4.3 监测绿植土壤湿度—— 物联网数据呈现 教学设计--2024-2025学年八年级上册《信息科技》（安徽版2024）

4.3 监测绿植土壤湿度—— 物联网数据呈现
教学设计
一、学习内容
本项目以搭建土壤湿度监测系统，并使用系统实时监测养护绿植的土壤湿度情况为目标，开展项目活动。学生系统搭建完成后，通过编程以合适的形式呈现土壤湿度数据，从而进一步认识物联网数据呈现形式及其特点。
二、学习基础
本项目的学习对象是八年级学生，他们已经具备了一定的自主探究学习能力，能够依据真实情境，通过项目学习进行探究活动，解决实际问题。为了更好地养护绿植，学生在前两节课中已经学会了使用物联网控制技术实现绿植的自动灌溉和远程浇水。但是，绿植的养护会受到土壤湿度等环境因素的影响，学生迫切想知道如何浇水更为合理，因此如何获得及呈现土壤湿度数据是他们下一个需要解决的问题，所以，本节课立足于引领学生认识物联网数据呈现形式及其特点，并能选择合适的形式呈现土壤湿度数据，从而解决该问题。
三、问题梳理
1．素养问题
什么是物联网数据的可视化
物联网数据呈现的形式有那些？
如何描述物联网数据呈现的过程？
2．项目问题
选择什么实验器材采集土壤湿度数据？
如何搭建土壤湿度监测系统？
采集到的土壤湿度数据用什么样的形式进行呈现？为什么采用这种形式呈现数据？
四、学习目标与重难点
1．学习目标
（1）项目目标：搭建土壤湿度监测系统，监测养护绿植的土壤湿度情况。
（2）素养目标：
①了解常用的物联网数据呈现形式及其特点。
②选择合适的呈现形式，展示物联网数据。
2．学习重点和难点
（1）学习重点：认识物联网数据的呈现形式，理解物联网数据的呈现过程。
（2）学习难点
能结合物联网数据的特点，选择恰当的形式进行呈现。
五、学习策略（学习规划、实验规划）
本项目学习活动，以实际操作和实践为基础，通过讨论、实践操作等环节，让学生根据物联网数据呈现形式及其特点，选择合适的呈现形式，展示数据。为了让学生突破重难点目标，教师给学生提供活动支架。例如如何选择物联网数据呈现形式展示数据时，教师可以类比生活中的多种实例，引导学生思考，归纳出各种物联网数据呈现形式的特点。
六、环境与资源
本项目活动需要准备如下表所示的实验器材，搭建土壤湿度监测系统，准备好编程软件mPython，通过软件进行图形化编程实现实时监测土壤湿度数据功能。
器材/工具 数量 作用/功能
采集端（主控板） 1块/组 采集的土壤湿度数据，并将数据发送给用户端
用户端（主控板） 1块/组 接收土壤湿度数据并以合适的形式进行呈现
扩展板 2块/组 给主控板供电，给土壤湿度传感器提供接口
土壤湿度传感器 1块/组 采集土壤湿度数据
路由器 1个/组 连通网络
计算机 1台/组 运行MQTT服务，提供传输信息的服务
七、学习评价
本项目教学活动旨在使用搭建的土壤湿度监测系统实时查看土壤湿度数据，从中让学生根据物联网数据呈现形式及其特点，能选择合适的呈现形式展示数据。学生以小组为单位开展学习活动，学习评价可以从项目开展与实施的过程以及项目的成果等进行评价，学生既可以进行自我评价，也可以组内互评，重点是在评价中得到总结与反思。本项目教学活动可以从以下几个方面对学生的学习情况进行评价，如下表所示。
评价维度 评价内容 评价等级
过程性评价 能主动参与讨论，讨论的内容对完成项目有价值。 ☆☆☆☆☆
能主动参与合作任务，在小组中积极发表自己的看法，听取同伴发言，参与活动兴趣浓厚。 ☆☆☆☆☆
在课堂中表现积极，独立思考和解决问题，能够按时准确的完成活动任务。 ☆☆☆☆☆
总结性评价 能够熟练搭建土壤湿度数据监测系统。 ☆☆☆☆☆
能够借助编程实现监测数据功能。 ☆☆☆☆☆
能够根据应用场景，选择恰当的形式呈现展示土壤湿度数据。 ☆☆☆☆☆
