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第4.4课《跨学科主题——小型开关系统》教学设计
课题 跨学科主题——小型开关系统 单元 第四单元 学科 信息科技 年级 六年级
核心素养目标 信息意识：意识到生活中控制系统的普遍性，能综合运用信息科技、数学、科学等知识，搭建一个简易的小型开关系统。计算思维：加深对控制系统的理解，提高运用知识解决问题的能力，学会开展调研活动，确立研究方向，制订项目学习计划。数字化学习与创新：可借助编程软件编写控制程序，结合硬件搭建实现创意功能，提升创新应用能力。信息社会责任：搭建系统时注意用电安全如避免短路；思考技术应用的合理性，如自动灯减少能源浪费等。
教学重点 探索小型开关系统背后的实现原理。
教学难点 能够搭建一个简易的小型开关系统，解决生活中存在问题。
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4.4课 跨学科主题——小型开关系统1、观看视频。2、活动背景：控制系统在生活中很常见。例如，随着热水的消耗和冷水的注入，电热水器里的水温逐渐降低，当温度降低到阈值时，电热水器会自动启动加热功能，这个过程就体现了通过反馈实现的过程控制。通过小组合作，根据生活场景需要，搭建一个简易的小型开关系统模型。3、项目目标（1）综合运用信息科技、数学、科学等知识，搭建一个简易的小型开关系统。（2）加深对控制系统的理解，提高运用知识解决问题的能力。4、项目准备（1）成立学习小组，建议每组3~4人，明确目标和分工。（2）开展调研活动，确立研究方向，制订项目学习计划。 课程新知导入。明确本课项目目标和项目准备。 帮助学生初步理解本课研究内容。帮助学生学习更有目标性。
讲授新课 新知讲解： 一、项目实施1、了解身边的控制系统相关案例查阅资料，收集身边的控制系统相关案例，借助搜索引擎和人工智能大语言模型应用工具，分析其基本原理和实现方法。序号名称主要功能实现原理和方法1家用智能灯控系统自动调节灯光亮度 / 开关原理：通过光照传感器检测环境亮度，与设定值对比方法：传感器（光敏电阻）→ 控制器（单片机）→ 执行器（LED 灯 / 继电器）2电热水壶温控系统水沸腾后自动断电原理：检测水温，达到沸点（100℃）时触发断电方法：温度传感器（双金属片）→ 机械开关（受热形变断开电路）3共享单车自动锁系统扫码后解锁，关锁后计费停止原理：检测锁的状态（是否关闭）和扫码信号方法：蓝牙模块（接收解锁信号）→ 控制器 → 电机（驱动锁舌开关）4冰箱温控系统维持箱内温度在设定范围原理：检测箱内温度，与设定值对比（如 4℃）方法：温度传感器（热电偶）→ 控制器 → 压缩机（制冷）/ 加热器反馈实现的过程控制通过反馈实现的过程控制，核心是 “检测 - 对比 - 调整” 的闭环逻辑 。首先通过传感器等装置检测被控对象的实际状态（如温度、位置），将其与预设的目标值（设定值）对比，得到偏差；然后控制器根据偏差信息发出指令，驱动执行器（如电机、阀门）调整被控对象的状态，直至实际状态接近或达到目标值。2、发现生活中的问题，设计方案小组合作，发现生活中存在的问题，选择适宜用系统控制方法解决的项目，设计主要功能、控制原理，画出示意图，并进行硬件设计。项目名称基于土壤湿度的智能花盆自动浇水系统小组成员ABCDEF项目背景：生活中常因忘记浇水导致绿植枯萎，或浇水过多导致烂根；传统浇水依赖人工，无法根据土壤实际湿度动态调整。主要功能：1. 实时检测土壤湿度；2. 湿度低于设定值时自动启动水泵浇水；3. 湿度达到设定值时自动停止浇水；4. 缺水时通过 LED 灯提示补水（水箱水位检测）。3、搭建系统，实现功能搭建硬件系统，编写程序，实现项目设计，观察实施过程中的现象根据需要调整设计方案。项目名称：基于土壤湿度的智能花盆自动浇水系统功能设计：湿度低于设定值时自动启动水泵浇水；湿度达到设定值时自动停止浇水。实现情况：在正常土壤（腐殖土）、中等大小花盆（直径 15cm）中，能实现 “缺水时自动启动，浇透后自动停止”，单次浇水时间约 20-40 秒，无明显积水或缺水现象。主要问题：湿度检测不准，导致浇水时机偏差。解决过程：将传感器插入花盆中下部避免边缘或表层土壤；若花盆较大，可在不同位置插入 2 个传感器，取平均值减少误差。反思改进：抗环境干扰能力较弱；给传感器加装防护壳；增加环境湿度传感器，当空气湿度＞80%时，自动提高土壤湿度启动阈值（如从 30% 改为 25%），避免误判。