资源简介

教学教案设计
总第 10 课时
课 题 名 称 采集土壤湿度
学习目标 （包含学科核心素养） 认识到土壤湿度是影响植物生长的关键数据，理解精准采集数据在智能栽培中的重要性。 通过对比土壤湿度传感器与环境温湿度传感器的异同，迁移上节课的数据采集逻辑，构建通用的物联网数据采集模型。 动手制作土壤湿度采集器，并能通过数据可视化（折线图）分析湿度变化规律，评估设备灵敏度。 形成通过技术手段进行科学种植、节约水资源的责任意识。
问 题 类 型 学生问题 为什么检测土壤湿度需要一个专门的传感器，而不能用上节课的环境温湿度传感器？ 为什么要把那两个“小叉子”插进土里才能测出湿度？它在土里是怎么工作的？ 我们怎么知道采集到的数据是准的？什么样的土壤湿度对植物来说才是“好”的？
学科问题 土壤湿度传感器的工作原理是什么？其电阻值如何随土壤水分含量变化？ 在编程实现上，土壤湿度采集器与环境温度采集器的主要区别是什么？（提示：传感器初始化与变量定义） 如何通过实验数据（记录表与折线图）分析并确定自然条件下土壤湿度的正常范围（上界值与下界值）？
教师问题 1.如果我们把传感器放在空气中和插入不同干湿程度的土壤中，显示屏的读数会有什么不同？这说明了什么？ 2.观察我们绘制出的两条湿度变化折线图，你能解释为什么在人为加水后，湿度曲线的变化趋势和波动情况与自然条件下不同吗？
问题系统 （星号标出核心问题） 1.土壤湿度传感器的工作原理是什么？其电阻值如何随土壤水分含量变化？ 2.在编程实现上，土壤湿度采集器与环境温度采集器的主要区别是什么？（提示：传感器初始化与变量定义） 3.如何通过实验数据（记录表与折线图）分析并确定自然条件下土壤湿度的正常范围（上界值与下界值）？
问题探究流程 导（问题引导）、学（自主探究）、探（合作探究）、测（课堂检测）、拓（知识拓展）
导（问题引导）： 情境创设： （展示两组植物对比图）一组根系健康、枝叶茂盛；另一组叶片萎蔫，土壤要么干裂要么积水烂根。 教师提问（核心问题）：“上节课我们为植物装上了‘体温计’，成为了合格的‘温度守护神’。但现在，我们如何判断土壤下的植物是‘口渴’了还是‘溺水’了？我们怎样才能为它们安装一个‘口渴’警报器？” 知识点：土壤湿度对植物健康的关键影响；引入土壤湿度采集的需求。 引导过程： 学生基于生活经验讨论。 教师追问：“用手摸能准确知道土壤深处的湿度吗？环境温湿度传感器能插进土里吗？”——引导学生认识到需要一种能深入土壤内部进行检测的专用工具，从而引出土壤湿度传感器。 衔接：今天，我们的使命升级——制作土壤湿度采集器，洞察土壤的秘密！ 学（自主探究）： 任务驱动：每位学生化身“传感器专家”，对比分析土壤湿度传感器与环境温湿度传感器的异同，探究其工作原理。 知识点：土壤湿度传感器的结构、工作原理（电阻式）；与环境温湿度传感器的区别。 自主探究任务清单： 观察与对比：观察土壤湿度传感器实物或图片，找出它与DHT11环境温湿度传感器最显著的不同。（答案：有两个裸露的叉形探针） 阅读与理解：阅读“能量加油站：土壤湿度传感器的工作原理”，完成“做一做”选择题。 答案：B. 湿润的土壤 具有更好的导电率。因为水分含量高，导电率高，对电路的阻力小。 原理阐述：请用自己的话解释：当土壤变湿时，传感器两个探针之间的电阻会发生什么变化？为什么？（参考答案：电阻会变小。因为土壤水分增加，导电性变好，电流更容易通过，相当于阻力变小了。） 教师角色：巡视指导，确保所有学生理解“电阻随湿度增加而减小”这一核心原理。 