粤高教版本科目九年级第一章第四课时教学设计
课题
检测人体心率情况
单元
第一单元
学科
信息技术
年级
九年级
学习
目标
知识目标：
（1）掌握心率和心率传感器的概念和原理；
（2）了解健康的生活方式。
能力目标：
（1）培养学生动手操作的能力；
（2）利用传感器检测心率情况的能力。
（3）分析心率变化情况的能力。
情感目标：
从调试传感器的过程中感受信息技术的魅力，养成主动学习、积极探索和熟练使用信息技术、参与信息活动的态度，为学生终身学习奠定基础。
重点
调试心率传感器，正确检测心率情况。
难点
安装与使用库文件，掌握Arduino IDE的使用流程。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
同学们，你们听说过心率传感器吗？在日常生活中，你们见到过哪些传感器呢？ 心率传感器对于预防疾病有什么作用呢？
本节课我们将通过实验探究传感器的原理及其应用，学习如何探究人体心率，成为关爱自己和他人的健康使者。
学生通过回想生活中所见过的传感器，和他人进行讨论交流，并举手回答自己理解的传感器工作过程。
从实际出发，让学生对传感器的陌生感降低，加快本节课的引入。
讲授新课
活动一：探究新知
同学们，刚刚的讨论非常地激烈，大家对日常生活中所接触的传感器都有了简单的认识吗？现在请大家同桌二人一组，互相尝试为对方把脉，感受一下我们脉搏跳动的情况。
通过刚刚的小互动，我们感受到了人体脉搏跳动的变化，那么，这与我们今天要探究的人体心率情况有什么联系呢？首先，我们先来理解一下心率的概念。心率异常变化会对人体造成什么危害呢？在实验开始之前，我想提问一下同学们，你们了解平时我们如何才能及时关注到心率变化，并尽早进行相应的治疗呢？请大家思考一下。
活动二：项目分析
本节课我们将通过实验的方式，利用心率传感器来检测我们人体心率，从中分析不同性别的人的心率特点。
那么做实验前我们需要先做些什么呢？
没错，首先我们需要整理一下实验的思路，由于当代科技的发展，我们已经实现了信息技术与科学器具的衔接使用，今天我们将利用Arduino平台连接心率传感器，通过在程序中调用库文件，从心率传感器获得检测对象的心率数据。
为了实现我们的实验思路，在实验前我们需要准备好相应的实验器材。（教师通过PPT展示器材清单）我们仍需要同桌两人为一组，互相协作，来学习如何操作心率传感器给对方检测心率。
请大家打开课本P27，我们一起来看一下书上的“图1-4-1”，这就是我们常见的心率传感器。
探究一：心率传感器的应用
一、光学心率传感器的工作原理
不少业内人士都认为未来可穿戴智能手表、手环需要向着更加专业化和细分化的应用领域发展，其中针对运动人群和健康监测就是两个很好的方向。血液中血细胞的浓度会随着心脏的跳动而变化，光学心率传感器的主要原理是将光线照射到人类的皮肤中，观测血液颜色的变化，从而利用光电传感器将这种变化转为电信号，一般将此种技术命名为光电容积脉搏波描记法测心率技术，简称PPG。
二、光学心率传感器的性能
相比于其他各种心率检测方式，其主要监测原理和过程独树一帜，其主要特点是设备体积小、监测精读高、可靠性较高、可移动性强，这些特点刚好和可穿戴设备的功能需求契合，所以光学心率传感器逐渐在可穿戴设备心率检测方面占据了主导地位。在国内外的主要研究中，光学心率传感器的性能都有不俗的表现。实验者对APPLEWATCH的光学心率传感器进行研究时，据大量的实验数据显示，和普通心率检测器相比，可穿戴设备中的心率传感器在跑步的起步阶段和结束阶段的准确率较高，这个阶段往往是用户心率波动幅度最大的时 间段，其误差大概在7%左右，且数据的波动和真实心率波动情况类似。而在跑步的匀速段中，其准确率更高，可以稳定在2%左右，跑步起始到终止点的过程中，综合误差率维持在平均5% ，已经完全可以满足一般的生活运动心率检测精度。
三、影响光电式心率传感器设备测量的主要因素
（1）光线干扰：光电式心率测量设备最大的技术障碍是如何将生物特征信号从干扰中分离出来，特别是运动干扰。不幸的是，当把光线射入一个人的皮肤时，只有一小部分光量子返回给传感器，并且收集的所有光量子，只有1%或1‰是由心脏收缩的血流量调节的，剩下的都分散在非搏动性生理物质上，例如皮肤、肌肉、肌腱等等。因此，当这些非搏动性生理物质四处移动，比如在锻炼或者日常生活活动中，由此导致的光线随着时间变化运动躁动分散是很难从光线随着真实血流量的分散中区分出来的。周围光线干扰还加剧这个问题的严重性，比如随着时间的变化，太阳光的干扰可以完全渗透到光电探测器中，甚至创造出近似生理性质的脉动信号。
