资源简介

跨学科主题学习——在线数字气象站
教学设计
一、项目分析
本项目是跨学科主题学习，主要通过物联网技术制作在线数字气象站，学生综合运用信息科技、地理、 艺术等知识，通过数字气象站中的各种传感器获取气象数据，实时描绘校园气象的信息状态，探寻数据的变化规律，尝试得到一般性的结论，另外，还可以将区域间多个数字气象站的信息进行汇总，发现更多的规律。
二、学情分析
本节课的教学对象是八年级学生，经过了一学期的学习，他们已经较为完整地了解了物联网的概念和特征、物联网的基本原理与功能，能够利用物联网实验器材实现物联网数据的采集、传输和简单控制，同时他们的动手能力较强，具备一定的观察能力、分析能力和自主探究学习能力，对于动手实践有一定的热情，也愿意从实际问题出发进行学习和探究。但他们也相对缺少综合运用多学科知识解决生活真实问题的经历。因此本课学习过程中，需要教师提供足够的学习支架，在教师的指导帮助下进行合理的项目学习，学生通过自主探究、小组讨论等方式，搭建具有数据采集、实时传输和控制及反馈功能的物联网系统，探究分析物联网数据。
三、教学目标
1．素养目标
（1）了解气象站的来源及其在生活中的作用。
（2）认识传感器及其在各种场景中的应用。
（3）能根据需求，设计并搭建具有数据采集、实时传输和简单控制功能的物联网系统，理解数据采集、传输和控制的方法和过程。
（4）汇总在物联网中采集的数据，并对汇总的数据进行分析、共享与统一管理，在更大范围上进行数据探究。
2．项目目标
综合运用信息科技、地理和艺术等课程知识，搭建校园在线数字气象站，收集和分析气象数据，描绘校园气象信息，能和其他校园气象站进行协作，探究分析数据。
四、教学重难点
1．教学重点
（1）理解在线数字气象站的工作过程。
（2）能选择合适的物联网实验装置，完成在线数字气象站模型的设计与搭建。
2．教学难点
（1）能对采集到的气象数据进行整理分析，通过编写程序，实现对在线数字气象站的传输和控制功能。
（2）汇总在物联网中采集的数据，对其进行分析、共享与统一管理，实现更大范围的数据探究。
五、教学策略
本项目活动通过项目教学的方式组织展开，教师从中引导学生逐步交流、了解如何运用跨学科知识设计及搭建校园气象站。首先基于真实情境的需求， 明确项目目标；接着，要了解气象站的应用和发展历史，确定校园采样点的位置，并进行分工规划，为项目实施做准备；最后选择物联网实验室的相关设备搭建校园气象站，收集及汇总各个采样点的气象数据，通过对收集到的气象数据进行分析，解决实际问题。在教学过程中，教师给学生提供学习活动支架，组织学生以小组合作的方式参与项目活动。
六、教学准备
本项目教学活动，教师可以准备如下表所示的实验器材，指导学生设计搭建校园数字气象站，准备好编程软件 Mind+，通过软件进行图形化编程实现数据采集、实时传输与结果预测。
器材/工具 数量 作用/功能
主控板 4块 将采集的气象数据发送给物联网平台
扩展板 4块 给主控板供电，给传感器提供接口
环境光线传感器 4个 采集光照度数据
温湿度传感器 4个 采集环境温度和湿度数据
风速风向传感器 4个 采集风速风向数据
气压传感器 4个 采集气压数据
路由器 1个 连通网络
计算机 1台 运行 MQTT 服务，提供传输信息的服务
七、评价建议
本项目教学活动旨在运用信息科技、地理和艺术等课程知识，设计与搭建校园在线数字气象站，让学生根据汇总的气象数据，对其进行探究分析，从中获得有价值的信息。学生以小组为单位开展学习活动，学习评价可以从项目开展与实施的过程、项目成果等方面进行，学生能够从评价中得到总结与反思。本项目教学活动可以从以下几个方面对学生的学习情况进行评价，如下表所示。
评价维度 评价内容 评价等级
过程性评价 能积极参与小组活动，参与度高，听取同伴发言，接纳同伴合理的建议 ☆☆☆☆☆
课堂中表现积极，独立思考，按时准确地完成活动任务 ☆☆☆☆☆
能主动投入学习，参与小组合作学习效果明显，并和其他学生合作完成项目任务 ☆☆☆☆☆
总结性评价 能够完成校园在线数字气象站的设计与搭建 ☆☆☆☆☆
能够利用搭建的气象站采集和汇总采样点气象数据 ☆☆☆☆☆
能够对采集的气象数据进行分析，解决现实生活中的实际问题 ☆☆☆☆☆
八、学习流程
在本项目教学活动中，教师首先以真实情境为切入点，激发学生的学习兴趣；教师通过跨学科知识引导学生达成项目目标，规划设计项目方案，为项目实施做好铺垫；在项目实施过程中， 以问题为主线，引导学生开展项目活动。教师在教学活动中，要及时对学生的学习过程和学习结果进行评价， 同时，学生也能在这种评价中了解自己的学习情况，从而调整学习策略，优化学习。
