2.4 实现灯光警报呼叫器 教学设计 -2025-2026学年8年级上《信息科技》（教科版）

第4课 实现灯光警报呼叫器 教学设计
1. 教学内容分析
本课旨在通过灯光警报呼叫器的综合功能实现，让学生深入理解物联网系统中通信与协作的重要性。教学内容涵盖多主控板之间的通信原理、设备的协同控制及其在实际物联网系统中的应用。本课强化了学生对硬件设备的系统性认知，尤其是在多设备协作和复杂逻辑设计方面，学生将学习如何通过通信模块实现远程信号传递及多功能设备控制。
通过参与硬件连接、程序设计和多设备调试的实践活动，学生在分析任务需求、设计解决方案、完成功能实现的过程中，逐步培养系统化的工程思维与问题解决能力。本课的重点在于实现多设备之间的信息传递与协作，通过软硬件结合帮助学生全面理解多设备通信的逻辑与方法。在实际操作中，学生将体验工程实践的复杂性，并从此过程中获得成就感，同时提升程序调试能力与优化能力。
在设计灯光警报呼叫器的综合功能时，学生可以加入创新设计，如为液晶显示屏设置多种显示模式，或通过按钮实现警报强度的动态调节，探索物联网系统功能的扩展性。在系统整合过程中，学生不仅要关注硬件设备的功能实现，还需要优化程序结构，确保通信的稳定性与准确性，从而提升实际系统的可靠性与高效性。
本课内容将物联网技术的通信原理、设备协作与编程实现相结合，学生在学习中需要兼顾硬件与软件的综合运用，同时理解信号传递、逻辑判断和多设备协同的技术内涵。这种结合了工程实践与编程设计的学习方式，能够帮助学生掌握解决复杂实际问题的方法，并培养他们对物联网系统设计与优化的兴趣与能力。
本课主要培养的学科核心素养为信息意识和计算思维。
信息意识：本课通过多主控板通信与信号传递的实践，让学生深刻理解信息流在物联网系统中的核心作用。通过尝试实现警报信息的远程显示与控制，学生逐步认识到信息技术在提升工作效率、实现智能化生活中的关键意义，增强对信息获取、处理与传递的重视意识。同时，结合生活中的物联网应用案例（如智能家居报警系统），学生能够将所学技术应用于实际问题的解决中，进一步强化对信息技术的社会价值和应用潜力的认知。
计算思维：在编写多设备通信程序的过程中，学生需要分析多主控板之间的交互逻辑，从而设计完整的控制流程，尤其是对通信模块与条件判断的综合应用，可充分锻炼学生的逻辑推理与算法设计能力。通过参与使用“如果……那么执行……”条件控制的编程实践，学生能够梳理复杂的功能需求，分解任务并通过抽象化的计算机语言实现目标功能，培养计算思维的条理性与系统性。
2. 学习者分析
学生在前两课中已掌握基本的输出控制（LED灯、蜂鸣器）与信息显示技能（液晶显示屏），具备初步的程序逻辑构建与硬件连接经验。本课在此基础上引入输入模块——按钮，不仅让学生首次接触到“用户输入”的概念，也标志着物联网系统控制方式从单向控制向交互式控制的转变，这一转变对学生理解物联网系统的交互本质具有关键意义。
尽管学生在日常生活中对“按钮触发”“按键输入”等现象较为熟悉（如电梯按钮、灯光开关等），但要想将其转化为代码控制逻辑，尤其是理解“状态检测—判断执行”的流程控制机制，仍存在一定困难。同时，部分学生可能在理解“高低电平变化”与“程序响应”之间的映射关系方面较为困难。此外，程序中涉及条件判断与状态控制的程序结构，对学生的逻辑推理能力要求较高。
本课旨在帮助学生建立对人机交互机制的理解，引导其掌握事件触发、状态响应等关键程序逻辑，同时深化对多模块协同控制的系统性认知，为后续实现智能判断与设备联动提供必要支撑。
3. 学习目标确定
（1）通过本课的学习，掌握多主控板通信的基本原理与操作方法，理解信号在物联网系统中的传递方式，并能通过实际操作实现多主控板之间的通信。
（2）通过完成呼叫器与警报器的功能设计与实现，能够梳理复杂的任务需求，掌握将系统功能分解为多设备协同模块的方法，并提升逻辑推理与问题解决能力。
（3）通过编写和调试包含多条件判断与循环结构的综合控制程序，能够完成从需求分析到系统实现的完整开发流程，并在实践中增强编程能力与创新能力。
（4）通过参与团队协作和项目展示环节，能够在小组中合理分工、协调工作，同时通过自评与互评完善项目成果，提升自我反思与表达能力。
4. 教学重点和难点
（1）教学重点
① 理解和掌握主控板之间通过通信模块进行数据传递的基本原理和实现方法。
② 完成灯光警报呼叫器的整体设计与实现。
