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采集土壤湿度教学设计
课题 采集土壤湿度 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 本课围绕土壤湿度采集展开，实用性、操作性突出。聚焦部分以植物栽培实验室需求引入，明确学习目标。探索环节，通过对比土壤湿度传感器与环境温湿度传感器，让学生清晰认识工具特点。能量加油站阐述传感器工作原理，深化知识理解。实践部分，详细介绍硬件准备、连接、编程及运行调试步骤，逻辑清晰，利于学生动手操作。写一写环节通过数据记录与图表呈现，培养学生数据分析能力。拓展部分引导学生用环境温湿度传感器测量环境湿度，进一步拓展知识，激发探索兴趣，全面提升学生信息技术实践能力与科学思维。
学习目标 信息意识：通过数据记录与分析土壤湿度信息，可以了解自然条件下土壤湿度范围，以及人为干预对土壤湿度的影响。计算思维：理解土壤湿度采集器的工作流程，包括传感器采集数据、传输到主控板、数据处理与显示等环节，形成问题解决的整体思路。数字化学习与创新：尝试将记录的数据用折线图进行可视化呈现，分析折线图变化原因，探索新的数据分析与展示方式，激发创新思维。信息社会责任：在分组实验中，明确分工，相互协作，共同完成数据记录与分析任务，培养团队合作精神和社会责任感。
重点 让学生理解土壤湿度传感器的工作原理，明确其与环境温湿度传感器的区别，能正确选择使用。指导学生完成土壤湿度采集器的硬件连接，包括传感器与主控板、主控板与电脑的连接。带领学生编写采集土壤湿度的程序，掌握初始化传感器、定义变量、设置循环采集数据及显示等关键编程步骤。
难点 编程过程中，依据土壤湿度传感器特性，合理编写初始化和定义变量的程序，与采集环境温湿度程序做好区分。引导学生对采集到的土壤湿度数据进行有效分析，通过绘制折线图理解数据变化原因，明确自然状态下土壤湿度范围。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 在湖南某中学的植物栽培实验室中，管理员老师正在思索如何能及时准确地采集土壤湿度。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。本课我们就来学习做一个土壤湿度采集器，利用土壤湿度传感器每3秒采集一次植物生长的土壤的湿度。 了解本课的学习主题、学习目标、学习成果等。 通过教师简要介绍，让学生知晓本课的学习主题。
讲授新课 一、认识土壤湿度传感器要实现对土壤湿度的采集，我们需要用传感器采集数据，将数据传输到主控板，再控制主控板进行数据的处理与液晶显示屏的显示，最后将湿度数据输出。接下来，我们来认识一下将土壤湿度数据进行转化的工具——土壤湿度传感器。土壤湿度传感器和环境温湿度传感器的区别在于，土壤湿度传感器的下方有两个裸露的可变电阻器，可以将这两个导体插入土壤中探测土壤湿度。而用环境温湿度传感器检测环境的温湿度时，只需要将其放置于空气中检测即可，不能将其放入土壤中。能使用土壤湿度传感器采集到土壤湿度以后，再通过硬件连接将传感器与主控板相连，便可开始编写程序。在编写程序的过程中，要注意我们此次采用的传感器与环境温湿度传感器有所不同，采集的数据也有区别，因此初始化和定义变量的程序需要和采集环境温湿度的程序进行区分，不变的是土壤湿度采集器也是要每3秒采集一次，因此循环的周期也是3秒。能量加油站土壤湿度传感器的工作原理土壤湿度传感器有两个裸露的叉形探针，这两个导体实际上是可变电阻器，其电阻因土壤中水分含量的变化而变化。土壤中水分含量的变化影响的是土壤的导电率，导电率越高对电路的阻力越小，导电率越低对电路的阻力越大。做一做右图中哪一种土壤具有更好的导电率 A.干燥的土壤B.湿润的土壤二、设计土壤湿度采集器下面是实现土壤湿度采集器的算法流程图，整体逻辑和环境温度采集器相近，请根据上一节课学习的内容补全该算法流程图。三、实现土壤湿度采集器1.准备硬件。要实现利用土壤湿度传感器测量土壤湿度，就需要用到主控板和土壤湿度传感器。主控板×1土壤湿度传感器×12.连接硬件。按照右图所示，首先将土壤湿度传感器与主控板的一个引脚(以P21-A为例)连接起来，再将主控板与电脑进行连接。测量时，要将土壤湿度传感器放入土壤中。3.编写程序。（1）选择“Python主程序开始”模块，初始化整个程序。（2）初始化DHT11土壤湿度传感器，对接主控板的引脚。定义变量“湿度数据”,将其赋值为0。设置液晶显示屏显示变量“湿度数据”的值。采用循环模块，每3秒读取一次土壤湿度，并在液晶显示屏上进行更新显示。4.运行调试。当程序刚开始运行时，屏幕上显示数字0,但很快数字就更新为当前传感器检测到的湿度数据，并且每隔3秒会进行一次数据的更新。如果传感器是放置在空气中，那么它检测到的数据可能会保持为0或一个较小的数字；如果想得到土壤的湿度数据，还是要将传感器放置于土壤当中进行检测。能量加油站初始化传感器这里的初始化传感器的编程模块，便是将行空板通过引脚P21-A与传感器相连接，后续可以读取相应的湿度数据。能够从显示屏上读出土壤湿度值以后，可以通过人为加水观察土壤湿度的变化情况，测试一下土壤湿度采集器的灵敏度。