学习流程
在本项目教学活动中，首先以真实情境为依托，让学生在生动具体的情境中了解需要解决的问题，激发他们的学习兴趣；接着，教师引导学生了解达成项目目标的必备知识，规划设计项目方案，为项目实施做好充足准备；最后，在项目实施过程中，教师引导学生围绕问题链开展学习，在完成项目过程中对学生进行实时评价，以便更加科学地评估学生的学习情况。
九、学习过程
教学环节 学生活动 教师活动 设计意图
项目情境明确目标 回顾生物学知识，植物生长需要的五大要素。在自然条件下，绿植的养护会时刻受到土壤湿度等环境因素的影响，由于无法用肉眼去判断这些关键环境因素。所以可以搭建一个土壤湿度监测系统，实时监测养护绿植的土壤湿度情况。学习过程：学生聚焦情境问题，思考并明确本活动的学习目标，即利用物联网技术搭建土壤湿度监测系统，监测土壤湿度数据，并使得该数据可视化。 创设情境，引导学生思考问题，引入课题“监测绿植土壤湿度”，明确项目目标。 引入情境问题，激发学生的学习兴趣。引导学生思考教师提出问题，为项目准备活动做铺垫。
项目准备分析规划 活动1：选择监测数据显示方式思考问题：请参看学生手册“素养提升”内容，想一想哪些数据的呈现形式适合用在监测系统中，在图中填一填，并说明理由。学习过程：分组讨论交流，完成图中填写。同时通过阅读文档，了解物联网数据呈现的多种图标类型，思考那种数据呈现方式比较适合。活动2：设计监测系统工作过程思考问题：监测系统的功能是将土壤湿度传感器采集到的数据发送给用户端，并采用合适的呈现形式让数据在用户端显示出来。结合上述简要分析，请设计并完善监测系统的工作过程图。 学习过程：阅读学生手册“素养提升”内容，理解物联网数据呈现的过程、思考并完成图中选择，自主探究操作，独立完成任务。活动3：制定监测系统实现方案结合前面的分析内容，讨论实施方案，制定方案内容。学习过程：小组合作，思考教师提出的问题，制定实施方案，汇报展示自己的方案，并按照其他组提出的建议改进方案。 提出问题，并对回答的问题答案进行评价， 给予积极的反馈和建议提出问题，引导学生进一步了解监测系统的工作过程，为后面的项目实施活动做好准备，学生在完成活动任务的过程中，巡视辅导，对学生完成的活动任务给予评价学生在制定方案的过程中，巡视辅导，完成活动任务后，请学生上台演示自己制定的规划方案。 自主探究，小组讨论并思考哪些数据的呈现形式适合用在监测系统中，从中理解物联网数据的呈现形式及其特点。小组讨论、思考教师提出问题，梳理监测系统工作过程，教师要充分相信学生的能力，让学生独立完成活动任务，培养学生的自主学习能力。通过制定方案活动， 培养学生的自主探究学习和小组合作的能力。
项目实施解决问题 活动1：搭建土壤湿度监测系统根据前面的项目分析与规划，选择物联网实验室的相关设备，模拟搭建土壤湿度监测系统，操作实施步骤如下。（1）连接设备：准备采集土壤湿度数据的传感器，将主控板与土壤湿度传感器的引脚连接起来。（2）组建环境：使用无线路由器组建模拟实验所需网络环境。（3）提供服务：在服务器上创建名称为“jiance”的主题，主题建立完成后，启动MQTT服务器。学习过程：观看微课，通过微课自主学习，组建监测系统实验网络环境，完成系统搭建任务，活动2：编程系统功能监测代码通过编写程序，实现系统数据监测功能。（1）修改采集数据功能代码：让学生更改部分。学习过程：学生合作、探究，了解图中代码含义，通过编程实现采集数据的功能。修改数据监测功能代码：让学生编写代码实现数据监测功能。思考题：更改代码，添加报警功能，若监测到土壤湿度小于设定阈值（30%RH），立即向用户端发送预警信号，即用户端红灯闪烁并伴有蜂鸣声。学习过程：学生阅读程序，思考并积极回答教师提出的问题，小组合作，通过编程显示要监测的数据功能。