探（合作探究）： 任务驱动：小组合作，完成土壤湿度采集器的搭建、编程，并开展科学的数据采集与分析，绘制湿度变化折线图。 知识点：硬件连接；编程逻辑（重点区分传感器初始化与变量定义）；数据记录、可视化与分析。 合作探究步骤： 硬件搭建与原理验证（对应教材“实践1-2”）： 任务：正确连接土壤湿度传感器与主控板。 探究问题（教师提问1）：“我们先做个预实验：把传感器先放在空气中，再插入一杯水中，最后插入干燥和湿润的土壤中。观察显示屏读数，你发现了什么规律？”（引导学生验证：空气≈0，水中读数最高，干土读数较低，湿土读数较高。） 编程实现与算法设计（对应教材“实践3”与“设计”）： 任务：补全教材中的算法流程图，并合作编写Python程序。 核心挑战：对比上一课的程序，找出需要修改的地方。 答案：主要是初始化传感器的模块和定义的变量名（从“温度数据”变为“湿度数据”）。循环结构（3秒一次）保持不变。 数据采集、可视化与“写一写”（对应教材“运行调试”与“写一写”）： 任务：运行程序，完成教材中的两组数据记录表（自然状态 vs 人为加水），并绘制折线图。 小组分工：操作员（负责传感器放置与加水）、读数员、记录员、绘图员。 数据分析与讨论（深化“议一议”）： 问题一（教师提问2）：观察两条折线图，人为加水的曲线与自然条件下的曲线在变化趋势和波动幅度上有什么显著不同？为什么？（答案：人为加水曲线会呈现快速、大幅的上升，而自然条件下的曲线相对平缓稳定。因为人为干预是强烈的、瞬间的改变，而自然蒸发和渗透是缓慢的过程。） 问题二：根据折线图，你们认为对于这种植物，土壤湿度的“健康范围”（上界值和下界值）大概是多少？（引导学生根据曲线拐点或稳定区间进行估算，没有标准答案，重在科学推断过程。） 问题三：这次实验中，可能存在哪些误差？如何改进实验让数据更精确？（引导思考：传感器与土壤接触是否紧密、加水是否均匀、读数时机等。） 四（课堂检测）： 1.选择题：土壤湿度传感器的工作原理是基于土壤的什么特性？（ C ） A. 温度 B. 酸碱度 C. 导电率 D. 密度 2.判断题：土壤湿度传感器和DHT11环境温湿度传感器可以互换使用。（ × ） 3.填空题：在编程初始化时，如果我们将土壤湿度传感器连接在P21引脚，那么程序中就需要指定引脚 P21。 五、拓（知识拓展）： 情境：情境：教师提出教材“拓展”中的问题：“一般来说，环境的湿度要比土壤的湿度低一些。这是真的吗？” 知识点：不同物理量的测量与对比；传感器应用的场景特异性。 探究任务： 小组利用上节课的DHT11环境温湿度传感器测量实验室的空气湿度。 同时，读取土壤湿度采集器在正常湿度的土壤中的读数。 对比两个数据。 揭示与总结： 结果：通常会证实环境湿度低于土壤湿度。 教师总结：“这个简单的对比实验再次告诉我们，不同的传感器是为不同的测量任务而生的。‘因地制宜，量体裁衣’，在物联网项目中选择正确的传感器，是成功的关键，也是我们信息社会责任感的体现——用最科学的方法解决问题。”
板 书 设 计 采集土壤湿度
区域一：核心问题 区域二：原理探究（对比与发现） 如何感知植物的“口渴”？ 环境温湿度传感器 → 测空气 → 放置即可 土壤湿度传感器 → 测土壤 → 必须插入 原理：土壤水分↑ → 导电性↑ → 电阻↓ → 读数↑ 区域三：实现流程（迁移与创新） 开始 → 初始化土壤湿度传感器 → 定义变量湿度数据 → 循环：【显示】→ 延迟3秒 → 【读取并更新】→ 区域四：关键结论 数据驱动：通过折线图分析湿度变化规律 学以致用：确定植物生长的湿度健康范围 社会责任：精准灌溉，节约资源