（2）肤色：人类拥有非常多种不同的漂亮肤色，多到以至于菲氏量表为肤色数值分类和对紫外线的反应而提供了7个类型的标准。不同的肤色对光的吸收是不同的，因此每一种肤色的特点在于都有不同的吸光图谱。那么，这意味着光电式心率测量设备传感器捕获的光的强度和波长是取决于穿戴传感器的人的肤色的。
（3）交叉问题：光电式心率监测器存在由于周期性活动期间的运动而产生的交叉干扰方面的问题，这个问题面临的最大的挑战是这种活动带来持续性的相同重复的动作。这点在记录慢跑和跑步期间的步伐频率时最常见，因为这些数据通常与心跳频率（140~180／步数每分钟）处于同一个基本区间里。许多光电式心率监测设备面临的这个问题使得运算法则很容易将通过光电监测数据录入的步伐速率错误解读成心率。
活动三：项目实施
我们刚刚一起探究了人体心率的奥秘，了解了心率传感器的基本框架，那如何才能利用它呢？那接下来就让我们开始一起亲自操作吧！有没有同学要上来和我一起操作的呢？（教师根据学生操作进行适当的引导和讲解）
首先，大家跟着我做，先把传感器扩展板插装到Arduino UNO 主控板上，再用杜邦线把心率传感器连接到传感器扩展板上。好了，对比一下课本P28图1-4-2的接线图，检查一下自己是否操作正确。
接下来还要把USB线将Arduino UNO主控板与计算机连接，以便向主控板编写和上载程序。
硬件安装完后，我们就来进行软件的调试。
大家打开电脑里的Arduino，首先我们要将心率传感器库文件解压后复制到Arduino IDE的libraries文件夹中，这里有一些小细节我们要注意一下，就是文件夹的名称只能是英文或数字噢，以及带有*.cpp和*.h后缀的文件一定要放在这个库的根目录下，同学们注意不要放错到二级以上目录。
接下来，我们在Arduino IDE那个打开心率传感器相应的程序，并将它上载到Arduino UNO主控板，修改串口监视器中的波特率，我们这次使用的传感器的波特率为115200Bd。修改完后，我们就可以观察到串口监视器中的对心率的测试结果了。
现在我们来看看视频教学，检查一下自己刚刚的操作步骤是否正确呢。
现在有没有同学愿意来和我们分享他的心率数据呢？（教师当堂采集班级5名男生和5名女生平静时的心率数据，将数据输入电子表格并生成生成柱形图，以进行数据分析。）
同学们，通过柱形图我们可以看到这5名男生的心率范围是多少呢？平均心率又是多少呢？再看看5名女生的数据，我们可以对比出来，女生的心率比男生的心率要快对不对，也就是说，不同的个体，心率存在着不同。
心率增快会危害健康、缩短寿命，增加心血管病的发病率和死亡率，所以同学们要掌握好本节课的知识，懂得为自己或他人检测心率情况。
布置任务：在网上搜索正常的心率范围值、成人的正常心率、理想心率等，并将传感器佩戴在手腕处（如图1-4-6所示），从串口监视器中读取自己平静时的心率数据。
实践操作：要求学生按要求进行操作，巡视学生，对个别有操作困难的学生进行指导。
请一位同学上台给大家演示一下，对照正常的心率范围值，再次检查前述软、硬件的安装是否正确。
通过互动激发学生的学习兴趣，从感受脉搏跳动引入心率变化，可以更快地勾起学生的求知欲。
让学生初步了解Arduino平台和心率传感器的概念。
课堂小结
本节课的知识点：
心率的定义
心率传感器的接线方法
心率的测试方法
库文件的安装及调用方法
不同个体心率的特点和差别
在平时生活中，我们应掌握Arduion平台等有关的软件知识和信息技术，熟练运用检测心率情况的方法。
板书
检测人体心率情况：
心率的概念；
调试心率传感器；
记录心率传感器的数据；
分析心率传感器的数据。
课件29张PPT。检测人体心率情况信息技术粤教版 九年级上新知导入同学们，你们听说过心率传感器吗？在日常生活中，你们见到过哪些传感器呢？ 心率传感器对于预防疾病有什么作用呢？
本节课我们将通过实验探究传感器的原理及其应用，学习如何探究人体心率，成为关爱自己和他人的健康使者。新知讲解生活常识知多少？
