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采集环境温度教学设计
课题 采集环境温度 单元 物联网数据采集——温湿度采集器 学科 初中信息技术 年级 八年级
教材分析 本课教材围绕环境温度采集器展开，从聚焦温度感知引出制作需求，探索部分介绍温度采集器功能及传感器知识。设计环节给出功能逻辑，实践部分按准备、连接硬件，编写、运行调试程序步骤进行，还安排数据分析交流活动。议一议环节引导学生分析误差，拓展部分让学生尝试开发板自带模块并思考其局限性，内容丰富，兼具理论与实践，有助于提升学生综合能力。
学习目标 信息意识：认识到环境温度作为一种重要信息，在日常生活和植物栽培等领域有着关键作用，理解准确采集环境温度信息的意义。计算思维：分析环境温度采集器的功能需求，将其拆解为初始化连接、定义变量、设置显示、循环采集等步骤，培养问题分解能力。数字化学习与创新：借助主控板、DHT11 数字温湿度传感器等数字化工具，以及编程软件，完成环境温度采集器的制作，学会运用数字化工具解决实际问题。信息社会责任：了解误差的存在，区分偶然误差、系统误差和人为误差，明白减少误差对获取可靠信息的作用，培养严谨的科学态度和社会责任感。
重点 掌握环境温度采集器的制作原理与流程，包括理解温度传感器工作机制，学会使用DHT11数字温湿度传感器采集数据；熟悉硬件连接方式，能将传感器与主控板正确连接；掌握编程步骤，实现初始化、变量定义、数据显示及循环采集功能，完成采集器制作。
难点 理解温度传感器将环境温度模拟信号转化为数字信号的原理；精准运用编程实现主控板与传感器的数据对接，合理设置循环模块实现每3秒采集一次数据并更新显示；引导学生分析实验误差，区分偶然误差、系统误差和人为误差，培养严谨的科学思维与数据分析能力。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 湖南某中学的植物栽培实验室中种植着各种各样的绿色植物。不同植物对生长环境的要求也是不同的，管理员老师要针对不同的植物调节不同的光照度、空气温度、土壤湿度、风速等，以保证每一种植物的健康成长。随着物联网的不断发展，融入物联系统的智能栽培室也逐渐被推广开来。管理员老师不再需要亲自到实验室调节植物的生长环境，而是可以利用各种各样的传感器获取有关温湿度高低、光线明暗等的准确信息和数据，然后对这些数据进行加工处理，最终通过智能终端达到对温湿度、光线等的控制。在本单元中，我们将使用环境温度传感器和土壤湿度传感器来制作一个智能温湿度采集器，并进一步探究传感器在物联网感知层中的应用。学习目标1.利用温度传感器制作环境温度采集器，了解物联网感知层如何感知温度。2.利用湿度传感器制作土壤湿度采集器，了解物联网感知层如何感知土壤湿度。3.通过制作温湿度采集器，体验“物联网+农业”的简单应用。4.通过将温湿度采集器与LED小灯闪烁警报结合，实现在植物栽培实验室中温湿度采集器的警报功能。5.通过结合通信模块，实现温湿度采集器在发出警报后还能够通知相关人员前来处理的功能，并且设计完成实验报告。学习成果制作一个带有警报和通信功能的温湿度采集器，实现对环境温度和土壤湿度数据的采集及警报。学习路径第1课采集环境温度学会使用环境温度传感器。第2课采集土壤湿度学会使用土壤湿度传感器。第3课简易温湿度采集器学会显示传感器数据信息。第4课警报采集结果为采集器加入信号警报功能。第5课智能温湿度采集器为采集器加入信息传输功能。 了解本单元的学习主题、学习目标、学习成果、学习路径。 通过教师简要介绍，让学生知晓本单元的学习主题。