活动3：测试系统监测数据功能结合问题引发学生思考：（1）运行程序，测试监测系统，查看用户端能否显示数据呈现的结果。（2）测试监测系统时，如果发现采集设备无法采集土壤湿度数据，其原因是什么，如何解决此问题。（3）测试监测系统时，如果发现用户端接收不到土壤湿度数据，如何解决。学习过程：小组合作交流解决方法，测试系统监测数据功能，记录实验数据，思考并回答教师提出的问题。 组织学生小组合作搭建土壤湿度监测系统，提供搭建环境的微课，让学生自主学习。组织学生合作编写程序，实现数据采集功能.组织学生合作编写程序，实现数据监测功能，让学生思考、讨论、进一步修改代码，完善监测系统功能。分层教学组织学生小组合作，根据测试过程中遇到的问题，合作交流解决方法，并回答教师提出的问题。 让学生自主学习本知识点，按照要求，搭建土壤湿度监测系统，培养学生的自主学习能力和协作意识。让学生通过编程实现数据采集，培养他们的创新意识和自主学习能力。 让学生编程实现数据监测功能，在编程时可以让学生能力强的学生充当“小老师“，帮助其他基础薄弱的学生共同进步。让学有余力的同学思考和操作，在真实的情境中提升自己的能力。运行程序，测试系统监测数据功能，记录实验数据，培养学生的观察能力以及科学探究能力。
展示汇报项目评价 展示成果展示交流项目成果，简要描述使用的物联网数据呈现的形式及其过程。学习过程： 小组合作，分组汇报本组的项目成果及其本节课所学知识。 总结评价总结物联网数据呈现的过程，填写评价量表。 项目实施完成后，请学生展示制作成果，让学生描述物联网数据呈现的形式及其过程。教师对本节课的学习情况与项目完成情况进行综合评价，学生填写学生项目手册中评价量规表。 通过交流与展示，提高学生的创新能力和语言表达能力。通过互评、师评和自评，培养学生分析问题、解决问题的能力。
总结反思 拓展提升 项目总结思考问题：请完成项目的学生依据本节课所学的内容，在下面的结论中填一填。物联网产生的大量数据，对其进行 、处理和分析后，发送到计算机、手机和手环等终端设备中，并选择用文本、______、表格等合适的方式直观、清晰地在终端设备上呈现出来。学习过程：学生思考、讨论，和老师共同总结本节课所学知识点，填写结论中的内容。拓展提升讨论：以物联网应用场景为例，在特定情境下，如何以最佳形式呈现物联网数据。例如，在高铁的厕所抽烟场景中，烟雾报警器负责采集数据。一旦检测到烟雾，烟雾报警器会立即向用户端发送报警信息。此时，用户端可以选择以声音的形式来呈现这一数据，即发出报警声音，以提醒相关人员及时处理。作业设计（1）基础性试题你还能为自己搭建的土壤湿度监测系统添加哪些功能呢？（2）综合性试题根据你所学的内容，设计并制作一个“农业灌溉系统”。学习过程：学生自主学习，课堂中或课后完成作业。 对课堂所学知识点进行归纳总结，指导学生填写图中内容。以物联网应用场景为例，对物联网呈现的形式进行适当的拓展，以进一步加深学生对所学知识点的理解。组织不同层次的学生完成作业，让所有学生完成基础性试题，让学有余力的学生完成综合性试题 帮助学生总结梳理知识结构、强化重难点。 巩固学生对物联网知识的理解，还能引导他们思考不同场景下数据的最佳呈现方式。通过作业，帮助学生巩固所学知识，拓展提升。通过分层教学，让不同层次的学生都能有所提高。
板书设计
学习反思
本项目学习过程中，学生结合物联网数据的呈现形式及其特点，选择了一种恰当的形式进行数据可视化，学生能够合作思考、讨论，提出问题，共同制定项目实施方案，合作完成项目内容，达成项目目标，学生们在展示项目成果的过程中，能够清晰地表达自己的学习成果。在教学过程中，因教学时间有限，教师提前准备好微课等学习支架，帮助学生更好地学习本项目内容。