资源简介

跨学科主题学习——在线数字气象站
教学设计
一、内容分析
数字气象站是用于观测和记录气象数据的设备，它们在气象学、气候研究、环境观测和天气预报等领域发挥着重要作用。为了更好地了解校园气候环境，本项目将以应用物联网知识为主，综合多学科知识，带领学生共同设计制作在线数字气象站。本项目是八年级上册的最后一个项目，包括以下三项主要内容。
（1）设计规划数字气象站：通过查找认识气象站的发展历程和气象站中重要部件的作用等信息，学生将对丰富的学习资料进行有效的筛选，提取对任务有价值的信息，信息意识得到进一步提升。再将数字气象站制作这样的大问题，分解为一个个可以执行的小问题，形成制作方案的过程也将增强学生的计算思维能力。
（2）搭建部署数字气象站：学生利用物联网实验套件中的各类传感器、主板机等器材，将本组设计的数字气象站方案以模型的形式组装呈现，通过科学选址，将气象站部署在学校的合适位置，测试验证对于环境数据采集的功能是否实现。
（3）测试应用数字气象站：进一步利用物联网平台中的数据展示与分析功能，对采集到的气象数据进行整理运用，尝试对其中的规律加以描述，并通过修改代码，实现对水文气象观测系统的远程控制。
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基本结构和在生活中的各种运用。他们能够利用实验套件实现简单的物联网原型搭建， 同时动手能力较强，对于新鲜内容有极高的学习兴趣。但同时他们也相对缺乏解决复杂问题，尤其是实验探究的经验，缺少综合运用多学科知识解决生活真实问题的经历，对于项目任务中解决方案的设计与执行比较陌生，因此本课学习过程中，需要教师提供足够的学习支架，以及完备的协作学习规则，引导学生高效地开展相关学习活动。
三、教学目标
1．素养目标
（1）了解气象站的发展历程及其在生产生活中的应用。
（2）认识不同传感器在复杂场景中的应用。
（3）能够根据实际需求，设计搭建具有数据采集、实时传输和简单控制功能的数字气象站。
（4）通过汇总数字气象站中采集的数据，进行分析、共享与统一管理，能够实现更大时间与空间上的数据探究。
2．项目目标
综合运用信息科技、地理、数学以及艺术学科的知识，搭建校园数字气象站，收集和分析气象数据，模拟气象协作网的组建，实现更大时间与空间上的气象数据分析与预测。
四、教学重、难点
1．教学重点
（1）认识数字气象站中各种数据采集装置的功能与作用。
（2）选择合适的物联网实验装置，完成数字气象站模型的搭建与部署。
（3）制定气象协作网数据接入规则，将多个数字气象站组成协作网。
2．教学难点
（1）理解数字气象站的工作过程，并设计制定数字气象站制作方案。
（2）使用物联网平台对于采集到的气象数据进行整理分析，通过修改完善程序，实现对数字气象站的简单的远程控制。
（3）对汇聚的数据进行管理与共享，应用协作网实现简单的气象预测。
五、设计思路
本项目活动采用实验教学的方式组织展开，学生首先需要明确实验问题，即如何科学准确地描述校园这种小气候环境的状况。接着利用地理、信息科技学科知识设计制作校园数字气象站模型。将做好的模型选择在校园中合适的位置进行安装部署，再利用物联网系统把多个气象站数据进行汇总，形成气象协作网，测试验证校园中气象数据预测的准确程度。
(
气象预报的方法
气象数据汇聚共享
气象状况的分析预测
) (
数字气象站搭建
数字气象站部署
气象数据采集
气象数据汇总
)
气象站的发展历程
气象站的主要作用
什么是数字气象站
设计气象站方案
六、教学准备
本实验教学活动，教师可以准备如下表所示的实验器材，指导学生搭建制作校园数字气象站，利用编程软件 Mind+，通过软件进行图形化编程实现数据的采集与结果预测。
器材/工具 数量 作用/功能