同时，在这个过程中，可以观察一下土壤湿度在自然条件下的范围是多少，到了多少湿度就说明此时是一个非自然状态了。可以在组内进行分工，分别负责读示数工作、记录数据工作、动态改变环境湿度的工作等。请分组做以下两种数据分析工作：(1)在自然条件的土壤湿度情况下，记录1分钟内的土壤湿度；(2)在人为加水改变土壤湿度的情况下，记录1分钟内的土壤湿度。写一写请将数据记录在下表中。时间/s102030405060自然条件下的湿度/%人为加水情况下的湿度/%拓展学习：土壤湿度传感器数值转换为百分比通用公式百分比=(原始值-最小值)/(最大值-最小值)×100% 其中： 最小值 ：传感器在完全干燥环境下的读数 最大值 ：传感器在完全湿润环境下的读数将上表中的数据用折线图进行可视化呈现，可以帮助我们分析折线图变化的原因，以及实验是否符合我们的预期，同时更加明确土壤湿度在自然条件下的上界值和下界值。自然条件下的湿度变化人为影响下的湿度变化参考：RH是RelativeHumidity的缩写，指相对湿度。相对湿度是指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。拓展一般来说，环境的湿度要比土壤的湿度低一些。请尝试用环境温湿度传感器测量一下环境的湿度，看是否符合我们的预期。参考程序 阅读教材了解土壤湿度传感器知识，思考并回答右图中哪种土壤导电率更好，理解土壤湿度与导电率的关系。依据上节课所学，仔细观察流程图，分析逻辑关系，尝试补全土壤湿度采集器的算法流程图。按步骤准备并连接硬件，编写运行程序。分组记录自然和人为加水条件下 1 分钟内土壤湿度数据，填表后绘制折线图分析。尝试用环境温湿度传感器测环境湿度，对比与土壤湿度差异。 通过介绍土壤湿度传感器，对比其与环境温湿度传感器差异，阐述工作原理，让学生明确采集要点，区分不同传感器编程差异，以问题引导学生思考土壤导电率，加深对传感器工作原理的理解。借助与上节课环境温度采集器逻辑相近的土壤湿度采集器算法流程图，引导学生迁移知识，强化算法设计思维。通过详细介绍土壤湿度采集器的实现过程，涵盖硬件准备、连接、编程及运行调试，让学生掌握操作技能。安排数据记录、分析以及拓展学习内容，引导学生深入理解土壤湿度概念，培养其数据收集、处理与分析能力，激发对科学探究的兴趣。
课后练习 一、选择题1.土壤湿度传感器下方有两个裸露的（），可插入土壤中探测湿度。A.电容B.可变电阻器C.电感D.二极管答案：B。土壤湿度传感器下方有两个裸露的可变电阻器，能插入土壤探测湿度。2.本课中土壤湿度采集器采集数据的循环周期是（）。A.1秒B.3秒C.5秒D.10秒答案：B。文中明确提到土壤湿度采集器每3秒采集一次数据。3.以下哪种情况土壤湿度传感器检测到的数据可能会保持为0或一个较小的数字？（）A.传感器放入湿润土壤B.传感器放入干燥土壤C.传感器放置在空气中D.传感器损坏答案：C。传感器放置在空气中时，检测到的数据可能会保持为0或一个较小的数字。二、判断题1.环境温湿度传感器可以放入土壤中检测土壤湿度。（）答案：错。环境温湿度传感器只能放置于空气中检测环境温湿度，不能放入土壤中。2.土壤中水分含量越高，导电率越低，对电路的阻力越大。（）答案：错。土壤中水分含量越高，导电率越高，对电路的阻力越小。3.编写土壤湿度采集程序时，初始化传感器的编程模块是将行空板通过引脚与传感器相连接。（）答案：对。初始化传感器的编程模块就是把行空板通过引脚与传感器相连，以便后续读取数据。三、解答题请简述土壤湿度传感器的工作原理，并说明如何利用它测量土壤湿度。答案：土壤湿度传感器有两个裸露的叉形探针，这两个导体实际上是可变电阻器。土壤中水分含量的变化会影响土壤的导电率，水分含量越高，导电率越高，对电路的阻力越小；水分含量越低，导电率越低，对电路的阻力越大。电阻的变化会被传感器转化为电信号。利用它测量土壤湿度时，首先要准备主控板和土壤湿度传感器，将传感器与主控板的一个引脚连接起来，再把主控板与电脑连接。然后编写程序，初始化传感器并对接主控板引脚，定义变量存储湿度数据，设置液晶显示屏显示该变量值，采用循环模块每3秒读取一次土壤湿度并在显示屏上更新显示。测量时将传感器放入土壤中，即可获取土壤湿度数据。 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采集土壤湿度相关的内容。
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，这节课咱们收获满满！我们了解到土壤湿度对植物生长至关重要，过高或过低都会影响植物。还认识了土壤湿度传感器，知道它和环境温湿度传感器不同，有两个裸露可变电阻器能插入土壤测湿度。通过实践，大家完成了硬件连接，编写程序让采集器每3秒采集一次数据并显示。我们还分组记录了自然条件和人为加水时1分钟内的土壤湿度。希望大家课后能继续探索，不断加深对知识的理解。 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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