4.1 自动浇水促进生长—— 物联网自动控制 教学设计--2024-2025学年八年级上册《信息科技》（安徽版2024）

4.1 自动浇水促进生长—— 物联网自动控制
教学设计
一、学习内容
本项目“实现智能绿植养护”第1课时，由生活中的真实情境出发，为了实现不同花卉的精准养护，需要设计并制作一个简单的自动浇水系统，包括硬件的选择与连接、程序的编写与调试。旨在通过实践操作，让学生体会自动控制技术在生活中的应用和为生活带来的便利，理解自动控制技术的工作过程及实现原理，为后续学习物联网远程控制及物联网数据分析与使用埋下伏笔。
二、学习基础
八年级学生具备基础的观察、分析和动手能力。经过前三个单元的学习，已经掌握一定的物联网基础知识，了解传感器的分类应用及物联网的工作过程。生活中，对植物浇水也有直观感受，知道不同植物对水有需求差异，但缺乏科学浇水方法和精准控制意识。本项目需要在教师的指导下，利用湿度传感器的数据收集，完成自动浇花系统的设计与搭建，体会使用物联网数据控制物联网系统自动运行的过程。
三、问题梳理
1. 素养问题
物联网自动控制的实现原理是什么？
物联网自动控制的工作流程是怎样的？
生活中物联网自动控制技术的应用实例还有哪些？
2. 项目问题
自动浇花器由哪些功能部件组成？
自动浇花器是如何感知花卉需要浇水的？
自动浇花器是如何控制浇水量或浇水时间的？
四、学习目标与重难点
1．学习目标
（1）素养目标：在设计与搭建简易物联网自动控制系统中，理解自动控制的工作过程及实现原理。
（2）项目目标：设计并搭建自动浇花系统，实现采集湿度传感器的数值控制水泵自动浇水。
2．学习重点和难点
（1）学习重点
选择合适的物联网设备，设计并搭建自动浇花系统，实现浇花器的自动浇水功能。
（2）学习难点
理解物联网自动控制的实现原理及其工作过程。
五、学习策略
本课将采用基于信息科技学科内容的项目式学习来开展，以小组合作探究的方式来组织学习过程，将素养线内化于项目线中，让学生在完成项目的过程中，达成素养目标。
通过项目情境，提出学习需求，设计并制作一个简易的自动浇花器；
通过项目准备，分析自动浇花器能够实现的功能，并对实施方案进行规划，从硬件设备和软件工具两部分搭建项目支架；
通过项目实施，搭建自动浇花器简易模型，编程调试实现浇花器的自动控制，并对项目进行展示与评价。
通过项目总结，达成素养目标，评价学生能否透过现象看本质，理解自动浇花器如何利用数据来控制水泵进行自动浇水。
六、环境与资源
本项目学习活动，可以在实验室进行，拟分设10个小组，4人为一组。教师需准备如下表所示的实验器材，用于搭建自动浇花器简易模型；准备好编程软件mPython，用于实现浇花器的自动浇水功能；准备好微课视频及学件，用于教学中学生自主学习与探究。
器材/工具 数 量 作用/功能
电脑 10台 装载编程软件mPython，编写自动控制程序
主控板 10个 依据采集的土壤湿度数值，自动控制水泵浇水
土壤湿度传感器 10个 采集土壤湿度数据
微型水泵 10个 控制浇水
水管 10个 浇水
杜邦线 若干 连接硬件设备
程序下载线 10个 将电脑上编写的程序下载到主控板上
七、学习评价
通过制作自动浇花器实现自动浇水功能，体会自动浇花器是如何利用数据来控制水泵进行自动浇水，从而理解物联网自动控制的工作过程和实现原理。课堂中以小组为单位展开学习活动，教师提供学习支架突破重难点。通过项目达成与素养达成两个方面助力学生对学习情况进行评价。
评价维度 评价指标 评价结果
项目达成 能使用物联网实验室设备制作自动浇花器，通过编程实现浇花器的自动浇水控制功能。 ☆☆☆☆☆