讲授新课 认识温湿度传感器温度是指物体的冷热程度，人类作为恒温动物，对环境温度的感知非常敏锐，而植物对环境温度的变化感知就迟钝很多。要想栽培出健康的植物，需要一个能够采集环境温度的设备来帮助植物感知温度。学会采集环境温度，对人类智能技术的发展也很重要。本课我们将制作一个环境温度采集器，每3秒采集一次环境温度，通过液晶显示屏将采集到的环境温度数据显示出来。要制作一个环境温度采集器，首先要清楚它的功能。温度采集器是一个用来采集环境温度数据的机器。物联网的特点之一就是它可以通过机器采集数据，并且通过机器之间的通信，达到万物互联。要想采集环境温度数据，先要学会如何使用温度传感器。能量加油站——DHT11数字温湿度传感器这是一款能够检测温湿度的复合传感器，它内置了一个测温元件、一个电阻式感湿元件和一个单片机。它检测的是环境中的温湿度。写一写DHT11数字温湿度传感器里有一个电阻式感湿元件和一个NTC热敏电阻。请将各个选项所对应的字母填入流程图模块的括号中。参考：师：温度变化引起测温元件电阻值的变化，进而引起电阻两端电压的变化，温度传感器就是这样感知到温度变化的。能量加油站从电阻值与温度关系来看，NTC热敏电阻的阻值随着温度的升高而下降。二、环境温度采集器分析与设计使用温度传感器，可以将环境温度的模拟信号转化成数字信号。接下来我们需要将采集到的温度数据传输到物联网系统的控制中心——主控板上。在这里，我们需要将温度传感器和主控板进行连接，所采用的数据传输方式是有线传输。从编程实现的角度来看，要想让主控板能够接收到温度传感器采集的数据，并通过显示屏输出，应该有哪些步骤呢 1.初始化连接。首先，我们不仅需要在硬件连接上将传感器与主控板连接，也需要在软件编程上将它们进行对接，通过软件编程将“传感器型号”“主控板引脚”进行选择，从而让它们之间可以传输数据。2.定义变量。我们把会随着时间变化而不断变化的量称作“变量”。变量并不是凭空出现的，需要先给它命名，并且赋予一个初始值，后续它才可以发挥作用。在环境温度采集器里，这个变量就是环境温度。在编写程序的过程中，要记得定义温度数据，并且给它赋一个初始值。3.设置液晶显示屏输出。在正式开始采集温度数据之前，我们要将温度数据的显示先设置好。如果只是主控板收到了环境温度数据，实验员并没有办法知道，因此需要通过显示屏进行输出，将温度数据这个变量输出出来。首先，需要将变量的初始值进行输出，后续当又重新采集数据时，更新这个输出的数据即可。因为我们定义的是变量，所以在输出过程中，屏幕上的内容也是随着采集到的环境温度数据的变化而变化的。4.循环3秒采集环境数据。因为室内环境温度变化往往没有特别快，所以环境温度采集器是以3秒为一次采集周期，每过3秒采集一次环境温度。在编程实现的过程中，需要注意运用循环模块，重复每3秒采集一次这个操作，并且同步更新显示屏上输出的温度数据。当上述编程全部实现以后，我们将进行程序的调试，测试输出，检查能否成功实现环境温度采集器的功能。环境温度采集器要实现的功能是，开始阶段初始化环境温度变量，程序启动开始采集环境温度数据，显示屏会显示采集到的温度数据，每隔3秒再采集一次数据并更新显示结果。请根据以上算法逻辑补全算法流程图。三、实现环境温度采集器1.准备硬件。本次实验我们要用到的实验硬件是主控板和DHT11数字温湿度传感器。主控板×1DHT11数字温湿度传感器×12.连接硬件。将DHT11数字温湿度传感器与主控板的一个引脚(以P21-A为例)连接起来，并且将主控板与电脑进行连接。观察右图所示的硬件连接图，找出数据的传输线路，结合NTC热敏电阻的原理，思考电压变化影响液晶显示屏示数变化的过程是在哪个元器件上发生的。3.编写程序。(1)Python主程序初始化整个程序。(2)初始化DHT11数字温湿度传感器，对接主控板的引脚。(3)定义变量“温度数据”,并且赋值为0。(4)设置液晶显示屏显示变量“温度数据”的值。(5)采用循环模块，每3秒读取一次环境温度，并在液晶显示屏上进行更新显示。4.运行调试。我们发现，当程序刚开始运行时，液晶显示屏上显示数字为0,但很快屏幕上的数字就更新为当前环境的温度数据，并且每隔3秒就会进行一次数据更新。环境温度是在动态发生变化的，因此我们可以通过屏幕上示数的变化知道现在环境温度的高低，下面我们来一起测试一下我们的温度采集器是否有足够的灵敏度来检测出这些变化。我们需要分开做以下两组数据分析工作：(1)在不动态改变环境温度的情况下，记录1分钟内的环境温度；(2)在人为扇风的情况下，记录1分钟内的环境温度。请将数据记在下表中。时间/s102030405060自然环境温度/℃人为扇风情况下的温度/℃拓展实践：定时显示温度我们在测试10秒，20秒等节点温度时，如果看秒表计时就比较麻烦，如何设计一个给定时间节点显示温度的程序呢？显示的样式可以是10秒：25.6；再过10秒，显示20秒：25.7，依次显示1分钟内温度。