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第5.14课《自动通风系统的设计》教学设计
课题 自动通风系统的设计 单元 第五单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：识别基于物联网的自动通风系统核心组件，理解各组件数据交互逻辑，提升对环境监测与智能控制技术的认知敏感度。计算思维：拆解 “传感器采集 - 网络传输 - 服务器判断 - 新风机执行” 流程，分析关键环节，培养技术问题拆解与逻辑梳理能力。数字化学习与创新：掌握物联网系统按架构分层细化需求的方法，能独立完成简单系统的功能需求分析，提升数字工具应用与系统设计创新能力。信息社会责任：认识物联网设备数据传输中的网络安全风险，规范服务器账号管理与设备通信协议配置，树立技术应用的安全与节能意识。
教学重点 掌握自动通风系统的需求分析方法，理解系统设计流程。
教学难点 清晰梳理自动通风系统中信息流动逻辑，理解各装置间的间接通信机制。
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5.14课 何为物联网1、单元引入第五单元：打造理想的智慧教室你有没有发现过无人的教室内投影仪却在持续工作的情况？你有没有遇到过同学们因教室内空气混浊而昏昏欲睡的情况？我们能够利用物联网使教室变得“智慧”吗？能否使投影仪在教室没人的时候自动关机？能否使新风机根据室内空气质量自动启停？（详细内容见p107页）图5-1智慧教室2、观看视频3、学习目标（1）能够分析系统功能需求、信息流动路径并设计系统方案，体验简单物联网系统的开发过程。（2）能够根据需求选择物联网系统硬件，设计物联网系统运行流程并编写软件代码，掌握系统调试和优化方法，完成物联网智慧教室控制系统的开发。（3）学会运用数字化工具解决实际问题的方法，感受物联网技术的实际应用价值。4、单元主题打造智慧教室，我们需要在教室里增加哪些装置？这些装置如何发挥作用 这些装置要能够采集教室内的关键数据，为教室的智能化管理提供基础信息;要能形成教室的“核心大脑”，负责处理采集到的数据，并根据预设的规则控制教室内的设备;还要能实现设备间的互联互通，这样就能达到提升教室“智慧”的效果。我们一起来探讨这些装置在智慧教室中的作用及其背后的原理，理解物联网如何提升传统教室的“智慧”水平。5、问题情境同学们在学校的大部分时间都是在教室中度过的。大家有没有注意到，在教室里，有时候我们会感到困倦和注意力不集中。这很可能是教室里的二氧化碳(CO )浓度过高导致的。依托校园无线网络，我们能不能设计自动通风系统，实现对教室内二氧化碳浓度的实时监测呢？是否可以使系统根据监测数据自动启停新风机来确保教室内始终充满新鲜空气呢？ 课程新知导入。学习本单元及本课学习目标。 帮助学生初步理解本课研究内容。帮助学生学习更有目标性。
讲授新课 新知讲解：实践探究一、需求分析1.明确功能需求实现教室自动通风先明确功能需求，设计需基于教室现有电路设备，附系统功能需求表（表 5-1）与系统图（图 5-2）。（ 详细内容见教材p109页）表5-1 自动通风系统功能需求表图5-2 自动通风系统图示小知识功能需求设计需考虑 “冗余性”，例如当主 CO 传感器故障时，系统可自动切换至备用传感器，避免因单点故障导致通风失控，提升系统可靠性。2.将功能需求按物联网架构分层细化分层依据：明确需求后，按物联网 “感知层、网络层、应用层” 架构细化功能，为方案设计提供精准指标。（ 详细内容见教材p110页）表5-2 自动通风系统功能需求分层细化表架构层功能需求细化说明感知层监测教室内二氧化碳浓度监测装置可灵活移动，可布置在教室内任意位置网络层监测装置、新风机均通过局城网通信通过局域网将监测装置和新风机进行连接，依托物联网平台提高系统的灵活性和可扩展性应用层通过联网的新风机遥控装置控制新风机启停，或通过局域网向联网的新风机发送启停控制指令对于没有联网功能的新风机，通过新风机遥控装置控制;对于具有联网功能的新风机，通过无线局域网控制小知识分层细化时需注意 “层间兼容性”，例如感知层传感器的通信协议（如 MQTT）需与网络层路由器支持的协议匹配，避免出现数据传输不兼容问题，常见的物联网协议还包括 CoAP、HTTP 等。二、系统设计在分层细化系统需求之后，就可以开始设计具体方案了。在这个阶段，我们需要依据功能需求梳理出系统的输入和输出信息，再根据系统功能规划合理的信息流动路径，并确定系统的硬件结构和编写软件程序。1.确定系统的输入和输出将系统看作 “黑盒”，分析 “输入” 与 “输出” 信息。自动通风系统的输入输出内容如图5-3所示。（ 详细内容见教材p111页）图5-3 自动通风系统的输入输出硬件对应：输入硬件为 二氧化碳浓度监测装置（感知层），输出硬件为新风机遥控装置（应用层），二者通过网络层（局域网）连接。 （ 详细内容见教材p111页）小知识系统输入可拓展多参数，例如增加温湿度、PM2.5 传感器，形成 “多输入 - 单输出” 或 “多输入 - 多输出” 系统，例如当 CO 超标且温度过高时，同时启动新风机和空调，提升环境舒适度。2.确定系统的组成部分及信息流动方向服务器对比判断二氧化碳浓度数据后，向新风机发控制指令，信息流动如图 5-4（橙、绿线分别表流入、流出服务器的信息）。