資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
第2.2課《恰當運用控制器—探索輸入輸出功能模塊》教學設計
課題 恰當運用控制器—探索輸入輸出模塊 單元 第二單元 學科 信息科技 年級 五年級
核心素養目標 信息意識：意識到想法變為現實的必要，理解創客，對制作作品的影響，從而做出更明智的決策。 計算思維：能在開源硬件學習中，學會利用開源硬件并制作魚菜共生開源系統，識別開源系統和模式，從而更好地理解創客。數字化學習與創新：明白常見開源硬件并能夠利用，并通過開源硬件、開源等方式控制魚菜共生系。信息社會責任： 在學習過程中，培養學習能力，以及在傳播輸入輸出信息時保持準確性和可靠性。
教學重點 認識創客并學習運用開源硬件系統。
教學難點 掌握幫助利用開源硬件獲取信息更好地學習等。
教學過程
教學環節 教師活動 學生活動 設計意圖
導入新課 第2.2課 《恰當運用控制器—探索輸入輸出模塊》板書課題。1.有了魚菜共生這個想法，就應該把它制作出來。這些將想法轉變為現實的人常常自稱創客，他們偏愛使用開源文化背景下衍生的開源硬件制作出更好的作品。有了魚菜共生開源系統的思維導圖，本節課跟小清一起化身為小小創客，進一步認識開源硬件，并列出在魚菜共生項目中可以使用的硬件清單，一起為項目制作做準備吧! 思考：同學們，想一想，如果我們自己要制作魚菜共生的自動控制項目，需要哪些硬件材料呢？快和大家討論一下吧!魚缸或魚池：材質可以選擇玻璃、塑料或水泥。過濾器：用于過濾魚缸中的水，去除雜質和有害物質。增氧泵：為魚缸中的水提供充足的氧氣，保證魚類的生存。水溫傳感器：監測魚缸中的水溫，以便及時調整溫度。加熱棒：如果你的魚菜共生系統在溫度較低的環境中運行，可能需要加熱棒來保持水溫。2.播放視頻。 學習新知引入。完成思考問題。觀看教學視頻。 用魚菜共生項目知識引入課堂。用提問的方式引入課題，增強課堂互動性。將學生的注意吸引到課堂。
講授新課 新知講解：板書課題。一、創客文化創客創客做事源于興趣與愛好，努力把各種創意轉變為現實并加以分享。在《創客：新工業革命》一書中創客的創作被認為是數字技術和個人制造的融合，他們善于挖掘新技術、鼓勵創新，他們不但有想法，還有成型的作品，是“知行合一”的忠實實踐者。創客文化則是在這個群體中形成的以開源，共享為精神的文化。開源與創客文化創客與開源密不可分、相互融合又相互促進，它們的關系為項目的實現提供了幫助。開源是創客的直通車想要制作魚菜共生的項目，需要參考很多相關資料，如果讓創客獨立完成項目，對個人能力的要求可能過高，且不一定都能實現。但在開源文化的影響下，很多創客自發地把自己制作項目的資料以開源的通用文件標準形式發布出來，為有需求的創客提供參考，在此基礎上，創新和改進就具有了更大的價值，如圖 2.2.1所示。創客是開源的發展和延續在開源文化滋養下的創客也熱衷于制作開源的產品，像軟件、硬件甚至系統等，促進了開源文化的發展，如圖2.2.2所示。在創客文化百花齊放的時期，不少學校和研究單位參考開放源碼的處理器設計了自己的微處理器；創客教育工作者聯合研發了國內第一塊用于教學的開源硬件--掌控板；還有很多創客基于開源的資源設計具有獨特功能的開源硬件，并將它的源碼分享出去，讓其他創客繼續進行改造和升級。創客的熱心活動，也使開源文化得以延續。創客活動在創客文化的滋養下，社會上舉辦了很多創客活動，如制匯節、創客嘉年華、創客馬拉松、各類創客大賽等(見圖 2.2.3)。制匯節又叫Maker Faire，是一個供世界創客交流和分享經驗的活動，來自全球的創客聚集在這里分享自己動手制作的作品。創客嘉年華是我國一個面向社會大眾的科技狂歡節，是一個集聚民間靈感的手工盛宴。創客活動給創客提供了一個展示創意、創新與創造的舞臺，也給人們提供了一個近距離體驗創客文化的機會。隨著創客教育的普及，越來越多的學校建立了校園創客空間，校園的創客活動也逐漸增多，如創客社團、校園科技節、各類創客比賽等(見圖 2.2.4)。課堂活動在開源文化的背景下，制作魚菜共生開源系統是不是相對容易了呢？請同學們上網查找制作魚萊共生開源系統的相關案例，看一看其他創客是如何制作的，都用了哪些材料，是否能給你一些啟發。和同學們交流一下吧!如何制作？搭建魚缸或魚池：選擇合適的位置放置魚缸或魚池，確保有足夠的陽光和通風。制作種植容器：選擇合適的種植容器，清洗干凈。安裝水泵和水管：將水泵安裝在魚缸或魚池的底部，連接水管。