资源简介

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第1.5课《反馈控制有算法》教学设计
课题 反馈控制有算法 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：理解物联网技术在农业中的应用，以简易蔬菜灌溉系统为例，体验智能化管理的便利和高效性，培养科技种植的意识。计算思维：通过分析灌溉系统的工作流程，掌握用编程解决实际问题的方法，提高逻辑思维和动手实践能力。数字化学习与创新：使用传感器和程序学习创新应用，探索如何利用技术优化资源利用，创造智能化农业解决方案。信息社会责任：认识科技对农业的深远影响，理解智能灌溉系统在节约水资源和环境保护中的责任，培养可持续发展的意识。
教学重点 理解通过土壤湿度传感器检测与程序控制实现自动灌溉的物联网系统原理。
教学难点 精准设定湿度阈值并协调传感器、程序与水泵的实时响应，排查误灌溉问题。
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1.5课 反馈控制有算法壮壮已经实现了简易蔬菜灌溉物联系统的基本功能，但他还想进一步完善系统设计，最终实现自动灌溉功能。让我们一起来帮助他吧！想一想： 为什么智能灌溉相较人工调节更高效可靠？因为它能根据实时环境条件进行自动调整，确保每个作物得到适量的水分，减少人为误差。思考：如何确保灌溉系统正确执行操作？灌溉系统通过高精度传感器实时监测土壤湿度和其他环境条件，数据会不断传输到控制程序中。程序对比实际数据与预设标准，自动调节水泵的开关状态。自动灌溉系统利用高精度传感器实时监测土壤湿度，并将数据反馈给控制中心，根据植物的具体需求自动调节浇水量。这样可以确保植物始终获得所需的水分，同时避免过度灌溉，保护植物的健康生长，进一步提高水资源利效率。物联网技术在农业中实现了智能化精准管理，通过实时数据优化资源配置，提高生产效益。播放视频《喝完的饮料瓶子做成自动灌溉神器》 课程新知导入完成思考题。观看教学视频。 帮助学生理解为什么智能灌溉更可靠通过问题导入引发学生思考。通过视频吸引学生的注意力。
讲授新课 新知讲解：一、思考在生活中，扫地机器人是通过内置的传感器检测地面的污垢和障碍物，再利用预设的清扫路径和算法来识别需要清扫的区域。思考一下，简易蔬菜灌溉物联系统是如何判断土壤需要补充水分的？它是如何控制浇水量的？以哪种形式去反馈和控制才最合适呢？这个系统用一个小探测器（插土里）检查干湿。如果土太干了，探测器就告诉主机“该浇水啦！”。主机接着开阀门放水，干得厉害就多浇一会儿，不太干就少浇点。最聪明的办法是让它“自己管自己”——探测器一直盯着湿度，够了就关水，不够又开，和手机自动调亮度一样方便！二、马上行动基于简易蔬菜灌溉物联系统自动灌溉功能的需求，请用线段将左右两侧进行匹配。三、思考简易蔬菜灌溉物联系统应该在哪种情况下执行灌溉呢？请结合以下选项说一说你的想法。A.根据土壤湿度自动开启灌溉B.定时开启灌溉，不管土壤是否干燥C.使用滴灌系统代替喷灌系统D.根据天气预报调整灌溉计划我觉得选A最合适！因为系统用土壤湿度探测器（像插在土里的小手指）判断是否缺水，干了才自动浇水，不浪费水。B选项不管土干不干都浇，可能浇太多或不够；C说的是怎么浇（比如慢慢滴水），不是什么时候浇；D靠天气预报，万一不准呢？还是直接测土壤更靠谱，就像手机自动调亮度比手动调更聪明！四、小贴士豆角生长情况与生长条件对照表见表 1-5-1。五、探究结合上面的思考，和小组成员讨论简易蔬菜灌溉物联系统的灌溉策略，并将表1-5-2和图1-5-1补充完整。六、讨论目前系统已完成“决策”灌溉的算法设计，接下来就该设计“执行”灌溉部分。这部分在硬件和程序上分别需要哪些支持？小组内展开讨论，尝试将相关核心代码写下来。硬件支持：执行设备：需要水泵或电磁阀。驱动模块：用继电器或晶体管电路，把微控制器的弱电信号转换成能控制水泵的强电。电源：水泵可能需要独立电源。保护电路：加二极管或保险丝，防止水泵启动时电流过大烧坏元件。程序支持：控制信号：用代码控制微控制器引脚输出高/低电平，触发继电器开关水泵。时间控制：设定灌溉时长。反馈检测：加水位传感器或电流检测，确认水泵是否真的启动了。代码思路：# 初始化水泵控制引脚 设置 水泵引脚 = 输出模式 # 接收决策指令 如果 决策层发送 "需要灌溉": 打开水泵引脚（高电平） 等待10秒 关闭水泵引脚（低电平） # 检查反馈（比如水位是否上升） 如果 水位传感器数值未变化: 报错："水泵可能故障！" 否则: 保持水泵关闭七、思考在该系统中，如果传感器检测到土壤湿度已经足够高，但水泵仍然开启，可能是什么原因导致的？如何解决这个问题？如果土壤湿度够了但水泵还在浇水，可能是：①传感器被土糊住了（擦干净试试）；②程序写反了（比如该关水泵却开了，检查代码条件）；③控制水泵的开关电路卡住了（拔电重启或换掉）；④信号延迟（比如Wi-Fi太慢，让传感器传数据更快点）。就像手机充完电还不停，得检查哪里“死机”啦！八、小贴士在搭建和维护简易物联系统时，通常需要注意以下几个方面：1.检查传感器是否正常工作。2.审查控制代码，确保逻辑正确，并且能够正确响应传感器的输入。