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第2.4课《认识物联网之“物”第二节》教学设计
课题 认识物联网之“物”第二节 单元 第二单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：能感知物联网中各类设备在信息采集、处理、应用等环节的作用，主动关注物联网设备在生活、生产等场景的应用及信息传递逻辑。 计算思维：能分析不同设备的特性与需求的匹配关系，运用逻辑推理选择合适设备，优化物联网系统的信息流转与设备协同。数字化学习与创新：在物联网系统设计与实践中，尝试创新设备组合与协作方式，优化系统，提升物联网应用的创新性与实用性。信息社会责任：确保设备应用、数据传输等环节的安全性与合法性，助力构建健康、可持续的物联网生态。
教学重点 明确物联网系统中传感器、控制器、执行器的定义与基本功能。
教学难点 物联网系统中各设备的协同工作原理。
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4.2课 何为物联网1.观看视频 课程新知导入。 帮助学生初步理解本课研究内容。
讲授新课 新知讲解：实践探究二、物联网系统中的设备与部件物联网系统针对多样应用场景下信息 “采集 - 传输 - 处理 - 应用” 的多样需求，通过传感器采集信息、控制器处理信息、输出设备及执行器实现信息应用，并由网络通信设备连接各设备部件，形成相互协作的完整系统。（详细内容见教材p28，p29页）（一)传感器 在物联网系统中，传感器是能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按照一定的规律转换成电信号或其他所需形式的信息输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器信号转换过程如图2-10所示。例如，在智能温湿度计这个产品中，传感器能够感知周围环境的变化(被测量)，采集数据信息并将其转换成电信号输出。传感器是物联网的“感觉器官”，是物联网系统中非常关键的设备。在实际应用中，工程师需要根据应用需求选择最为合适的传感器。图2-11为几种常见的传感器。图2-11常见的传感器（二)控制器在物联网系统中，控制器是 “大脑”，负责接收、处理和分析传感器信息，输出控制信息给执行器，还处理网络通信信息。其核心是微控制器芯片，因应用需求不同类型差异大，且随物联网发展，微控制器芯片体积趋小、性能趋强。 （详细内容见教材p30页）常见的控制器开发板是将微控制器芯片(如图2-12所示)及其附属电路设计在同一块电路板上，引出电源、输入输出等端口，形成开发板。图2-13为几种常见的控制器开发板。控制器的结构和性能参数是在设计物联网系统时需要关注的重要因素。图2-12常见开发板中的芯片图2-13常见的控制器开发板1.控制器开发板的结构控制器开发板通常包括电源电路、微控制器芯片、复位电路、下载调试接口、输入输出端口等部分，如图2-14所示。图2-14 某控制器开发板电源电路：电源电路变压供电，多控制器借 USB 供电。微控制器芯片：微控制器芯片处理信号，性能决定控制器水平。复位电路：在程序出错时清空内存重启程序。下载调试接口：下载调试接口读状态改程序，常为 USB 且供电。输入输出端口：输入输出端口连外设，分两类且部分支持协议。（详细内容见教材p30，p31页）2. 控制器开发板的性能参数在选择控制器开发板时，对于复杂应用需要选择高性能控制器开发板，对于一般应用则可以兼顾成本做选择。除此之外，选择控制器开发板还要关注哪些参数呢 （1）端口电压分 5V/3.3V，需统一，混用要加转换电路。（2）端口数量决定连设数量，多接模拟设备需关注其数。（详细内容见教材p31页）图2-15某控制器开发板端口示意图查一查查阅相关资料，填写表2-3，并对比几种常见控制器开发板的性能，分析它们适用的场景。如果要设计一个校园门禁系统或数字温湿度计，你会选择哪种控制器开发板 说说你的理由。