“探究智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)——物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器”教學(xué)設(shè)計(jì)

于軍香

【學(xué)科核心素養(yǎng)】

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

2．能夠在分析問題的基礎(chǔ)上，從算法描述到流程圖，再到程序編寫，實(shí)現(xiàn)智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的光線控制，真正用程序去解決問題（計(jì)算思維）。

3.在問題解決過程中，自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)同完成學(xué)習(xí)任務(wù)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)作品，如更具價(jià)值的傳感與控制系統(tǒng)（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）。

【課標(biāo)要求】

了解物聯(lián)網(wǎng)（特別是傳感器系統(tǒng)）是連接物理世界與數(shù)字世界的紐帶和媒介。

【學(xué)業(yè)要求】

通過自主探究和小組合作，理解物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器，并完成智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的光線采集與控制，在此過程中體驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸和簡單控制功能的簡易物聯(lián)系統(tǒng)。

【教學(xué)內(nèi)容分析】

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中的感知和輸入部分，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。傳感器的技術(shù)影響著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心。通過探究智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，結(jié)合生活中使用的傳感器，讓學(xué)生了解傳感器及其用途，了解物聯(lián)網(wǎng)的基本原理，理解傳感器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的作用，認(rèn)識(shí)到物聯(lián)網(wǎng)傳感器的種類之多、使用范圍之廣。

【學(xué)情分析】

八年級(jí)學(xué)生思維活躍，具有一定的自主學(xué)習(xí)和歸納總結(jié)的能力，大部分學(xué)生對編寫程序，解決實(shí)際問題有非常濃厚的興趣。他們在小學(xué)學(xué)習(xí)過Scratch編程，對數(shù)據(jù)和語法有一定的理解，會(huì)用Scratch編寫一些程序，對mPython編程有一定的基礎(chǔ)。通過第一節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)及其三層架構(gòu)有了一定的理解，知道信息系統(tǒng)的組成與功能；初步體驗(yàn)了掌控板及mPython編程；生活中也使用過智能化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，但對設(shè)備具體的工作機(jī)制和原理不夠了解，缺乏系統(tǒng)的認(rèn)知。這節(jié)課通過探究智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)傳感器，體驗(yàn)傳感器信息的獲取、數(shù)據(jù)的分析及控制，激發(fā)學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。

【教學(xué)目標(biāo)】

1.認(rèn)識(shí)傳感器，了解傳感器的工作原理。

2.結(jié)合生活實(shí)際，能夠列舉出常見的傳感器及其應(yīng)用場景。

3.知道傳感器根據(jù)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(yǎng)護(hù)系統(tǒng)中的光線控制，體驗(yàn)傳感器信息的獲取及控制。

【教學(xué)重難點(diǎn)】

教學(xué)重點(diǎn)：結(jié)合掌控板理解物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的工作原理及過程。

教學(xué)難點(diǎn)：使用掌控板，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)中的光線獲取與控制。

【教學(xué)準(zhǔn)備】

掌控板、智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、課件、素材資源、教學(xué)輔助資源、廣播教學(xué)軟件等。

【教學(xué)策略分析】

采用講解演示法、自主探究、小組合作、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，圍繞智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)讓學(xué)生從體驗(yàn)到感知，從觀察到分析，逐步對物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器進(jìn)行認(rèn)知，讓學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下自主探究完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

【教學(xué)過程】

一、創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

師：同學(xué)們，今天我們以花會(huì)友，老師喜歡養(yǎng)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(xué)上來感受并展示一下這盆花的奧妙?。▽W(xué)生嘗試改變茉莉花盆中花卉養(yǎng)護(hù)設(shè)備的溫度、濕度、肥力、光線條件，教師通過教室大屏與手機(jī)App同屏，向班級(jí)學(xué)生展示花的溫度、水分、光照、土壤養(yǎng)分等參數(shù)的變化。）

