《Arduino技术及应用》教学大纲.docx

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《Arduino技术及应用》教学大纲

《Arduino技术及应用》

教学大纲

课程中文名称：

Arduino技术及应用

课程英文名称：

TheTechnologyandApplicationofArduino

课程编号：

********

学分：

3.0总学时：

48实验学时：

8上机学时：

开课学期：

4

适用专业：

物联网工程、软件工程、电气工程、计算机应用、电子信息等专业

先修课程：

电路与电子技术、模拟与数字电子技术、程序设计技术、面向对象程序设计基础

后续课程：

传感器与射频识别技术、嵌入式操作系统、物联网技术与应用、企业定制课程

开课单位:

一、课程性质和教学目标（需明确各教学环节对人才培养目标的贡献，即专业人才培养目标中的知识、能力和素质）

1．本课程所支撑的毕业要求

毕业要求指标1.6掌握Arduino相关的专业基础理论知识，并能用于解决物联网中感知层相关的复杂工程问题。

毕业要求指标3.2掌握物联网工程感知层涉及的相关知识、技能、方法和行业规范、标准，了解社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素对Arduino开发的影响。

毕业要求指标3.6能对物联网工程特定需求进行感知层模块的设计与实现，并能在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

毕业要求指标4.2能够运用Arduino开源控制器进行物联网系统开发，对物联网体系架构、硬件（设备）接口技术等工作原理及复杂工程进行研究和实验验证。

2．课程性质与要求：

Arduino技术及应用是**专业的专业必修课程。

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。

包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（ArduinoIDE）。

Arduino简单的开发方式使得开发者更关注于创意与实现，更快地完成自己的项目开发，大大节约学习的成本，缩短开发的周期。

如今它已成为了学习微控制器的首选，并且在全球智能化以及物联网快速发展的大背景下，将迎来学习它的新热潮。

通过本课程学习，学生可以了解Arduino技术基本概念和基本知识，掌握Arduino软硬件设计的基本方法。

本课程的特点是针对迄今为止使用最广泛的ArduinoUNO开发板与ArduinoIDE开发环境进行详细剖析，并结合具体Arduino开发实验，使学生能够熟练掌握Arduino的设计与开发方法。

本课程采用讲课和实验相结合的方式，注重培养学生的实际应用能力与创新能力，以达到“学习Arduino，使用Arduino”的教学目的。

3．教学目标：

掌握Arduino相关的专业基础理论知识，并能用于解决物联网中感知层相关的复杂工程问题。

掌握物联网工程感知层涉及的相关知识、技能、方法和行业规范、标准，了解社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素对Arduino开发的影响。

能对物联网工程特定需求进行感知层模块的设计与实现，并能在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

能够运用Arduino开源控制器进行物联网系统开发，对物联网体系架构、硬件（设备）接口技术等工作原理及复杂工程进行研究和实验验证。

（对应毕业要求：

1.6、3.2、3.6、4.2）

教学目标分解如下：

1.掌握Arduino相关的专业基础理论知识，并能用于解决物联网中感知层相关的复杂工程问题。

重点掌握Arduino软硬件基础、语言基础、函数基础。

（对应毕业要求：

1.6）

2.掌握物联网工程感知层涉及的相关知识、技能、方法和行业规范、标准，了解社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素对Arduino开发的影响。

重点掌握Arduino类库使用及编写、I/O接口及软硬件串口通信协议应用。

（对应毕业要求：

3.2）

4．能对物联网工程特定需求进行感知层模块的设计与实现，并能在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

重点掌握Arduino高级通信接口类库的具体应用、数据存储以及读写操作。

（对应毕业要求：

3.6）

4.能够运用Arduino开源控制器进行物联网系统开发，对物联网体系架构、硬件（设备）接口技术等工作原理及复杂工程进行研究和实验验证。

重点掌握Arduino应用及综合应用案例。

（对应毕业要求：

4.2）

表1课程教学目标与相关毕业要求指标点的对应关系

毕业要求指标1.6

毕业要求指标3.2

毕业要求指标3.6

毕业要求指标4.2

教学目标1

√

教学目标2

√

教学目标3

√

教学目标4

√

二、课程教学内容及学时分配（含实践、自学、作业、讨论等的内容及要求）

1.Arduino硬件（2学时）

教学内容：

电路基础、认识不同型号的Arduino控制器、众多的Arduino外围模块、从ArduinoUNO开始。

（对应教学目标1）

要求：

了解基本的电路基础，认知各种不同型号的Arduino控制器，熟悉众多的Arduino外围模块，详细了解ArduinoUNO的组成、特点、供电方式、输入输出、下载程序、通信接口等内容。