表2-3常见控制器开发板参数及性能水平名称端口电压数字端口数模拟输入端口数性能水平Arduino Uno5V146入门级Raspberry Pi Pico3.3V3418中高级Raspberry Pi Pico3.3V263入门到中级Arduino Uno：端口电压为 5V，数字端口和模拟输入端口数量适中。性能属于入门级，适合初学者进行简单的电子制作和小型嵌入式系统开发，像制作简单的自动浇水装置等场景。ESP32：3.3V 的端口电压，拥有丰富的数字和模拟输入端口。性能处于中高级，具备 Wi - Fi 和蓝牙功能，适用于需要网络连接、较为复杂的物联网项目，例如智能家庭环境监测系统等。Raspberry Pi Pico：3.3V 端口电压，数字端口数量较多，但模拟输入端口较少。性能为入门到中级，适合对性能有一定要求但不需要太多模拟输入的简单嵌入式项目，如简单的按键控制 LED 等。校园门禁系统：选择ESP32。理由是校园门禁系统通常需要进行身份识别（可通过相关传感器等，涉及模拟或数字信号），还可能需要与网络连接（如将门禁记录上传到服务器等），ESP32 丰富的端口资源以及内置的 Wi - Fi 和蓝牙功能，能够很好地满足这些需求，方便实现门禁数据的传输和复杂的控制逻辑。数字温湿度计：选择 Arduino Uno 即可。理由：数字温湿度计主要是采集温湿度传感器的数据并显示，功能相对简单。Arduino Uno 操作简便，虽然性能不是最强，但足以满足温湿度数据采集、简单处理和显示的需求，且成本较低、学习门槛低，适合这类小型、简单的项目。如果需要将温湿度数据上传到云端（如校园环境监测平台），则 ESP32 开发板 更合适，借助其 Wi - Fi 功能实现数据的无线传输（三)输出设备与执行器在物联网系统中，传感器提供信息，控制器做判断，执行器按控制器指令推动外界变化或发信息，输出设备反馈结果；执行器因应用场景不同在尺寸、功能等方面差异大。例如智能插座中以继电器为核心的电子开关可控制电器电源通断，如图2-16所示。（详细内容见教材p33页）图2-16智能插座中执行器的工作过程智能温湿度计能够通过屏幕显示采集的温湿度信息，还能将信息远程显示在用户的手机应用软件或相应服务平台的网页上，如图2-17所示。图2-17智能温湿度计中输出设备的工作过程在生活中，汽车倒车雷达系统中的声光报警器、智能门锁的锁芯驱动电机以及燃气泄漏安全保护装置中的电磁阀等都是执行器。如图2-18所示。三者均以控制器为核心中枢，本质都是利用电子控制技术提升场景中的安全性与便利性。（详细内容见教材p34页）图2-18执行器示例查一查身边的各种物联网系统中，执行器或输出设备分别是什么 分别起到什么作用 进行分析并填写表2-4。表2-4常见物联网系统执行器或输出设备及其作用物联网系统执行器或输出设备作用智能窗帘电动机带动窗帘开闭智能音箱扬声器播放音乐、语音等音频内容可穿戴设备（以智能手表为例）显示屏显示时间、健康数据（如心率、步数）、通知等信息智能空调压缩机、风扇等调节室内温度、控制出风等，实现制冷或制热功能总之，物联网之“物”指物联网系统中的物理对象。在物联网系统中，它们能够相互联系、相互通信，并能与周围的环境进行有意义的互动。这种互动通常表现为，传感器提供的数据经由控制器转换为可执行的指令，再由执行器产生动作。当输入(如传感器)和输出(如执行器)能以智能的方式协同工作来解决问题时，才是真正的“智慧物联”。（详细内容见教材p35页）小知识物联网系统的核心设备协作逻辑在物联网系统里，传感器负责 “感知”，如同人的 “感觉器官”，采集各类信息；控制器承担 “思考” 任务，像人的 “大脑”，处理传感器传来的信息；输出设备及执行器则进行 “行动”，依据控制器的指令完成相应操作；而网络通信设备就像 “桥梁”，把这些设备连接起来，保障信息能顺畅传输，它们相互配合，构建出完整的物联网运作体系。四、课堂练习根据所学内容，完成下列表格。