溫室效應分析模擬器設計

主講人：李悅琛

李悅琛

擁有多年大數據分析和軟件開發經驗。專注于創新教學，善用項目式教學引導學生通過親身實踐，深入探索科學原理和技術應用。

學習背景

本案例中，教師將引導學生制作模擬溫室效應的裝置，讓他們更好地了解溫室效應，認識到溫室效應的嚴重危害，并呼吁他們從身邊的小事做起，做到節能減排、低碳環保，從而保衛我們共同的家園。

教學目標

知識與技能 1.了解單片機和傳感器的基本工作原理及其在模擬溫室效應中的作用。2.能夠掌握使用單片機和傳感器進行數據采集、物聯網數據傳輸、數據圖表繪制等基本技能。

過程與方法 1.學生通過實踐活動，能夠提升觀察、分析和解決問題的能力。2.學生能夠學會利用單片機和傳感器進行科學實驗設計，掌握科學實驗的基本方法和步驟。

情感態度和價值觀 學生通過實踐活動，認識到科技在環境保護中的重要作用，增強環保意識和責任感。

教學過程

一、溫室效應的原理及形成過程

當太陽輻射到達地球表面時，地表吸收太陽輻射能并將其轉化為熱能，使地表溫度升高。然而，地表熱量不能無限制地向外散發，因為大氣中的溫室氣體能夠吸收和重新輻射熱量。水汽、二氧化碳、甲烷和臭氧是主要的溫室氣體，它們吸收和重新輻射熱量的方式有所不同。當這些溫室氣體吸收熱量時，會阻止熱量向外層空間散發，從而導致地表溫度升高，形成了一種類似于密閉溫室的效應，使得地表平均氣溫顯著高于沒有溫室效應時的溫度。

二、實驗設計

學生根據溫室效應原理及形成過程，對模擬裝置的實驗設計展開討論。通過討論設定實驗要點：模擬太陽、模擬室外環境、模擬二氧化碳濃度較高的室內環境、同步監測室內外的溫度變化?；趯嶒炓c，學生對單片機開發板進行篩選，選擇滿足實驗要求的開發板及傳感器。

師生經過討論，決定本次實驗由兩塊具有物聯網功能的掌控板作為開發板，分別連接兩個高精度溫度傳感器，其中一個傳感器暴露在空氣中模擬室外效果，另一個放置在充滿二氧化碳的塑料罩內，模擬室內效果。同時分別在“室內”和“室外”環境中放置相同大小的兩個冰球，觀測兩個冰球融化的速度。掌控板監測到的數據通過物聯網實時傳輸到電腦端，學生通過圖形化編程工具的畫筆功能，繪制出隨時間變化的溫度折線圖，從而可以直觀地看到室內外溫度變化的差異，達到實驗目的。學生繪制實驗設計草圖，并進行探討和優化。（如圖1）

三、活動實施

整個實驗由兩部分組成：溫度采集端、電腦數據繪制端。教師根據實驗需求，對學生進行分組分工，讓他們分別完成掌控板A端（模擬室內效果）、掌控板B端（模擬室外效果）和電腦繪圖C端的編程調試。

1.啟動和設置SIoT物聯網環境

安裝和啟動SIoT物聯網客戶端，啟動成功后在物聯網平臺設置主題。學生在掌控板A端和B端以及電腦繪圖C端分別對應連接SIoT物聯網主題，完成整套實驗裝置的物聯網設置。主要步驟如下。

STEP 1：啟動SIoT，構建局域網內的物聯網平臺服務。

STEP 2：使用瀏覽器打開物聯網平臺地址，對設備進行配置。物聯網平臺地址就是本機IP地址，端口號為8080。賬號和密碼如圖2所示。

STEP 3：掌控板A端和掌控板B端配置物聯網參數。在MQTT的初始化參數部分，物聯網平臺選擇SIoT，并且輸入剛剛在瀏覽器中打開的服務器地址（不寫端口號）、賬號、密碼。Topic_0可以自定義，主要格式為：項目名/設備名。（如圖2所示，temp1就是項目名，A就是A端掌控板的設備名）

