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8上第2单元
实验3 博物馆环境监测系统实践
——物联系统原型设计与搭建
学科实践（实验）
一、实验情境
每年的5月18日是国际博物馆日，旨在向世界展示博物馆和文化遗产的重要性。然而博物馆中的文物常常受到各种威胁，包括环境、人为和时间的影响。如何更好地保护这些宝贵的文化遗产，以保证它们可以更长久地向后人展示人类历史和文化风貌，是当代社会面临的一个重要的挑战。本实验将引导学生设计并搭建一个博物馆环境监测系统，利用物联网技术助力文物保护。
二、实验对象
本节课的教学对象是八年级学生，在日常生活、学习中已经接触到各种各样的物联网应用，并且对物联网相关内容有着浓厚的兴趣。但由于这是第一次进行从系统设计到研发的全过程，因此需要关注学生的方法思维和设计思考，促进他们对物联网系统的理解和应用。
三、实验目标
1．素养目标
（1）根据需求设计合适的选择合适的实验设备，通过硬件连接实现物联网系统原型的搭建，培养学生的系统设计与实施能力。
（2）通过编写程序、验证功能，理解物联网设备间的数据传输、处理等过程，增强学生对物联网工作原理及其在文物保护中的应用认知。
2．项目目标
实现“博物馆环境监测系统”原型的自动控制，确保环境条件在合适范围内，保障文物的安全与稳定。
四、实验重难点
1．实验重点
通过设计、搭建博物馆环境监测系统，探究物联网系统的工作原理；
2．实验难点
理解物联网系统的工作过程和物联网架构。
五、实验策略
从2025年“国际博物馆日”的主题出发，鼓励学生思考新技术如何助力博物馆建设。通过分析博物馆现状，引导学生提出有效的解决方案；同时鼓励学生思考还可以为博物馆增加哪些新功能以文物保护。在实验中，学生将模拟实时监测博物馆环境，全面体验物联网原型系统在解决实际问题中的应用价值。
六、实验准备
硬件：掌控板、温湿度传感器、光敏传感器、气敏传感器、风扇、LED灯、蜂鸣器
软件：mind+编程软件、SIoT物联网服务平台
其他：杜邦线、数据线
七、评价建议
学习评价可以从学生对项目的任务的完成度，对核心概念、原理的理解与核心素养提升三个维度进行设计。
维度 评价指标 评价等级
任务完成度 整体项目完成情况：是否按照计划完成了环境监测系统的设计、搭建和测试等各个环节。功能实现：是否成功实现了预定的功能，如环境数据的实时监测与反馈，系统阈值的判断等。时间管理：在各个阶段如何管理时间，是否能够在规定时间内完成各项任务并进行有效调整。
理解能力 理论基础知识：是否掌握了与项目相关的基本概念 系统设计原理：学生是否能够清晰地解释环境监测系统的工作流程，包括数据采集、处理与输出。编程原理：能否理解所编写程序的核心逻辑
核心素养 在项目中是否尝试使用新方法或新思路解决问题，提出的设计是否具有创意。在项目推进过程中，能否自主发现问题并进行有效解决。
八、学习流程
在本实验中，以学生为主体，以问题导向引导学生思考，从提出解决方案到设计方案，再到最后的实验验证。
九、学习过程
学习环节 学习活动 设计意图
问题导入与需求分析 通过观看多媒体材料了解国际博物馆日的主题，知道今年的主题以及明确主题含义。分成小组，讨论对博物馆环境的理解，并提出与环境因素相关的实际问题（如“温度过高对文物的影响”或“湿度过大题文物的保存风险”）。每组记录下所有讨论出的环境挑战与潜在解决方案，并形成一个初步的需求分析报告。 通过讨论和分享，培养学生的问题意识和分析能力，并鼓励他们积极表达个人观点与见解。
方案设计与讨论 在确定需求后，各小组开展方案设计，思考适合监测环境的传感器（如温度传感器、湿度传感器和光照传感器）和控制器（如Arduino等）。学生在组内讨论如何将传感器和控制器组合成一个有效的监测系统，各组选出代表向全班展示方案。教师和学生共同给予反馈，鼓励每组完善设计方案并考虑实现的可行性。 促进学生间的交流与创新思维，强化他们的设计能力和团队合作意识。
硬件搭建 按照确定的方案，获取必要的模块和工具，开始搭建硬件系统。在搭建过程中使用各种工具，通过协作解决连接中遇到的实际问题。小组内成员分工合作，确保整个系统架构的合理性。 提升学生的动手能力与问题解决能力，使他们在搭建过程中实实在在地体会到工程设计的复杂性与趣味性。
编程与功能实现 利用编程软件（mind+），烧录程序，通过软件实现对传感器数据的采集与处理。初测程序后设置网络与服务器，保证数据传输有效性。 鼓励学生积极探索，加深对于物联网系统工作原理的理解。
调试系统 通过测试不同环境条件，验证环境监测系统的功能，观察系统反应。分析监测的数据，判断系统是否能根据设定的阈值自动运行风扇、LED灯和发出警报声，如果不符合预期，团队将记录问题并进行讨论。学生能够进行二次验证，观察系统的表现，并进一步改进设计。 通过实验实践，提升学生的计算思维与适应能力，强调理论与实践的结合，让学生在真实的问题解决过程中获得宝贵经验。
结果分享 各组准备一个完整的汇报，展示他们的设计思路、实施过程及实验结果，包括遇到的挑战与成功的经验。在汇报过程中，其他组的学生积极提问，共同讨论可能的改进方案，形成良好的学习氛围。 通过互评与讨论，提高学生的表达与沟通能力，同时培养反思的意识，使他们在总结中进一步巩固所学知识。
十、板书设计

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