设备类型核心功能类比人体器官传感器采集环境信息，转换为电信号感觉器官(眼、耳、皮肤)控制器接收、处理信息，发送控制指令大脑输出设备与执行器执行指令，反馈结果或改变环境行动器官(手、脚)网络通信设备连接各设备，传输信息神经系统五、拓展延伸一、开源硬件产品中涉及的知识产权开源硬件属开源文化，依开源协议提供硬件设计详情。开源硬件授权使用者自由使用、分享设计信息。开源硬件有开放性，但高性能外产芯片成技术壁垒。（详细内容见教材p35页）查一查查阅资料并分析，常见的物联网开发板所采用的核心处理芯片各有哪些特性 包含了哪些专利技术 可能产生哪些知识产权壁垒 说一说，在物联网领域发展自主可控技术的意义。瑞芯微 RK1808：采用 22nm FD-SOI 工艺，功耗低，双核 Cortex-A35 架构，NPU 算力最高 3TOPs，支持多种框架网络模型转换，外设接口丰富，支持 Linux 系统。未明确具体专利技术，使用 FD-SOI 工艺需获格芯授权，NPU 架构等可能形成技术壁垒。重庆邮电大学渝芯系列：包括 CY2420、CY4520 等，支持三大工业无线国际标准，硬件时间同步精度达微秒级，休眠电流小，节约处理器资源和处理时间。核心技术获 30 余项授权发明专利，其他企业相关开发可能受限。意义：在物联网领域发展自主可控技术，有利于保障国家安全，避免数据泄露和恶意攻击；可提升产业竞争力，降低依赖，打造自主品牌；能促进技术创新，培养人才；还可满足个性化需求，推动物联网应用普及；同时维护产业安全，保障供应链稳定。二、传感器1.传感器的用途传感器根据用途分为温度/湿度传感器、光学传感器、加速度传感器、压力传感器、测距传感器、图像传感器等。一般情况下，一种传感器仅对一种环境变量敏感。随着传感器技术的发展，出现了很多集成化多功能传感器，如常见的智能温湿度计中使用的传感器，在单个传感器内部集成了温度测量和湿度测量两种功能。查一查查阅资料了解几种传感器，说说它们可以感知哪些环境变量，并填写表2-5。表2-5几种传感器的功能传感器功能（感知的环境变量）XX 型激光 PM2.5 传感器测量细颗粒物浓度温湿度传感器测量环境温度和湿度光照传感器测量环境光照强度红外传感器感知物体的存在、运动以及温度（部分红外传感器可测温度）等2.传感器的结构多数传感器在外观上呈现为具有若干引脚的独立元件，如图2-11所示。传感器通常由敏感元件和转换元件两部分组成。敏感元件直接用于感受被测量，它的某些特性(如电阻率)会随着被测量的变化而变化。查一查表2-6 几种温度传感器传感器敏感量敏感元件工作原理双金属片温度开关温度两种热膨胀系数不同的金属片利用两种金属片热膨胀系数差异，温度变化时，双金属片因膨胀或收缩程度不同发生弯曲，从而触发开关通断K 型热电偶温度镍铬 - 镍硅（镍铬 - 镍铝）两种不同材料的导体基于热电效应，两种不同导体组成闭合回路，当两接点温度不同时，回路中产生热电势，通过测量热电势来确定温度PT100 热电阻温度铂（Pt）丝利用铂丝的电阻值随温度变化的特性，温度升高时，铂丝电阻增大，通过测量电阻值来反映温度提示敏感元件的特性变化幅度通常很小，不易精确测量，或者变化规律信息不便于处理，因此有必要配合转换元件使用。最初，转换元件通常只起到信号放大或简单的信息变换功能。随着集成电路技术的发展，复杂的转换电路已经可以轻松地和敏感元件集成在一起，形成一体化传感器，其输出信号的类型更加多样化。为配合计算机系统采集数据，越来越多的传感器会集成模拟-数字转换器，直接输出数字信号供计算机使用。3.传感器的量程和分度值量程（传感器测量范围）和分度值（最小分辨刻度，反映精度）是选传感器的重要指标。物联网中，被测量变化范围需在量程内，分度值可结合实际需求与成本选择。（详细内容见教材p37页）表2-7列出了两种传感器的量程和分度值。表2-7 两种传感器的参数传感器量程/℃分度值/℃某PT100热电阻-50~4200.2某K型热电偶0~12001试一试根据表2-7给出的两种温度传感器的参数，为几个应用场景选择合适的温度传感器，请连线。一、控制器的核心性能指标衡量一款控制器优劣的关键，在于其是否能满足具体应用场景的需求，核心性能指标包括：响应速度：从检测偏差到被控对象产生变化的时间，越快越能应对动态场景。