资源简介

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第2课《校园数字气象站数据采集》教学设计
课题 校园数字气象站数据采集 单元 第二单元 学科 信息科技 年级 八年级下
核心素养目标 信息意识：理解气象数据采集原理及传感器作用，认识物联网在灾害预警、农业等领域的价值，建立利用传感器获取信息的意识。计算思维：通过校园数字气象站获取温湿度、降雨量、气压、风速、风向等气象数据，能用流程图描述数据采集与处理的逻辑关系。数字化学习与创新：了解物联网中的传感器系统，知道采集气象数据的方式，掌握反馈控制方法，能搭建简易物联系统。信息社会责任：辩证看待气象数据对农业防灾的作用，讨论传感器设备隐私保护与能耗问题，形成技术应用的伦理认知。
教学重点 正确连接ESP32主控板与传感器硬件，确保温湿度、气压等多参数数据稳定传输至终端显示。通过分级预警实践（如小雨闪屏、暴雨发短信），理解物联网设备在灾害预警中的实时响应机制。
教学难点 理解电容式雨量传感器通过电极间隙变化检测雨量的原理，掌握主控板连接多个传感器时的数据冲突处理，调试网络组态中硬件与软件的数据同步逻辑。将气象数据采集系统与地震预警、农业大棚等拓展场景结合，设计自适应学习算法优化预警阈值。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 1.聚焦通过前期设计，我们已完成校园数字气象站的示意图。若要实现温湿度、降雨量、气压、风速、风向等气象数据的自动获取（基于物联网三层架构），还需解决以下问题：传感器选型：需要配置哪些具体传感器来采集上述气象数据？感知层构建：如何设计数据采集流程，并搭建包含这些传感器的硬件层？诊断报告可以播放视频《校园气象站》。 学生研究并选择适合采集温湿度、降雨量、气压、风速和风向的具体传感器。观看视频 帮助学生了解不同传感器的功能和应用场景，培养他们的设备选型能力。了解校园气象站。
讲授新课 新知讲解：一、探索要想搭建校园数字气象站的感知层，首先要准备好软硬件平台，选取数据采集传感器，然后才能进行开发与实践。硬件：选便宜耐用的传感器（如Arduino兼容模块）+易扩展 的主控板（如ESP32可连WiFi）软件：用图形化编程工具（如Mixly）或简单Python库（如micropython），优先选开源免费方案二、写一写电容式雨量传感器原理：通过雨水进入电极间隙改变电容值，统计触发次数自动计算降雨量。请将传感器名称填写在对应的传感器图片下方，如下页图所示。①光敏传感器②温湿度传感器③风速传感器④风向传感器⑤气压传感器⑥雨量传感器三、探索在本单元中，使用的传感器如右图所示。气象仪：集成了多种气象要素，如风速、风向、温度、湿度和气压，用于收集气象数据，可直接输出物理量。雨量传感器：它是一种传感装置，主要用于检测是否下雨及雨量的大小。校园数字气象站的数据采集系统（如右图）搭建步骤如下：组网：用路由器搭建一个“校园迷你网络”（局域网）。核心控制：选一块主控板（如树莓派）当“气象数据管家”——既当服务器存数据，又连接温湿度等传感器“探头”。连接设备：用Wi-Fi无线或USB线把主控板连到电脑，同学们就能在电脑上实时查看/保存所有气象数据啦！四、设计准备硬件核心设备：智能控制盒（主控板）——自带小屏幕、Wi-Fi/蓝牙功能，有多个插口（可接传感器，像手机充电口）。外接设备：雨量计（接雨水）、风速仪（测风）等，像插U盘一样连到控制盒。写程序指挥设备用电脑给控制盒 “发指令”（编程）： 传感器像“侦察兵”收集数据 → 数据通过电线/WiFi传给控制盒 → 屏幕显示数据 大风警报：风速超标时，屏幕自动变红闪烁（像消防车警报）作业：画流程图开始传感器收集数据传数据到控制盒显示数据如果风速太大，闪红灯报警等待5分钟重新开始五、实践1.准备硬件：主控板x1、雨量传感器x1、气象仪x1。2.连接硬件。3.编写程序（1）写出常规状态下的相关代码模块，初始化主控板、气象仪和雨量传感器。（2）配置网络程序，订阅气象数据，如图所示。4.运行调试。（1）校园数字气象站系统的硬件接线实物图如右图所示，连接完成后调试运行数据采集是否正常，主控板能否正常显示气象数据。（2）运行调试后，通过计算机端访问智能终端获取气象数据，查看能否收到气象数据，下图所示为实时的雨量数据。六、拓展可以优化的方面分级预警：原警报仅针对风速，且单一阈值优化：按雨量大小分 “提示→警报→紧急”三级（例：小雨屏闪、大雨响铃、暴雨发短信给老师）多方式提醒：仅屏幕显示，易被忽略优化：蜂鸣器+LED灯+手机通知联动（例：像手机来电同时震动和响铃）降雨预警如何更加智能化预测式预警：从“被动响应”升级为“提前预测”自适应学习：让系统像“会成长的助手”，根据历史数据优化判断多设备智能联动：与其他校园物联网设备协作响应七、拓展延伸物联网在生活中的“隐形触手”智能家居环境管家：空调/加湿器通过温湿度传感器自动调节，像“隐形管家”维持室内舒适。农业大棚精准种植：土壤湿度传感器+光照传感器联动，自动灌溉补光，农民手机远程监控。传感器如何拯救生命？地震预警系统的“闪电反应”：地震波传感器抢先监测P波，提前数十秒发出警报，争取逃生黄金时间。火灾烟雾的“无声哨兵”：烟雾传感器24小时值守，浓度超标立刻触发警报并联动喷淋系统灭火。当人工智能遇见天气预报台风路径预测“AI的轨迹推演”：人工智能分析百年台风历史数据+实时卫星云图，预测路径误差缩小50%。短时降雨预报“AI的精准读秒”：深度学习解析雷达回波动态，提前1小时预警局地暴雨，准确率超90%。 一、探索观看一个简单的气象站模型，观察思考其如何运作。二、写一写小组讨论每种传感器在日常生活中的应用场景，例如在气象站中的使用。三、探索学生选择合适的气象传感器（如温湿度仪、雨量传感器），并将其连接到主控板。四、设计学生将雨量计和风速仪连接到智能控制盒，并绘制数据收集和处理的流程图。五、实践学生连接硬件，编写代码初始化和调试系统，检查气象数据的接收和显示。六、拓展学生设计雨量分级预警系统，通过编程实现“小雨屏闪、大雨响铃、暴雨短信通知”。七、拓展延伸设计一个新的传感器应用系统，解决日常生活中的实际问题。 一、探索通过示范，帮助学生建立对气象站整体工作的初步理解，让学生熟悉硬件设备的外观和功能。二、写一写帮助学生将理论知识应用于实际生活，培养观察和分析能力。三、探索帮助学生理解不同传感器的用途和连接方法，同时培养学生的动手实践能力。四、设计通过动手操作和流程图绘制，让学生全面理解设备连接和数据处理流程，培养动手能力和逻辑思维。五、实践通过实践提高学生的动手能力和编程应用技能。六、拓展帮助学生理解不同强度天气的影响，学习如何设置多级警报机制。七、拓展延伸通过思考设计培养学生的创新思维和问题解决能力，鼓励学生将物联网知识应用于实践。
课堂小结 校园数字气象站数据采集1、进行新知引入2、设计数据实时采集方案3、搭建物联网数字气象站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 1、请简述校园数字气象站的数据采集系统搭建步骤。 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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