资源简介

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第3.3课《自动控制灌溉》教学设计
课题 自动控制灌溉 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：会借自动灌溉实践，感知传感器与执行器协作，强化农业场景物联应用感知。计算思维：能够拆解自动灌溉流程，借编程梳理逻辑，理解算法驱动灌溉的底层原理。数字化学习与创新：能够结合硬软件实践，探究精准灌溉策略，提升数字化实践创新力。信息社会责任：会主动关注自动灌溉价值，思考技术问题，树立助力农业发展责任意识。
教学重点 学生借自动灌溉实践，感知传感器与执行器协作，强化农业场景物联应用感知。
教学难点 学生关注自动灌溉价值，思考技术问题，树立助力农业发展责任意识。
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3.3课 自动控制灌溉学习目标：1. 了解函数的定义与使用方法。 2. 实现自动控制灌溉，掌握控制系统的自动控制过程。3. 通过设计精准灌溉逻辑，提升计算思维能力。播放视频活动背景：手动控制灌溉是建立在人工控制的基础之上。当土壤需要灌溉时，如果管理员没有主动或及时关注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，自动灌溉系统应运而生。当土壤湿度数据低于设定的阈值时，系统就会自动启动水泵进行灌溉。 了解学习目标了解活动背景 帮助学生初步了解本课学习任务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：现代智能温室大棚(图3-3-1)多采用水肥一体化方式进行灌溉，可直接把作物所需的肥料与水分一起均匀输送到作物根部，大幅度提高肥料和水分的利用率。同时，灌溉系统能做到多点布控，实现精准灌溉。在这一过程中物联网终端通过传感器传回的信息判断土壤需水量，自动浇灌，一旦达到设定的阈值则停止浇灌，由此达到节约用水、精准灌溉的目的。小贴士：精准灌溉的优点精准灌溉优点显著：按需供水可节水 30% 以上，降低能耗；按作物需求精准供水，提升品质与产量；自动化控制减少人工投入，降低成本；还能减少水肥流失，避免污染，符合环保可持续理念，在农业生产中优势突出。二、思考：当土壤湿度传感器采集到的数据低于土壤湿度阈值时，对哪个执行器进行控制可以直接实现自动灌溉 当土壤湿度传感器采集到的数据低于土壤湿度阈值时，对继电器进行控制可直接实现自动灌溉。因为继电器能控制电路通断，通过控制其电平状态，可开启连接的水泵等灌溉执行设备，触发自动灌溉 。单纯实现自动控制灌溉比较简单，可以对土壤湿度进行条件判断，一旦土壤湿度小于300，就直接打开水泵(继电器设置为高电平触发)，并将此时的土壤湿度数据发布到物联网平台进行记录。自动控制灌溉的流程图及程序片段如图 3-3-2所示。虽然自动灌溉解决了未能及时灌溉的问题，但对于面积相对较大的地块，只依靠一个传感器来检测土壤湿度并将其结果代表整片地块的土壤湿度显然不够准确、合理。为了实现精准灌溉，可以针对不同的区域进行多点布局，实施不同的灌溉策略。根据不同区域多个土壤湿度传感器返回的数据,判断各区域土壤湿度分别属于什么级别，从而执行不同的灌溉方案。三、思考：为实现精准灌溉，你认为该如何布局传感器 在设计灌溉方案时应注意哪些方面 传感器布局：按区域、土壤、作物分区，同一监测点分层，依据监测范围均匀分散布置，确保无监测盲区，提供精准数据。注意事项：结合作物需水与土壤特性设阈值，适配设备，联动气象与物联网，兼顾节水与作物生长需求。四、做中学：自动控制灌溉 (1)器材列表:如表 3-3-1所示。序号设备数量1行空板实验平台12土壤湿度传感器23继电器14水泵1(2)设备及电路连接:土壤湿度传感器连接行空板P21、P22接口，继电器接P24 接口硬件搭建如图 3-3-3 所示。 (3)编写程序:程序中设计两个土壤湿度传感器检测土壤湿度，其功能相同。为了加快程序编写速度，可将其定义为函数。鼠标点击“模块”中的函数子模块“自定义模块”打开自定义模块窗口(图 3-3-4)，输入名称“A 监测点”，建立A监测点自定义函数。 依据自动控制算法编写程序，如图 3-3-5 所示。 B监测点的函数与A监测点类似，复制A监测点的函数，修改程序头部声明及对应的监测点端口即可。主程序如图 3-3-6 所示。 (4)测试运行:登录行空板SIoT服务器平台，可见此时订阅主题“土壤”下已经存在“dataA”“dataB”两个监测点的数据(图 3-3-7)。 对土壤湿度传感器采集的数据进行判断，根据湿度值调整灌溉时间，设置传回数据为“200 ≤湿度值< 300 时灌溉1分钟，100 ≤湿度值< 200 时灌溉2分钟,0 ≤湿度值<100时灌溉3分钟”，以实现精准灌溉。五、技术提示： 以功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。模块化的目的是降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。