教 学 反 思
过将土壤湿度传感器与环境温湿度传感器进行全方位的对比（结构、用法、原理、编程），有效地帮助学生在新旧知识之间建立了联系，理解了不同传感器的适用场景，知识网络构建得更为牢固。 在编程环节，没有直接给出代码，而是引导学生通过“找不同”的方式，自主发现程序需要修改的关键点。这一设计巧妙地培养了学生的计算思维，实现了从“学会”到“会学”的跨越，教学重点从技能操练转向了思维训练。 不同小组的土壤类型、容器大小及加水量的差异，会导致数据横向对比性不强。未来可考虑提供标准化的土壤样本与定量滴水工具，以控制变量，使数据分析更具科学性。
1(共24张PPT)
第三单元第二课
采集土壤湿度
植物守护之旅
01
情境导入与目标
四维学习目标
信息意识
认识土壤湿度数据对植物生长的关键性，理解精准灌溉的意义。
计算思维
通过对比与迁移，理解土壤湿度传感器的工作原理，掌握其数据采集与显示的编程逻辑。
数字化学习与创新
动手制作土壤湿度采集器，并能通过数据记录与可视化（折线图）分析变化规律。
信息社会责任
形成利用技术进行科学栽培、节约水资源的责任感。
聚焦：植物的“口渴”警报
“如果土壤湿度过高，植物根系难以呼吸，最终会导致烂根；而如果土壤湿度过低，又会直接导致植物缺水，最终渴死。”
我们如何才能为植物安装一个“口渴”警报器？
健康植物与土壤
干枯与烂根植物
02
工具认知与原理
探索：认识土壤湿度传感器
环境温湿度传感器
放置于 空气中 检测
VS
土壤湿度传感器
有 两个裸露探针 ，必须 插入土壤
能量加油站：
土壤湿度传感器工作原理
两个裸露的叉形探针是可变电阻器。
其电阻因土壤中水分含量的变化而变化。
土壤水分越高 → 导电率越强 → 对电路的阻力越小
土壤水分 越低 → 导电率越弱 → 对电路的阻力越大
做一做：哪种土壤导电率更好？
A. 干燥的土壤
B. 湿润的土壤
答案：B. 湿润的土壤
(水分含量高，导电性好，电阻小)
03
任务与硬件搭建
合作探究：制作土壤湿度采集器
任务清单
硬件搭建：连接传感器与主控板。
编程实现：补全流程图，编写程序。
数据探究：记录数据，绘制折线图，分析规律。
角色分工建议
硬件连接师
主程序员
记录员
数据分析师
实践第一步：硬件连接
所需硬件：主控板 × 1，土壤湿度传感器 × 1。
连接方式：将传感器与主控板的一个引脚（以 P21-A 为例）连接。
重要提示：测量时，要将土壤湿度传感器放入土壤中。
04
编程与数据获取
设计：编程逻辑（补全流程图）
请补全缺失步骤：
1. 初始化土壤湿度传感器
2. 定义变量：湿度数据 = 0
3. 延迟3000毫秒 (3秒)
4. 读取传感器，更新“湿度数据”
实践：编写程序
Python
# (1) Python主程序开始，初始化整个程序
# (2) 初始化土壤湿度传感器，对接主控板引脚P21
# (3) 定义变量"湿度数据"，将其赋值为0
humidity_data = 0
# (4) 设置液晶显示屏显示变量"湿度数据"的值 (首次显示)
# (5) 采用循环模块，每3秒读取一次土壤湿度并更新显示
while True:
humidity_data = sensor.read()
# 读取传感器湿度值
screen.clear()
# 清屏
screen.display(humidity_data)
# 更新显示
time.sleep(3)
# 延迟3秒
写一写：记录实验数据