調試系統：打開水泵和氣泵，檢查水流和氧氣供應是否正常。準備哪些材料？魚缸或魚池、種植容器、水泵、水管、過濾器、氣泵、種植基質、種子或種苗、溫度計和 pH 計。給你帶來了哪些啟發？生態可持續發展：魚菜共生系統實現了水產養殖和水耕栽培的有機結合，減少了對土地和水資源的依賴。通過循環利用水資源和養分，降低了農業生產對環境的負面影響，為實現生態可持續發展提供了一種可行的模式。創新與合作：制作魚菜共生開源系統需要不斷地創新和探索。從設計規劃到材料選擇，再到系統搭建和調試運行，都需要發揮創造力，尋找更加高效、環保的解決方案。二、創客與開源硬件要制作魚菜共生項目，使用開源硬件不失為一種選擇。開源的硬件為創客提供了便捷、低門檻的工具，使更多人能夠成為創客，能夠相對容易地參與到項目中，將自己的創意變成現實。常見的開源硬件開源硬件是開源文化的衍生物，它是指開放硬件設計圖、物料清單、制作工藝等的硬件，允許他人進行學習、修改、發布、制作和銷售等。這里的硬件是指設備、機器或其他實物。在創客領域，常見的教學用開源硬件有Arduino、掌控板、沖鋒舟等，如表 2.2.1 所示。開源軟件性能與特點ArduinoArduino由一個歐洲開發團隊于2005年冬季開發，是一個開放源碼電子原型平臺，擁有靈活、易用的硬件和軟件。Arduino 可以接收來自各種傳感器的輸入信號從面檢測出運行環境，并通過控制光源、電機及其他驅動器來影響其周圍環境。可以對Arduino 進行程序編寫，并燒錄進控制器，對 Arduino 進行編程可以通過 Arduino 編程語言(基于 Wining)和 Arduino 軟件IDE(基于Processing)來實現。Arduino 軟件IDE對于初學者來說易于使用，對于高級用戶而言足夠靈活，它可以在 Windows、macOS 和 Linux 操作系統上運行。掌控版掌控板是國內第一款專為編程教育而設計的開源硬件，于2018年9月15日第六屆全國STEAM教育大會上正式發布它是創客教育專家委員會、貓友匯、廣大一線教師共同提出需求并與創客教育行業優秀企業代表共同參與研發的教具學具，是一塊為教育教學而生的開源硬件。掌控板內置常用傳感器，自帶Wi-Fi和藍牙功能，可以用于物聯網和人工智能等智能控制領域。沖鋒舟沖鋒舟是一款面向人工智能學科教學的開源硬件，內置高性能人工智能推理加速單元，自帶操作系統，連接上顯示器鍵盤、鼠標、電源等就是一臺計算機。溫馨小貼士主控板 OLED 顯示屏OLED 顯示屏通過點亮不同位置的像素點來達到顯示不同內容的效果。OLED顯示屏由 128x64 個像素點組成，每行有 128 個像素點，每列有 64 個像素點。我們可以把像素點看成一個平面直角坐標系上的點，如圖2.2.5 所示。左上角為坐標原點(0,0)，水平方向為X軸，X坐標的范圍為 0~127，越往右數值越大；垂直方向為 丫軸，Y坐標的范圍為 0~63，越往下數值越大。每一個由X坐標和Y坐標組成的點就是一個位置，如顯示屏的中心點為（63，31)，也就是X軸向右第 64 個像素點，Y 軸向下第 32 個像素點。課堂活動在網絡上搜索由這幾塊開源主控板搭建的作品案例，通過觀察了解，說一說你認為在制作魚菜共生開源系統項目中，你想要選用哪一種開源硬件作為主控板，并說明原因。我想采用Arduino開源軟件作為主控板，因為它易于上手和簡單的編程環境，使用 C/C++ 語言進行編程，其編程語法相對簡單，對于初學者來說容易理解和掌握。其硬件設計已經非常成熟和穩定。價格實惠，Arduino 主控板的價格相對較低，相比于其他一些高性能的微控制器或單板計算機，Arduino 的價格更加親民。常見輸入軟件模塊輸入功能模塊用來檢測外界環境信息(如按鍵、溫度、光線、聲音等)，并將檢測到的信息按照一定的規律進行數字化處理，然后傳輸到主控板上。如生活中的溫度計用來檢測溫度的高低，分貝檢測儀用來檢測聲音的大小，如圖 2.2.6~圖 2.2.7 所示。輸入功能模塊的工作原理和使用條件各不相同，可以根據功能進行分類。在創客作品的制作中較為常用的一些輸入模塊如表 2.2.2所示。功能分類傳感器功能距離傳感器超聲波傳感器檢測障礙物到傳感器的距離紅外探測傳感器檢測是否有物體環境傳感器聲音傳感器檢測聲音的大小關系傳感器檢測光線的強弱溫濕度傳感器檢測溫度的高低和濕度大小觸碰傳感器按鍵傳感器檢測是否被按下觸碰鍵傳感器檢測是否被觸碰同學們思考一下，主控板上有哪些功能模塊屬于輸入模塊？請在圖 2.2.8中該功能模塊旁邊的方框里打勾。