兩個掌控板依次設置好后，學生連接設備并進行測試。如果在瀏覽器的物聯網端能夠顯示出項目及設備，說明連接成功。

STEP 4：電腦繪圖C端配置物聯網。C端的代碼采用實時模式，即繪制折線圖時需要用到舞臺和角色。點擊擴展，先擴展網絡服務中的MQTT模塊。擴展之后，為C端設置MQTT的初始化參數，如圖3所示。

2.編寫代碼

（1）掌控板A端（模擬室內效果）

掌控板A端連接“室內”的氣壓溫度傳感器，實時讀取“室內”的溫度，數據顯示在掌控板的屏幕上，并每隔一秒將數據同步發送到物聯網端。如果溫度超高，就會發出報警音，掌控板的RGB燈會顯示為紅色，溫度下降后，報警音停止，RGB燈關閉。

（2）掌控板B端（模擬室外效果）

掌控板B端連接“室外”的氣壓溫度傳感器，實時讀取“室外”的溫度，數據顯示在掌控板的屏幕上，并每隔一秒將數據同步發送到物聯網端。代碼和A端相同，最后的MQTT發送消息至Topic_1。

（3）電腦繪圖C端

電腦繪圖C端需要通過畫筆工具將實時溫度變化以折線圖的形式展示在舞臺上。因此我們需要設計舞臺背景為折線圖坐標系，并分別為代表室內溫度和室外溫度的角色進行編程，利用畫筆繪制折線圖。主要步驟如下。

STEP 1：繪制背景。動手繪制一個坐標系，橫坐標為時間軸，縱坐標為溫度軸，溫度最大值為50，最小值為10。

STEP 2：編寫背景代碼，如圖4所示。

STEP 3：室內外溫度折線圖繪制。選取兩個角色，分別命名為“室內”和“室外”，并將兩個角色的大小盡可能調整到最小，成功調試代碼后，可以把角色隱藏。擴展圖形化的畫筆功能，并為“室內”角色設置畫筆顏色為紅色，為“室外”角色設置畫筆顏色為藍色。根據實時接收到的物聯網數據，分別將“室內”和“室外”溫度值映射在坐標系上，通過畫筆繪制出溫度變化的折線圖。

3.外觀設計

教師引導學生采用廢舊物品將溫室效應分析模擬器裝置整體外觀進行設計和改良。

STEP 1：固定底座。學生們將擴展板和臺燈底座固定在紙盒內，作為整個作品的底座。盒蓋挖孔，方便掌控板和傳感器的安裝。

STEP 2：固定模擬溫室裝置。把礦泉水桶截取中段，用熱熔膠固定在美化后的盒子外側，并把掌控板和傳感器分別固定好，用保鮮膜覆蓋好礦泉水桶，使它成為密封狀態。

4.加入二氧化碳，進行聯調

明礬和小蘇打等比例混合后，加入少量水，二者發生化學反應，會釋放出二氧化碳，使用一根細管將二氧化碳導入室內模擬器的水杯中，就可以觀測到二氧化碳的產生情況。（整體裝置如圖5所示）

通過測試聯調，可以清晰觀測到起初“室內”和“室外”的溫度是相等的。開燈加溫后，代表室內溫度的折線圖上升速度很快，而代表室外溫度的折線圖上升速度較為平緩。關閉加熱燈后，代表室內溫度的折線圖依然保持較高溫度，且下降速度較慢，而代表室外溫度的折線圖下降速度較快。

四、教學總結

在實驗中，我們將兩個相同的氣壓溫度傳感器（BMP288）分別連接在兩個掌控板上，通過掌控板可以實時看到溫度值的變化，并通過物聯網將數據傳輸到電腦上，同步繪制出溫度折線圖，便于更好地對比觀察。我們把其中一個氣壓溫度傳感器裸露在空氣中，模擬正常情況下的溫度變化；另一個用保鮮膜和水桶罩住，并在底部打上熱熔膠密封，里面放置了二氧化碳發生裝置，模擬溫室效應情況下的溫度變化。在兩個傳感器的正中間放置了臺燈，模擬太陽光照的效果，使實驗升溫更迅速，變化更明顯。

通過實驗，我們觀察到“室內”通過光照，溫度升溫很快，關燈之后溫度下降緩慢，會很長時間保持較高的溫度。我們也曾拿冰塊模擬冰川進行實驗，“室內”的冰塊融化速度會比“室外”的快很多。通過這個實驗，學生們認識到保護地球，阻止溫室效應，已經是迫在眉睫的任務了。