跨学科知识 : 信息科技 、地理 、艺术
九、教学过程
教学环节 学生活动 教师活动 设计意图
项目情境明确目标 阅读情境 确定目标 今天天气怎么样，气温高不高，出门要不要带伞，校园的劳动实践基地里的绿植需不需要浇水，这些生活问题都与我们校园的气象信息相关。我们知道，天气预报是获取气象信息的主要途径，但是一个城市或区域的天气预报对校园这种小气候环境来说可能不够准确。经过与学校沟通，准备为学校搭建在线数字气象站，从而获取校园气象信息，为师生的校园生活提供优质服务。 学习过程：聚焦情境问题，思考并明确本活动的学习目标，即为学校搭建在线数字气象站，收集校园气象信息，为师生的校园生活提供优质服务。 创设情境，引导学生思考问题，让学生明确项目目标。 通过学生在生 活中遇到的真 实问题，激发 学生的学习兴 趣。引导学生 思考教师提出 的问题，明确 项目目标，为 项目准备活动 做铺垫。
项目准备分析规划 活动 1：认识气象站的发展历程 思考问题：查找气象站的相关资料，了解气象站获取气象数据的来源、相关应用以及发展历史，思考与讨论后，回答以下问题。 （1）查找相关资料，请你简要描述一下，气象站的发展历史？ （2）想一想，气象站在我们的生产、生活中起到什么样的作用？ （3）思考一下，你从哪些地方获取气象数据？获取数据的来源可不可信？ 学习过程：分组讨论交流，了解气象站的发展历程，思考并回答教师提出的问题。 提出问题，引发学生思考讨论，对学生的回答给予积极的反馈和建议。 通过对跨学科 知识的讲解， 帮助学生认识 到综合运用知 识解决真实问 题的重要性。
项目准备分析规划 活动 2：确定校园采样点的位置 思考问题：为了获取精确的气象数据，需要在校园内确定采样点位置，并安装相应的气象数据获取传感器。请在表中填一填，明确校园气象数据采样点的位置、在采样点位置安装的传感器以及使用传感器获取的数据。 采样点的位置安装的传感器获取的数据
学习过程：参看“素养提升内容”，了解气象站选址的要求，思考并完成表中内容，学生自主探究学习，独立完成任务。 活动 3：规划气象站的实施方案 提出任务：结合前面的分析内容，讨论实施方案，规划方案内容。 （1）设计与搭建校园气象站。 （2） 。 （3）分析气象数据解决问题。 学习过程：思考教师提出的问题，小组合作制定实施方案。 提出问题，巡视辅 导，让学生完成表 格填写，对学生完 成的活动任务给 予评价。 在学生完成任务 的过程中，巡视辅 导，完成任务后， 请学生分小组上 台展示规划实施 方案。 小组讨论， 思 考教师提出的 问题，了解气 象站的选址要 求，从而更好 地确定校园采 样点的位置。 规划实施气象 站方案，培养 学生的自主探 究学习和小组 合作的能力。
教学环节 学生活动 教师活动 设计意图
项目实施解决问题 活动 1：设计与搭建校园气象站 根据前面的项目分析与规划，选择物联网实验室的相关设备，设计并搭建在线数字气象站，操作实施步骤如下。 （1）设计校园气象站：思考物联网技术支持下的在线数字气象站需求，根据前面的分析，将设计的气象站结构绘制出来。 （2）搭建校园气象站：在物联网实验室中，选择获取气象数据的传感器和主控板，结合前面设计的在线数字气象站的结构图，在采样点位置，搭建在线数字气象站，并进行相关设备的安装与调试。 学习过程：观看微课，通过微课自主学习，绘制在线数字气象站结构，根据结构图，完成在线数字气象站的搭建任务。 活动 2：监测气象站的实时数据 根据前面的项目规划，在校园内用各个采样点的气象站收集气象数据，并进行汇总，为后面的气象数据分析奠定基础。 （1）采集气象数据：完成学校各个采样点的在线数字 组织学生小组合作，设计在线数字气象站的结构，可以提供搭建在线数字气象站的微课，让学生自主学习。 让学生自主学习本知识点 ，按照要求，设计与搭建校园气象站，培养学生的自主学习能力和团队合作意识。
项目实施解决问题 气象站搭建，使用气象站收集气象数据，并将这些数据记录在表格中。 采样点采集数据时间点温度/℃湿度/%气压/hpa风速 / (m/s)光照度/lx
