实践
功能描述 传感器 执行器
水质监测与调控 溶解氧传感器 增氧泵
水耕栽培管理 温度传感器 灌溉电磁阀
自动化控制 Ph传感器 酸碱调节机投放
表2.2.6 鱼菜共生项目的硬件材料清单
05
拓展延伸
计算机的输入与输出
计算机更新换代那么快，外观各式各样，在不同种类的计算机背后是否有什么共性呢
我们先要了解计算机系统的组成。计算机系统由硬件和软件两部分组成，硬件是指组成计算机的器件，看得见、摸得着的部分;软件是指计算机上运行的各种程序提供多种多样的功能，帮助人们完成各种任务。
05
拓展延伸
计算机的输入与输出
计算机的硬件包括什么
计算机的硬件主要由主机和外部设备组成。主机里面有一个核心部件叫中央处理器，相当于计算机的“大脑”。外部设备主要由一些外接设备组成，有输入设备如键盘、鼠标、麦克风等;有输出设备如显示器、打印机、音箱等。
05
拓展延伸
计算机的输入与输出
那计算机是怎么工作的
计算机的工作过程就是“输入一计算一输出”，我们通过使用键盘或鼠标输入信息，传输到计算机的“大脑”(CPU)进行计算处理，最后通过显示器等输出设备输出处理结果。
05
拓展延伸
如何提高输入设备的准确性和响应速度？
传感器优化：
对于使用传感器的输入设备，如鼠标、手写板等，可以采用更高精度的传感器。对于触摸屏设备，可以采用更灵敏的电容式或电阻式。
连接方式优化：
对于有线输入设备，选择高质量的线缆和接口可以减少信号干扰和延迟。无线输入设备可以采用更先进的无线技术。
05
拓展延伸
如何提高输入设备的准确性和响应速度？
驱动程序优化：
及时更新输入设备的驱动程序可以修复已知的问题和提高性能。驱动程序可以优化设备与操作系统的通信。
驱动程序优化：
及时更新输入设备的驱动程序可以修复已知的问题和提高性能。驱动程序可以优化设备与操作系统的通信。
05
拓展延伸
触摸屏输入设备在哪些方面优于传统的键盘和鼠标输入？
直观性：用户可以直接用手指触摸屏幕上的图标、按钮和菜单进行操作，就像在实际物体上操作一样，无需像键盘和鼠标那样通过间接的方式进行指令输入。
便携性与空间利用：如平板电脑和智能手机，具有高度的便携性在空间有限的环境中，触摸屏可以节省桌面空间。
手势操作与交互多样性：触摸屏支持丰富的手势操作，如滑动、缩放、旋转等。
05
拓展延伸
未来的输出输入设备可能会遇到哪些发展趋势？
智能化与自动化：能够根据用户的输入习惯、上下文以及大量的语言数据和行为模式学习，智能预测用户想要输入的内容，提高输入效率。
多模态融合：
未来的输入设备将不再局限于单一的输入方式，而是多种输入方式的融合。除传统的视觉和听觉输入外，未来的输入设备将引入更多的感官输入方式。
05
拓展延伸
未来的输出输入设备可能会遇到哪些发展趋势？
个性化与定制化：输入输出设备将能够根据用户的个人偏好和使用习惯进行定制。设备能够自动感知用户所处的场景
并根据场景的变化自动调整。
更高的性能与精度：高分辨率与高刷新率，输出设备的分辨率和刷新率将不断提高，为用户提供更清晰、更流畅的视觉体验。
05
拓展延伸
如何选择合适自己的触摸屏输入设备？
选择合适自己的触摸屏输入设备可以从以下几个方面考虑：
移动设备：如果你需要在移动中使用触摸屏输入设备，如智能手机或平板电脑，那么便携性、电池续航能力和屏幕尺寸就是重要的考虑因素。
办公环境：在办公环境中，可能需要更大尺寸的触摸屏设备，如触摸屏显示器或一体机。这些设备可以提供更大的工作空间，提高工作效率。
06
活动日志
活动日志 班级：XX 姓名：XX
活动名称 恰当运用控制器—探索输入输出功能模块
活动环节 1口 2口 3口 4口（在对应环节画V）
活动完成内容 创客文化、创客与开源软件
活动完成度 口口口口口口口口口(100%)
活动小结 问题与反思：技术门槛问题。
改进的方法：提供更好的教育和培训资源。
07
课堂总结
1
引入新知内容
恰当运用控制器—探索输入输出功能模块
2
学习创客文化
3
认识创客与开源硬件
4
完成课题练习
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
08
板书设计
恰当运用控制器—探索输入输出功能模块
1.进行新知引入
2.学习创客文化
3. 认识创客与开源硬件
4.完成课堂练习
5.进行知识拓展
09
课后作业
01
观察家里的电脑，指出哪些部分是输入设备，哪些部分是输出设备？
09
课后作业
02
学完本节课，谈谈对输入输出设备的理解和认识是否有了进一步的加深？
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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