（2）教学难点
① 多设备协同与通信逻辑的设计，实现两块主控板之间的数据传输和逻辑判断。
② 多模块综合控制程序的编写与调试。
5. 教学活动设计
教师活动 学生活动 支撑的资源
环节一 新课引入
教师活动 情境导入：教师播放一段实际场景视频，展示智能家居中呼叫器与警报器协作的功能（如智能健康监测设备或一键报警系统）。 根据视频，提问引导：呼叫器是如何控制警报器发出声音、灯光和警示信息的？ 如果让你设计一套类似的系统，你会选择哪些设备？ 总结已有信息：在提问后，依据前三课所学知识，总结现有信息，进行知识回顾。 布置任务：引导学生理解任务目标，指出“本节课我们要通过物联网实验平台，设计并实现一个灯光警报呼叫器，使其具备一键报警的功能”。 学生活动 观看教学视频，结合所学内容，思考视频中的物联网设备及其工作原理。 积极思考教师提出的问题，并尝试回答。 回顾前三课所学的知识，思考其在完成本节课任务中的作用。 情境引入视频、知识回顾板书。
活动意图说明：通过直观展示和问题引导，帮助学生在原有知识和经验的基础上明确本节课的任务，建立旧知识与新知识之间的联系，为后续的任务实践打下基础。
环节二 探索活动
教师活动1 案例引入：通过图片展示贴墙式一键呼叫器、腕式呼叫器及颈挂式呼叫器，向学生讲解它们的工作原理及应用场景。 提问引导：“贴墙式一键呼叫器存在哪些局限性？智能化呼叫器是如何克服这些问题的？” “智能化呼叫器的无线通信方式有哪些？它们如何支持老年人在不同场景下的需求？” 教师活动2 通信模块功能解析： 结合教科书内容，讲解本节课任务——通过物联网实验平台设计一个灯光警报呼叫器，利用通信模块实现两块主控板之间的协作。 展示通信流程图：呼叫器主控板发送按键状态信号。 警报器主控板接收信号后，触发LED灯、蜂鸣器和液晶显示屏的警报功能。 教师活动3 示例展示：使用已完成的实验作品演示呼叫器与警报器的协作流程：按下呼叫器按钮A，警报器的LED灯闪烁、蜂鸣器响铃、液晶显示屏显示“报警”。 提问总结：“为什么需要两个主控板来实现呼叫和警报功能？” “如果信号传递中断，警报器还能正常运行吗？” 最后总结在设计警报器时需要注意的内容，以及警报器所受的限制。 学生活动1 观察不同类型的紧急呼叫设备，结合日常经验，分析其优缺点和适用场景。 小组讨论以下问题并记录答案：“贴墙式一键呼叫器和智能化呼叫器分别有哪些特点？” 学生活动2 根据教师展示的通信流程图，分析呼叫器和警报器之间的信号传递逻辑。 结合实验任务，分组讨论如何设计按键信号的发送与接收。 学生活动3 观看教师演示，思考并记录双主控板通信中的关键逻辑。 思考并回答：“如何确保呼叫信号准确传递到警报器？” 呼叫器展示图片、灯光警报呼叫器通信流程图、呼叫器、警报器相关设备。
活动意图说明：通过案例分析与示例展示，学生能够理解警报呼叫设备的多样化功能，明确灯光警报呼叫器的任务需求与实现方法。同时，对通信流程的逻辑梳理和应用场景的发散思考，能够帮助学生深化对通信模块作用及设备协作逻辑的认知，为后续硬件连接与程序设计奠定基础。
环节三 设计活动
教师活动1 提问引导：“实现灯光警报呼叫器需要完成哪些具体功能？” “两块主控板之间如何实现按键信号的通信与功能触发？” 板书总结呼叫器与警报器的分工： 呼叫器主控板：检测按键状态并发送信号。 警报器主控板：接收信号后触发LED灯、蜂鸣器和液晶显示屏的联动反应。 教师活动2 指导流程图设计：讲解设计灯光警报呼叫器算法流程图的步骤： ①按键按下后的信号发送逻辑； ②警报器接收到信号后的功能触发流程； ③通信状态的更新与循环逻辑。 引导分组设计：提供流程图模板，鼓励学生根据任务需求补充逻辑节点： ①按键按下触发信号的高低电平变化； ②使用通信模块传递信号的状态判断； ③警报器接收信号后依次触发LED灯、蜂鸣器和液晶显示屏功能的逻辑。 巡视各小组设计进度，针对流程图中可能出现的逻辑漏洞进行个性化指导。 教师活动3 请小组代表分享设计成果，讲解流程图中的关键节点与逻辑关系。 针对每组设计的优缺点进行点评，并归纳优化建议： “如何避免通信信号丢失的风险？” “如何设计灵活的停止警报条件？” 学生活动1 分组分析灯光警报呼叫器的具体功能，讨论两块主控板的通信需求与逻辑框架。 学生活动2 绘制初步的任务分解图，并在小组内分工负责具体模块的设计（如按键控制逻辑、信号通信逻辑、设备触发逻辑等）。 使用教师提供的模板或流程图工具，补充完成算法流程图。 记录小组设计过程中遇到的问题和解决思路，优化流程图的节点设计。 学生活动3 小组派代表展示流程图设计成果，向其他同学和教师解释流程框架中的关键逻辑。 接受点评并记录反馈，讨论如何进一步完善设计。 算法流程图模板、纸笔或其他流程图绘图工具。