时间/s 10 20 30 40 50 60
自然条件下的湿度/%
人为加水情况下的湿度/%
05
数据分析与反思
数据分析：让数据“说话”
将记录的数据用折线图进行可视化呈现。
目的：
分析变化原因，判断实验是否符合预期。
明确土壤湿度的自然范围。
议一议：从数据中我们能发现什么？
问题1：两条折线图的变化趋势和波动幅度有何不同？为什么？
引导答案：人为加水曲线快速上升、波动大；自然曲线平缓。因为人为干预是剧烈的。
问题2：根据图表，你认为这种植物的“健康湿度范围”是多少？
引导答案：观察自然条件下的曲线稳定区间，以及人为加水后开始急剧上升的拐点。
问题3：实验中有哪些可能的误差？如何改进？
引导答案：传感器接触不良、读数误差等。改进：确保探针完全插入、多次读数取平均。
06
知识拓展与检测
RH
相对湿度
能量加油站：RH（相对湿度）
RH 是 Relative Humidity 的缩写。
定义：指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。
提示：本课测量的土壤湿度，其数值含义与空气相对湿度不同，请注意区分。
课堂检测
1. 选择题：土壤湿度传感器的工作原理是基于土壤的（ C ）。
A. 温度 B. 酸碱度 C. 导电率 D. 密度
2. 判断题：土壤湿度传感器和DHT11环境温湿度传感器可以互换使用。（ × ）
3. 填空题：在编程中，让土壤湿度采集器每3秒工作一次，使用的是 循环 结构。
4. 简答题：为什么要把土壤湿度传感器的探针插入土壤，而不能像环境传感器一样放在空气中？
参考答案：因为它通过检测土壤的导电率来工作，必须与土壤直接接触才能形成电流回路，测量出准确的土壤湿度。
拓展：环境湿度 vs 土壤湿度
环境湿度
<
土壤湿度
常识：一般来说，环境的湿度要比土壤的湿度低一些。
挑战
用环境温湿度传感器测量环境湿度，与土壤湿度进行对比。
思考
为什么在智能栽培中，需要同时监测这两种不同的湿度？
07
总结与展望
本课总结
原理
探针测导电率，水分升则阻降。
实现
编程逻辑复用，但需改初始化与变量。
探究
通过数据记录与可视化，
找出健康湿度区间。
核心
根据不同需求选择正确的传感器，
是物联网应用的关键。《采集土壤湿度》课堂检测
一、 选择题
(简单) 我们本节课使用的土壤湿度传感器，其下方有两个裸露的探针，这两个探针实际上是？（ ）
A. 单片机
B. 可变电阻器
C. 液晶显示屏
D. 发热元件
答案：B
解析： 根据教材“能量加油站”部分，土壤湿度传感器有两个裸露的叉形探针，这两个导体是可变电阻器，其电阻会因土壤中水分含量的变化而变化。
(中等) 关于土壤湿度传感器的工作原理，下列说法正确的是？（ ）
A. 土壤越干燥，传感器的电阻值越小，读数越高。
B. 土壤越湿润，传感器的电阻值越大，读数越低。
C. 土壤越湿润，传感器的电阻值越小，读数越高。
D. 土壤湿度与传感器的电阻值和读数没有直接关系。
答案：C
解析： 根据工作原理：土壤水分含量增加 → 导电率升高 → 对电路的阻力（电阻）减小 → 传感器转换输出的读数升高。
(中等) 在编写土壤湿度采集器的程序时，相较于环境温度采集器，我们最主要需要修改的两个部分是？（ ）
A. 循环结构和延迟时间
B. 主控板型号和液晶显示屏
C. 传感器初始化模块和定义的变量名
D. 程序的开始和结束模块
答案：C
解析： 由于使用的传感器类型和采集的数据发生了变化，因此在编程中，需要将初始化的传感器模块从环境温湿度传感器改为土壤湿度传感器，同时将定义的变量名从“温度数据”更改为“湿度数据”等。循环结构（如3秒一次）是相同的，不需要修改。
