2.3 搭建鱼菜共生开源系统——把反馈引入控制系统.docxVIP

第三课《搭建鱼菜共生开源系统》教学设计

教学时间

教学班级

五年级

课程名称

搭建鱼菜共生开源系统

课时

1课时

教学目标

一、知识与技能

（一）理解过程与控制系统

（二）能够用流程图表示控制实现的过程

（三）能够设计程序并搭建硬件环境实现鱼菜共生开源系统

二、过程与方法

（一）通过讲授和展示的方式，让学生了解过程与控制系统。

（二）通过让学生画流程图理解控制实现的过程

（三）通过让学生设计程序并搭建硬件环境，锻炼学生的动手操作能力、计算思维能力以及解决实际问题的能力。

三、情感态度与价值观

（一）通过本节课学习，使学生认识到创客文化的科学魅力，开源软件支撑的创客文化。

重点

（一）能够用流程图表示控制实现的过程

（二）能够设计程序并搭建硬件环境实现鱼菜共生开源系统

难点

能够设计程序并搭建硬件环境实现鱼菜共生开源系统

教具

WPS软件，主控板、各类传感器与执行器

教学方法

教学展示、小组讨论、实践探究。

教学过程

教师

学生

一、导入（6分钟）

（提问）同学们，想一想，你们认为制作鱼菜共生开源系统项目需要哪些环节呢。快和组内的小伙伴们一-起讨论交流一下吧?

小组讨论

知识讲解（15—20分钟）

（一）过程与控制——系统中的反馈机制

开源硬件组成的控制系统也需要遵循“过程与控制”的系统模式，包含“输人一控制一输出”三个环节:输人设备从外界获得输入信号，经过控制设备计算处理后产生一个命令，让输出设备来进行执行。

这个过程就好比上课前，当耳朵听到“起立”时，大脑接收到这个信号并理解后，控制身体从座位上站起来。这个过程中，耳朵接收外界信息相当于输人，大脑进行理解处理相当于控制，身体执行大脑发送过来的命令相当于输出。

2.课堂活动

根据本节课所学内容，请同学们想一想你们要制作的鱼莱共生开源系统想要实现什么功能，并上网查找资料需要哪些输入模块和输出模块，把想法记录在下表中!

学生思考、小组讨论并完成相关实践活动

项目实践（10—15分钟）

（一）项目准备——用流程图表示控制实现的过程

1.绘制逻辑流程图

项目作品的每个功能有输人、输出、完整的逻辑线，而流程图能够让我们清晰地了解作品的功能和逻辑。例如，鱼菜共生开源系统项目中给农作物浇水的功能就可以用逻辑流程图来描述，如下图所示。

2.了解硬件编辑环境

硬件编程环境包括硬件环境和软件环境两大部分。在制作项目中需要的硬件环境:主控板、各类传感器与执行器、硬件连接计算机的驱动程序和端口号;在制作项目中需要的软件环境:编程语言环境、在主控板上运行的程序。

项目制作——实现控制逻辑

厘清了项目实现功能的逻辑流程图，了解了硬件编程环境后，进人项目制作的环节。

制作内容:鱼菜共生开源系统。

制作准备:硬件、软件、其他物品。

制作过程:程序设计、硬件设备系统的搭建、项目测试和结构设计。

1.程序设计

根据项目要实现的功能和绘制的逻辑流程图，将作品的程序编写出来，下图所示是鱼菜共生开源系统项目中农作物自动浇灌的程序设计。

（备注：教材中用的传感器版本较早，新版本测量范围不同，对应的请参考实际程序）

2.硬件设备系统的搭建

“输人一控制一输出”系统

“输人一控制一输出”系统是制作项目时根据实现的功能搭建出的一个完整的硬件设备系统，它包括能够输人信息的多个传感器、存储和处理信息的开源硬件主控板，以及执行控制命令的各个执行器。这个系统除了能够对主控板的外部连接设备进行控制，还能控制输人、输出设备和主控板之间的数据交换。它的功能主要是发送设备控制命令、检测外部设备状态和控制数据的输人、输出，如图所示。

硬件引脚连接

将各个输入的传感器、输出的执行器与主控板连接起来。在开源硬件项目中，主控板与传感器和执行器的连接主要通过输入、输出引脚实现。一些主控板内有已定义好的引脚，这些引脚与主芯片连接，传感器和执行器一旦通过输入、输出引脚与主控板连接，就能实现数据传输。一般的数据传输时由三条线进行控制，分别是接地的地线(G)，数据传输线(AO、AI、DO、DI)和电源线(V)。

课堂活动

请同学们完成鱼菜共生开源系统项目的程序编写，并搭建鱼菜共生开源系统项目的硬件设备系统，连接主控板与计算机，并单击软件中的刷入，将程序刷在主控板中，运行并查看程序效果。

项目制作——实现控制逻辑

1.项目测试

完成基本的制作环节后，我们还要对编写完成的程序和搭建好的硬件进行测试，不断调整，使程序能够正常运行、硬件电路能够正常工作，从而实现作品的功能。例如，鱼菜共生开源系统中，将土壤湿度传感器插到干燥的土壤中，测试水泵是否开始工作进行抽水等，如图所示。

2.结构设计

最后，还要结合外观结构才能制作出作品的原型。在开源硬件的项目中，会采用几种工艺来进行外观的制作，包括3D打印、激光切