在进行程序设计时，将一个大程序按照功能划分为若干个小程序模块，每个小程序模块完成一个确定的功能，并在这些模块之间建立必要的联系，这样的设计称为模块化程序设计。 模块化程序编写不是一开始就逐条录入计算机语句和指令，而是先用主程序、子程序等框架把程序的主要结构和流程描述出来。通过模块互相协作，完成整个大程序的功能设计。本案例包括数据显示和两个监测点数据上传(图3-3-8)，因此，可以将监测点数据上传定义为函数，在主程序中只需调用两个函数。小贴士：模块化的缺点模块化存在一定缺点：前期需精心设计模块划分与接口，投入成本较高；过度拆分易使模块繁杂、调用关系复杂，增加维护难度；模块间通信可能产生延迟，带来性能损耗风险；部分模块为兼容通用性可能存在功能重复或冗余代码，造成资源浪费。六、马上行动设计一套基于物联网的温室大棚手自一体化土壤灌溉方案，并简单记录实验过程，填写表 3-3-2，输出参考效果如图 3-3-9 所示。采用手自一体化方式实现温室大棚土壤灌溉实验目的实现温室大棚手自一体化灌溉，掌握模式切换与精准控制逻辑实验器材行空板、湿度传感器、继电器、水泵、电源、物联网模块实验方法步骤 1：用导线将行空板、湿度传感器、继电器、物联网模块对应引脚连接，继电器连水泵与电源，检查接线确保通路 。
步骤 2：用编程软件，写函数分别实现湿度采集、水泵启停，再设自动（阈值控制）、手动模式逻辑，封装功能便于调用 。步骤 3：先测自动，模拟干湿土壤看水泵按阈值启停；再切手动控制；记录各模式下湿度、水泵状态，验证控制逻辑 。
步骤 3：切换模式测试，模拟场景验证，记录数据与状态。七、课堂练习： 完成课件24-25页的课堂练习题八、单元巩固：【想一想】在本单元的学习过程中，你有没有自觉遵守物联网实验的操作规程，使用实验设备搭建物联网系统原型，并通过实验平台读取、发送、接收、汇集和使用数据 本单元学习中，我严守物联网实验规程 。搭建原型时，规范连接传感器、行空板等设备，保障硬件稳固。操作平台时，熟练读数据、发指令、收反馈 。汇集多组数据，结合需求分析，助力灌溉功能验证，推动实验有序开展 。【试一试】你设计的物联网应用模型需要使用何种控制器实现具体应用 请为自己的物联网应用模型选择合适的控制器并进行设置，令其能根据感知层传来的数据信息作出相应操作。我设计的温室大棚手自一体化灌溉模型，选行空板作控制器，借其接口、协议与 Python 环境优势 。连传感器、继电器等硬件，用 pinpong 库写程序设阈值、逻辑，实现灌溉自动启停 。测试可精准控制，也方便后续扩展 。九、学习评价：内容要求得分(0~10分)设计物联灌溉系统模型清楚控制系统的含义;知道手动控制、自动控制的特点;理解灌溉的控制逻辑并懂得物联网模型设计10分手动控制灌溉了解常用的执行器;掌握采集温室大棚内土壤湿度数据的一般方法;完成手动控制灌溉的过程，掌握控制系统的手动控制方法10分手动控制灌溉理解函数的定义与使用;体验自动控制灌溉的一般过程，掌握控制系统的自动控制方法;掌握精准灌溉的设计逻辑并实践10分十、拓展延伸：传感器的简单分类传感器按检测量分，像土壤湿度传感器测湿度，还有温度传感器测温度、光纤传感器测光照强度。它们是物联网“感官”，把环境物理量转成电信号，让设备 “感知”外界，在自动灌溉里，湿度传感器就负责采集土壤干湿信息。继电器的作用继电器是自动控制里的“开关助手”。低电压小电流信号进来，它能控制高电压大电流电路通断，比如自动灌溉中，收到控制信号，继电器就接通水泵电源，让水泵工作抽水，实现自动浇水。MQTT 协议MQTT 是物联网常用“消息信使”。设备采集的数据，像土壤湿度，通过它快速传给平台，就像寄信，传感器是写信人，MQTT 是邮差，把“土壤湿度数据信”送到平台这个“收信人”，方便远程查看和记录。 阅读案例分析阅读小贴士完成思考练习题完成思考练习题完成做中学阅读技术提示阅读小贴士完成马上行动完成课堂练习完成单元巩固完成学习评价补充三个额外知识点 通过案例分析了解精准灌溉的作用和意义了解精准灌溉的优点通过思考练习题了解执行器的作用，培养学生独立思考能力通过思考练习题知道精准灌溉和传感器的关系以及注意事项通过做中学学习如何进行自动控制灌溉为学生补充功能块等有关知识点了解模块化的缺点完成马上行动，手动设计方案，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通过单元巩固了解学生对本单元的吸收情况，培养学生反思总结能力通过学习评价让学生回忆本单元学习内容，并根据自己学习情况打分补充学生课外知识
课堂小结 自动控制灌溉1.进行新知内容2.了解自动控制灌溉的原理3.掌握控制系统的自动控制过程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P34页)畅想未来智慧农业里，自动灌溉系统还能融合哪些新技术，以更高效、精准地服务农业生产。用文字或简单绘图描述你的创意方案。 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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