开源硬件：遇见呼吸灯-课程整合构建校本课程

一、教学资源分析

《走近开源硬件之遇见呼吸灯》是我校校本课程《Arduino创意机器人》的第四课。课程通过有趣的交互设计作品的展示和带学生动手操作，体会Arduino 世界的神奇和有趣。经过上一节课的学习，学生已经掌握了变量、选择结构、各类运算符，能够用按钮控制LED 的多种情况。这一节课主要是学习控制LED 的亮度，制作呼吸灯，在编写程序上，增加了FOR 循环结构、模拟变量、模拟口的输出；在知识内容上，增加了PWM 知识。进一步激发学生学习和探究机器人的兴趣。使学生通过真正的动手，体验Arduino 机器人的硬件搭建和程序设计过程的过程，感受通过程序与现实世界进行互动的魅力。

二、学生情况分析

教学对象为高一学生，对于学习开源硬件有着浓厚的兴趣和学习动力，有利于课程的开展。在数学上已经对程序框图有一定的认知，可以看懂流程图的工作流程，但对于转换为程序语言基础较少。前面几节课已经对程序的顺序结构和选择结构有了一定的认识，对于循环结构，仅限于程序框图的认识。掌握了基本的传感器控制执行器的操作，学会了数字信号的输出，对于模拟信号的输出有着浓厚兴趣，迫切希望进一步的学习和动手操作，感受Arduino 通过程序与现实世界更高级的交互。

三、教学设计整体思路

本课的整体设计思路是，学生通过体验一个智能硬件项目“呼吸灯”，从观察现象联系生活到剖析原理，再到深入体验编程搭建等动手制作过程，完整的经历了一次小型智能硬件的核心设计制作过程。让学生获得新知的同时，通过小组协作，进一步体验智能硬件项目从分析到制作的过程，感受“互动”的魅力。在这个过程中提升学生的问题解决能力，培养学生的工程思维和物化能力。

四、教学目标分析

1.通过制作呼吸灯，理解PWM，掌握FOR 循环、模拟口的输出以及模拟变量。

2.通过小组合作，自行设计并制作本组的呼吸灯创意作品，进一步体会智能硬件作品由设计到创作完成的过程，培养团队精神和动手实践能力。

3.体验自然语言描述到程序编写的一般过程，进一步激发对编程的学习兴趣，培养学生的程序思维和计算思维。

五、教学重难点

教学重点：呼吸灯的实现。

教学难点：FOR 循环、PWM。

六、课时安排

1 课时

七、教学流程图

八、教学过程

（一）复习回顾

通过自制微视频，回顾上节课的重点内容，复习选择结构的使用，if else 语句的语法组成和传感器（开关）控制执行器（LED）的实际操作。

回忆：如何通过函数实现LED 的亮与灭

亮：__________（ pin， ）；高电压

灭：__________ （ pin， ）；低电压

（二）新课导入

通过动画展示，对比之前学习过的LED 灯和三个图片上灯的区别，并结合实物自制教具展示，引入呼吸灯的概念。

呼吸灯：发出的灯光在微电脑控制之下完成亮暗的逐渐变化，感觉像是在呼吸的灯，称为呼吸灯。

图1

图2

（三）讲授新课

回顾如何实现LED 的亮与灭。

设置疑问：如何实现LED 的渐亮和渐暗的过程？（可对比学生物理学科知识，帮助学生理解）

通过本问题学生的回答引出电压的改变，问题转移至针脚。

再次设问：我们前面的知识知道数字针脚可以输出0 和1 的信号，模拟针脚只能输入，那如何实现针脚上输出不同的电压值呢？

通过问题的设置，矛盾的引入，给学生带来思考和进一步学习的动力。

1.任务板块一：

●知识点1：PWM（脉冲宽度调制）

简单来讲，PWM 通过在数字引脚快速切换高低电压的方式，间接地把数字信号转化为模拟信号，即0～255 的模拟数值。

我们可以用来模拟0V 到5V 之间的电压。

◆活动：观察101 开发板，提问，数字针脚的文字标记，有何不同？

——引入PWM 针脚（～），101 开发板的3，5，6，9 针脚

●知识点2：输出方式

函数：analogWrite（pin，value）

此函数可以给PWM 引脚发送0 到255 之间的模拟量，同时只能用于PWM 引脚上。(www.xing528.com)