重点掌握：

ArduinoUNO的组成、特点、供电方式、输入输出、下载程序、通信接口等内容；难点分析：

Arduino外围模块。

作业：

习题1

2.Arduino软件（2学时）

教学内容：

搭建开发环境、用户界面、常用的Arduino第三方软件介绍、第一次上手arduino。

（对应教学目标1）

要求：

掌握Arduino软件的安装过程；常用Arduino第三方软件简单使用；通过Arduino软件编写程序。

重点掌握：

Arduino软件的安装、程序编写；难点分析：

程序编写。

作业：

习题2

3.Arduino语言及程序结构（2学时）

教学内容：

Arduino语言、Arduino程序结构。

（对应教学目标1）

要求：

掌握Arduino语言的描绘程序码的符号、注释、常量、字元、位元组、整数、长整数、浮点数、字串等相关内容；架构Arduino程序结构的两个主要函数setup（）和（）。

重点掌握：

Arduino语言的描绘程序码的符号、注释、常量、字元、位元组、整数、长整数、浮点数、字串等相关内容；难点分析：

架构Arduino程序结构的两个主要函数setup（）和（）。

作业：

习题3

4.C/C++语言基础（2学时）

教学内容：

数据结构、运算符、表达式、数组、字符串、注释、流程图、程序结构。

（对应教学目标1）

要求：

掌握C/C++语言基础，包括数据类型、运算符、表达式、数组、字符串、注释、流程图、程序结构等内容。

重点掌握：

C/C++语言基础；难点分析：

C/C++语言基础。

作业：

习题4

5.Arduino的基本函数（2学时）

教学内容：

数字I/O函数、模拟I/O函数、高级I/O函数、时间函数、数学库函数、随机数函数、位操作函数、中断函数、串口通信函数、SPI接口函数。

（对应教学目标1）

要求：

掌握Arduino的基本函数，包括数字I/O、模拟I/O、高级I/O、时间、数学库、随机数、位操作、中断、串口通信、SPI接口函数等内容。

作业：

习题5

6.编写并使用函数（2学时）

教学内容：

函数的编写、函数的使用。

（对应教学目标1）

要求：

掌握怎样编写和使用函数。

作业：

习题6

7.使用arduino类库（2学时）

教学内容：

安装Eclipse和Arduino插件、从一个sketch开始、从pop面向过程到oop面向对象、在ADE中使用类库、在Eclipse中使用类库。

（对应教学目标2）

要求：

掌握如何使用Arduino类库，主要从安装Eclipse和Arduino插件、从一个sketch开始、从pop面向过程到oop面向对象、在ADE中使用类库、在Eclipse中使用类库几方面学习。