采集设备（行空板） 4块 将采集的气象数据发送给物联网端
用户端（行空板） 1块 接收物联网端发送的汇总数据和控制信号
温度传感器 4个 采集环境温度
湿度传感器 4个 采集空气湿度
风速风向传感器 4个 采集风速风向
PM2.5 传感器 4个 采集空气中 PM2.5 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、教学评价
评价维度 评价内容 评价等级（ABCDE）
过程性评价 能积极发表自己的看法、听取同伴发言，思考问题
能主动投入学习，参与小组合作学习效果明显
能够根据校园气象环境监测的需要设计实验方案
总结性评价 能够完成校园数字气象站的搭建
能够利用搭建的数字气象站采集校园气象数据
能够汇聚多个气象站数据实现简单的天气预测
八、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 问题 1：下个星期即将举办一年一度的校园运动会，那几天会不会下雨呢？我们可以从哪里知道权威可靠的天气情况数据呢？ 学习过程：打开天气信息 APP、国家气象信息中心和中国天气网，查阅运动会当天的气象情况，并填写在表格中，对比分析数据。 数据源温度湿度风速PM2. 5天气 APP国家气象信息中心中国天气网
天气状况数据的获 取方式有很多种，请 你用不同的方式查 看运动会当天的天 气状况，并进行对比 分析，思考天气信息 是怎样被预测出来 的。 通过学生身边真实的问题引入对于天气状况了解的必要性，同时运用多种方式检索天气信息的过程帮助学生理解天气信息的权威性和准确性之间的关系。
提出问题明确目的 问题 2：一个城市的天气预报对于校园这样的小气候环境而言能做到准确无误吗？如何提高校园天气状况预测的准确性呢？ 学习过程：利用自学微课学习天气预报的一般过程，总结归纳气象站的发展过程和作用。 2． 明确目的 学习过程：通过交流明确本实验的目的，可以设计制作气象站模型，收集校园小气候环境数据，再利用收集到的数据进行天气的预测。 地理老师为大家准 备了天气预测的学 习微课，请观看微课 了解气象站在天气 预测中发挥的作用。 引导学生讨论、思考 问题，让学生明确实 验目标。 利用问题链 ，循序渐进地引导学生通过科技的手段测量描述校园小气候环境的状况。通过跨学科知识的讲解学习，帮助学生认识到在解决真实生活问题的过程中，综合运用知识的重要性。
提出假设设计方案 活动 1：提出实验猜想 想要实现校园气象信息的预测首先需要获取准确的气象数据，常见的气象数据有哪些呢？ 学习过程：利用学习平台，认识了解不同气象数据的作用，并对校园气象站的数据采集类型进行交流讨论。活动 2：梳理实验过程 在初步明确了不同气象数据的作用后，我们需要通过哪些装置来对它们进行采集呢？ 学习过程：观看微课了解不用气象数据采集的工具，对比传统气象工具和现代数字化的采集工具，进一步认识气象站的发展历程。 活动 3：设计实验方案 明确思路：可以对传统的气象站进行改造，使其成为数字气象站，再将数字气象站部署在校园的合适位置，通过利用物联网技术，汇聚得到各个站点的气象数据，经过比较、分析、演绎、推测，从而得到校园小气候环境的准确气象预测结果。 常见的气象数据包 括温度、湿度、风速、 风向、光照度、空气 污染指数等，请你通 过查阅资料，了解不 同的气象数据的作 用。 播放微课，帮助学生 理解气象数据采集 工具的工作原理。 气象数据的获取需 要考虑准确性、可靠 性、稳定性，在设计 方案时，如何让气象 站的位置部署和数 据采集尽可能的科 学合理，是需要进行 深入思考的问题。 通过分析气象数据的类型 ，梳理校园小气候环境需要监测的数据类型，有益于学生更为清楚地梳理实验过程和步骤。 学生在汇报展示方案的过程中，教师不断对方案进行指导与提问，可以帮助学生更好地将一个复杂的大问题拆解为多个可以解决的小问题，进而提高自己的计算思维能力。
