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第1.4课《物联网原理和数据采集--跨学科活动：简易气象站》教学设计
课题 物联网原理和数据采集--跨学科活动：简易气象站 单元 第一单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：通过搭建简易气象站，能够根据自己的需求选择适合的代码程序，强化自己编写优化程序的能力。计算思维：运用计算机和科学数学的相关知识，整合硬件软件功能，将简易气象站按步骤搭建，培养计算逻辑思维能力。数字化学习与创新：通过搭建简易气象站，掌握了设计方案、编写代码并测试调试等计算机技能，并探索在软件和硬件选择搭建时加以创新发展。信息社会责任：认识代码编写的基础，学习搭建简易气象站的方法和采集数据等方面的知识，培养将数据采集的应用实践于社会的责任感。
教学重点 能够拓宽我们关于数据代码的知识，还能增强我们编写代码的能力意识和提升跨学科思维，激发我们在信息科技领域的创新意识。
教学难点 能够提升数字化素养和跨学科学习能力，还可以培养计算逻辑思维能力、问题解决能力和社会实践能力。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第1.4课 《物联网原理和数据采集--跨学科活动：简易气象站》板书课题。本课中你将学习:如何利用传感器收集各种气象数据如何搭建一个简易气象站如何编写、优化程序，实现气象站的各项功能2.播放视频 学习新知引入观看教学视频。 初步明确本课所学知识点。将学生的注意吸引到课堂。
讲授新课 新知讲解：板书课题。一、情境导入校园的每个角落都有其独特的小气候环境，而城市的天气预报往往无法精确到这种程度。想象一下，在准备上体育课时，突然下起了小雨，而城市的天气预报却显示今天是晴天。这样的情况是不是时有发生？为了解决这个问题，请你组建一个小组，利用物联网的知识，动手搭建一个简易气象站，通过亲手制作和实践，了解气象数据的收集过程，并尝试预测简单的天气变化。二、需求分析气象站可以帮助我们采集温度、湿度、风速等基本信息，并通过实时显示这些数据，让我们更直观地了解当前的气象状况。请查找相关资料并思考你希望采集校园内的哪些气象数据，同时根据要采集的数据，选择合适的开源硬件和传感器，搭建硬件平台，并设计算法、编写程序，最终完成“简易气象站”项目。请你结合前面课时的学习，完成项目需求分析，填入表1.4.1中。表 1.4.1 项目需求分析表需求项具体描述数据采集哪些数据温度、湿度、气压、光照强度、风速和风向如何显示采集的数据搭建一个校园气象站网站，将采集到的数据上传到服务器，并在网站上实时显示数据采集频率应该设置为多少合适 10 - 15 分钟一次硬件选择哪些传感器硬件平台 - Raspberry Pi、温度传感器 - DHT11、气压传感器 - BMP180、风速风向传感器 - 三杯式风速传感器和风向标传感器组合和光照强度传感器 - BH1750FVI选择何种开源硬件树莓派（Raspberry Pi）有哪些搭建简易气象站的开源硬件平台Espruino 平台、ESP8266/ESP32 平台、Arduino 平台、树莓派（Raspberry Pi）平台软件选择哪种编程语言Python简易气象站软件可以使用哪些编程语言Arduino C/C++、JavaScript、C/C++、Python三、分工合作为了更好地完成“简易气象站”这个项目任务，你的小组需要进行分工合作，小组成员的分工角色与合作职责可以参照表1.4.2所示的范例，也可以另行设计，并添加到项目方案中。表 1.4.2 项目小组的分工合作表姓名角色职责小王组长负责项目统筹、监督与管理小李成员负责项目所涉及的软硬件环境小司成员负责实现项目各个功能模块小顾成员负责设计算法并编写代码四、规划实施“简易气象站”项目的实施过程，可划分为方案设计、硬件搭建、编写代码、测试与调试等环节。1.方案设计“简易气象站”项目方案的设计，一般包括：收集气象数据，如何显示收集到的数据；需要哪些传感器，选择何种开源硬件；设计并开发一个怎么样的简易气象站，有哪些功能。请搜索并学习更多相关知识，结合表1.4.1中的内容来设计你们的项目方案。2. 硬件搭建在选择好开源硬件及传感器后，便可开始搭建简易气象站的硬件部分了。首先，需要根据传感器的接口和开源硬件的引脚，使用连接线将传感器连接到开源硬件上。这样，传感器就可以将收集到的气象数据发送给开源硬件进行处理。