2.2 校园数字气象站数据采集 教学设计（表格式）2025-2026学年8年级下《信息科技》（教科版）

第2课 校园数字气象站数据采集
教学内容分析
本课主要围绕校园数字气象站的数据采集展开，通过介绍常见的气象数据采集传感器（如温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、气压传感器、雨量传感器等）及其功能，引导学生理解校园数字气象站的感知层设计，搭建校园数字气象站感知层，并通过实际操作，让学生体验从硬件准备、硬件连接到程序编写与调试的完整数据采集流程，培养物联网技术应用能力和实践操作能力。
学习者分析
本课的学习者为八年级学生。
（1）认知特点与学习兴趣
八年级学生对硬件操作和数据采集的实践过程兴趣较高，热衷于通过连接传感器、调试设备等验证想法，对“气象仪如何同时采集多种数据”“雨量传感器如何识别降雨”等具象问题关注度高，但对传感器工作原理的抽象解释（如信号转换）耐心不足。
（2）知识储备与学科能力水平
学生在物理课中接触过“传感器将非电信号转为电信号”的基本概念，在生活中对温度计、雨量计等工具有所了解，能看懂简单的接线图并进行基础操作，但对“主控板与传感器的通信协议”（如 I2C 模式）、“程序初始化硬件”的逻辑缺乏认知。
（3）学习本课时可能遇到的困难
难以准确匹配传感器与对应气象数据（如混淆风速传感器与风向传感器功能）；硬件连接时易出现接口插错、接触不良等问题，且自主排查故障的能力较弱；对“传感器—主控板—终端”的数据传输链条理解不连贯，无法将硬件操作与程序作用对应。
学习目标确定
（1）通过学习常见气象数据采集传感器，了解气象数据采集传感器的种类和功能，能正确识别相应的传感器。
（2）通过学习并实践连接传感器与主控板的方法，获得硬件连接技能，能正确连接传感器与主控板。
（3）通过编写程序实现数据采集与传输，获得编程技能，能完成数据采集程序的编写、调试与优化。
（4）通过参与校园数字气象站的设计与实现过程，激发对物联网技术的兴趣，形成对新技术探索与应用的积极态度。
教学重点和难点
（1）教学重点
理解传感器的类型与功能，掌握数据采集的基本流程，编写程序实现数据的采集与传输。
（2）教学难点
完成传感器与主控板的正确连接，理解数据传输过程，编写程序实现数据的采集与传输。
教学活动设计
教师活动 学生活动 支撑的资源
环节一 情境导入，聚焦项目主题
教师活动1 展示设计的校园数字气象站示意图，引导学生分析：要想通过校园数字气象站获取温湿度、降雨量、气压、风速、风向等气象数据，还需要做些什么呢？校园数字气象站和其他物联系统一样，也具有三层结构，感知层主要是配合各种传感器节点，实现对校园气象数据的采集。那采集校园气象数据需要什么样的传感器？ 学生活动1 学生观看校园数字气象站示意图，回答问题。 学生设计的校园数字气象站示意图
活动意图说明：引导学生明确本课的学习目标和核心问题，即通过校园数字气象站获取温湿度、降雨量、气压、风速和风向等气象数据。通过提问的方式，激发学生对数据采集所需传感器及数据采集方案设计的好奇心和探索欲，为后续的学习和实践奠定基础。同时，通过强调校园数字气象站的三层结构，特别是感知层的重要性，帮助学生建立对物联网系统结构的进一步认识。
环节二 探索新知，分析问题
教师活动2 准备好传感器，利用动画或视频资源，直观展示传感器的工作原理，包括光敏传感器、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、气压传感器及雨量传感器。 布置学生分组讨论任务：每组选择一种传感器进行深入研究，围绕“这个传感器能检测什么数据？”“它是如何工作的？”两个方面准备简短的汇报。 布置填写传感器对应名称的任务。 展示并分析校园数字气象站系统的数据采集架构。 在实施过程中，通过路由器构建局域网，在局域网中，使用主控板构建服务器，同时作为智能终端，连接多种传感器与执行器。通过Wi-Fi或者USB线将智能终端主控板连接到计算机上，通过计算机端可访问服务器数据库。 学生活动2 观察传感器、观看视频资源。 每组选择一种传感器进行深入研究。围绕“这个传感器能检测什么数据？”“它是如何工作的？” 完成填写传感器对应名称的任务。 听教师讲解。 相应的传感器及视频或动画资源