師：基于以上展示，回顧上節(jié)課的內(nèi)容，我們再請一位同學(xué)結(jié)合智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)復(fù)習(xí)一下物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)。

學(xué)生思考，回答。

師：感謝這個(gè)同學(xué)的總結(jié)，那我們這節(jié)課就從物聯(lián)網(wǎng)的底層——感知層中的傳感器開始認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)。

（設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)回顧上節(jié)課內(nèi)容，物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)。同時(shí)，創(chuàng)設(shè)本節(jié)課的情境——智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引出本節(jié)課課題。）

二、理論探究：傳感器

師：講到傳感器，首先從認(rèn)識(shí)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(wù)，讓不同小組的學(xué)生分別錄制生活中不同類型傳感器的應(yīng)用實(shí)例視頻，教師將學(xué)生的視頻匯總合成。）PPT總結(jié)常見傳感器。

師：我們的智能花卉環(huán)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(xué)生思考并回答。

工作原理：

師：對比人的感官系統(tǒng)，我們根據(jù)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(yīng)用上我們要用到智能傳感器。

（設(shè)計(jì)意圖：知識(shí)來源于生活，又服務(wù)于生活。此環(huán)節(jié)讓學(xué)生結(jié)合生活中的實(shí)際應(yīng)用，各類傳感器的應(yīng)用及尋找的過程，既是對知識(shí)的驗(yàn)證、梳理，又加深了對傳感器的理解，讓學(xué)生感受到知識(shí)在生活中的價(jià)值。學(xué)生對比人的感官，深入感知物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器及其工作原理。采用對比人的感官系統(tǒng)的方式，也讓學(xué)生對傳感器的功能分類理解得更準(zhǔn)確。）

三、實(shí)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(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、串口（COM接口）等。上節(jié)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(yǎng)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(huì)開花的。

【探究任務(wù)一】光線傳感器信息的獲取：分析光照環(huán)境

★問題描述：分析一段時(shí)間內(nèi)，茉莉花當(dāng)前位置的“光線值”，顯示并繪制光線變化曲線，分析數(shù)據(jù)，為茉莉花尋找最佳的光照環(huán)境。

★問題分析（師生共同分析）：

光線采集設(shè)備：光線傳感器；一段時(shí)間：按鍵A、B控制，按下A鍵，采集并繪制數(shù)據(jù)，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(xué)生思考并回答算法描述。結(jié)合算法描述，學(xué)生完成學(xué)件的流程圖填空。教師講解演示部分代碼設(shè)置。學(xué)生完成代碼并調(diào)試，刷入掌控板，運(yùn)行。教師講解反饋任務(wù)過程中的問題。小組成果展示、評價(jià)，并分析此任務(wù)中光線數(shù)據(jù)獲取的意義。

（設(shè)計(jì)意圖：通過本任務(wù)，體驗(yàn)光線傳感器對光線信息的采集過程。本任務(wù)的解決過程，就是對實(shí)際問題進(jìn)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(jìn)的形式，讓學(xué)生將問題逐漸明確，從而提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力。）

【探究任務(wù)二】光線傳感器信息的獲取與控制：增加光照時(shí)間

★問題描述

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

教師小提示：植物最喜歡紅光和藍(lán)光，最不喜歡綠色的光。

學(xué)生完成流程圖填空。教師講解演示部分代碼設(shè)置。學(xué)生完成代碼編寫，刷入掌控板，運(yùn)行。教師講解反饋任務(wù)過程中的問題。小組成果展示、評價(jià)，分析對傳感器數(shù)據(jù)獲取及控制的意義。

（設(shè)計(jì)意圖：通過本任務(wù)，體驗(yàn)光線傳感器信息的獲取及控制，讓學(xué)生進(jìn)一步理解傳感器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的作用。）