接下来，如果使用显示屏来显示数据，还需要将其连接到开源硬件上。比如，使用计算机显示，需要通过 USB或串口将开源硬件与计算机连接起来。3. 编写代码在搭建好硬件后，便要考虑编写代码来读取传感器的数据。根据项目方案中选择的编程语言开始编写程序。同时，我们还可以添加一些简单的逻辑来处理数据，例如，当温度超过某个阈值时，发出警告。4.测试与调试在编写完代码后，需要将代码上传到开源硬件中，并测试气象站是否能够正常工作，还要检查传感器数据是否准确，显示屏显示是否正常。如果出现问题，则需要进行调试，修正代码或调整硬件连接。通过反复测试与调试，确保气象站的稳定性和准确性。将测试情况与解决思路填入表1.4.3中。表1.4.3 测试情况与解决思路序号发现的问题与不足解决思路1温度传感器显示数据恒定不变，湿度传感器数据波动过大超出合理范围对于温度传感器，检查其与硬件的通信协议实现代码，看是否有读取数据错误或未正确初始化的情况；对于湿度传感器，先检查硬件连接是否有干扰，若硬件正常，考虑在代码中增加数据滤波算法2显示屏只显示部分数据或者数据显示乱码检查显示屏的驱动程序代码，确认是否按照显示屏的数据手册正确设置了显示参数，同时检查与显示屏连接的数据传输线路是否有损坏或干扰3气象站运行一段时间后出现死机或数据丢失现象检查代码中是否存在内存泄漏问题，同时检查硬件的电源供应是否稳定，是否因为电源波动导致系统异常。可以增加一些错误处理和异常捕获机制在代码中，以增强系统的稳定性交流评价项目成果交流，分为成果整理与交流两个环节。成果整理，其内容涉及项目需求分析表、项目设计方案、硬件搭建、程序编写和调试优化记录等方面，并为之制作汇报交流用的ppt。项目成果评价，可基于表1.4.4的评价量规，来对自己与他人的项目成果进行客观的评价，并记录评价结果。 表1.4.3 项目成果评价量规项目成果评价标准评价方式优良一般自评他评项目需求分析表项目需求描述完整正确且具体项目需求描述完整、正确其他项目设计方案完全满足项目需求基本满足项目需求其他项目硬件搭建完全正确基本正确其他项目程序编写完全合理、正确基本合理、正确其他项目调试优化记录记录完整，解决思路合理、具体且正确记录较完整，解决思路较为合理、基本正确其他六、小结与评价本单元你学习了：物联网及其运行原理使用程序语言控制智能终端利用传感器采集外界信息应用物联网知识搭建简易气象站知识梳理：学习检测：1.开源硬件上常常会整合一些常见的电子模块，以满足我们的基本需求。下列选项中不属于开源硬件常见板载功能模块的是（ D ）。 A.传感器 B.显示屏 C.通信模块 D.鼠标2.某光线传感器的实物图片和介绍如下图所示.该传感器要连接在开源硬件上，应该选择的引脚类型是( B ）。A.数字输入引脚 B.模拟输入引脚 C. I2C引脚胡麻 D.PWM输出引脚小清同学给某开源硬件编写了如下代码，请阅读代码，并回答问题。（1）使用的开源硬件名称是uno。（2）负责信息输入的引脚为D8。（3）已知输入引脚所接的硬件为按钮，输出引脚所接的硬件为发光二极管模块，则该代码的功能是通过读取按钮的状态来控制发光二极管的亮灭，并且在终端显示按钮的电平状态，每 0.1 秒检测一次按钮状态反思与评价：在本单元的学习过程中，肯定少不了与他人进行互动交流、参与作品制作等活动。现在请就此进行总结与反思，以便更好地促进自身成长。从同伴那里学到过什么 答：从同伴那里我学到了学习到了如何更高效地使用异常处理机制，避免因硬件连接问题或其他突发情况导致程序崩溃。向同伴分享过哪些观点 答：在选择传感器时，我向同伴分享了不同类型传感器在价格和性能方面的权衡；在编写控制程序时，我向大家介绍了模块化编程的重要性；考虑到气象站是放置在校园内，我提出了在设计气象站外观时应与校园环境相融合的观点。所运用的工具、方法是否得当 答：在开发过程中使用的开源硬件平台Arduino 和 Raspberry Pi是非常合适的选择，使用的传感器类型也基本满足了简易气象站的需求，在程序编写过程中，采用的模块化编程方法是得当的，但在调试过程中，发现对于一些复杂的传感器，现有的调试工具和方法不够便捷。可以考虑寻找更专业的调试仪器或软件，提高调试效率。同时，在数据传输稳定性测试方面，可以使用更全面的网络分析工具，进一步优化物联网通信部分的性能。所开发作品是否值得推广应用 答：所开发的简易气象站作品在功能、技术和成本等方面都有一定的优势，值得在校园环境或其他对简易气象观测有需求的场景中进行推广。同时，也可以根据不同的需求和环境条件，对作品进行进一步的优化和改进。知识拓展在搭建“简易气象站”时需要注意哪些事项？