作业：

习题7

8.编写Arduino类库（2学时）

教学内容：

编写头文件、预处理命令、宏定义、文件包含、条件编译、版本兼容、编写.cpp文件、关键字高亮显示、建立示例程序。

（对应教学目标2）

要求：

了解arduino类库的编写，包括编写头文件、预处理命令、宏定义、文件包含、条件编译、版本兼容、编写.cpp文件、关键字高亮显示、建立示例程序。

作业：

习题8

9.类库优化与发布（2学时）

教学内容：

类库的优化、类库的发布。

（对应教学目标2）

要求：

了解类库的优化和发布。

作业：

习题9

10.I/O口高级应用（2学时）

教学内容：

调声函数、脉冲宽度测量函数及超声波测距、设置ADC参考电压、外部中断。

（对应教学目标2）

要求：

了解I/O口高级应用，主要包含：

调声函数、脉冲宽度测量函数及超声波测距、设置ADC参考电压、外部中断几部分高级应用。

作业：

习题10

11.LiquidCrystal类库的使用（1学时）

教学内容：

1602LCD与Arduino连接、1602LCD相关参数、LiquidCrystal类库成员函数。

（对应教学目标2）

要求：

了解1602LCD的应用和LiquidCrystal类库的使用。

主要包含：

1602LCD与Arduino连接、1602LCD相关参数、LiquidCrystal类库成员函数。

作业：

习题11

12.u8glib类库的使用（1学时）

教学内容：

MINI12864显示屏、连接到Arduino并建立u8g对象、u8glib程序结构、纯文本显示、数据显示。

（对应教学目标2）

要求：

掌握图形显示器的使用和LiquidCrystal类库的使用。

作业：

习题12

13.硬件串口通信（2学时）

教学内容：

HardwareSerial类库成员函数、print（）和write（）输出方式的差异、read（）和peek（）输入方式的差异、串口事件。

（对应教学目标2）

要求：

了解硬件串口通信和HardwareSerial类库的使用。

作业：

习题13

14.软件模拟串口通信（2学时）

教学内容：

SoftwareSerial类库成员函数、建立一个软串口通信、Arduino间的串口通信、纯文本显示、数据显示。

（对应教学目标2）

要求：

掌握软串口通信和SoftwareSerial类库的使用。

作业：

习题14

15.IIC总线的使用（2学时）

教学内容：

Wire类库成员函数、IIC连接方法、主机写数据，从机接收数据、从机发送数据，主机读取数据。

（对应教学目标3）

要求：

了解IIC总线和Wire类库的使用。

作业：

习题15

16.SPI总线的使用（2学时）

教学内容：

SPI类库成员函数、SPI引脚、SPI总线上的从设备选择、SPI总线上的数据发送与接收。

（对应教学目标3）

要求：

了解SPI总线和SPI类库的使用。

作业：

习题16

17.红外遥控（1学时）

教学内容：

IRremote类库成员函数、红外接收、红外发射。

（对应教学目标3）

要求：

了解红外遥控的应用和IRremote类库的使用。

作业：

习题17

18.USB类库的使用（1学时）

教学内容：

USB设备模拟相关函数、模拟键盘输入信息、PPT播放遥控器。

（对应教学目标3）

要求：

了解USB鼠标类成员函数，USB键盘类成员函数。

作业：

习题18

19.Ethernet类库的使用（2学时）

教学内容：

Ethernet相关硬件介绍、Ethernet类库、Ethernet的初始化、Ethernet与Web应用。

（对应教学目标3）

要求：

了解Ethernet类库的使用。

作业：

习题19

20.EEPROM类库的使用（2学时）

教学内容：

EEPROM类库成员函数、写入操作、读取操作、清除操作、存储各类型数据到EEPROM。

（对应教学目标3）

要求：

了解EEPROM应用和EEPROM类库的使用。

作业：

习题20

21.SD卡类库的使用（2学时）

教学内容：

格式化SD卡、SD卡类库成员函数、使用SD卡读/写模块、创建文件、删除文件、写文件、读文件。

（对应教学目标3）

要求：

了解SD卡保存大量数据应用和SD卡类库的使用。

作业：

习题21

22.实战案例（2学时）

教学内容：

本章主要讲实战案例。

主要包含：

控制三色LED灯闪烁、红外控制LED灯亮灭、控制蜂鸣器报警、控制步进电机转动、制作温湿度显示器、人体热辐射红外报警设备、直滑电位器与灯光互动、按键实验、智能环境监控、数字抢答等案例内容。