思考同學們思考一下，樓道的聲控燈用的是什么傳感器 你還能舉例生活中的哪些產品或設備，可能用了哪些傳感器呢 樓道的聲控燈通常使用聲音傳感器（麥克風）來檢測聲音信號。生活中還有很多產品或設備使用了不同的傳感器例如以下：1、智能家居設備溫濕度傳感器：用于監測室內溫度和濕度，自動調節空調、加濕器。煙霧傳感器：檢測煙霧濃度，在發生火災時及時報警。2、智能手機加速度傳感器：用于檢測手機的運動狀態，實現自動旋轉屏幕、計步等功能。光線傳感器：根據周圍環境光線強度自動調節屏幕亮度。指紋傳感器：用于指紋解鎖和支付等安全認證。3、汽車胎壓傳感器：監測輪胎氣壓，確保行車安全。氧傳感器：檢測汽車尾氣中的氧含量，優化發動機燃燒效率。雨量傳感器：自動感應雨量大小，控制雨刮器的速度。開關量與連續量輸入與輸出功能模塊的信號可分為數字信號和模擬信號。數字信號是指檢測到非連續變化的數據，通常采用二進制等離散的數字(如0和1)來表示。例如，開關型臺燈，按鍵只有“開”和“關”兩種狀態，用來控制燈的亮、滅如圖 2.2.9 所示。與數字信號不同，模擬信號用連續變化的電壓、電流等物理量直接來表示信息的內容，模擬信號隨時間的變化是連續的，模擬信號本身有大小、強弱、變化之分。例如，可調節亮度臺燈，旋鈕開關可以在一個范圍內活動，用來調節臺燈的不同亮度，如圖 2.2.10 所示。課堂活動同學們，請把表2.2.3 補充完整。傳感器功能信號模式聲音傳感器檢測聲音的大小數字信號光線傳感器檢測光線強弱模擬信號溫度傳感器監測溫度的高低數字信號按鍵傳感器檢測是否被按下數字信號觸摸鍵傳感器檢測是否被觸碰數字信號常見輸出功能模塊輸出功能模塊是一種執行設備，也可以叫執行器，用來接收和執行主控板輸送來的控制命令，向外界做出一些能看到、聽到或者感受到的現象。如生活中燈泡可以亮，音箱的喇叭可以發出聲音，風扇的馬達可以帶動扇葉旋轉等。在創客作品的制作中較為常用的一些輸出功能模塊，如表2.2.4所示。功能分類傳感器功能顯示模塊超聲波傳感器單色燈紅外探測傳感器三色燈OLED顯示屏顯示文字圖案聲音模塊音樂播放播放音樂蜂鳴器播放音效電機模塊電機驅動驅動馬達旋轉三、課堂活動同學們思考一下，主控板上有哪些功能模塊屬于輸出模塊？請在圖 2.2.11中該功能模塊旁邊的方框里打勾。四、課堂練習主控板上通常有輸出模塊--RGB燈，同學們知道RGB燈里R、GB是什么意思嗎 打開編程軟件更改該程序模塊R、G、B的值，觀察一下RGB燈的顏色變化，并把實驗結果記錄在表 2.2.5 中。R值G值B值燈的顏色25500紅色00255藍色02550綠色常見擴展板擴展板是將主控板上的引腳擴展出來的一種硬件，是主控板與功能模塊的橋梁。擴展板是根據主控板的開源資料來設計的，因此擴展板引腳通常與主控板的引腳定義一一對應，可以利用堆疊或直插的方式接到核心板上，如圖 2.2.12所示。擴展板還可以根據使用場景的不同而個性化地設計一些接口。溫馨小貼士想要了解更多的傳感器和執行器及它們的使用方法，可以搜索“樂動魔塊維基百科”進行查詢。根據本節課所學的內容，請同學們描述你想要實現的魚菜共生開源系統項目的功能是什么，分別需要主控板上有哪些傳感器和執行器列出一個硬件清單，并填寫表2.2.6。功能描述傳感器執行器水質監測與調控溶解氧傳感器增氧泵水耕栽培管理溫度傳感器灌溉電磁閥自動化控制Ph傳感器酸堿調節機投放五、拓展延伸1.計算機的輸入與輸出問：計算機更新換代那么快，外觀各式各樣，在不同種類的計算機背后是否有什么共性呢 答：我們先要了解計算機系統的組成。計算機系統由硬件和軟件兩部分組成，硬件是指組成計算機的器件，看得見、摸得著的部分;軟件是指計算機上運行的各種程序提供多種多樣的功能，幫助人們完成各種任務。問：計算機的硬件包括什么 答：計算機的硬件主要由主機和外部設備組成。主機里面有一個核心部件叫中央處理器，相當于計算機的“大腦”。外部設備主要由一些外接設備組成，有輸入設備如鍵盤、鼠標、麥克風等;有輸出設備如顯示器、打印機、音箱等。問：那計算機是怎么工作的 答：計算機的工作過程就是“輸入一計算一輸出”，我們通過使用鍵盤或鼠標輸入信息，傳輸到計算機的“大腦”(CPU)進行計算處理，最后通過顯示器等輸出設備輸出處理結果。2.如何提高輸入設備的準確性和響應速度？傳感器優化：對于使用傳感器的輸入設備，如鼠標、手寫板等，可以采用更高精度的傳感器。對于觸摸屏設備，可以采用更靈敏的電容式或電阻式。連接方式優化：對于有線輸入設備，選擇高質量的線纜和接口可以減少信號干擾和延遲。