资源简介

项目3 监测绿植土壤湿度——物联网数据呈现
教学设计
一、内容分析
本项目是单元的第三课，是在完成了对绿植自动灌溉与远程浇水的基础上，通过物联网管理平台对绿植土壤湿度的情况进行监测与记录，并将得到的数据以多样化的形式呈现出来，便于管理者通过数据进行绿植的管理与维护。本课采用实验教学的方式组织进行，主要包含两项重要活动。首先，学习者需要搭建绿植土壤湿度监测装置，实现湿度数据的采集与传输；接着，利用物联网平台提供的数据可视化工具，对数据进行处理加工，形成便于阅读的数据图表。
二、学情分析
本节课的教学对象是八年级学生，他们好奇心强，具备较强的观察能力、分析能力和自主探究学习能力，愿意从实际问题出发进行学习和探究。通过前两节课的学习，他们已经利用物联网技术实现了绿植的远程浇水和自动灌溉。他们迫切希望知道怎么浇水更为合理，因此获得土壤湿度数据是他们面临的一个真实问题。他们具备数学学科数据统计图表的基础知识，但是对于如何在物联网平台中利用可视化工具自动处理加工这些数据，进而形成便于阅读的图表还缺少实践经验。
三、教学目标
1．素养目标
（1）了解常有的物联网数据呈现形式及其特点。
（2）选择合适的呈现形式，展示物联网数据。
2．项目目标
搭建绿植土壤湿度监测实验装置，对土壤湿度数据进行采集与处理展示。
四、教学重、难点
1．教学重点
（1）选择合适的实验器材，搭建土壤湿度数据采集装置。
（2）将采集的数据进行处理，选择合适的呈现方式展示物联网数据。
2．教学难点
根据不同类型的物联网数据选择恰当的呈现方式展示数据。
五、设计思路
本项目采用实验教学的方式组织开展，尝试利用物联网实验平台对绿植土壤湿度进行实时监测。首先在师生共同分析下明确实验目标，在对土壤湿度进行监测时，首先需要根据监测的要求，选择合适的实验装置进行系统的组装与搭建。接着利用教师提供的教学支架，认识了解不同的物联网数据呈现方式的实现过程与应用场景。最后在小组合作与实践探究中，实现数据的收集与处理，让它以最合适的方式呈现出来，便于绿植管理员进行查看使用。
六、教学准备
本项目教学活动，教师可以准备如下图所示的实验器材，制作绿植土壤湿度监测系统，准备好编程软件 Mind+，通过软件进行图形化编程实现数据的采集与呈现。
七、教学过程
实验流程 学习过程 教师引导 设计意图
提出问题明确目的 1．提出问题 班级的绿植在同学们的动手改造下已经能够实现远程浇水和自动灌溉了，但是这样的浇水仍然无法做到科学有效，怎样才能让绿植的灌溉更加及时准确呢？学习过程：思考、讨论，聚焦情境问题。 2． 明确目的 学习过程：思考并明确本实验的学习目的，即利用物联网技术制作绿植土壤湿度的监测系统，并通过数据反馈实现更加及时有效的浇水。 回想自己平时浇花的经历，什么时候才需要进行浇水呢？你又是如何判断浇水量的呢？ 从 科 学养 护 绿植的真实 问题入手，引 导学生对 于 数 据采 集 和 展示的 必 要 性进行思考， 进而 引出 本 课的课题。
实验猜想设计方案 活动 1：提出实验猜想 如果我们能够准确地记录绿植土壤的湿度数据，并且能将其直观地呈现出来，就能够对绿植实现科学及时的灌溉。 数据记录和呈现的方式有很多种，针对本实验的问题，你们认为哪种数据呈现方式最合适？为什么？ 利用语言大模型工具帮助学生快速获取数据呈现方式及其特点，能够快速突出本课的重点。
实验流程 学习过程 教师引导 设计意图
实验猜想设计方案 学习过程：使用大模型工具，分组搜索物联网平台上数据的呈现方式有哪些，以及不同的数据显示方式的优劣势，进行分组汇报。 活动 2：梳理实验过程 在明确了数据呈现方式后，我们利用什么工具进行数据采集和数据处理呢？ 学习过程：观看微课了解传统的湿度传感器和土壤湿度传感器的区别。 梳理得到本实验的基本步骤。活动 3：设计实验方案 明确思路：首先能够准确地采集土壤湿度的数据，其次能将这些数据发送至物联网平台上，最后利用物联网平台提供数据可视化工具将它们呈现出来。 第1步: 梳理气温与本组负责养护的绿植的需水量关系
(
第2步:
第3步:
) 学习过程：汇报展示自己的方案，思考教师提出的问题，并对方案中的不足进行思考改进。 每个组选择将土壤湿度传感器插入不同的深度，并记录同样的浇水量、湿度的变化情况。 组别传感器插入土壤深度浇水量起始湿度第1组5cm200mL第2组10cm200mL第3组15cm200mL第4组20cm200mL
传统的湿度传感器能 否满足实验的需要？ 请同学上来展示汇报 自己的实验方案，并 相继提出疑问，土壤 湿度传感器插入土中 多深，测量的湿度才 是最准确的呢？ 通过传统的湿 度传感器引起 学生思考，对 于土壤湿度的 监测需要将传 感器深入土层 内部，进而在 后续的方案设 计中思考选择 怎样的传感器 采集数据比较 合适。 通过高阶问题 的引入，激发 学生科学探究 的欲望，体现 实验的必要性 和趣味性。
