资源简介

中小学教育资源及组卷应用平台
第3.1课《设计物联灌溉系统模型》教学设计
课题 设计物联灌溉系统模型 单元 第三单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：学生通过对控制系统案例分析，敏锐察觉手动控制、自动控制特性差异，强化对其在不同生活场景中应用表现的感知能力。计算思维：全面深入剖析物联灌溉系统工作流程，清晰梳理输入、计算、输出环节，精准理解其控制逻辑与底层技术原理。数字化学习与创新：在小组讨论中结合实际控制系统案例展开分析，积极投身绘制流程图等实践操作，探究不同控制方式为物联灌溉带来的创新应用。信息社会责任：密切关注控制系统安全相关案例，精准洞察潜在风险，牢固树立并切实履行保障物联灌溉系统安全、可靠运行的责任意识。
教学重点 学生通过对控制系统案例分析，敏锐察觉手动控制、自动控制特性差异，强化对其在不同生活场景中应用表现的感知能力。
教学难点 让学生密切关注控制系统安全相关案例，精准洞察潜在风险，牢固树立并切实履行保障物联灌溉系统安全、可靠运行的责任意识。
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3.1课 设计物联灌溉系统模型学习目标：1. 了解控制系统的含义。 2. 理解手动控制、自动控制的特点。3. 通过物联网模型设计，理解灌溉的控制逻辑。播放视频活动背景：控制系统是具有设定目标和功能的管理系统，由控制主体、控制客体和控制媒介组成。 了解活动目的了解活动背景 帮助学生初步了解本课目标通过活动背景引导学生了解本课基本内容
讲授新课 新知讲解：一、案例分析一：日常生活中遍布各种各样的控制系统，它们为生活的智能化、便捷化提供了很大帮助比如卫生间里的感应水龙头、大厦里的感应自动门(图3-1-1)、楼道里的声控灯、酒店里的声控窗帘、稻田里的自动灌溉设备等。这些控制系统看起来功能各异，但似乎又有某种共性。二、思考想一想，查一查，完成表 3-1-1的填写。名称输入量 输出量传感器感应水龙头人手反射的红外信号水龙头通、断人体热释电红外传感器自动开关的窗户室外的雨水信号窗户开、关水滴传感器声控灯环境声音信号灯亮、灭声音传感器感应自动门人体反射的红外信号等门开、关 人体热释电红外传感器自动灌溉设备土壤湿度信号灌溉开启、关闭土壤湿度传感器智能空调温度自动设定室内温度信号空调制冷 / 制热启停温度传感器不难发现，上述控制系统都是自动控制。它们通过人体热释电红外传感器“看”见人通过声音传感器“听”见声音、通过土壤湿度传感器“感知”土壤湿度……这些控制系统都有若干个环节，这些环节按一定的规则组合流程。例如，声控灯先感知声音，然后判定检测到的音量是否满足条件，若满足则发送信号给电灯，由电灯来执行照明的功能。在这个声控灯系统中，其工作过程分为输入、计算、输出三个环节(图3-1-2)。任何控制系统都有输入与输出，输入与输出一一对应。小贴士：控制系统的共性控制系统具有诸多共性：一是目标导向，都围绕明确目标设计运行；二是反馈机制，通过输出与输入信息对比产生的偏差调整行为；三是动态特性，系统状态随时间及干扰变化，需动态调控；四是结构层次化，由传感器、控制器、执行器等构成。三、案例分析二壮壮家新买了一辆汽车，他发现车窗有两种控制方式。一种是他按着特定的手动按钮对应的车窗可以上升或下降，若中途松开按钮，上升或下降的动作即停止，这种控制方式称为手动控制;另一种是当他按下自动按钮，松开手后车窗会一直上升至最高或下降至最低，这种控制方式称为自动控制(图 3-1-3)。四、思考日常生活中，还有哪些手动控制和自动控制的例子 请与同学们讨论交流。手动控制：普通台灯需手动按开关决定亮灭；手动挡汽车靠驾驶员手动换挡；传统窗帘用手拉动开合；手动风扇靠旋钮调速；手动晾衣架摇把手升降等。自动控制：智能扫地机器人自动规划清扫；自动感应洗手液机手靠近即出液；恒温热水器自动维持水温；自动门感应人体自动开关等。根据过程中是否有人工干预的情况，控制分为人工控制和自动控制。过去若干年里，人们对事物的控制大多采取人工控制(手动控制)的方式，控制过程是在人的直接干预下完成的。随着科技的进步与发展，多数控制逐渐由人工控制转变为自动控制。自动控制是指在无人直接参与的情况下，事物的变化精准地向着预设的目标进行。控制系统在生活中应用广泛，例如学校连廊里常见的热水炉(图3-1-4)，其自动控温系统利用热电阻检测温度，并通过继电器控制停、送电。当温度达到设定上限时停止送电，电热管不再加热;当温度低于设定下限时开始送电，电热管加热。小贴士：自动控制的缺点自动控制存在一定缺陷：设计复杂系统时，技术门槛高、开发成本大且周期长；系统可靠性取决于元件质量，元件故障易致整体失效，故障排查修复困难；其灵活性欠佳，对环境变化、工况调整适应能力弱，常需重新设计。五、阅读开环控制系统与闭环控制系统只受系统输入控制，没有任何反馈回路的系统称为开环控制系统。简而言之，这一类型的控制系统不依赖于其输出，输出对系统的输入量没有任何要求。在日常生活中，大多数自动交通控制系统是基于时间的开环控制系统，即每个信号都分配有特定的时隙，该时隙的运行与交通量的多少无关;传统的洗衣机系统也是典型的开环控制系统，浸泡、洗涤、漂洗、烘干等过程都是基于时间设计的，衣服有没有洗干净或者有没有烘干并不影响这些时间的限定;基于时间控制的面包机、电动烘手机等通常都是采用开环控制系统。