【拓展任務(wù)】更合理地增加光照

★問題描述

當(dāng)“光線值”小于100時(shí)，顯示當(dāng)前光線值，打開一個(gè)RGB燈，設(shè)置為紅色，亮燈時(shí)間持續(xù)2秒。當(dāng)“光線值”小于50時(shí)，顯示當(dāng)前光線值，打開兩個(gè)RGB燈，設(shè)置為一紅一藍(lán)，亮燈時(shí)間持續(xù)2秒。當(dāng)“光線值”小于10時(shí)，顯示當(dāng)前光線值，打開三個(gè)RGB燈，設(shè)置為兩紅一藍(lán)，亮燈時(shí)間持續(xù)2秒。

學(xué)生完成代碼并調(diào)試，刷入掌控板，運(yùn)行。小組成果展示、評價(jià)。

（設(shè)計(jì)意圖：分層次教學(xué)，讓不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生都能有所收獲。）

四、課堂小結(jié)

使用思維導(dǎo)圖總結(jié)本節(jié)課知識(shí)點(diǎn)（思維導(dǎo)圖略）。

師：傳感器早已滲透到諸多領(lǐng)域。可以說，從茫茫太空到浩瀚海洋，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化的項(xiàng)目都離不開傳感器。

（設(shè)計(jì)意圖：鞏固總結(jié)本節(jié)課，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生拓展思路，勇于創(chuàng)新，共同憧憬并探究未來物聯(lián)世界的奧秘。）

【教學(xué)反思】

“探究智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)——物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器”一課，立足新課標(biāo)要求——“了解物聯(lián)網(wǎng)（特別是傳感器系統(tǒng)）是連接物理世界與數(shù)字世界的紐帶和媒介；根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)的需要和可用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并搭建具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸和簡單控制功能的簡易物聯(lián)系統(tǒng)。能通過智能終端或編寫程序，讀取并處理含有物聯(lián)功能設(shè)備中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行適當(dāng)反饋或控制?！闭n堂以智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)為導(dǎo)入，從物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)中的底層感知層出發(fā)，帶領(lǐng)學(xué)生從認(rèn)識(shí)、尋找傳感器，到結(jié)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(fā)展，整個(gè)過程通過學(xué)生實(shí)際操作、課前尋找、視頻播放等形式，去調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)積極性。

探究部分結(jié)合掌控板，讓學(xué)生體驗(yàn)簡易物聯(lián)設(shè)備中的傳感器——光線傳感器，任務(wù)一“分析茉莉花光照環(huán)境”，旨在讓學(xué)生體驗(yàn)光線傳感器信息的獲??；任務(wù)二“為茉莉花增加光照時(shí)間”，旨在讓學(xué)生體驗(yàn)光線傳感器信息的獲取與控制；拓展任務(wù)“為茉莉花更合理地增加光照時(shí)間”體現(xiàn)分層次教學(xué)，讓每個(gè)學(xué)生都學(xué)有所獲。通過層層探究讓學(xué)生加深對傳感器的認(rèn)識(shí)，體驗(yàn)傳感器信息的獲取、數(shù)據(jù)的分析及控制，激發(fā)學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。

本節(jié)課最滿意的部分是將“尋找身邊的傳感器”部分前置，讓學(xué)生課前去尋找、去發(fā)現(xiàn)，這樣既節(jié)省了課上時(shí)間，又避免了課堂上學(xué)生思維打不開的尷尬，更難能可貴的是學(xué)生在尋找的過程中，既對知識(shí)進(jìn)行了驗(yàn)證、梳理，又加深了對傳感器的理解，更讓學(xué)生感受到知識(shí)在生活中的價(jià)值。

反思本節(jié)課的不足之處：作品展示環(huán)節(jié)不夠充分，比如一些問題作業(yè)沒有進(jìn)行充分的展示和分析；因?yàn)槭莔Python的第三節(jié)課，所以本節(jié)課作業(yè)采用了半成品的形式，對學(xué)生來說難度較小，不利于學(xué)生深入思考，后續(xù)課程中可以嘗試讓學(xué)生獨(dú)自完成程序編寫。

編輯：曾彥慧