活动意图说明：本环节主要是认识传感器，了解硬件、平台，介绍常见校园气象数据采集传感器的种类及功能，如光敏传感器、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、气压传感器、雨量传感器等。此过程主要是巩固对传感器的认识，加深对校园数字气象站传感器的理解，要求学生根据文字描述，将传感器序号填写在对应的图片旁。通过动手实践，巩固学生对传感器种类的理解和记忆，培养学生的观察能力。帮助学生全面认识各种传感器，了解其在气象数据采集中的作用。展示实验中使用的传感器（气象仪、雨量传感器），并说明其工作原理。展示物联网硬件架构图，解释数据采集架构。通过硬件架构图的展示，使学生理解数据采集的流程和架构。
环节三 实践探究，设计校园数字气象站数据采集
教师活动3 通过案例分析的方式，展示一些成功的数据采集方案，帮助学生理解方案设计的要点和技巧。 提问：实现校园数字气象站的数据采集，需要经过哪些步骤？ 发布流程图绘制任务：编写程序之前，我们需要理解数据传输过程。传感器收集到数据后将其传输给智能终端，智能终端显示屏显示气象数据，当风速达到阈值时会显示预警信息。请根据以上数据收集、传输过程，绘制相应的算法流程图。 学生活动3 回答问题。 预设答案：1. 根据系统功能，列出硬件清单，本单元实验所使用的主控板采用微型计算机架构，具备 LCD 显示屏、Wi-Fi、蓝牙、多种常用传感器和相应的拓展接口；2. 通过雨量传感器、气象仪连接到主控板；3. 将主控板与计算机连接，然后在编辑器中编写程序并上传到主控板。 绘制流程图。 数据采集方案
活动意图说明：此环节主要是设计校园数字气象站的感知层，列出实现校园数字气象站数据采集所需的硬件清单，培养学生的逻辑思维和方案设计能力。设计数据采集方案包括传感器与主控板的连接方式、数据传输过程等。这一过程不仅要求他们掌握传感器的工作特性和数据采集方法，还需考虑系统架构的合理性。通过设计实践，学生将能够更全面地理解物联网系统的设计和实现过程。通过绘制算法流程图，展示数据收集、传输过程，帮助学生理清数据采集与传输的流程。通过制定校园数字气象站数据采集的实施方案，引导学生深入理解数据采集流程及其背后的技术原理，培养系统设计思维、实践操作能力和创新思维。
环节四 动手实践
教师活动4 准备硬件：包括主控板、雨量传感器、云雀气象仪等。 发布任务：请同学们根据接线原理图进行接线，连接硬件。 教师演示，确保每个学生都能正确连接硬件。 1.编写程序 发布任务要求： 写出常规状态下的相关代码模块，初始化主控板、气象仪和雨量传感器。 配置网络程序，订阅气象数据。 提前教授学生或让学生准备必要的编程知识，如MQTT协议的使用、主控板的编程方法等。对于编程基础较弱的学生，可以提供编程模板或示例代码，帮助他们快速上手。 2.运行调试 指导学生如何调试程序，如何验证数据的准确性和完整性。展示实时雨量的气象数据。 学生活动4 根据接线原理图进行接线，连接硬件。 学生编写程序。 连接完成后运行调试，观察数据采集是否正常，主控板能否正常显示气象数据。运行调试后，通过计算机端访问智能终端获取气象数据，查看能否收到气象数据。 接线原理图
活动意图说明：通过动手操作，掌握传感器与主控板的连接方法。首先，准备硬件，包括主控板、雨量传感器、云雀气象仪等。其次，连接硬件，根据接线原理图进行接线，培养学生的编程能力和解决问题的能力。随后，编写程序，包括初始化主控板和传感器，连接网络，订阅气象数据等。通过运行调试，验证方案的可行性和正确性。运行调试过程中，检查数据采集是否正常，主控板是否能正常显示气象数据。最后，将理论知识转化为实际操作，通过亲自动手搭建校园数字气象站的感知层，理解数据采集的整个过程。这一环节不仅要求学生掌握传感器的工作原理和连接方式，还 需要他们学会使用编程技术来实现数据的采集、传输和处理。通过实践操作，学生能够更深入地理解物联网系统的三层结构，特别是感知层的作用和功能。同时，通过解决实际操作中遇到的问题，学生的问题解决能力和创新能力也能得到提升。
环节五 拓展提高
教师活动5 引导学生思考如何优化作品，使降雨警报更智能化。结合现有条件，提出改进方案，并讨论其可行性。 学生活动5 结合现有条件，提出改进方案，并讨论其可行性。
活动意图说明：激发学生的创新思维和创造力，培养学生分析问题和解决问题的能力。通过讨论和改进方案的提出，提升学生的实践能力以及学习并使用智能化元器件的能力水平。