3.及时更新操作软件，修复已知的系统错误。4.检查电路，确保没有短路或断路。5.测试执行器是否按预期工作，必要时更换损坏的部件。6.建立定期维护计划，检查所有组件的工作状态，确保系统长期稳定运行九、马上行动1.结合前期物联系统各模块的学习内容可知，在简易蔬菜灌溉物联系统中，传感器采集的数据被送到_控制器_进行处理，然后根据__预设算法__的指令，__执行器__执行相应的动作。请你将该系统的主要工作流程图补充完整：2.在物联系统模块整合完毕后，还需要进行完整系统调试。查阅相关资料，了解调试的内容应包括哪些方面。调试物联网系统时，需检查硬件（传感器、执行器是否正常）、软件（程序能否正确接收数据并发送指令）、设备间通信是否稳定，以及整体功能（如干燥时自动灌溉）是否达标。还要测试异常情况（断网、断电）下的反应，并确保长时间运行不卡顿。就像试玩新玩具车，先检查零件再试跑，发现问题及时修！十、做中学请以小组为单位，完成简易蔬菜灌溉物联系统的模块整合和功能集成。1.硬件清单：主控板x1、温湿度传感器x1、土壤湿度传感器x1、水泵x1、4Pin线x2、Type-C数据线x1、带有热点功能的计算机x1。2.连接设备。用4Pin线将主控板和温湿度传感器、土壤湿度传感器连接起来，接入水泵最后通过Type-C数据线接入计算机，效果如1-5-2所示。3.编写程序，进行系统调试。示例代码见图 1-5-3。十一、讨论随着科技的不断进步和农业现代化的快速发展，物联网技术在农业领域的应用越来越广泛。你认为简易蔬菜灌溉物联系统在未来农业中会扮演什么样的角色？未来的简易灌溉系统会像“农田小管家”一样！它能自动盯着土壤湿度，该浇水时立刻行动，不用人天天盯着。还能省水省电，就算天气突然变干也不怕，蔬菜能长得更好。说不定以后还能连手机，农民叔叔在家刷视频时，系统就默默把活儿干完啦！科技种田，超酷的！十二、任务拓展物联系统能实现的功能是多种多样的。例如，增设摄像头或者特殊的传感器来监测植物的健康状况，如果发现有病虫害的迹象，系统可以自动发送警报到绑定的手机上。除了自动灌溉功能，简易蔬菜灌溉物联系统还可以扩展出哪些新功能？可能会涉及哪些新的硬件？发挥你的想象，完成表1-5-3。十三、小节十四、拓展以小组为单位，围绕提升灌溉效率、智能化管理、资源节约与环境保护等方面改进模块功能，进一步升级简易蔬菜灌溉物联系统，并写出你的具体优化方案。例如，智能水肥一体化系统实现灌溉与施肥的同步进行，提高水肥利用效率，减少资源浪费。优化方案名称： “省心种菜小助手”自动浇水+施肥，硬件：加一个“混合桶”（装水和肥料）和小型抽水机。效果：土壤干了自动浇水和施肥，不用人动手！晴天不浇水，硬件：加个“太阳传感器”（光照传感器）。效果：大太阳时暂停浇水，避免水被晒干浪费。手机远程控制，硬件：加个Wi-Fi模块（类似手机联网的小零件）。效果：用手机随时看菜地湿度，还能远程开关水泵！雨水回收利用，硬件：菜地旁放个“雨水桶”+小水管。效果：下雨时存水，浇菜用雨水更省自来水！总结：升级后系统会更聪明：自动看天气浇水、手机遥控、用雨水种菜，省钱又环保！拓展延伸：智能家居与农业的结合阳台上的“智能小菜园”：通过智能花盆和手机App，在家里的阳台就能种出生菜、番茄。厨余垃圾变“肥料工厂”：智能堆肥桶能自动分解厨余垃圾，生成有机肥料，并通过管道输送到家庭菜园，实现循环利用。空调也能当“菜园保姆”：夏天开空调时，系统会联动调节室内菜园的湿度；冬天取暖时，还能利用余热为植物保温。植物的“AI家庭医生”：用摄像头扫描植物叶片，AI会自动识别黄叶、虫害，并通过手机推送“治病药方”。自动浇水的“隐形园丁”：在花盆底部藏一套微型滴灌系统，连接家庭水管。湿度不足时自动滴水，全程无需人工操作。未来厨房的“鲜活菜篮子”：冰箱旁的智能菜架能自动调节温度、光照，种满香菜、薄荷。做饭时随手摘取，新鲜直达锅铲。 思考灌溉系统如何判断土壤水分。思考蔬菜灌溉物联系统自动灌溉功能的需求。讨论灌溉策略。小组讨论完成“决策”灌溉的核心逻辑伪代码实现。思考回答思考题。完成练习题。请以小组为单位，完成简易蔬菜灌溉物联系统的模块整合和功能集成。讨论问题。完成表格填写。分组完成任务。了解智能家居与农业的结合。 引导学生讨论问题，引入课程内容。培养学生思考问题的能力。培养学生解决问题的能力。培养学生的计算机思维。考察学生对课程知识的掌握程度。培养学生根据问题查找资料的能力。培养学生的动手能力。提高学生的思考辨别能力。完成任务，加强学生对知识点的掌握。提高学生的协同动手能力。拓展学生的知识点。
课堂小结 数据呈现可视化1.掌握自动灌溉系统算法设计与决策2.完成简单自动灌溉的制作3.学习自动灌溉模块整合和功能集成4.完成课堂练习5.进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 根据本课内容，设计一个简单的自动灌溉系统。学完本节课，自动灌溉系统的基本模块划分。完成PPT42-43页的练习题。 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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