普通高中教科书·信息技术选择性必修6 开源硬件项目设计.pdf

普 通 高 中 教 科 书选择性必修信息技术普通高中教科书信息技术6开源硬件项目设计Kaiyuan Yingjian Xiangmu Sheji选择性必修 6开源硬件项目设计广东教育出版社广东教育出版社批准文号：粤发改价格2017434号 举报电话:12315定价：10.86元ook2020信息技术选择性必修1-6封面.indd 62020/12/3 下午3:55信息技术广东教育出版社普 通 高 中 教 科 书徐福荫 主编广州开源硬件项目设计Kaiyuan Yingjian Xiangmu Sheji6选择性必修 ook2020信息技术-8扉页.indd 82020/5/28 下午2:5222前言 图书在版编目(CIP)数据信息技术选择性必修6：开源硬件项目设计/徐福荫主编广州：广东教育出版社，2019.12（2021.1重印）普通高中教科书ISBN 978-7-5548-3033-8.信.徐.计算机课高中教材.G634.671中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第202802号 编写单位 广东教育出版社 主 编 徐福荫 副 主 编 朱光明 黄国洪 本册主编 龙丽嫦 胡永跃 核心编写人员（以姓氏笔画为序）张 封 高伟光 梁志成 董 宇 谭 琦 责任编辑 李杰静 责任技编 杨启承 陈 瑾 装帧设计 何 维信息技术 选择性必修6 开源硬件项目设计XINXI JISHU XUANZEXING BIXIU 6 KAIYUAN YINGJIAN XIANGMU SHEJI广 东 教 育 出 版 社 出 版（广州市环市东路472号12-15楼）邮政编码：510075网址：http:/广东新华发行集团股份有限公司发行广东新华印刷有限公司南海分公司印刷（佛山市南海区盐步河东中心路）890毫米1240毫米16开本9.25印张185 000字2019年12月第1版2021年1月第3次印刷ISBN 978-7-5548-3033-8定价：10.86元批准文号：粤发改价格2017434号 举报电话：12315著作权所有请勿擅用本书制作各类出版物违者必究如有印装质量或内容质量问题，请与我社联系。质量监督电话：020-87613102 邮箱：gjs-购书咨询电话：020-8777243821X1359.indd 22021/3/11 11:42:011 1 1前 言信息技术作为当今先进生产力的代表，已经成为我国经济发展的重要支柱和网络强国的战略支撑。信息技术涵盖了获取、表示、传输、存储和加工信息在内的各种技术。自电子计算机问世以来，信息技术沿着以计算机为核心、到以互联网为核心、再到以数据为核心的发展脉络，深刻影响着社会的经济结构和生产方式，加快了全球范围内的知识更新和技术创新，推动了社会信息化、智能化的建设与发展，催生出现实空间与虚拟空间并存的信息社会，并逐步构建出智慧社会。基于开源硬件的项目设计与开发有利于激发同学们创新的兴趣，培养同学们动手实践的能力，同时也是在信息技术课程中实现STEAM（科学、技术、工程、人文艺术与数学）教育的理想方法。本教科书是针对同学们个性化发展需要，按照开源硬件项目设计流程而设置的选择性必修模块。通过本教科书的学习，同学们能搜索并利用开源硬件及相关资料，体验作品的创意、设计、制作、测试、运行的完整过程，初步形成以信息技术学科方法观察事物和问题求解的能力，提升计算思维与创新能力。本教科书由“开源硬件的特征”“开源硬件项目流程”“基于开源硬件的作品设计与制作”三部分内容构成，围绕信息技术学科核心素养设计了“体验Arduino开发平台”“基于开源硬件的感应灯开发规划”“基于开源硬件的感应灯制作”“基于开源硬件的教室空气质量监测仪开发”“教室空气质量监测仪的开源许可证与知识分享”项目范例。教师围绕“情境主题规划探究实施成果评价”的项目范例开展教学活动，帮助同学们掌握本教科书的基础知识、方法与技能，增强信息意识，发展计算思维，提高数字化学习与创新能力，树立正确的信息社会价值观和责任感，从而促进同学们的信息素养提升。