资源简介

(共27张PPT)
义务教育《信息科技》
8 年级上册
跨学科主题活动
在线数字气象站
想必大家都在语文课上学过这首诗，“碧玉妆成一树高，万条垂下绿丝绦。不知细叶谁裁出，二月春风似剪刀。”这首诗生动描写了二月份的气象特点。中国是文明古国和农业大国，我们的祖先一直十分重视和农业相关的动态数据，包括气象、水文等资料，如重庆的白鹤梁题刻，就记录了从唐广德元年（公元763年）至公元1963年的1200年间，长江枯水年份和水位的动态数据资料。古人在没有精确仪器的情况下，用“石鱼”来作为观测长江枯水位的标尺，经过多年观察，精确地掌握了长江枯水期的水位的平均值，即两条鱼的眼睛距离江底的垂直距离137.91米，除了精确地掌握这一标尺，还将这一跨越千年的长江水文动态数据通过“石鱼”标尺和白鹤梁题刻完美呈现出来。
情境引入
现代社会为了更好地监测气象，人们建设了气象站，将一些气象设备集成在一起，部署在城市的中心或者郊区，对城市的气象信息进行监控，传统气象站一般都很大，不易移动，而且还需要人员定期读取数据并进行维护。而随着物联网技术的发展，气象站已经变得不那么神秘了，基于物联网技术的自动气象站，体积小巧，不需要人员照看，能够完全代替传统气象站。
在线数字气象站
这种小型在线数字气象站，借助各类传感器，能够对风速、风向、雨量、空气湿度、空气温度、光照强度、土壤湿度、蒸发量、大气压力等气象要素进行全天候的现场监测，还能通过无线通信技术将数据传输到数据库中，方便统计分析和管理，一般使用太阳能电池板供电，可以长期驻留在野外。
现在基于物联网的数字化气象站的建设成本很低，而且有很多成熟方案，只需要将一些传感器模块、控制模块、通信模块和供能模块连接起来，并部署到环境中，就可以实现对环境的自动监测，通过通信模块，可以实时上传环境气象信息。
情境引入
我们将以“在线数字气象站”为主题，开展观摩、学习和讨论。请同学们以小组为单位，积极参与，真正动手搭建一个在线数字气象站。
情境引入
任务一——了解气象与气象站
活动设计
在查阅资料的过程中学习各类气象符号并了解气象指数，并通过收集气象站的相关资料，了解气象站的工作原理、常见类型、组成原件及其搭建方案。
任务一——了解气象与气象站
活动实施
1.理解气象与气象指数
气象指的是风、云、雨、雪、霜、露、闪电、打雷等一切大气物理现象，是影响人类活动的瞬时天气状态。在教师指导下，学习各类气象符号，了解各类气象指数，并尝试着完成以下操作。
（1）查阅各类气象指数；
（2）分析气象指数的获取需要哪些传感器。
任务一——了解气象与气象站
2.分析与设计气象站
请同学们利用线下的图书馆、报刊以及线上的网络资源，查阅气象站相关资料，完成以下内容。
（1）气象站的发展历史和主要用途？
检索气象站发展历史的相关资料，了解当代气象站的发展趋势，掌握气象站的原理。
查阅气象站的相关资料，了解当代气象站的分类和主要用途，分析气象站的组成，并设计一个可行的实现方案。
活动实施
任务一——了解气象与气象站
（2）在收集数据过程中，你遇到哪些难题，是怎么解决的？
交流讨论：与同学交流讨论你的发现，相互补充完善。
活动实施
任务一——了解气象与气象站
活动实施
（3）在设计方案的过程中，你有什么独到的设计？有哪些使用场景？如果要实现这些设计，你需要哪些配件？请大家独立思考，并在一起讨论这些设计的优缺点，撰写实验报告。
我的设计
我的理由
其他同学有哪些好的设计
借鉴他/她的设计方案的理由
任务二——气象站搭建观摩与体验
观摩老师组装在线数字气象站的过程，协助老师完成气象站的调试。在老师的指导下完成无线传感器部署案例、极端天气预警案例、不同采样频率下能源使用情况分析案例等任务。以小组合作的方式，谈谈自己参与活动的心得体会，并撰写实验报告。
活动设计
任务二——气象站搭建观摩与体验
1.无线传感器部署
让我们用 RFID标签和读写器制作无线传感器 RFID标签，内容见下页表格 ，可以参照以下三个步骤进行。
第一步，将 RFID 标签粘贴到无线传感器上，用读写器读取 RFID 标签的数据。
第二步，将该传感器的信息写入RFID标签，包含型号、类型、位置、部署时间、部署人等。
第三步，保存写入的信息，并使用读写器读取RFID标签的数据，查看是否写入成功。
活动实施
任务二——气象站搭建观摩与体验
类型 记录与分析
型号
位置
高度
经度
维度
部署时间
部署人
RFID标签项
活动实施
任务二——气象站搭建观摩与体验
另外，让我们设计一个简易的无线传感器追溯系统，可以参照以下三个步骤进行操作。