無線輸入設備可以采用更先進的無線技術。驅動程序優化：及時更新輸入設備的驅動程序可以修復已知的問題和提高性能。驅動程序可以優化設備與操作系統的通信。驅動程序優化：及時更新輸入設備的驅動程序可以修復已知的問題和提高性能。驅動程序可以優化設備與操作系統的通信。GitHub：GitHub 是一個面向開源及私有軟件項目的托管平臺。它為開發者提供了版本控制、協作開發、代碼審查等功能。3、觸摸屏輸入設備在哪些方面優于傳統的鍵盤和鼠標輸入？直觀性：用戶可以直接用手指觸摸屏幕上的圖標、按鈕和菜單進行操作，就像在實際物體上操作一樣，無需像鍵盤和鼠標那樣通過間接的方式進行指令輸入。便攜性與空間利用：如平板電腦和智能手機，具有高度的便攜性在空間有限的環境中，觸摸屏可以節省桌面空間。手勢操作與交互多樣性：觸摸屏支持豐富的手勢操作，如滑動、縮放、旋轉等。4、未來的輸出輸入設備可能會遇到哪些發展趨勢？智能化與自動化：能夠根據用戶的輸入習慣、上下文以及大量的語言數據和行為模式學習，智能預測用戶想要輸入的內容，提高輸入效率。多模態融合：未來的輸入設備將不再局限于單一的輸入方式，而是多種輸入方式的融合。除傳統的視覺和聽覺輸入外，未來的輸入設備將引入更多的感官輸入方式。個性化與定制化：輸入輸出設備將能夠根據用戶的個人偏好和使用習慣進行定制。設備能夠自動感知用戶所處的場景并根據場景的變化自動調整。更高的性能與精度：高分辨率與高刷新率，輸出設備的分辨率和刷新率將不斷提高，為用戶提供更清晰、更流暢的視覺體驗。5、如何選擇合適自己的觸摸屏輸入設備？選擇合適自己的觸摸屏輸入設備可以從以下幾個方面考慮：移動設備：如果你需要在移動中使用觸摸屏輸入設備，如智能手機或平板電腦，那么便攜性、電池續航能力和屏幕尺寸就是重要的考慮因素。辦公環境：在辦公環境中，可能需要更大尺寸的觸摸屏設備，如觸摸屏顯示器或一體機。這些設備可以提供更大的工作空間，提高工作效率。 學習認識創客。提出問題進行課堂活動。學習創客與開源硬件。進行“主控板 OLED 顯示屏”溫馨貼士。進行課堂活動。提出思考問題。進行課堂活動。完成課堂實踐練習題。進行課外知識拓展。 初步創客，鍛煉學生的學習能力和觀察能力。通過課堂活動問題，培養學生思考能力和學習能力。進一步學習開源硬件培養學生的學習能力。能夠加深學習內容的理解鞏固學習知識。通過活動鞏固所學內容。通過思考問題加強學生的思考能力。在課堂中強化所學知識內容。測試學生學習內容掌握程度。延伸學生知識面。
課堂小結 作品拓展與優化—接受實踐與檢驗1、引入新知內容2、學習創客文化3、認識創客與開源硬件4、完成課題練習5、進行相關知識拓展 總結回顧 對本節課內容進行總結概括。
課后作業 觀察家里的電腦，指出哪些部分是輸入設備，哪些部分是輸出設備？學完本節課，談談對輸入輸出設備的理解和認識是否有了進一步的加深？ 布置作業 拓展學生的學習能力
課堂板書 觀看板書 強調教學重點內容。
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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第二單元 第2課
恰當運用控制器—探索輸入輸出功能模板
（清華大學版）五年級
上
1
核心素養目標
3
新知講解
5
拓展延伸
7
板書設計
2
新知導入
4
課堂練習
6
課堂總結
課后作業
8
01
核心素養目標
信息意識
計算思維
數字化學習與創新
信息社會責任
在學習過程中，培養學習能力，以及在傳播輸入輸出信息時保持準確性和可靠性。
明白常見開源硬件并能夠利用，并通過開源硬件、開源等方式控制魚菜共生系統。
能在開源硬件學習中，學會利用開源硬件并制作魚菜共生開源系統，識別開源系統和模式，從而更好地理解創客。
意識到想法變為現實的必要，理解創客，對制作作品的影響，從而做出更明智的決策。
02
新知導入
有了魚菜共生這個想法，就應該把它制作出來。這些將想法轉變為現實的人常常自稱創客，他們偏愛使用開源文化背景下衍生的開源硬件制作出更好的作品。有了魚菜共生開源系統的思維導圖，本節課跟小清一起化身為小小創客，進一步認識開源硬件，并列出在魚菜共生項目中可以使用的硬件清單，一起為項目制作做準備吧!
02
新知導入
做魚菜共生項目選用哪類控制器更合適呢？
02
新知導入
思考
同學們，想一想，如果我們自己要制作魚菜共生的自動控制項目，需要哪些硬件材料呢？快和大家討論一下吧!