本教科书要求同学们对现实世界中的真实性问题进行自主、协作、探究学习。同学们围绕“项目选题项目规划方案交流探究活动项目实施成果交流活动评价”的项目学习主线开展学习活动，体验“做中学、21X1359.indd 12021/3/11 11:42:0222前言学中创、创中乐”的项目学习理念和“从实践入手、先学先教、先练后讲”的项目学习策略，将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，从而促进信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任的信息技术学科核心素养达成。本教科书设置了“项目范例”“项目选题”“项目规划”“方案交流”“探究活动”“项目实施”“成果交流”“活动评价”等学习栏目，指导同学们开展项目学习活动。其中，“项目范例”是教师通过“情境”“主题”“规划”“探究”“实施”“成果”“评价”等活动，引导同学们了解开展项目学习活动的全过程；“项目选题”是同学们从真实世界选择自己感兴趣的项目主题；“项目规划”是同学们根据项目选题，制订自己的项目方案；“方案交流”是同学们展示交流自己设计的项目方案，师生共同探究、完善其方案；“探究活动”是同学们通过“问题”“观察”“分析”“查阅”“阅读”“思考”“交流”“实践”“实验”“调查”“讨论”“拓展”“体验”等活动，获取知识和技能的过程；“项目实施”是同学们运用在项目学习过程中所获得的知识和技能来完成项目方案；“成果交流”是教师组织同学们展示交流项目成果，共享创造、分享快乐；“活动评价”是教师组织同学们开展项目评价活动。本教科书各章首页的导言，叙述了本章的学习目的与方式、学习目标与内容，让同学们对整章有个总体认识。每章设置了“本章扼要回顾”，通过知识结构图把每章的主要内容及它们之间的关系描述出来，这有助于同学们建立自己的知识结构体系。每章结尾的“本章学业评价”设计了基于学业要求的测试题，并通过本章的项目活动评价，让同学们综合评价自己在信息技术知识与技能、解决实际问题的过程与方法，以及相关情感态度与价值观的形成等方面，是否达到了本章的学习目标。此外，本教科书为同学们提供了配套学习资源包，里面含有拓展阅读资料、开源硬件编程软件，以及实验案例的源代码等，为同学们开展项目实验的准备和实验过程提供帮助。当然，同学们还可以自己收集素材，让自己的项目学习作品更有特色。21X1359.indd 22021/3/11 11:42:031 1目录目 录目 录CONTENTS 第一章 认识开源硬件项目 1项目范例 体验Arduino开发平台21.1 开源硬件的特征及发展历程4111 开源硬件 5112 开源硬件的特征6113 开源硬件的发展历程81.2 利用开源硬件进行创新9121 开源硬件的设计和开发创新9122 开源硬件的应用9123 开源硬件对信息技术创新的意义121.3 开源硬件系统的组成及开发环境13131 开源硬件项目13132 开源硬件系统的一般组成 14133 开源硬件项目的开发平台 15 第二章 开源硬件项目的开发流程与方案设计 33项目范例 基于开源硬件的感应灯开发规划342.1 开源硬件项目开发的基本流程36211 创意 38121X1359.indd 12021/3/11 11:42:0522目录212 设计 38213 制作 39214 测试 39215 运行 392.2 开源硬件项目开发的创意策划40221 项目选题的策划40222 项目构思的创意策划 412.3 开源硬件项目开发的方案设计47231 项目功能需求分析47232 项目功能组件设计48233 项目元器件选型50234 项目设计图样绘制52235 项目技术方案制订55 第三章 开源硬件项目的制作 59项目范例 基于开源硬件的感应灯制作603.1 项目作品的硬件搭建63311 硬件搭建的器材63312 硬件搭建的步骤67313 硬件搭建的安全防护683.2 