控制精度：被控对象实际状态与预设目标的偏差，精度按需匹配（精密仪器 ±0.1℃，家用空调 ±1℃）。稳定性：长期运行或受外界干扰（高温、震动等）时，保持控制效果稳定的能力。可靠性：用 “平均无故障时间（MTBF）” 衡量，MTBF 越长越可靠。扩展性：支持新增功能、连接更多设备的能力（如 PLC 通过扩展模块增接口，智能家居控制器兼容多协议连家电）。二、生活中常见的输出设备根据输出信息的形态，常见输出设备可分为以下几类：视觉输出设备显示器：将电信号转化为可见光图像，显示系统界面、文档、视频、数据图表等。打印机：将数字文档（文字、图片）转化为纸质或其他载体上的物理图像。听觉输出设备音箱：放大音频信号，输出音量较大的声音，支持立体声或环绕声。耳机 / 耳塞：近距离将声音传递给个人，减少对周围环境的干扰（私密性强）。物理动作输出设备绘图仪：类似 “大型打印机”，通过笔或喷头的机械运动，在大幅面纸张 / 布料上绘制工程图纸、建筑设计图等三、观看视频：生活的的传感器 初步认识互联网和物联网。学习相关知识。完成查一查。学习相关知识。完成查一查。观看文字。阅读小知识。学习相关知识。完成查一查。学习相关知识。完成查一查。学习相关知识。完成查一查。阅读提醒。学习相关知识。完成试一试拓展课外知识。拓展相关知识。观看视频 认识本课主要研究内容，为后续深入学习各设备的具体功能、工作原理等内容奠定基础。清晰了解每个设备在系统中的角色与功能。通过图文结合的方式，将抽象的技术原理和设备结构直观呈现。引导学生通过查阅资料，主动探究常见控制器开发板的参数与性能，培养自主学习和信息检索能力。通过详细讲解输出设备与执行器的定义，帮助学习者构建对物联网系统中 “感知 - 决策 - 执行 - 反馈” 完整流程的认知。引导学生观察身边的物联网系统，主动探究其中执行器或输出设备的类型及其作用，强化知识的应用与整合能力。对上面所学知识进行总结。补充前面所学知识，让学生更加明白。拓展学生的知识视野，同时引导学生关注开源硬件存在的局限性。引导学生主动查阅资料让学生理解在物联网领域发展自主可控技术的重要意义。丰富学生对传感器的认识，让学生了解传感器的多种类型及用途。引导学生主动查阅资料，深入了解不同传感器的功能及可感知的环境变量。 让学生深入了解传感器的结构组成，明确敏感元件和转换元件的作用。通过对多种温度传感器的对比学习，帮助学生系统梳理温度传感器的类型及工作机制.补充说明传感器中敏感元件与转换元件的协作关系及发展趋势。让学生了解传感器的量程和分度值这两个重要技术指标。使学生更直观地理解这两个指标的含义及在实际传感器中的体现。培养学生的分析和应用能力，让学生在实践操作中，学会根据实际需求来选择传感器，强化知识的实际运用。拓展课外知识，把抽象的性能指标和实际应用联系起来，帮助读者更好地理解每个指标在具体情境中的体现和重要性。能让学生更容易将抽象的 “输出设备” 概念与实际生活中的具体物品联系起来，从而更好地理解输出设备的功能。更好地认识到物联网技术与生活的紧密联系。
课堂小结 认识物联网之“物”第二节1.新知导入2.物联网系统中的设备与部件3.完成课堂练习4.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 请结合所学内容，以 “智能家居中的灯光控制系统” 为例，分析其中传感器、控制器、执行器分别是什么，并说明它们在系统中的作用。作业要求明确指出该系统中传感器、控制器、执行器的具体设备。详细阐述各设备在系统中的功能和工作过程。字数不少于 200 字。 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。
图2-10传感器信号转换过程
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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