素养达成 了解物联网自动控制技术及其应用；掌握自动控制的工作过程及其原理；能使用物联网数据控制物联网系统自动运行。 ☆☆☆☆☆
八、学习过程
学习环节 学习内容 学习支持 设计意图
项目情境明确目标 1．学习情境，小组划分观看视频《我家的半亩花田》小组划分及分工2．学科融合，提出问题对于各类型的花卉养护，需要注意哪些方面？ 植物的生存条件： 、 、 、 、 3．学习目标，项目铺垫以前的浇水方式？你有好的建议吗？怎样才能针对不同的植物类型做到水分的精准供给？提出项目任务：设计并制作自动浇花器，实现自动浇水功能。 播放视频，展示院子里的小花园。 结合生物学知识，明白植物的养护需要哪些条件，从而聚焦到水分”条件。通过问题引导学生进行思考。 创设情境，引出项目需求。学科融合。在现有科技的支持下能够完成哪些，迁移至本项目的问题解决。引入课题“自动浇水促进生长”，明确项目目标。
项目准备分析规划 1．初探自动浇花器的原理类比日常浇花操作观察、触摸、感知土壤——是否浇水得出自动浇花流程感知土壤——是否浇水——浇水量和时长2．了解自动浇花器的功能思考： 浇花器用什么来感知土壤是否需要浇水？ 水泵怎样判断是否需要自动进行浇水？ 水泵怎样判断是否停止浇水？3．规划自动浇花器的实施方案 选择相关物联网设备，模拟搭建简易自动浇花器，需要历经以下流程。 引导学生从生活中人工浇花实例来进行分析，得出自动浇花的流程。通过问题一步步提示，自动浇花器要具备哪些功能。根据上述功能，简要概述自动浇花器的工作过程。得出搭建小型简易物联系统的一般流程。 问题来源于生活，而科技赋能则能好的服务于生活，为生活带来便利。通过迁移的方式帮助学生在问题解决中建立抽象、分解、建模的意识。
项目实施动手实践 1．搭建自动浇花器简易模型选用器材 根据项目分析，选择所需器材。 要感知土壤干涸程度，需要 要实现自动浇水，需要 和 在进行数据分析和对比，需要 连接设备根据所选器材，画出连接草图，组建简易自动浇花器。2．设计浇花器自动控制算法回忆人工浇水流程思维导图描述浇花器自动工作流程问题思考：水泵开启后，如何让水泵自动关闭？ 水泵开启条件：检测值 设定值， 即判断的过程； 如未达到关闭条件，水泵持续开启，即循环的过程。 水泵关闭条件：检测值 设定值。流程图描述浇花器自动工作流程
3．编程实现浇花器自动控制编写程序参考学生手册，编写程序，并对程序设计做简单介绍和解释。P1的值来源于： 1500是 ，不同的植物类型，值有所不同。实验检测修改P1值和设定值，观察水泵运行状态，并记录实验结果。实验次数传感器检测数值程序设定值自动控制结果第1次8941500□水泵启动 □水泵无反应第2次□水泵启动 □水泵无反应第3次□水泵启动 □水泵无反应实验结论土壤温度传感器获得的是 ，程序中给定的是 ，当检测值 设定值时，表明土壤比较干涸，花卉需要浇水，从而控制水泵开始工作。当检测值 设定值时，表明土壤比较湿润，花卉不需要浇水，水泵不工作。小结提升：你认为本实验中，最重要的环节是？ 根据项目规划，帮助学生找到适配的物联网实验室器材，并说一说各个部件的功能。复习与本单元有关的传感器。通过草图，引导学生初步探究自动浇花器的实现原理。由人工浇水流程→思维导图分析工作流程→流程图设计算法→编程实现，层层递进，步步深入自动控制技术原理的探究。指出判断与循环的重要性和必要性。重点分析自动浇花器是如何控制浇水量或浇水时间的，即达到精准养护的目的。根据理解，引导学生填写流程图，并及时进行评价和展示。对照流程图，帮助学生理解程序结构及程序中数据的意义。由一小组检测此时此刻土壤湿度的阙值。强调检测值与设定值的来源与出处。指导学生，用不同的传感器检测数值与程序设定值来观察水泵的运行状态。引导学生体会利用物联网数据控制物联网系统自动运行。