学习过程：小组合作，采集气象数据，思考并回答教师提出的问题，在表格中将采集的数据记录下来。 （2）汇总气象数据：选择合适的物联网平台，汇总各个采样点的气象数据，可以通过程序设计将数据整理成可视化信息， 以便在客户端上实时查看。 学习过程：参看“素养提升”，小组合作，选择合适的物联网平台，通过编程汇总各个采样点的气象数据。 活动 3：分析气象数据解决问题 思考问题：分析收集到的气象数据，并依据分析结果合作交流解决方法，思考并回答以下问题。 （1）根据收集到的气象数据，一天当中最高气温是多少，出现在哪个时间段？ （2）根据收集到的气象数据， 白天的空气湿度和光照度分别是多少，是否影响绿植的生长发育？若有影响，如何处理？ （3）想一想，对收集到的气象数据进行分析，你能得出什么天气规律？ 学习过程：小组合作交流解决方法，思考并回答教师提出的问题。 组织学生完成学校各个采样点的在线数字气象站搭建，采集并记录气象数据。 组织学生小组合作，思考并回答教师提出的问题，编程汇总各个采样点的气象数据，并实现数据可视化。 结合问题引发学生思考，组织学生小组合作，交流解决方法，分析气象数据，让学生解决教师提出的问题。 让学生采集各个采样点的气象数据，通过实验数据的记录，养成严谨科学的学习习惯。 汇总采样点数据，为数据分析做好铺垫 ，培养学生的创新意识和自主学习能力。 通过分析气象数据，验证结果等实验环节，培养学生的观察能力以及科学探究能力。
项目评价展示汇报 展示成果 分组展示交流项目成果，简要描述搭建的校园在线数字气象站工作状况。 学习过程：小组合作，分组汇报本组的项目成果，并描述搭建的校园在线数字气象站的过程以及使用情况。 总结评价 总结本节课所学知识，填写评价量表。 学习过程：学生自主学习，完成评价量表的填写。 项目实施完成后， 请学生展示成果， 并让学生描述搭建 的校园在线数字气 象站工作状况。 教师对本节课的 学生学习情况与 项目完成情况进 行评价，学生根据 评价结果填写学 生学习手册中的 评价量规表。 通过分组展示 交流，提高学 生的团队合作 能力和语言表 达能力。 通过互评、师 评和自评，培 养学生运用跨 学科知识解决 问题的能力。
总结反思拓展提升 项目总结 思考问题：请完成项目的学生依据本节课所学的内容，在下面的结论中填一填。 先在校园内确定安装气象站的采样点位置，接着选择 等器材，结合设计图在确定的地点搭建气象站，搭建完成后，通过传感器获取 等气象数据，并将其上传到 上，经过数据分析和处理后，利用分析结果，解决学生校园生活中出现的问题。 学习过程：学生思考、讨论，和老师共同总结本节课所学知识点，填写结论中的内容。 作业设计 （1）基础性试题。 想一想，收集到的气象数据可解决哪些生活问题？ （2）综合性试题。 根据你所学的内容，和不同位置的几个学校合作建立在线数字气象站，要求将各个学校采集的气象数据汇总到一个物联网平台上，实现数据共享，用户端可以随时查看不同学校的气象数据。 学习过程：学生自主学习，课堂中或课后完成作业。 与学生一起对课 堂所学知识点进 行归纳总结，梳理 物联网数据采集 与分析的过程。组 织学生填写结论 中的内容。 组织不同层次的 学生完成作业，让 所有学生完成基 础性试题，让学有 余力的学生完成 综合性试题。 经过对本课的 总结归纳 ，帮 助学生形成本 课的系统性知 识建构。 帮助学生巩固 所学知识。通 过分层作业， 让不同层次的 学生都能有所 提高。
十、板书设计
跨学科主题学习 在线数字气象站 关键知识 : 搭建在线数字气象站 , 汇总数据 , 对其进行探究分析。
项目准备 认识气象站的发展历程 确定校园采样点的位置 规划气象站的实施方案 项目实施 设计与搭建校园气象站 监测气象站的实时数据 分析气象数据解决问题
展示 交流评价 跨学科知识 : 信息科技 、地理 、艺术
十一、教学反思
通过整个项目的学习发现，学生对于课程内容兴趣浓厚，课程借助项目教学方式，课堂采用小组合作、 自主探究、平等交流等形式，让学生共同设计，动手搭建校园在线数字气象站，从而将知识建构和思维发展融入问题解决中。项目教学过程通过问题导向等方式进行推进。由于整个项目是跨学科主题内容，在课程设计的过程中，如果需要某个学科领域的知识辅助，可以积极寻求该学科领域教师或专家的指导，避免在知识传授过程中出现科学性错误。跨学科主题项目以身边的真实情景为切入点，打破了学科之间的边界，通过跨学科知识辅助课堂教学，帮助学生建立跨学科知识的联系，让他们能够综合运用多学科知识解决实际生活中遇到的问题。

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