“探究智能花卉養護系統——物聯網中的傳感器”教學設計

于軍香

【學科核心素養】

1．根據生活中的使用體驗，了解傳感器，能夠列舉出不同種類的傳感器及其應用場景（信息意識）。

2．能夠在分析問題的基礎上，從算法描述到流程圖，再到程序編寫，實現智能花卉養護系統的光線控制，真正用程序去解決問題（計算思維）。

3.在問題解決過程中，自主學習、小組協同完成學習任務中的創新設計作品，如更具價值的傳感與控制系統（數字化學習與創新）。

【課標要求】

了解物聯網（特別是傳感器系統）是連接物理世界與數字世界的紐帶和媒介。

【學業要求】

通過自主探究和小組合作，理解物聯網中的傳感器，并完成智能花卉養護系統的光線采集與控制，在此過程中體驗數據采集、實時傳輸和簡單控制功能的簡易物聯系統。

【教學內容分析】

傳感器是物聯網中的感知和輸入部分，是物聯網的基礎。傳感器的技術影響著物聯網的發展，也是物聯網發展的核心。通過探究智能花卉養護系統，結合生活中使用的傳感器，讓學生了解傳感器及其用途，了解物聯網的基本原理，理解傳感器在物聯網系統中的作用，認識到物聯網傳感器的種類之多、使用范圍之廣。

【學情分析】

八年級學生思維活躍，具有一定的自主學習和歸納總結的能力，大部分學生對編寫程序，解決實際問題有非常濃厚的興趣。他們在小學學習過Scratch編程，對數據和語法有一定的理解，會用Scratch編寫一些程序，對mPython編程有一定的基礎。通過第一節課的學習，學生對物聯網及其三層架構有了一定的理解，知道信息系統的組成與功能；初步體驗了掌控板及mPython編程；生活中也使用過智能化物聯網設備，但對設備具體的工作機制和原理不夠了解，缺乏系統的認知。這節課通過探究智能花卉養護系統讓學生認識傳感器，體驗傳感器信息的獲取、數據的分析及控制，激發學生對物聯網知識的學習興趣。

【教學目標】

1.認識傳感器，了解傳感器的工作原理。

2.結合生活實際，能夠列舉出常見的傳感器及其應用場景。

3.知道傳感器根據功能劃分為不同類別，了解智能傳感器。

4.利用掌控板的光線傳感器，模擬智能花卉養護系統中的光線控制，體驗傳感器信息的獲取及控制。

【教學重難點】

教學重點：結合掌控板理解物聯網中傳感器的工作原理及過程。

教學難點：使用掌控板，設計實現智能花卉養護系統中的光線獲取與控制。

【教學準備】

掌控板、智能花卉養護系統、課件、素材資源、教學輔助資源、廣播教學軟件等。

【教學策略分析】

采用講解演示法、自主探究、小組合作、任務驅動法，圍繞智能花卉養護系統讓學生從體驗到感知，從觀察到分析，逐步對物聯網中的傳感器進行認知，讓學生在任務的驅動下自主探究完成學習目標。

【教學過程】

一、創設情境，引入新課

師：同學們，今天我們以花會友，老師喜歡養花，但是很多花卻葬送在了我的手里。今天我這里有一盆茉莉花，這是一盆有科技含量的花。下面老師請一位同學上來感受并展示一下這盆花的奧妙！（學生嘗試改變茉莉花盆中花卉養護設備的溫度、濕度、肥力、光線條件，教師通過教室大屏與手機App同屏，向班級學生展示花的溫度、水分、光照、土壤養分等參數的變化。）

師：基于以上展示，回顧上節課的內容，我們再請一位同學結合智能花卉養護系統復習一下物聯網的三層架構。

學生思考，回答。

師：感謝這個同學的總結，那我們這節課就從物聯網的底層——感知層中的傳感器開始認識物聯網。

（設計意圖：復習回顧上節課內容，物聯網的三層架構。同時，創設本節課的情境——智能花卉養護系統，激發學生學習興趣，引出本節課課題。）

二、理論探究：傳感器

師：講到傳感器，首先從認識身邊的傳感器開始，下面我們一起來看一下。（視頻播放：上周布置的課下任務，讓不同小組的學生分別錄制生活中不同類型傳感器的應用實例視頻，教師將學生的視頻匯總合成。）PPT總結常見傳感器。

師：我們的智能花卉環境測試傳感器由濕度、肥力、溫度、光線傳感器組成。請大家思考傳感器到底是一種什么裝置呢？

學生思考并回答。

工作原理：

師：對比人的感官系統，我們根據不同傳感器的功能，將常見傳感器劃分為以下幾種類別：（PPT展示類別劃分）（見文末表1）

師：除了以上我們提到的傳感器，在很多應用上我們要用到智能傳感器。

（設計意圖：知識來源于生活，又服務于生活。此環節讓學生結合生活中的實際應用，各類傳感器的應用及尋找的過程，既是對知識的驗證、梳理，又加深了對傳感器的理解，讓學生感受到知識在生活中的價值。學生對比人的感官，深入感知物聯網中的傳感器及其工作原理。采用對比人的感官系統的方式，也讓學生對傳感器的功能分類理解得更準確。）