通过不同组数据对比实验检测，帮助学生总结实验结论。复盘实验环节，找出关键步骤。 建立用原理指导实践的意识，形成“科”“技”思维。为后续学习做好铺垫。细化工作步骤，加深对算法的理解。五个步骤，逐步突破难点，在逐层递进中，培养学生计算思维。通过完成学件，给出标准，及时评价，在反馈中及时调整教学策略与方向。给出程序，在理解程序结构及意义的基础上修改参数，降低难度。提高学生总结、提取关键信息的能力，理解数据是自动控制的基础和来源。多次开展实验得出结果，验证科学性。进一步理解如何使用数据实现自动浇水。
项目总结素养提升 1．展示各小组的自动浇花系统小组评述：成功的关键 失败的原因 师生共同点评2．简述浇花器自动控制的工作过程讨论各部件的工作过程讨论自动浇花器的工作过程将土壤湿度传感器所采集的土壤湿度值数据，传输到主控板，与设定的数值进行比对，然后做出相应处理。3．总结自动控制的工作原理自动控制工作过程实时数据采集→实时控制决策→实时控制输出主要特点：实时、数据自动控制在浇花器系统中的应用：实时数据采集是对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入，即 过程。实时控制决策是对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为，即 过程。实时控制输出则是根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务，即 过程。 通过项目展示，分享实践成果，总结失败原因。教师给予及时评价与反馈。通过实验总结原理。帮助学生在实践中理解自动控制的工作过程。将自动控制原理对应到自动浇花器的工作过程中，加深理解。 学习评价：1. 使用物联网实验室设备制作自动浇花器。☆☆☆☆☆2. 通过编程实现浇花器的自动浇水控制功能。☆☆☆☆☆3. 了解物联网自动控制技术及其应用。☆☆☆☆☆4. 掌握自动控制的工作过程及其原理。☆☆☆☆☆用项目线达成素养线，实现“科”“技”并重。
项目拓展学以致用 1．思维迁移生活中物联网自动控制技术的应用实例还有哪些？能否在自动控制的基础上进行优化，以达到远程控制的功能？2．技术提升修改浇花器自动浇水时间花卉品种不同，需水量也各不相同。根据花卉实际，修改浇水时间，使浇水量符合需水原则。优化浇花器自动控制功能花卉的养护除了水分的供给，阳光、温度、空气、养分都和它们的生长息息相关，请在自动浇花器的基础上，进一步增加温度传感器的应用，采集温度数据，为花卉的生长提供更好的环境。3．反思改进梳理本节课内容，思考不足与改进之处，自我反思与评价。 教师提示，如果掌握了人工智能技术，可以向大模型提问。分层设计，供学生选择完成。引导学生将本节课所学拓展提升到其他影响因素，优化系统，为下节课做好铺垫。 迁移与应用。从思维和技术的角度学会提炼与升华。
九、板书设计

项目1 自动浇水促进生长

十、学习反思
本单元通过使用物联网技术来助力绿植养护。作为单元第1课，虽没有完全体现物联网技术，主要以理解自动控制的实现原理和工作过程为主。看似没有关联，实则在理解自动控制的基础上，为后续课程的物联网远程控制垫定基础。故在课程中：
1．铺垫物联网远程控制的应用场景，让学生在自动控制的基础上进行优化，形成远程控制的思想；
2．土壤的湿度阈值由学生现场测定，不同的植物在不同的时间段，湿度阈值会有所不同，由学生实际动手获取，不仅能让学生理解数据的获取与重要性，也让浇水的需求显得更加真实；
3．对于自控控制的原理描述，将自然语言的描述环节并入思维导入分析环节，由具象到抽象，减少重复与冗余，层层递进，步步深入地剖析自动控制技术的工作过程。