项目作品的程序设计69321 用图形化编程工具编程69322 用文本代码编程工具编程 703.3 项目作品的功能测试与运行74331 项目作品的功能测试74332 项目作品的系统调试74333 项目作品的运行7621X1359.indd 22021/3/11 11:42:063 3目录 第四章 开源硬件项目输入输出组件及综合应用项目开发 79项目范例 基于开源硬件的教室空气质量监测仪开发804.1 开发板的I/O信号控制82411 开发板的I/O信号类型82412 开发板的数字和模拟引脚 83413 开发板信号处理的程序函数83414 开发板串口使用854.2 开源硬件项目的输入组件88421 传感器88422 环境检测类传感器常见模块90423 物理测量类传感器常见模块944.3 开源硬件项目的输出组件98431 执行器组件常见模块98432 显示组件常见模块1024.4 综合应用项目开发106441 教室空气质量监测仪项目的创意策划106442 教室空气质量监测仪项目的技术方案设计108443 教室空气质量监测仪项目的程序设计114444 教室空气质量监测仪项目的调试和运行 116 第五章 知识分享与知识产权 121项目范例 教室空气质量监测仪的开源许可证与知识分享1225.1 知识分享与开源精神124511 知识分享背景下的开源精神125512 互联网常用知识分享平台 12721X1359.indd 32021/3/11 11:42:0644目录5.2 开放源代码与知识产权129521 知识产权及其历史130522 常见的开源许可证131附录1 部分术语、缩略语中英文对照表138附录2 项目活动评价表13921X1359.indd 42021/3/11 11:42:081 1随着信息技术的蓬勃发展和国内“大众创业，万众创新”热潮的兴起，创客（Maker）、创客空间等概念得以迅速传播，引发了社会大众对创客的广泛关注。开源硬件现已成为创客们的常用工具，它不仅能被艺术家、设计师、工程师等专业人员用于艺术创作、科技创新，而且能使普通的业余爱好者自己动手将创意转化为实物作品或产品，体验或感受开源硬件的魅力。本章将通过“体验开源硬件开发平台”项目，进行自主、协作、探究学习，让同学们认识开源硬件的特征与发展，理解利用开源硬件进行信息技术创新的意义，从而将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，促进信息技术学科核心素养达成，完成项目学习目标。开源硬件的特征及发展历程 利用开源硬件进行创新 开源硬件系统的组成及开发环境第一章认识开源硬件项目21X1359.indd 12021/3/11 11:42:1022第一章 认识开源硬件项目体验Arduino开发平台项目范例情 境随着全球创客运动的兴起，国内“大众创业，万众创新”热潮风起云涌，创客创业的活力不断被激发，“互联网+创意智造”成为小微企业产品研发的创新路径，也为中国成长为创造大国提供动力引擎。开源硬件是创客运动的宠儿，其中Arduino是典型代表之一。基于Arduino开发平台，即使是非电子专业人群，也可以开发制作许多有趣的、互动的项目，为生活带来更好的创意体验，解决更多的问题。究竟什么是开源硬件和开源硬件开发平台？它们与创客是什么关系？学习利用开源硬件进行项目开发对信息技术应用创新有什么意义？主 题体验Arduino开发平台规 划根据项目范例的主题，在小组中组织讨论，利用思维导图工具，制订项目学习规划，如图1-1所示。图1-1“体验Arduino开发平台”项目规划21X1359.indd 22021/3/11 11:42:133 3 体验Arduino开发平台探 究根据项目学习规划的安排，通过网络资料搜索、文献阅读和动手探究，开展“体验Arduino开发平台”项目学习探究活动，如表1-1所示。表1-1“体验Arduino开发平台”项目学习探究活动探究活动学习内容知识技能认识Arduino开发平台开源和开源软件的含义。开源硬件的概念与特征。了解开