通过本章学习可以更好的熟悉Arduino应用开发，使同学们对Arduino应用开发有进一步了解并且能自己做一些实验，能更好的开发应用Arduino。

（对应教学目标4）

要求：

掌握Arduino应用开发的整体流程。

作业：

习题22

表2教学内容与课程教学目标的对应关系

教学目标1

教学目标2

教学目标3

教学目标4

教学内容1

√

教学内容2

√

教学内容3

√

教学内容4

√

教学内容5

√

教学内容6

√

教学内容7

√

教学内容8

√

教学内容9

√

教学内容10

√

教学内容11

√

教学内容12

√

教学内容13

√

教学内容14

√

教学内容15

√

教学内容16

√

教学内容17

√

教学内容18

√

教学内容19

√

教学内容20

√

教学内容21

√

教学内容22

√

三、教学方法

1．课程讲授教学。

形式采用多媒体教学+板书，以教师讲授为主，课上与学生互动为辅，提高学生学习兴趣，提高课堂教学效率和质量。

2．课下互动教学。

利用物联网技术QQ群（322304112），实现资源共享，加大课下学习互动教学力度。

3．案例教学。

选取步进电机控制案例，通过案例展示和技术分析，引导学生进入角色， 通过分析培养学生解决问题的实际能力。

4．自主学习。

结合课堂内容，给出查阅文献的要求，提高学生查阅资料，自主学习的能力，跟踪Arduino前沿技术的发展。

5．实验教学。

选取4个有代表性的实验素材，结合物联网机房的物联网应用开发箱，组织学生完成实验内容。

在实验课上，按照实验内容，最后提交实验报告书。

本课程安排四次实验：

（1）控制三色LED灯闪烁（2学时）：

掌握IDE的配置、程序代码的编写，以及编译和调试的过程。

学习如何运用IDE编写并在线调试程序LED灯闪烁实验。

（2）温湿度传感器控制（2学时）：

学会使用串口监视窗口，查看模块的数据输出内容;学会温湿度传感器的基本原理。

（3）蜂鸣器报警控制（2学时）：

学会使用蜂鸣器报警模块。

能过搭建IDE开发环境，建设蜂鸣器报警的工程项目。

（4）步进电机控制实验（2学时）：

了解步进电机的控制方法和原理；学习在传感器中接收和处理数据的方法；要求按照实验步骤实现应用程序，通过串口助手或物联网开发平台实现对电机状态的控制，控制电机正传、反转和停止。

表3教学方法与课程教学内容的对应关系

教学方法1

教学方法2

教学方法3

教学方法4

教学方法5

教学内容1

√

教学内容2

√

教学内容3

√

√

√

教学内容4

√

√

√

教学内容5

√

√

√

教学内容6

√

√

√

教学内容7

√

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教学内容8

√

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教学内容9

√

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教学内容10

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教学内容11

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教学内容12

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教学内容13

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教学内容14

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教学内容15

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√

教学内容16

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教学内容17

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教学内容18

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教学内容19

√

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√

教学内容20

√

√

√

教学内容21

√

√

√

教学内容22

√

√

√

√

√

四、教材及参考书

1.使用教材

2.参考书目

五、考核及成绩评定方式（请根据培养计划中课程的学时分配，按课堂教学、实验、上机等分别列出评定方式及所占权重）

平均方法

教学目标

权重

评估毕业要求

作业（2分）

目标1-4

0.02

1.6、3.2、3.6、4.2

实验（10分）

目标1-4

0.1

1.6、3.2、3.6、4.2

考勤（8分）

目标1-4

0.08

1.6、3.2、3.6、4.2

结课考试成绩（80分）

目标1：

掌握Arduino相关的专业基础理论知识，并能用于解决物联网中感知层相关的复杂工程问题。

重点掌握Arduino软硬件基础、语言基础、函数基础。

0.3

1.6

目标2：

掌握物联网工程感知层涉及的相关知识、技能、方法和行业规范、标准，了解社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素对Arduino开发的影响。

重点掌握Arduino类库使用及编写、I/O接口及软硬件串口通信协议应用。

0.3

3.2

目标3：

能对物联网工程特定需求进行感知层模块的设计与实现，并能在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

重点掌握Arduino高级通信接口类库的具体应用、数据存储以及读写操作。

0.1

3.6

目标4：

能够运用Arduino开源控制器进行物联网系统开发，对物联网体系架构、硬件（设备）接口技术等工作原理及复杂工程进行研究和实验验证。

重点掌握Arduino应用及综合应用案例。

0.1

4.2

合计（100分）

1

1.考核方式：

闭卷考试。

2.成绩记入：

20%平时成绩，80%结课考试成绩。