(较难) 在实验数据分析环节，某个小组发现，在自然条件下记录的土壤湿度数据波动范围很小，而在人为加水后，数据先是快速大幅上升，随后缓慢下降。这个“缓慢下降”的过程主要体现了？（ ）
A. 传感器的系统误差
B. 土壤中水分的自然蒸发和渗透
C. 人为读数造成的偶然误差
D. 主控板出现了计算错误
答案：B
解析： 人为加水后，湿度读数会因大量水分涌入而快速上升。之后，水分会通过蒸发到空气中和向土壤深层渗透而逐渐减少，这是一个自然的、相对缓慢的过程，因此湿度读数会呈现缓慢下降的趋势。这反映了自然条件下土壤湿度的真实变化规律。
(较难) 制作植物栽培实验室的土壤湿度采集器时，必须使用专门的土壤湿度传感器，而不能用开发板自带的温度传感模块或环境温湿度传感器代替，根本原因是？（ ）
A. 专门的土壤湿度传感器价格更便宜。
B. 专门的土壤湿度传感器编程更简单。
C. 专门的土壤湿度传感器是为直接接触并测量土壤导电性（电阻）而设计的，能准确反映土壤湿度。
D. 开发板自带的传感器无法连接液晶显示屏。
答案：C
解析： 不同的传感器是为不同的测量目标和原理设计的。开发板自带温度模块主要用于监测芯片温度，环境温湿度传感器用于检测空气。而土壤湿度传感器通过探针直接接触土壤，以土壤的导电性（电阻） 作为测量依据，这是它能够准确测量土壤湿度的根本原因。
二、 判断题
( ) 土壤湿度传感器和环境温湿度传感器在使用方法上可以互换。
答案：×
解析： 两者不能互换。土壤湿度传感器需要插入土壤中测量，而环境温湿度传感器只需放置在空气中测量。
( ) 在程序运行过程中，变量“湿度数据”的值是固定不变的。
答案：×
解析： 变量“湿度数据”的值会随着循环读取传感器而不断更新变化，从而反映最新的土壤湿度。
( ) 土壤湿度传感器是通过检测土壤的导电率来工作的。
答案：√
解析： 教材明确指出，土壤中水分含量的变化影响的是土壤的导电率，从而影响传感器的电阻值。
( ) 连接硬件时，可以将土壤湿度传感器随意连接到主控板的任何一个引脚。
答案：×
解析： 连接引脚必须在硬件连接和软件编程中对应一致（如教材示例的P21引脚），不能随意连接，否则程序无法正确读取数据。
( ) 将土壤湿度传感器从干燥的土壤中取出并悬在空中，其读数通常会变为0或一个很小的值。
答案：√
解析： 空气的导电性远低于湿润的土壤，因此传感器在空气中测得的电阻值很大，转换后的湿度读数会非常低，接近0。
( ) 在编程中，让土壤湿度采集器每3秒采集一次数据，是通过“定义变量”这一步骤实现的。
答案：×
解析： 定时采集的功能是通过循环结构（如while True循环）配合延迟函数（如time.sleep(3)）来实现的。“定义变量”是用于存储数据。
( ) 实验中，因为传感器插得不够紧而导致读数不稳，这属于系统误差。
答案：×
解析： 这是由于操作不当引起的，属于可以避免的人为误差。系统误差通常指由于仪器本身不精确、测量方法固有缺陷等导致的误差。
( ) 通过绘制“自然条件下”和“人为加水后”的土壤湿度变化折线图，可以帮助我们分析植物生长的适宜湿度范围。
答案：√
解析： 通过对比分析两条曲线，可以观察自然状态下湿度的稳定区间，以及人为改变湿度后的变化趋势，从而推断出植物生长的健康湿度范围。

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