第一步，准备RFID标签、一个无线传感器、一个RFID标签读写器。
第二步，将RFID标签贴在无线传感器上，模拟无线传感器的部署过程，利用 RFID 标签读写器，分别写入多次部署信息，包括部署时间、部署地点和部署人。
第三步，利用RFID标签读写器读取这些信息，模拟追溯过程。
活动实施
分享交流：同学们，可以针对无线传感器的部署和追溯问题展开讨论，部署的地点是否会影响气象监测的结果？部署地点选择什么位置比较合适？为什么？如果要设计一个可实际应用的追溯系统，应考虑哪些问题？大家可以畅所欲言，并进行分享交流。
任务二——气象站搭建观摩与体验
任务二——气象站搭建观摩与体验
2.极端天气预警案例分析与展示
请同学们以小组为单位，在老师的带领下，分析极端天气预警案例，结合之前学过的自动灭火、自动报警、自动浇花案例，设计并实现一个极端天气预警系统，并演示预警过程。
（1）极端天气。
极端天气是指天气（气候）的状态严重偏离其平均态，在统计意义上属于不易发生的事件。这里我们选定的极端天气是极端低温，极端低温对人类活动影响非常大，有时甚至会造成人员死亡。
活动实施
任务二——气象站搭建观摩与体验
同时，极端低温对气象站本身也有影响，无线传感器可能会失灵，而采用电池的供能模块的性能也会下降。测量极端低温可以采用温度传感器，但要注意极端低温是否在温度传感器的工作温度量程内，如果不在，应更换合适的温度传感器。
极端低温天气传感器
活动实施
任务二——气象站搭建观摩与体验
（2）极端低温判定。
准备极端天气预警系统所需的配件和工具，分析极端天气判定的基本原理。请同学们了解极端低温的判定原理，观察极端天气系统配件和总体结构，学习搭建极端天气预警系统的过程，并撰写实验报告。
活动实施
任务二——气象站搭建观摩与体验
极端低温判定原理与我们之前学过的火灾自动报警系统类似，但也略有不同。由于我国幅员辽阔，温差较大，对于极端低温的判定条件，也不可能统一，以北京市为例，北京市气象局发布的极端低温黄色警报判定条件为“预计连续三天及以上日最低气温低于-12℃”，而我们一般测得的是实时数据，因此要实现极端低温预警，就要使用一段时间内温度连续变化数据，这里建议根据当地的实际情况，可采用在一定的时间内温度下降达到了某个阈值，如在3个小时内，温度持续下降了5℃，即可判定为将要发生极端低温。同学们可以此为判定条件，设计并实现极端低温的判定程序。
活动实施
任务二——气象站搭建观摩与体验
（3）极端低温预警。
请同学们在老师的协助下，连接通信模块，并测试其连通性。预警工作分为两部分，一是在达到极端低温的判定条件后，启动通信模块，给指定用户发送短信；二是设计短信内容，如“在过去的 3 小时内，温度持续下降，已超过5℃，预计将会发生极端低温天气，在未来的3小时，温度可能会继续下降5℃，请注意防护。”
（4）修改完善。
如果有条件，请同学们在老师的安排和指导下，完成所有的分析，并通过展示案例，进行各组之间的评比，发现并记录其中的问题，然后进行相应的修改，记录在表中。
活动实施
任务二——气象站搭建观摩与体验
在分享展示过程中发现了什么问题？ 需要怎样修改？
项目记录表
活动实施
任务二——气象站搭建观摩与体验
3. 不同采样频率下能源自持时间分析
在老师的帮助，将无线传感器的采样频率调高或者调低，以观察能源消耗情况，如果采用的是电池或者太阳能供电方式，请记录能源的自持时间，并分析采样频率与能源使用情况之间的关系，撰写实验报告。
活动实施
任务二——气象站搭建观摩与体验
如果具备相应支持条件，可在老师指导和协助下，将上述方案设计进行具体细化与实施，并通过界面展示方式，让同学们能够直观地观察气象数据的实时变化。通过文档在班级中进行展示分享，根据大家的意见在下框中记录优化措施与心得体会。
展示分享
跨学科主题活动学习评价
①根据自己的情况填写下表
评价维度 评价内容 评价方式 自评 互评 师评
过程评价 在体验过程中，认识气象传感器及其使用技巧
在实际操作中培养使用传感器的能力，积累传感器使用经验
在实际活动中，具有熟练运用气象知识分析并解决问题的能力
在团队合作中展现了良好的学习态度，具有解决 问题的耐心和毅力
在活动中展现了创新精神，勇于尝试和创造
作品评价 无线传感器部署方案能否准确反映周围环境的实际温度
极端天气预警方案能否准确预警低温天气
②学习本主题后，我的收获有：
跨学科主题活动学习评价
③学习本主题后，我在以下方面还需要努力：
跨学科主题活动学习评价

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