◆探究任务1：

初步实现控制LED 亮度，学会使用analogWrite（ ）函数

探究反思1：实现LED 的渐亮和渐暗如何操作？

2.任务板块二：

学生：请小组展示刚才自己小组的实现成果，并解答探究反思1 的问题。

教师：总结前面探究任务和小组实现情况。

设置疑问：我们可以通过analogWrite（）函数输出不同的数值来改变灯光的亮度，假设我需要输出100 种不同的亮度，应该如何实现呢？有没有更好的方法呢？

引入新知：循环结构

请同学回顾数学课上循环结构的程序框图工作流程。

引出for 循环。

●知识点4：FOR 循环

思考——提升：观察变量i，你想到了什么？

思考——提升：实现呼吸灯，循环体怎么写？

◆探究任务2：

任务描述：

使用for 循环实现呼吸灯功能，实现渐亮、渐暗的效果。

探究反思2：如何使LED 变亮、变暗的时间短一点呢？

3.分享交流：

小组展示自己小组的呼吸灯创意效果，并讲述设计过程和制作过程，展示程序设计，交流在制作过程中遇到的问题。

其他小组和教师分别进行点评总结。

4.课堂总结：

教师对本节课的内容进行总结，指出在学习过程和小组制作过程中存在的问题，教师提出疑问，并引出下节课的内容。

通过这节课的学习，我们初步控制了LED 的亮度，理解了PWM，掌握了循环结构、模拟变量以及模拟口的输出，并能够动手制作呼吸灯，了解了循环结构。

之后，大家可以思考一下我们还可以使用循环结构来实现功能。

5.课后拓展：

如何实现通过数字传感器（开关）实现呼吸灯的控制？

九、教学反思

通过本节课的教学，基本达成了本节课的教学目标，可以看得出来学生对于Arduino 的兴趣非常浓厚。学生已经能够较为熟练的进行Arduino101 套件的使用和硬件搭建，对于程序设计的三种程序结构，已经有了较为基本的掌握，在后面的学习和项目实践中，可以进一步来巩固。

在本节课的教学中，也存在部分问题，需要在后续的授课中注意改正。

1.对于小组的分享交流以及学生的回答进行点评的过程中，可以多注意让其他小组进行点评质疑，多发挥学生的效果，让更多的学生和小组参与进来。

2.教师的语言组织需要进一步的精炼，有些口语化的表达需要改进。

3.让学生更多地参与课堂，有些学习过的基础内容，多让学生和小组来回答和讲解，老师进行简要的评价和总结提升。

4.需要进一步合理把控项目操作的时间，合理分配课堂各个任务所需的时间。

十、教学评价

1.本课题为开源硬件主题，充分体现了信息技术和通用技术的融合，可以为后面通用技术课的开展提供较好的思路；契合时下流行的创客课程，能够培养学生的创新思维和计算思维，呼吸灯的制作很好地调动了学生学习的积极性。

2.授课过程中设计几个认知冲突比较好，通过前面知识的复习，引入新的课题，发现新的内容，再次与前面内容对比，产生冲突，激发学生的思考和兴趣。

3.课堂时间需要进一步把控，后面任务花的时间较多，影响了最后的分享交流过程。

4.在与学生的交互过程中，展示的不够，应该增加学生发言的机会，增加作品展示和程序设计交流的过程，发挥小组的作用。

5.应该更加注意授课过程的层次，多给学生设计些台阶，感受到层次感。

6.课堂容量较大，建议分课时进行授课，应该考虑不同学情的接受程度。