闭环控制系统的输出取决于输入量，这种系统是将设定值与实际输入量进行比较以决定提供所需的输出(图 3-1-5)。在干衣机系统中，机器会利用传感器来感应衣服的干燥程度，传感器还会进一步向控制器提供与干燥程度相关的反馈信息,进而决定机器工作的时间，这就是典型的闭环控制系统。空调也是典型的闭环控制系统，它将设定的温度与周围温度进行比较，在恒温器的辅助下完成温度调节。当设定的温度与室温有差值时，恒温器会打开或者关闭压缩机。六、思考生活中还有很多开环控制系统和闭环控制系统的应用实例，你都知道哪些 请和同学们讨论交流。开环控制系统：交通信号灯按固定时间程序切换，不管车流量；普通定时器控制的电暖器按设定时长加热，不依温度反馈调整 。它们都按预设程序运行，无反馈调节。闭环控制系统：汽车巡航定速系统实时监测车速并与设定值比较，自动调油门保车速稳定；智能马桶水温控制系统检测实际水温，与设定值对比后自动调节加热装置，维持水温恒定 。均依靠反馈实现精准控制。七、阅读物联网温室大棚可以利用传感器采集大棚的温湿度信息，并通过 MOTT将数据传送至物联网平台。物联网平台收集到土壤的湿度信息以后，如何根据该数据实现对土壤湿度的精准控制呢 根据控制的方式，可以有以下三种思路:(1)当土壤湿度小于设定的阈值时，MOTT将采集到的土壤湿度数据发送给远端物联网平台,并发送一个语音提醒。管理员接收到上述消息后，可以通过物联网平台发送灌溉指令。执行器接收到灌溉指令后给土壤浇水，从而完成灌溉任务(图3-1-6)。(2)假如在土壤需要进行灌溉时,管理员没有主动或及时关注到物联网的土壤湿度数据就有可能错过灌溉的最佳时间。因此，可以将灌溉设置成自动控制的方式进行。当土壤湿度数据小于设定的阈值时，系统自动启动执行器进行灌溉(图3-1-7)。(3)手自一体化灌溉模式。在该模式下，是采用人工控制的方式还是自动控制的方式对大棚土壤进行灌溉，可以根据实际需求自由切换。八、马上行动(1)请同学们根据自动控制和手动控制的不同方式，画出手动控制和自动控制的灌溉系统流程图。(详情流程图看课件P25页)(2)设计一套基于物联网的温室大棚土壤灌溉方案，并简单记录实验过程，填写表3-1-2。采用手动/自动控制方式实现温室大棚土壤灌溉实验目的设计并验证基于物联网的温室大棚土壤自动灌溉方案，精准控制土壤湿度，满足作物生长需求。实验器材土壤湿度传感器、MQTT 模块、单片机、电磁阀、水泵、电源、温室大棚模拟装置、作物模型（或实际种植作物） 。实验方法步骤 1：搭建系统硬件：将土壤湿度传感器埋入大棚模拟装置土壤，连接物联网模块、控制器与灌溉执行器，接通电源。步骤 2：设置参数与程序：在控制器设土壤湿度阈值（下限 40%、上限 60% ），编写程序实现数据采集传输及控制逻辑，配置模块参数确保数据上传。步骤 3：进行实验测试：开启系统观察数据传输，模拟土壤干燥看是否自动灌溉，监测灌溉中湿度变化，看是否达上限自动停，多次重复记录相关数据。九、课堂练习： 完成课件28-29页的课堂练习题十、拓展延伸：传感器技术 在物联灌溉系统中，土壤湿度传感器被广泛应用。它能深入土壤，精确测量土壤的含水量，并将这些数据实时反馈给系统。例如，在农田中安装多个土壤湿度传感器，可全面了解不同区域的土壤水分状况，为精准灌溉提供准确的信息支持。无线通信技术 以 ZigBee 技术为例，它常用于物联灌溉系统中传感器与控制器之间的通信。传感器采集到的数据通过 ZigBee 模块以无线方式传输给控制器。这种技术具有低功耗、短距离、自组网等特点。自动控制技术物联灌溉系统中的自动控制技术可根据预设条件自动控制灌溉设备。比如，当土壤湿度传感器检测到土壤水分低于设定值时，自动控制系统会启动水泵和阀门，按照设定的灌溉量进行灌溉。 完成案例分析一完成思考练习题补充额外知识完成案例分析二完成思考练习题补充额外知识完成阅读完成思考练习题完成阅读完成马上行动相关任务完成课堂练习介绍三种技术 通过案例分析初步了解各个控制系统存在不同和共性通过思考练习题了解各个控制系统的共性让学生了解控制系统的共性通过案例分析初步了解自动控制和手动控制通过完成思考练习题，锻炼学生独立思考能力，了解手动控制和自动控制的不同让学生了解自动控制的缺点引导学生了解开环和闭环控制系统通过思考练习题让学生了解开环和闭环控制系统的区别，培养学生收集信息总结能力通过阅读引导学生思考控制方式不同的影响通过完成相关任务，培养学生动手能力培养学生独立思考能力，了解学生本节课吸收情况补充学生课外知识
课堂小结 设计物联灌溉系统模型1.进行新知内容2.了解自动控制和手动控制3.了解开环和闭环控制系统4.完成课题练习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 完成相关填空题(详情请看课件P35页)请收集物联灌溉系统相关模型，尝试理解其原理，并总结成一份资料，与班上同学分享。 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）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)

展开更多......

收起↑