魚缸或魚池：材質可以選擇玻璃、塑料或水泥。
過濾器：用于過濾魚缸中的水，去除雜質和有害物質。
增氧泵：為魚缸中的水提供充足的氧氣，保證魚類的生存。
水溫傳感器：監測魚缸中的水溫，以便及時調整溫度。
加熱棒：如果你的魚菜共生系統在溫度較低的環境中運行，可能需要加熱棒來保持水溫。
02
新知導入
03
新知講解
一、創客文化
創客做事源于興趣與愛好，努力把各種創意轉變為現實并加以分享。
在《創客：新工業革命》一書中創客的創作被認為是數字技術和個人制造的融合，他們善于挖掘新技術、鼓勵創新，他們不但有想法，還有成型的作品，是“知行合一”的忠實實踐者。創客文化則是在這個群體中形成的以開源，共享為精神的文化。
創客
03
新知講解
創客與開源密不可分、相互融合又相互促進，它們的關系為項目的實現提供了幫助。
開源與創客文化
03
新知講解
開源是創客的直通車
想要制作魚菜共生的項目，需要參考很多相關資料，如果讓創客獨立完成項目，對個人能力的要求可能過高，且不一定都能實現。但在開源文化的影響下，很多創客自發地把自己制作項目的資料以開源的通用文件標準形式發布出來，為有需求的創客提供參考，在此基礎上，創新和改進就具有了更大的價值，如圖 2.2.1所示。
03
新知講解
圖2.2.1 開源的資源對創新和改進有很大的參考價值
修改
開源平臺
打印
使用開源平臺的資源打印種菜支架
03
新知講解
創客是開源的發展和延續
在開源文化滋養下的創客也熱衷于制作開源的產品，像軟件、硬件甚至系統等，促進了開源文化的發展，如圖2.2.2所示。在創客文化百花齊放的時期，不少學校和研究單位參考開放源碼的處理器設計了自己的微處理器；創客教育工作者聯合研發了國內第一塊用于教學的開源硬件--掌控板；還有很多創客基于開源的資源設計具有獨特功能的開源硬件，并將它的源碼分享出去，讓其他創客繼續進行改造和升級。創客的熱心活動，也使開源文化得以延續。
03
新知講解
我用創客在開源平臺分享的設計圖示和源代碼設計了一款自己的開源硬件。
哇，你設計的這款硬件能做什么
我的這款硬件里有許多像測量聲音、光線、加速度等的傳感器，另外添加了藍牙等功能，所以它的功能還是很多的。
比如你的寵物狗佩戴了我的這款硬件在它不小心走失的時候，你可以在手機上將狗的狀態設置為“失蹤”，那么其他人右到你的狗時，就能根據硬件顯示屏上提供的信息找到狗的主人，是不是很酷
此外，我還將我的創意發布到了開源社區，有人在繼續優化這款硬件，之后它的功能會越來越強大!
圖2.2.2 創客源源不斷地開發出新的開源產品
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新知講解
創客活動
在創客文化的滋養下，社會上舉辦了很多創客活動，如制匯節、創客嘉年華、創客馬拉松、各類創客大賽等(見圖 2.2.3)。
制匯節又叫Maker Faire，是一個供世界創客交流和分享經驗的活動，來自全球的創客聚集在這里分享自己動手制作的作品。創客嘉年華是我國一個面向社會大眾的科技狂歡節，是一個集聚民間靈感的手工盛宴。
創客活動給創客提供了一個展示創意、創新與創造的舞臺，也給人們提供了一個近距離體驗創客文化的機會。
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新知講解
圖2.2.3 制匯節和創客嘉年華
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新知講解
圖2.2.4 創客空間和中小學創客比賽
隨著創客教育的普及，越來越多的學校建立了校園創客空間，校園的創客活動也逐漸增多，如創客社團、校園科技節、各類創客比賽等(見圖 2.2.4)。
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新知講解
課堂活動
在開源文化的背景下，制作魚菜共生開源系統是不是相對容易了呢？請同學們上網查找制作魚萊共生開源系統的相關案例，看一看其他創客是如何制作的，都用了哪些材料，是否能給你一些啟發。和同學們交流一下吧!