实验探究新知构建 实验步骤 1：搭建土壤湿度监测系统 根据前面的实验方案，学生选择适合物联网实验室的相关设备，制作土壤湿度监测系统，操作实施步骤如下。 （1）学生根据选择的主控板和传感器，对照活动手册中传感器引脚功能讲解，进行硬件连接。 （2）为土壤湿度监测系统配置网络环境。并在表格中对自己的网络数据进行记录。本实验中，学生的主控板既是用户端也是服务器。 巡视指导学生连接硬件和配置网络。 在学生完成硬件连接与网络配置的关键参数记录的过程中，培养学生严谨细致的实验态度，从而保障后续实验的顺利开展。
实验流程 学习过程 教师引导 设计意图
实验探究新知构建 SIOT服务器地址10 . 1 . 2 . 3SIOT服务器端口1883SIOT登录名siotsioT密码dfrobot
实验步骤 2：编写土壤湿度监测代码 学生将教师提供的半成品代码编写完善，并将土壤湿度数据传输至物联网服务中。 （1）理解半成品代码功能：让学生通过测试运行，结合学生学习手册，理解半成品代码的语句功能，并对缺失的代码含义进行补充。 L①设置行空板引脚为 ②将数据发送至 主题 （2）运行代码测试功能：编译运行半成品代码，学生发现湿度的变化幅度很小，很难知道当前显示的湿度是哪个时间点的湿度。 （3）完善半成品代码功能：通过交流研讨，明确需要利用时间模块，进一步完善代码，让其呈现出准确的时间点。 引导学生关注登录名 密码，设置为安全性 高且易于记忆的内 容。 提供半成品代码，并 对其中的关键语句进 行讲解。 引导学生思考如何将 时间与湿度一一对 应。 巡视帮助，指导遇到 问题的同学。 组织学生小组合作， 根据测试过程中遇到 的问题，合作交流解 决方法，并回答教师 提出的问题。 演示操作，帮助学生 掌握物联网平台数据 呈现的方式方法。 用半成品代码 降低学生代码 编写的难度。 通过有梯度的 问题，帮助学 生理解湿度变 化与时间点的 关系，从而很 好地理解湿度 是变化的，为 后续选择合适 的数据呈现方 式做铺垫。 演示教学过程 中学生可以快 速明了地掌握 关键知识，突 破难点。
获取当前系统时间
L更新时间的显示 （4）在表格中记录各组的土壤湿度数据。 组别传感器插入土壤深度浇水量起始 湿度2min后湿度第 1 组5cm200mL第 2 组10cm200mL第 3 组15cm200mL第 4 组20cm200mL
（5）对比分析得出实验结论，不同深度的土壤湿度是不一样的，通过进一步查阅资料，了解最合适的深度是多少。 实验步骤 3：呈现土壤湿度监测数据 （1）当前主控板屏幕上显示的数据是单个时间点的，进入物联网后台查看的数据是表格的，非常不方便查看，也不能很好地展示湿度的变化。 学习过程：观看教师演示可视化平台使用方法。 （2）根据前期方案的设计，选择合适的数据呈现方式，展示土壤湿度数据。
实验流程 学习过程 教师引导 设计意图
实验汇报得出结论 （1）分组展示绿植土壤湿度的数据呈现方式，并说明选择每种方式的理由。 水波图呈现方式： 组织学生展示汇报， 进行师评、互评。 对本节课的学习情况 与实验完成情况进行 综合评价，学生填写 学生学习手册中的评 价量表。 在项目展示的 过程中学生进 一步感受到不 同的数据呈现 方式在展示数 据时发挥的作 用，思考并对 自己的作品进 行优化改进。
(
水波图
3
%
)
折线图呈现方式： 第 一组土壤湿度 o 折线1 湿度
4 3 2 2024 - 06 - 05 1 7: 14:2 · 折线1 3 4
17: 14 17: 14:05 17: 14: 15 17: 14:25 17: 14:35 仪表盘呈现方式： 湿度等级 37% （2）总结物联网数据呈现的基本步骤，填写在自评表格中。
总结反思拓展提升 学习过程：和老师共同总结本节课所学知识点，填写思维导图。 学习过程：课堂中或课后完成作业。 作业设计： （1）基础性作业。 在养护绿植时除了要关注土壤湿度外，还需要关注哪些因素？是否可以使用物联网设备完成数据的采集和呈现，请与同伴商议后完成你们的方案撰写。 （2）综合性试题。 利用物联网实验工具，针对你们关注的绿植养护中其他关键因素数据进行采集，并选择合适的数据呈现方式，将它们展示出来。 对课堂所学知识点进 行归纳总结，比较常 用的物联网数据呈现 方式并进行总结，填 写在思维导图中。 组织不同层次的学生 完成作业，让所有学 生完成基础性作业， 让学有余力的学生完 成综合性作业。 帮助学生总结 梳理知识结 构、强化重难 点。 教师通过分层 教学，让不同 层次的学生都 能有所提高。
八、板书设计
九、教学反思
本课通过实验教学的方式组织课堂活动，极大地激发了学生对于利用物联网知识解决生活中真实问题的积极性。在提出猜想时，学生对于数据的呈现方式已经有了初步思考，通过不断地动手实践逐步明晰数据呈现的具体方法和应用场景，对土壤湿度传感器在不同深度土壤监测数据的对比分析，进一步激发了学生科学探究的欲望，对于传感器背后的工作原理有了更深刻的思考。

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