三、實踐探究：掌控板光線傳感器信息獲取與控制

師：傳感器獲取信息的方式包括：無線網絡、藍牙、串口（COM接口）等。上節課我們介紹過，掌控板與電腦的連接使用的是USB接口。

師：俗話說“曬不死的茉莉”，茉莉花喜光，養茉莉花，光照必須充足，光照越充足，茉莉花開花越多，沒有光照，茉莉花是不會開花的。

【探究任務一】光線傳感器信息的獲取：分析光照環境

★問題描述：分析一段時間內，茉莉花當前位置的“光線值”，顯示并繪制光線變化曲線，分析數據，為茉莉花尋找最佳的光照環境。

★問題分析（師生共同分析）：

光線采集設備：光線傳感器；一段時間：按鍵A、B控制，按下A鍵，采集并繪制數據，按下B鍵停止工作；繪制光線變化曲線：打印光線值（與OLED屏顯示不同）。

學生思考并回答算法描述。結合算法描述，學生完成學件的流程圖填空。教師講解演示部分代碼設置。學生完成代碼并調試，刷入掌控板，運行。教師講解反饋任務過程中的問題。小組成果展示、評價，并分析此任務中光線數據獲取的意義。

（設計意圖：通過本任務，體驗光線傳感器對光線信息的采集過程。本任務的解決過程，就是對實際問題進行分析、抽象、建模的過程，通過算法描述、流程圖、編程這樣層層遞進的形式，讓學生將問題逐漸明確，從而提升學生分析問題、解決問題的能力。）

【探究任務二】光線傳感器信息的獲取與控制：增加光照時間

★問題描述

OLED屏顯示當前光線值，當“光線值”小于50時，提示“當前光照值過低”并打開RGB燈，為茉莉花增加光照時間，亮燈時間持續2秒。

教師小提示：植物最喜歡紅光和藍光，最不喜歡綠色的光。

學生完成流程圖填空。教師講解演示部分代碼設置。學生完成代碼編寫，刷入掌控板，運行。教師講解反饋任務過程中的問題。小組成果展示、評價，分析對傳感器數據獲取及控制的意義。

（設計意圖：通過本任務，體驗光線傳感器信息的獲取及控制，讓學生進一步理解傳感器在物聯網系統中的作用。）

【拓展任務】更合理地增加光照

★問題描述

當“光線值”小于100時，顯示當前光線值，打開一個RGB燈，設置為紅色，亮燈時間持續2秒。當“光線值”小于50時，顯示當前光線值，打開兩個RGB燈，設置為一紅一藍，亮燈時間持續2秒。當“光線值”小于10時，顯示當前光線值，打開三個RGB燈，設置為兩紅一藍，亮燈時間持續2秒。

學生完成代碼并調試，刷入掌控板，運行。小組成果展示、評價。

（設計意圖：分層次教學，讓不同學習能力的學生都能有所收獲。）

四、課堂小結

使用思維導圖總結本節課知識點（思維導圖略）。

師：傳感器早已滲透到諸多領域。可以說，從茫茫太空到浩瀚海洋，幾乎每一個現代化的項目都離不開傳感器。

（設計意圖：鞏固總結本節課，同時引導學生拓展思路，勇于創新，共同憧憬并探究未來物聯世界的奧秘。）

【教學反思】

“探究智能花卉養護系統——物聯網中的傳感器”一課，立足新課標要求——“了解物聯網（特別是傳感器系統）是連接物理世界與數字世界的紐帶和媒介；根據學習任務的需要和可用的實驗設備，設計并搭建具有數據采集、實時傳輸和簡單控制功能的簡易物聯系統。能通過智能終端或編寫程序，讀取并處理含有物聯功能設備中的數據，并進行適當反饋或控制。”課堂以智能花卉養護系統為導入，從物聯網三層架構中的底層感知層出發，帶領學生從認識、尋找傳感器，到結合人的感覺器官理解傳感器及其工作原理和分類，再到傳感器的發展，整個過程通過學生實際操作、課前尋找、視頻播放等形式，去調動學生的參與度和學習積極性。

探究部分結合掌控板，讓學生體驗簡易物聯設備中的傳感器——光線傳感器，任務一“分析茉莉花光照環境”，旨在讓學生體驗光線傳感器信息的獲取；任務二“為茉莉花增加光照時間”，旨在讓學生體驗光線傳感器信息的獲取與控制；拓展任務“為茉莉花更合理地增加光照時間”體現分層次教學，讓每個學生都學有所獲。通過層層探究讓學生加深對傳感器的認識，體驗傳感器信息的獲取、數據的分析及控制，激發學生對物聯網知識的學習興趣。

本節課最滿意的部分是將“尋找身邊的傳感器”部分前置，讓學生課前去尋找、去發現，這樣既節省了課上時間，又避免了課堂上學生思維打不開的尷尬，更難能可貴的是學生在尋找的過程中，既對知識進行了驗證、梳理，又加深了對傳感器的理解，更讓學生感受到知識在生活中的價值。

反思本節課的不足之處：作品展示環節不夠充分，比如一些問題作業沒有進行充分的展示和分析；因為是mPython的第三節課，所以本節課作業采用了半成品的形式，對學生來說難度較小，不利于學生深入思考，后續課程中可以嘗試讓學生獨自完成程序編寫。

編輯：曾彥慧