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新知講解
如何制作？
搭建魚缸或魚池：選擇合適的位置放置魚缸或魚池，確保有足夠的陽光和通風。
制作種植容器：選擇合適的種植容器，清洗干凈。
安裝水泵和水管：將水泵安裝在魚缸或魚池的底部，連接水管。
調試系統：打開水泵和氣泵，檢查水流和氧氣供應是否正常。
準備哪些材料？
魚缸或魚池、種植容器、水泵、水管、過濾器、氣泵、種植基質、種子或種苗、溫度計和 pH 計。
03
新知講解
給你帶來了哪些啟發？
生態可持續發展：魚菜共生系統實現了水產養殖和水耕栽培的有機結合，減少了對土地和水資源的依賴。通過循環利用水資源和養分，降低了農業生產對環境的負面影響，為實現生態可持續發展提供了一種可行的模式。
創新與合作：制作魚菜共生開源系統需要不斷地創新和探索。從設計規劃到材料選擇，再到系統搭建和調試運行，都需要發揮創造力，尋找更加高效、環保的解決方案。
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新知講解
二、創客與開源硬件
要制作魚菜共生項目，使用開源硬件不失為一種選擇。開源的硬件為創客提供了便捷、低門檻的工具，使更多人能夠成為創客，能夠相對容易地參與到項目中，將自己的創意變成現實。
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新知講解
開源硬件是開源文化的衍生物，它是指開放硬件設計圖、物料清單、制作工藝等的硬件，允許他人進行學習、修改、發布、制作和銷售等。這里的硬件是指設備、機器或其他實物。在創客領域，常見的教學用開源硬件有Arduino、掌控板、沖鋒舟等，如表 2.2.1 所示。
常見的開源硬件
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新知講解
開源硬件 性能與特點
Arduino由一個歐洲開發團隊于2005年冬季開發，是一個開放源碼電子原型平臺，擁有靈活、易用的硬件和軟件。Arduino 可以接收來自各種傳感器的輸入信號從面檢測出運行環境，并通過控制光源、電機及其他驅動器來影響其周圍環境。可以對Arduino 進行程序編寫，并燒錄進控制器，對 Arduino 進行編程可以通過 Arduino 編程語言(基于 Wining)和 Arduino 軟件IDE(基于Processing)來實現。Arduino 軟件IDE對于初學者來說易于使用，對于高級用戶而言足夠靈活，它可以在 Windows、macOS 和 Linux 操作系統上運行。
表2.2.1 創客主流的幾款開源硬件主控制板
Arduino
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新知講解
開源硬件 性能與特點
掌控板是國內第一款專為編程教育而設計的開源硬件，于2018年9月15日第六屆全國STEAM教育大會上正式發布它是創客教育專家委員會、貓友匯、廣大一線教師共同提出需求并與創客教育行業優秀企業代表共同參與研發的教具學具，是一塊為教育教學而生的開源硬件。掌控板內置常用傳感器，自帶Wi-Fi和藍牙功能，可以用于物聯網和人工智能等智能控制領域。
沖鋒舟是一款面向人工智能學科教學的開源硬件，內置高性能人工智能推理加速單元，自帶操作系統，連接上顯示器鍵盤、鼠標、電源等就是一臺計算機。
續表：
掌控板
沖鋒舟
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新知講解
溫馨小貼士
主控板 OLED 顯示屏
OLED 顯示屏通過點亮不同位置的像素點來達到顯示不同內容的效果。OLED顯示屏由 128x64 個像素點組成，每行有 128 個像素點，每列有 64 個像素點。我們可以把像素點看成是一個平面直角坐標系上的點，如圖2.2.5 所示。左上角為坐標原點(0,0)，水平方向為X軸，X坐標的范圍為 0~127，越往右數值越大；垂直方向為 丫軸，Y坐標的范圍為 0~63，越往下數值越大。
每一個由X坐標和Y坐標組成的點就是一個位置，如顯示屏的中心點為（63，31)，也就是X軸向右第 64 個像素點，Y 軸向下第 32 個像素點。
圖2.2.5 OLED顯示屏坐標系
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新知講解
課堂活動
在網絡上搜索由這幾塊開源主控板搭建的作品案例，通過觀察了解，說一說你認為在制作魚菜共生開源系統項目中，你想要選用哪一種開源硬件作為主控板，并說明原因。
我想采用Arduino開源軟件作為主控板，因為它易于上手和簡單的編程環境，使用 C/C++ 語言進行編程，其編程語法相對簡單，對于初學者來說容易理解和掌握。其硬件設計已經非常成熟和穩定。價格實惠，Arduino 主控板的價格相對較低，相比于其他一些高性能的微控制器或單板計算機，Arduino 的價格更加親民。