（ 详细内容见教材p111页）图5-4信息流动方向监测装置采集的二氧化碳浓度数据经网络传至服务器，服务器处理后发控制指令给新风机遥控装置以启停新风机，二者连同一网络但不直接传信息。 （ 详细内容见教材p112页）想一想对于目前的功能需求，是否可以不通过服务器，由两个装置直接传输信息来实现系统控制？使用服务器有什么好处？可以不通过服务器直接通信，但仅适用于短距离（≤100 米）、简单场景。使用服务器的好处：集中管理：可同时连接多个监测装置和新风机。数据存储：记录历史 CO 浓度数据，便于分析教室使用规律。灵活扩展：后续可增加远程控制、异常报警等功能，无需修改装置硬件。小知识服务器可部署在本地（如校园机房）或云端（如阿里云 IoT），本地服务器数据安全性高，云端服务器无需维护硬件，适合规模较大的学校统一管理多栋教学楼的通风系统。3.确定系统总体结构二氧化碳浓度监测装置：传感器 + 联网微控制器，靠集成电路协议传数据。新风机遥控装置：红外元件 + 联网微控制器，靠电路传数据，均通过 Wi-Fi 连网传数据。（ 详细内容见教材p112页）图5-5 系统总体结构小知识微控制器选型需考虑 “低功耗”，例如 ESP32 支持深度休眠模式，在非采样时段可关闭部分模块，使传感器装置电池续航达 6-12 个月，适合无法外接电源的教室角落部署。三、课堂练习完成单项选择题：1、基于物联网的教室自动通风系统中，负责采集 CO 浓度数据的组件属于哪个架构层？（ A ）A. 感知层 B. 网络层 C. 应用层 D. 控制层2、下列属于闭环控制系统的是？（ C ）A. 声控灯 B. 感应自动门C. 冰箱恒温控制 D. 手动开关新风机完成多项选择题： 1、设计教室自动通风系统时，需考虑的现有条件包括？（ ABC ）A.教室电路布置 B. 电气设备位置 C. 校园无线网络覆盖 D. 学生座位数量2、物联网自动通风系统中，服务器的主要功能有？（ ABC ）A.接收 CO 浓度数据 B. 判断 CO 浓度是否超标 C. 发送新风机启停指令 D. 直接采集温湿度数据四、拓展延伸身边有很多控制系统，常规的用信号电缆连传感器、控制器和执行器，物联网让其部署更灵活，且物联网控制系统仍可用分析常规系统的方法分析。控制系统分开环（如声控灯、感应自动门）和闭环（如冰箱、烤箱）。（详细内容见教材p113页）查一查查阅资料，了解开环、闭环控制系统的结构特点，分析书中的案例，判断它们分别属于哪种控制系统。教室自动通风系统中，CO 传感器监测实际浓度（反馈），系统（控制器）对比设定浓度值调整新风机启停，存在反馈环节，属于闭环控制系统。多参数联动控制在 CO 浓度基础上，增加 PM2.5、温湿度监测，设定 “优先级控制逻辑”：当 PM2.5＞50μg/m 时，优先启动新风机新风模式。当 CO ＞1000ppm 且PM2.5≤50μg/m 时，启动新风机排风模式，实现多环境参数协同优化。远程监控与管理搭建手机 APP 或网页端监控平台，实时显示各教室二氧化碳浓度、新风机状态，支持远程修改二氧化碳浓度阈值（如考试期间设为 800ppm，自习期间设为 1000ppm），并推送异常报警（如传感器离线、新风机故障）。观看视频：开环控制系统和闭环控制系统的区别 明确自动通风系统 “监测 CO 浓度 + 自动启停新风机” 的核心功能。学习小知识。学习架构层相关的知识。学习小知识。图文结合学习相关知识。学习小知识。梳理 “监测装置→服务器→新风机遥控装置” 的信息流向。完成想一想。学习小知识。学习相关知识，学习小知识。完成练习题。进行知识拓展。完成查一查。 锚定系统核心目标，为后续设计铺垫。让学生理解冗余机制对避免单点故障、保障系统稳定的作用。培养分层思维，让需求更精准，支撑方案设计。使学生掌握分层细化时需关注层间协议兼容的要点，避免数据传输问题。明确系统信息交互核心，建立整体认知。让学生认识系统输入的可拓展性，培养系统功能优化与拓展的思维。理解系统协作逻辑，深化对网络架构的认识。引导学生深入分析物联网系统架构，培养系统架构的分析与优化思维。让学生认识服务器部署的多样选择，培养系统架构决策思维。掌握硬件系统构建逻辑，明确模块连接与通信规则。使学生认识硬件选型中低功耗的重要性。考察学生学以致用的能力，深化对本课知识内容的理解和掌握。拓宽学生知识面。引导学生自主探究，掌握开环与闭环控制系统的核心知识，提升资料查阅、案例分析及知识应用能力。
课堂小结 自动通风系统的设计1.需求分析2.系统设计3.完成课堂练习4.进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 查阅 MH-Z19B CO 传感器的数据手册，绘制该传感器与 ESP32 微控制器的接线图，标注引脚连接关系（如传感器 VCC 接 ESP32 5V 引脚，GND 接 GND，TX 接 ESP32 RX 引脚）。对比开环与闭环控制系统的优缺点，结合教室自动通风场景，说明为何选择闭环控制系统，撰写 300 字以内的分析报告。 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。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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