实验流程 学习过程 教师引导 设计意图
提出假设设计方案 学习过程：每个组选择自己认为有必要的气象数据类型，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。
实验探究新知构建 实验步骤 1：搭建数字气象站 气象站主要包括数据采集模块、数据传输模块、数据存储模块、供电模块和支架模块等部分。需要按照一定的顺序进行组装搭建，才能保证气象站的正常工作。 （1）从各类传感器中选择合适的硬件，使用线材与行空板连接。并将传感器的引脚使用情况记录在表格中。 为学生讲解不同模 块部分的作用，帮助 学生梳理校园气象 站组织搭建的基本 步骤和顺序。 本次的实验装置运 用了多个传感器设 备，如果对于引脚的 接入和设置前后不 一致，将导致数据无 法正确获取。 教师演示，导入样例 代码，并根据需要修 改代码。 组织学生思考、讨 论，让学生选择合适 的数据接收平台接 收并查看采集到的 数据。 通过实验数据记录，可以养成严谨科学的学习习惯 ， 降低后期编程过程中出错的可能性。 多个传感器的引脚接入既要考虑后期的编程设置，也要考虑组装时的位置摆放是否方便。 演示过程中，教师引导学生观察、分析 、思考，培养学生的观察力和分析能力。 让学生自主学习本知识点 ，按照要求，选择平台接收并呈现数据，培养学生的团队合作意识。 通过每组多样化呈现的设计作品，培养学生的创新意识。
序号 传感器名称 引脚编号
3
（2）导入样例代码，修改核心代码时需要注意用到的传感器和引脚，烧录后查看数据采集情况。
（3）选择本地物联网服务器作为数据接收平台，查看采集到的数据是否已经传到了平台中。 学习过程：展示本组数字气象站数据采集装置。 实验步骤 2：部署数字气象站 因为这些气象设备无时无刻不在接受风吹日晒，如果没有一个外观造型对它进行保护的话，设备很可能会发生故障，影响数据采集的精确度。
实验流程 学习过程 教师引导 设计意图
实验探究新知构建 (
气象站科学选址标准
)（1）利用大语言模型工具，查阅气象站造型的基本要求。总结如下：稳固结实、美观大方、承载气象设备、与周围环境和谐工作。 （2）观看气象站结构造型微课，了解外观造型的科学性标准，并在试验单上进行记录。 序号注意事项科学标准百叶窗开口方向百叶窗摆放方位3传感器离地高度4防雷防火设备
学习过程：动手组装数字气象站外观造型，将设计好的采集装置稳定牢固地安装在造型的合适位置。 （3）数字气象站组装完成后，如何进行科学选址呢？ 部署在学校的什么位置比较合适呢？ 学习过程：在校园中实地考察，选择合适的位置，进行气象站的部署安装调试。 实验步骤 3：采集气象数据 （1）结合数学课知识，根据不同类型的数据选择合适的图像展现形式。 对学生设计制作的 气象数据采集装置 进行点评指导，优化 功能和设备连接的 方式。 头脑风暴，对于外观 造型应该符合哪些 标准要求？ 远程连线市气象台 的负责人，请他来为 同学们做出解答。 巡视指导学生如何 在校园中科学选址 部署气象站。 气象站的数据是多 种多样的，不同的数 据可能适合用不同 的统计图进行展示， 小组交流讨论，如何 让数据一目了然。 通过大语言模型的信息检索功能，可以快速帮助学生理解气象站造型的设计要求。 课程中的地理微课和气象台负责人的专业介绍，能够使得学生对于气象站点部署位置有更科学和权威的认识。 气象站选址过程中，学生可以通过参与实地考察、数据收集等活动，让他们在实践中认识到科学研究的严谨性和重要性。 利用数学中图表的知识，学生能够较好地解决不同气象数据的呈现方式问题，体会到跨学科知识对于解决真实问题的价值和意义。