03
新知講解
輸入功能模塊用來檢測外界環境信息(如按鍵、溫度、光線、聲音等)，并將檢測到的信息按照一定的規律進行數字化處理，然后傳輸到主控板上。如生活中的溫度計用來檢測溫度的高低，分貝檢測儀用來檢測聲音的大小，如圖 2.2.6~圖 2.2.7 所示。
輸入功能模塊的工作原理和使用條件各不相同，可以根據功能進行分類。在創客作品的制作中較為常用的一些輸入模塊如表 2.2.2所示。
常見輸入軟件模塊
圖2.2.7 分貝檢測儀
圖2.2.6 溫度計
03
新知講解
功能分類 傳感器 功能
距離傳感器 檢測障礙物到傳感器的距離
檢測是否有物體
超聲波傳感器
紅外探測傳感器
表2.2.2 常用的輸入模塊
03
新知講解
環境傳感器 檢測聲音的大小
檢測光線的強弱
檢測溫度的高低和濕度大小
聲音傳感器
關系傳感器
續表：
溫濕度傳感器
03
新知講解
觸碰傳感器 檢測是否被按下
檢測是否被觸碰
按鍵傳感器
觸碰鍵傳感器
續表：
03
新知講解
課堂活動
同學們思考一下，主控板上有哪些功能模塊屬于輸入模塊？請在圖 2.2.8中該功能模塊旁邊的方框里打勾。
圖2.2.8 主控板上的各功能模塊
√
√
√
RGB燈
顯示屏
麥克風
光線傳感器
觸摸鍵
按鍵
磁力計
蜂鳴器
加速度計
03
新知講解
思考
同學們思考一下，樓道的聲控燈用的是什么傳感器 你還能舉例生活中的哪些產品或設備，可能用了哪些傳感器呢
樓道的聲控燈通常使用聲音傳感器（麥克風）來檢測聲音信號。生活中還有很多產品或設備使用了不同的傳感器例如以下：
智能家居設備
溫濕度傳感器：用于監測室內溫度和濕度，自動調節空調、加濕器。
煙霧傳感器：檢測煙霧濃度，在發生火災時及時報警。
03
新知講解
智能手機
加速度傳感器：用于檢測手機的運動狀態，實現自動旋轉屏幕、計步等功能。
光線傳感器：根據周圍環境光線強度自動調節屏幕亮度。
指紋傳感器：用于指紋解鎖和支付等安全認證。
汽車
胎壓傳感器：監測輪胎氣壓，確保行車安全。
氧傳感器：檢測汽車尾氣中的氧含量，優化發動機燃燒效率。
雨量傳感器：自動感應雨量大小，控制雨刮器的速度。
03
新知講解
輸入與輸出功能模塊的信號可分為數字信號和模擬信號。數字信號是指檢測到非連續變化的數據，通常采用二進制等離散的數字(如0和1)來表示。例如，開關型臺燈，按鍵只有“開”和“關”兩種狀態，用來控制燈的亮、滅如圖 2.2.9 所示。
開關量與連續量
圖2.2.9 開關型臺燈
03
新知講解
與數字信號不同，模擬信號用連續變化的電壓、電流等物理量直接來表示信息的內容，模擬信號隨時間的變化是連續的，模擬信號本身有大小、強弱、變化之分。例如，可調節亮度臺燈，旋鈕開關可以在一個范圍內活動，用來調節臺燈的不同亮度，如圖 2.2.10 所示。
圖2.2.10 可調節亮度臺燈
03
新知講解
課堂活動
同學們，請把表2.2.3 補充完整。
傳感器 功能 信號模式
聲音傳感器 檢測聲音的大小 數字信號
光線傳感器 檢測光線強弱 模擬信號
溫度傳感器 監測溫度的高低 數字信號
按鍵傳感器 檢測是否被按下 數字信號
觸摸鍵傳感器 檢測是否被觸碰 數字信號
表 2.2.3 各種傳感器及其功能、信號式
03
新知講解
輸出功能模塊是一種執行設備，也可以叫執行器，用來接收和執行主控板輸送來的控制命令，向外界做出一些能看到、聽到或者感受到的現象。如生活中燈泡可以亮，音箱的喇叭可以發出聲音，風扇的馬達可以帶動扇葉旋轉等。
在創客作品的制作中較為常用的一些輸出功能模塊，如表2.2.4所示。
常見輸出功能模塊
03
新知講解
功能分類 執行器 功能
顯示模塊 單色燈
三色燈
顯示文字圖案
LED燈
RGB燈
表2.2.4 常用的輸出功能模塊
OLED顯示屏
03
新知講解
功能分類 執行器 功能
聲音模塊 播放音樂
播放音效
電機模塊 驅動馬達旋轉
音樂播放
蜂鳴器
續表：
電機驅動
03
新知講解
課堂活動
同學們思考一下，主控板上有哪些功能模塊屬于輸出模塊？請在圖 2.2.11中該功能模塊旁邊的方框里打勾。
圖2.2.11 主控板上的各功能模塊
√
√
RGB燈
顯示屏
麥克風
光線傳感器
觸摸鍵
按鍵
磁力計
蜂鳴器
加速度計
04
課堂練習
主控板上通常有輸出模塊--RGB燈，同學們知道RGB燈里R、GB是什么意思嗎 打開編程軟件更改該程序模塊
R、G、B的值，觀察一下RGB燈的顏色變化，并把實驗結果記錄在表 2.2.5 中。
實踐
表2.2.5 R、G、B值變化對應燈顏色
R值 G值 B值 燈的顏色
255 0 0 紅色
0 0 255 藍色
0 255 0 綠色
03
新知講解
擴展板是將主控板上的引腳擴展出來的一種硬件，是主控板與功能模塊的橋梁。擴展板是根據主控板的開源資料來設計的，因此擴展板引腳通常與主控板的引腳定義一一對應，可以利用堆疊或直插的方式接到核心板上，如圖 2.2.12所示。擴展板還可以根據使用場景的不同而個性化地設計一些接口。
常見擴展板
圖2.2.12 常見擴展板
03