搭建硬件、编写程序及实现项目的注意事项一、硬件搭建注意事项电路安全：电源电压需匹配元件（如 LED 需串联限流电阻，避免过流烧毁）；接线前断电，防止短路。元件选型：传感器与执行器需适配控制器（如 Arduino 的数字 / 模拟接口对应）；例如：光敏电阻接模拟口，继电器接数字口。二、程序编写注意事项逻辑清晰：用模块化编程（如将 “读取传感器”“判断条件”“控制执行器” 拆分为函数），方便调试。参数调试：设定合理阈值（如光控灯的亮度阈值需通过测试确定，避免环境光波动导致频繁开关）。异常处理：增加容错逻辑（如传感器数据异常时，执行默认动作 —— 如灯保持关闭）。三、项目实现注意事项分步测试：先测试硬件（如传感器是否能输出数据），再测试程序（如单独运行 “开灯” 指令），最后整合系统。文档记录：记录接线图、程序版本、调试问题及解决方法（如 “LED 不亮因接线松动”），便于后续改进。功能验证：在不同环境下测试（如光控灯在晴天、阴天、夜晚分别测试），确保稳定性。二、项目总结1.整理归纳以小组为单位，整理项目学习资料和成果，归纳并总结活动的收获遇到的困难及解决办法和需要改进完善的地方。2.展示交流各小组展示项目成果，分享活动体验和总结反思，收集整理教师和其他小组提出的问题和建议，为进一步改进完善做准备。三、项目评价依据评价量表，结合项目完成的实际情况展开评价。(最高为5颗★)四、课堂练习完成课件22—23页的课堂练习题。五、拓展延伸1、控制系统的大类及经典例子控制系统按是否存在反馈可分为两大类，细分及例子如下：（1）开环控制系统定义：无反馈环节，仅按预设指令执行，不考虑被控对象实际状态。经典例子：自动喷泉（按固定时间间隔喷水，不检测水位或人流量）；洗衣机定时洗涤（按设定时间运行，不检测衣物清洁度）。（2）闭环控制系统（反馈控制系统）定义：包含反馈环节，通过检测实际状态调整输出，保证精度。经典例子：恒温培养箱（通过温度传感器实时调节加热功率）；汽车定速巡航（检测车速，低于设定值时加油，高于时减速）2、控制逻辑进阶1、核心区别单一条件控制：仅根据一个输入信号决定输出，逻辑简单（“非此即彼”）。例：光控灯仅通过 “环境亮度是否低于设定值” 控制开关，无论是否有人，天黑就亮。多条件控制：需同时满足两个及以上输入信号（或满足 “多个条件中的一个”）才能决定输出，逻辑更复杂但更贴合实际需求。例：教室智能灯需同时满足 “光照不足” 和 “有人” 两个条件才开灯，避免 “天黑但无人时灯亮” 的浪费。 2、进阶的意义单一条件控制适合简单场景（如 “定时开关”），但无法应对复杂需求 —— 实际生活中，被控对象的状态往往受多个因素影响。多条件控制通过整合多个输入信号，让控制更精准、更智能，减少无效动作（如能源浪费、设备空转）。3、实现逻辑示例以 “智能花盆” 升级为例：单一条件：仅检测土壤湿度（湿度低→浇水）；多条件：增加 “时间条件”（仅在 8:00-20:00 之间浇水，避免夜间浇水影响植物根系），控制逻辑变为：if（土壤湿度＜阈值）and（当前时间在8:00-20:00之间）→ 启动浇水 初步搜集身边的控制系统相关案例。学习相关知识。发现问题并设计方案。完成系统搭建。学习注意事项。完成项目总结和评价。完成练习题。进行知识拓展。 引入情境，帮助学生了解本课研究内容，在案例搜集中感受控制系统的普遍性存在。细化讲解反馈实现的过程控制具体原理。引导学生发现生活中存在的问题并进行方案设计解决相关问题，提高学生运用知识点内容解决生活困难的能力，让枯燥的知识点变活。引导学生思考如何完成系统搭建并填写表格，让设计的方案更加合理化。帮助学生明确硬件搭建注意事项提高学生的安全意识，完善所学知识点。引导学生进行反思总结，在互相展示交流中强化所学内容，相互学习。巩固所学知识，考察学生对本课内容的掌握情况。拓宽学生知识面。
课堂小结 跨学科主题——小型开关系统1.进行新知引入2.了解身边的控制系统相关案例3.发现生活中的问题，设计方案4.搭建系统，实现功能5.完成课堂练习和知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 1、分析 “楼道声控灯” 的控制系统组成（传感器、控制器、执行器），并说明其是开环还是闭环系统。2、画出 “简易花盆浇水开关系统” 的原理框图（要求：包含传感器、控制器、执行器）。 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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