活动意图说明：本环节通过设计灯光警报呼叫器的算法流程图和逻辑框架，帮助学生将任务需求转化为程序设计流程图，进一步理清思路。同时，学生将学习如何结合呼叫器与警报器的功能分工，来设计规划按键信号的通信逻辑和设备联动控制的实现方法。通过分组讨论与图形化编程的活动，培养学生的任务分解、逻辑推理与跨模块协作能力。
环节四 实践活动
教师活动1 明确实践任务：宣布任务目标，即在主控板上实现呼叫器与警报器的协作功能，确保按键A触发警报器启动，按键B终止警报。 提醒关键功能： 呼叫器：检测按键A和按键B的状态，发送信号到警报器。 警报器：接收信号后触发LED灯、蜂鸣器和液晶显示屏的协同反应。 教师活动2 指导硬件连接：指导学生按照教科书中示例连接硬件。 程序调试指导：使用通信模块，构建呼叫器和报警器之间的通信关系。 使用“如果……那么执行……”模块，完成按键检测。 更改P21引脚电平，并通过MQTT发布P21引脚状态。 初始化蜂鸣器和液晶显示屏。 接收端实时检测MQTT信息变化。 检测到报警信息，做出反应。 教师活动3 巡查与问题解答： 巡视小组实践过程，检查代码逻辑是否与流程图一致。 针对常见错误（如通信信号丢失、设备未触发）进行个性化指导：调整信号发布与接收频率，避免通信延迟；检查设备初始化状态与引脚配置是否正确。 总结与提升： 请小组展示调试成功的呼叫器作品，演示按键触发警报的过程。 提问： “在实现过程中遇到的最大挑战是什么？是如何解决的？” “如果需要增加更多功能（如延迟警报或多种报警模式），应该如何修改程序？” 鼓励学生记录调试经验，为后续的项目优化打下基础。 学生活动1 明晰任务目标，梳理逻辑流程。 学生活动2 根据教师提供的示意图，完成主控板与各设备的硬件连接。 根据流程图补充和完善呼叫器与警报器的程序，实现按键信号的通信与多设备联动功能。 在编程过程中进行小组讨论，解决代码逻辑中的疑问，并尝试优化模块结构。 小组成员分工测试呼叫器程序是否能正确检测按键状态并发布信号，警报器是否能接收信号并触发响应设备。 学生活动3 运行程序，记录过程中出现的问题（如信号延迟、显示异常等），通过调试逐一解决。 小组内部讨论优化方法（如调整信号发送频率、优化循环逻辑），提升程序稳定性与运行效率。 小组派代表演示呼叫器完整运行效果，展示按键A触发警报、按键B停止警报等的功能。 分享调试中的经验与收获，接受其他小组和教师的反馈，记录改进建议。 教科书插图、计算机、Type-C接线、蜂鸣器实物、液晶显示屏实物、LED灯实物、两块主控板实物、图形化 编程软件（Mind+）。
活动意图说明：本环节旨在通过编程实践与硬件连接，引导学生完成灯光警报呼叫器的最终实现。学生需要结合呼叫器和警报器的功能逻辑，将设计好的算法流程图转化为代码，运行并调试程序，以实现按键触发警报的完整功能。通过动手实践，学生能够强化对通信模块与多设备联动的理解，培养程序调试能力、工程思维以及解决问题的能力。
6. 课时学习评价量表
评价维度 优秀 良好 合格 待提升
硬件连接正确性 所有模块连接正确，线路整洁，设备运行稳定 基本连接正确，个别接头略松动但不影响运行 核心模块连接完成，能正常运行但存在接触不良或线路杂乱的问题 存在明显接错或未完成连接的情况，设备无法正常运行
程序设计 能实现按键触发多设备协同（蜂鸣器响+LED灯闪+液晶显示屏显示内容）并进行了一定的结构优化 能实现基本的按键触发控制，设备能同步响应，无明显错误 能实现按键触发单一设备响应，逻辑结构基本正确 程序逻辑不完整或存在明显错误，无法实现控制功能
任务完成度与展示表达 能完成全部任务，有良好的展示表现，表达逻辑清晰，能讲解设计思路 能完成主要任务，有展示准备，能基本说明作品功能 勉强完成作品功能，展示表达较为简略 任务未完成或表达不清，展示内容与目标偏差较大
团队协作能力 能主动协作，积极探索程序优化思路及方法 有一定合作意识，能参与代码与电路的共同设计 能参与团队部分任务 合作参与度低，缺乏主动性