新知講解
溫馨小貼士
想要了解更多的傳感器和執行器及它們的使用方法，可以搜索“樂動魔塊維基百科”進行查詢。
04
課堂練習
根據本節課所學的內容，請同學們描述你想要實現的魚菜共生開源系統項目的功能是什么，分別需要主控板上有哪些傳感器和執行器列出一個硬件清單，并填寫表2.2.6。
實踐
功能描述 傳感器 執行器
水質監測與調控 溶解氧傳感器 增氧泵
水耕栽培管理 溫度傳感器 灌溉電磁閥
自動化控制 Ph傳感器 酸堿調節機投放
表2.2.6 魚菜共生項目的硬件材料清單
05
拓展延伸
計算機的輸入與輸出
計算機更新換代那么快，外觀各式各樣，在不同種類的計算機背后是否有什么共性呢
我們先要了解計算機系統的組成。計算機系統由硬件和軟件兩部分組成，硬件是指組成計算機的器件，看得見、摸得著的部分;軟件是指計算機上運行的各種程序提供多種多樣的功能，幫助人們完成各種任務。
05
拓展延伸
計算機的輸入與輸出
計算機的硬件包括什么
計算機的硬件主要由主機和外部設備組成。主機里面有一個核心部件叫中央處理器，相當于計算機的“大腦”。外部設備主要由一些外接設備組成，有輸入設備如鍵盤、鼠標、麥克風等;有輸出設備如顯示器、打印機、音箱等。
05
拓展延伸
計算機的輸入與輸出
那計算機是怎么工作的
計算機的工作過程就是“輸入一計算一輸出”，我們通過使用鍵盤或鼠標輸入信息，傳輸到計算機的“大腦”(CPU)進行計算處理，最后通過顯示器等輸出設備輸出處理結果。
05
拓展延伸
如何提高輸入設備的準確性和響應速度？
傳感器優化：
對于使用傳感器的輸入設備，如鼠標、手寫板等，可以采用更高精度的傳感器。對于觸摸屏設備，可以采用更靈敏的電容式或電阻式。
連接方式優化：
對于有線輸入設備，選擇高質量的線纜和接口可以減少信號干擾和延遲。無線輸入設備可以采用更先進的無線技術。
05
拓展延伸
如何提高輸入設備的準確性和響應速度？
驅動程序優化：
及時更新輸入設備的驅動程序可以修復已知的問題和提高性能。驅動程序可以優化設備與操作系統的通信。
驅動程序優化：
及時更新輸入設備的驅動程序可以修復已知的問題和提高性能。驅動程序可以優化設備與操作系統的通信。
05
拓展延伸
觸摸屏輸入設備在哪些方面優于傳統的鍵盤和鼠標輸入？
直觀性：用戶可以直接用手指觸摸屏幕上的圖標、按鈕和菜單進行操作，就像在實際物體上操作一樣，無需像鍵盤和鼠標那樣通過間接的方式進行指令輸入。
便攜性與空間利用：如平板電腦和智能手機，具有高度的便攜性在空間有限的環境中，觸摸屏可以節省桌面空間。
手勢操作與交互多樣性：觸摸屏支持豐富的手勢操作，如滑動、縮放、旋轉等。
05
拓展延伸
未來的輸出輸入設備可能會遇到哪些發展趨勢？
智能化與自動化：能夠根據用戶的輸入習慣、上下文以及大量的語言數據和行為模式學習，智能預測用戶想要輸入的內容，提高輸入效率。
多模態融合：
未來的輸入設備將不再局限于單一的輸入方式，而是多種輸入方式的融合。除傳統的視覺和聽覺輸入外，未來的輸入設備將引入更多的感官輸入方式。
05
拓展延伸
未來的輸出輸入設備可能會遇到哪些發展趨勢？
個性化與定制化：輸入輸出設備將能夠根據用戶的個人偏好和使用習慣進行定制。設備能夠自動感知用戶所處的場景
并根據場景的變化自動調整。
更高的性能與精度：高分辨率與高刷新率，輸出設備的分辨率和刷新率將不斷提高，為用戶提供更清晰、更流暢的視覺體驗。
05
拓展延伸
如何選擇合適自己的觸摸屏輸入設備？
選擇合適自己的觸摸屏輸入設備可以從以下幾個方面考慮：
移動設備：如果你需要在移動中使用觸摸屏輸入設備，如智能手機或平板電腦，那么便攜性、電池續航能力和屏幕尺寸就是重要的考慮因素。
辦公環境：在辦公環境中，可能需要更大尺寸的觸摸屏設備，如觸摸屏顯示器或一體機。這些設備可以提供更大的工作空間，提高工作效率。
06
活動日志
活動日志 班級：XX 姓名：XX
活動名稱 恰當運用控制器—探索輸入輸出功能模塊
活動環節 1口 2口 3口 4口（在對應環節畫V）
活動完成內容 創客文化、創客與開源軟件
活動完成度 口口口口口口口口口(100%)
活動小結 問題與反思：技術門檻問題。
改進的方法：提供更好的教育和培訓資源。
07
課堂總結
1
引入新知內容
恰當運用控制器—探索輸入輸出功能模塊
2
學習創客文化
3
認識創客與開源硬件
4
完成課題練習
5
進行相關知識拓展
1
2
3
4
5
08
板書設計
恰當運用控制器—探索輸入輸出功能模塊
1.進行新知引入
2.學習創客文化
3. 認識創客與開源硬件
4.完成課堂練習
5.進行知識拓展
09
課后作業
01
觀察家里的電腦，指出哪些部分是輸入設備，哪些部分是輸出設備？
09
課后作業
02
學完本節課，談談對輸入輸出設備的理解和認識是否有了進一步的加深？
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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