一、选址方面1.开阔性：气象站应安装在较为开阔的区域，避免周围有高大建筑物、树木或其他障碍物。2.代表性：要确保所选位置能够代表周围较大范围的气象状况。3.安全性：考虑安装位置的安全性，避免在容易发生洪水、泥石流等自然灾害的地方设置气象站。而且气象站设备要远离交通要道，防止被车辆碰撞损坏。同时，也要避免安装在可能会受到人为破坏的地方。二、设备安装方面1.安装高度：对于温度传感器和湿度传感器，一般安装在离地面 1.5 - 2 米的高度。风速仪和风向标应安装在足够高的位置，一般要高于周围障碍物至少 10 米，以确保能够准确测量自由大气中的风向和风速。2.设备固定：所有设备都要牢固地固定在安装支架上。传感器的连接线要整理好，避免被风吹动缠绕在设备上，或者因长期暴露在外而被损坏。可以使用线管或扎带将连接线固定在支架上。3.设备校准：在安装设备之前，要按照设备说明书进行校准。三、数据采集与传输方面1.电源供应：要确保设备有稳定的电源供应。如果使用电池供电，要选择合适容量的电池，并定期检查电池电量。2.数据采集频率：根据需求合理设置数据采集频率。3.数据传输稳定性：如果气象站的数据需要远程传输，如传输到服务器或者手机应用上，要确保数据传输的稳定性。可以采用可靠的通信方式，如通过 Wi - Fi、4G/5G 网络或者 Zigbee 等无线通信协议。要注意通信设备的信号强度和覆盖范围，避免信号中断导致数据丢失。七、课堂练习如何检查气象站设备的数据采集是否正常？一、查看设备指示灯状态
1.数据采集器指示灯：在传感器正常工作并且采集器按计划采集数据时，该指示灯会周期性地闪烁。如果该指示灯不闪烁，可能是采集器与传感器之间的连接出现问题，或者采集器本身的采集功能出现故障。2.传感器指示灯：如果该指示灯熄灭，可能表示传感器出现故障或者电源供应中断。对于带有无线通信功能的传感器，还会有通信指示灯，其闪烁情况可以帮助判断传感器与采集器之间的通信是否正常。二、对比数据变化情况
1.实时数据对比：将气象站采集的实时数据与附近官方气象站的数据进行对比。在对比时需要考虑气象站所处位置的特殊性，也需要检查湿度传感器的工作情况。2.历史数据对比：正常的数据序列应该是连续的，没有长时间的中断或者缺失。如果发现数据有缺失部分，需要检查数据采集器的存储功能是否正常，以及数据传输过程中是否出现问题。三、检查数据存储情况
1.存储容量检查：可以通过采集器的显示屏或者连接到计算机上的管理软件来查看存储容量。一般来说，当存储容量使用率达到 80% 以上时，就需要考虑清理历史数据或者扩展存储设备。2.数据完整性检查：从数据采集器中导出部分数据样本，检查数据的完整性。数据应该包含正确的时间戳、传感器标识和测量值等信息。八、拓展延伸1.气象站的作用2.怎样运用逻辑对采集到的气象数据进行分析？3.搭建“简易气象站”在编写代码可以运用哪些逻辑来处理数据？ 课堂知识的情境导入。进行本课题探索研究的需求分析。进行分工合作并完成表格填写。进行规划实施。进行交流与评价。进行单元小结与评价。完成学习检测。进行反思与评价。学习课堂知识的拓展延伸。完成课堂练习。学习课外知识拓展。 引导学生初步学习主题内容，为本课研究打下基础。培养学生的思考能力和分析能力。考查学生的团队合作能力和项目分配技能。引导学生逐步完成实践目标，培养创新思维、实践能力、组织协调及问题解决等能力。通过引导学生主动思考、实践操作和合作交流，使他们深入理解知识，培养其自主学习和问题解决能力。巩固知识，提升技能，促进理解，培养自主学习能力。通过系统的学习检测，及时查漏补缺，促进知识的巩固与深化。促使学生反思学习过程，自我评价知识掌握程度，识别学习盲点与误区，激发自主学习动力。激发学生的探索兴趣，培养其自主学习能力、批判性思维和创新能力，拓宽学生的知识视野，考查学生的学以致用能力，知识转化和落地能力，在课堂练习考察中进行查漏补缺。拓宽学生知识面。
课堂小结 物联网原理和数据采集--跨学科活动：简易气象站1、引入新知内容2、利用传感器收集数据3、搭建“简易气象站”4、进行课堂练习5、进行相关知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 请撰写一份简短的搭建过程总结，描述在自己小组搭建过程中的问题和收获。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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