实验流程 学习过程 教师引导 设计意图
实验探究新知构建 （2）修改代码，实现当 PM2.5 数值超过预警数值时，物联网平台发出危险警报。 实验步骤 4：汇聚气象数据 每个组都采集到了校园的气象数据，这些数据中哪些具有代表性呢？如何将这些数据汇聚到一个物联网平台中，进行综合比较？ （1）制定数据汇聚规则，小组交流讨论需要汇聚哪些数据，将数据汇聚到什么地方，多长时间传输一次数据比较合适。 （2）修改本组代码，分别将数字气象站的温度、湿度、风速、风向、PM2.5 数据，以每隔 10 秒发送一次的方式，将数据传输到老师的服务端。 实验步骤 5：预测气象状况 通过汇聚数据，我们已经对校园的气象状况有了初步的了解，如何利用这些已知的数据实现校园气象状况的预测呢？ （1）导入过往十年的同时期一周内的气象数据，利用物联网数据分析工具，尝试找到其中的规律。 （2）添加使用校园气象站采集到的气象数据，通过数据对比分析，预测运动会当天的气象状况，进而分析有无雨的概率。 指导学生完成代码 的修改与完善，实现 远程控制的功能。 组织学生小组合作， 思考并回答教师提 出的问题，每个组汇 总校园气象数据，实 现数据可视化。 教师演示数据导入 的方法，引导学生观 察数据分析结果。 通过对代码的完善与优化，可以更好地使用物联网管理和监测校园气象环境。 制定数据上传汇聚的规则与要求的目的在于帮助学生理解协作网的结构和数据使用的规范，为后续的代码修改做好铺垫。 气象预测的过程就是天气状况出现的概率问题，通过数据分析，学生能够逐步明白大量的数据对于预测准确性的作用，同时感受到人工智能技术在模式识别中发挥的作用。
实验汇报得出结论 （1）分组展示汇报本组设计制作的校园数字气象站工作状况，能够通过数据的上传与对比分析，初步推测得到运动会当天的天气状况。 （2）总结校园气象站用于气象状况预测的基本步骤，填写在自评表格中。 组织利用学习平台 进行学生展示汇报， 进行师评、互评。 教师对本节课的学 习情况进行综合评 价，对共性问题进行 解答。 经过总结归纳，学生对于本课学习知识形成系统性的知识建构。
实验流程 学习过程 教师引导 设计意图
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。 巢湖是合肥人的“掌上明珠”，也是全国五大淡水湖之一。但是过去一段时间的过度捕捞和水源污染，让巢湖的生态系统遭到了严重破坏，请你设计一个可用于观测巢湖水文气象环境状况的物联网监测系统，用于了解巢湖的水文环境状况。 （2）综合性试题。 面对真实的巢湖治理中更加庞大的数据量，为更及时准确地进行气象状况预测，政府部门建立了“数字巢湖”平台，请上网搜索其功能和作用，了解大数据和人工智能技术在气象预测中发挥的作用。 对课堂所学知识点 进行归纳总结，梳理 物联网数据分析的 过程与步骤。 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。 通过分层作业 的方式让学生 能在完成作业 的过程中将课 程所学知识应 用于生活中其 他真实问题的 解决。
九、板书设计
十、教学反思
本节课通过实验教学的方式进行组织，利用小组协作，学生共同设计，动手搭建校园数字气象站。整个实验在设计—实践—反思—改进的持续循环中不断得到优化完善。学生切实感受到信息科技对于社会生活带来的影响。由于本课是跨学科主题内容，在课程设计的过程中，教师需要及时向其他学科教师请教，与他们共同开发课程资源，避免因为知识盲区带来的科学性错误，在课程实施阶段要有用其他学科知识为本学科学习服务的意识，跨越学科界限，综合多学科知识解决问题。

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