效果如下图。 参考程序：议一议针对记录的数据，以小组为单位，根据平均值、方差等数学概念，分析自然环境下的温度变化与人为影响下的温度变化有什么异同。接下来，请在各个小组之间进行对比，交流分别进行了哪些人为影响的操作，以及最终带来了什么样的结果。如果结果与预期不同，影响因素是什么 师：在本次实验中，哪些误差属于偶然误差，哪些误差属于系统误差，又有哪些误差是可以避免的人为误差呢？能量加油站——误差误差是指实验中获得的值与它的客观真实值在数值上的不一致。误差分为三种，分别是偶然误差、系统误差和人为误差，人为误差是可以避免的，前两个误差是不能避免的。拓展开发板也有自带的温度传感模块。查阅资料，尝试应用开发板自带的温度传感模块来测量环境温度，并思考做植物温湿度采集器时为什么不能用开发板自带的传感模块。参考程序：
效果： 了解本课的学习任务——制作环境温度采集器。学习DHT11数字温湿度传感器结构。学习NTC热敏电阻特性。学习环境温度采集器制作步骤。完善环境温度采集器算法流程图。小组合作实现环境温度采集器。使用制作的环境温度采集器实验，并记录数据。学习误差的概念。使用开发板自带的温度传感模块制作环境温度采集器。 先介绍温度概念及制作环境温度采集器的意义，引出温度传感器。接着说明温度采集器功能及与物联网关联，强调学会使用温度传感器的重要性。最后聚焦 DHT11 传感器，通过讲解其元件及 NTC 热敏电阻特性，为后续学生理解传感器感知温度原理做铺垫。先阐述温度传感器数据传输至主控板的背景，引出从编程角度实现数据接收与输出的探讨。接着详细说明初始化连接、定义变量等关键步骤，让学生清晰了解编程流程。最后明确采集器功能并提及后续调试，让学生系统掌握环境温度采集器的设计与实现方法。先介绍实验所需硬件及连接方式，引导学生思考原理。接着说明编写程序步骤，让学生掌握编程逻辑。运行调试环节通过记录分析不同情况下的温度数据，培养数据分析能力。最后探讨误差类型，拓展应用开发板自带模块，拓宽学生知识面，提升实践与思考能力。
课后练习 选择题DHT11 数字温湿度传感器中，NTC 热敏电阻的阻值变化特点是（ ）A. 随着温度升高而升高B. 随着温度升高而下降C. 温度变化时阻值不变D. 先升高后下降答案：B。环境温度采集器采集数据的周期是（ ）A. 1 秒B. 2 秒C. 3 秒D. 5 秒答案：C。判断题温度传感器是将环境温度的数字信号转化成模拟信号。（ ）答案：错误。人为误差是可以避免的，偶然误差和系统误差不能避免。（ ）答案：正确。简答题请简述制作环境温度采集器时，编程实现数据采集与显示的主要步骤有哪些？答案：初始化连接：硬件上连接传感器与主控板，软件上对接“传感器型号”“主控板引脚”。定义变量：将环境温度定义为变量并赋予初始值。设置液晶显示屏输出：先输出变量初始值，后续采集新数据时更新输出。循环 3 秒采集环境数据：运用循环模块，每 3 秒采集一次并更新显示屏数据。 结合本课学习内容，独立完成课后练习。 通过课后练习，进一步巩固本课学习的环境温度采集器相关的内容。
课堂小结 组织学生分小组总结本课学习内容，请每个小组代表说说自己小组总结的结果。教师做最后的补充。参考：同学们，这节课我们一起走进了环境温度采集的奇妙世界。大家了解了温度传感器感知温度的原理，掌握了DHT11数字温湿度传感器的使用方法，还成功将传感器与主控板连接，通过编程实现了每3秒采集一次环境温度并在显示屏显示的功能。在实践过程中，大家积极调试程序，记录不同情况下的温度数据，还深入分析了误差产生的原因。这不仅锻炼了大家的动手和编程能力，更培养了严谨的科学态度。希望大家课后继续探索，尝试用所学知识解决更多实际问题，在信息技术领域不断成长！ 在小组讨论基础上，推选代表总结本课学习内容。其他小组做补充总结。 学生自己总结学习内容是一种学习方法，每次课可以梳理出学习了哪些知识、技能方法和思维方式，在头脑中形成本课程的学科结构。
板书 从教师板书上归纳本课学习内容的重点。 通过板书，帮助学生形成本课学习内容思维导图。
21世纪教育网www.21cnjy.com精品试卷·第2页（共2页）
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