——日常生活中使用着的传感器照相机中的光传感器
……电冰箱、电饭煲中的温度传感器
空调中的温度和湿度传感器
煤气灶中的煤气泄漏传感器
新知讲解想一想：
心率是什么？心率异常变化会对人体造成什么危害呢？平时我们如何才能及时关注到心率变化，并尽早进行相应的治疗呢？新知讲解一、什么是心率心率是指正常人安静状态下每分钟心跳的次数，也叫安静心率。
心率变化与心脏疾病密切相关。心率过快或过慢，都会对人体造成心悸、胸闷等不适感，应及早进行详细检查，以便针对病因进行治疗。新知讲解 表1-4-1 器材清单新知讲解一、什么是心率①GND
②VCC
③SIG图1-4-1 心率传感器表1-4-2 心率传感器引脚说明新知讲解探究一、心率传感器的应用心率传感器在可穿戴设备中的应用——光学心率传感器一、光学心率传感器的工作原理：
将光线照射到人类的皮肤中，观测血液颜色的变化，从而利用光电传感器将这种变化转为电信号，一般将此种技术命名为光电容积脉搏波描记法测心率技术，简称PPG。二、光学心率传感器的性能：设备体积小、监测精读高、可靠性较高、可移动性强
可穿戴设备中的心率传感器在跑步的起步阶段和结束阶段的准确率较高，这个阶段往往是用户心率波动幅度最大的时间段，其误差大概在7%左右，且数据的波动和真实心率波动情况类似。而在跑步的匀速段中，其准确率更高，可以稳定在2%左右，跑步起始到终止点的过程中，综合误差率维持在平均5% ，已经完全可以满足一般的生活运动心率检测精度。新知讲解探究一、心率传感器的应用心率传感器在可穿戴设备中的应用——光学心率传感器三、影响光电式心率传感器设备测量的主要因素
（1）光线干扰：在锻炼或者日常生活活动中，由此导致的光线随着时间变化运动躁动分散是很难从光线随着真实血流量的分散中区分出来的。周围光线干扰还加剧这个问题的严重性，比如随着时间的变化，太阳光的干扰可以完全渗透到光电探测器中，甚至创造出近似生理性质的脉动信号。
（2）肤色：不同的肤色对光的吸收是不同的，因此每一种肤色的特点在于都有不同的吸光图谱。
（3）交叉问题：光电式心率监测器存在由于周期性活动期间的运动而产生的交叉干扰方面的问题，这个问题面临的最大的挑战是这种活动带来持续性的相同重复的动作。新知讲解探究二、脉搏传感器和心率传感器的区别一、脉搏传感器的概念：指的是用于检测脉搏相关信号的传感器。
二、心率和脉搏的区别：心率是心脏收缩舒张活动次数的统计，脉搏是外周的血管受到心脏收缩活动时血液对血管的冲击次数的统计，一般二者是一致的。有一次心脏收缩就会产生一次脉搏。只有在血压极低的情况下，心脏收缩推挤的血液不足以能够在血管上感知到搏动，于是出现脉搏次数低于心率的情况。新知讲解二、调试心率传感器图1-4-2 心率传感器与Arduino UNO主控板、传感器扩展板连接的接线图新知讲解二、调试心率传感器图1-4-3 心率传感器与传感器扩展板接线表新知讲解二、调试心率传感器视频教学新知讲解安装与使用库文件：
Arduino拥有自己的库管理器，每一款传感器都需要调用相应的库文件以实现程序预定的功能。添加心率传感器的库文件方法如下：
1. 将心率传感器库文件解压后复制到Arduino IDE的libraries文件夹中，如右图所示。新知讲解安装与使用库文件：
2. 按右图所示：在Arduino IDE中打开示例中心率传感器相应的程序。新知讲解安装与使用库文件：
3.将程序上载到Arduino UNO主控板，修改串口监视器中的波特率，就可观察串口监视器中的对心率的测试结果，如右图所示。新知讲解三、记录心率传感器数据不同的个体，心率存在差异；在年龄相仿的前提下，不同性别的心率存在不同的差异，女性的心率比男性的心率快。
一般来说，女人的心肌要比男人弱，不如男人的强劲，这是天生的，所以心跳就好像跑步，你步子小，就要加快频率才能跟上步子大的人，心跳的力道不够，就会加快心跳来保证血液的全身正常供应。研究发现，女人每分钟心跳次数大约比男人快6次。这是男女心脏大小有别所致。心脏位于胸腔中央而非左侧。很多人认为心脏在左胸部，其实它的位置在两肺之间的胸腔中央。只有极少数人天生右位心。美国罕见疾病组织表示，内脏逆位(肝、脾等内脏位置完全反位)的右位心人群完全可以过正常人生活，不会有任何问题。男性的心脏比女性大，泵血能力更强，因此男性的肌肉力量、跑步速度等都更胜一筹。新知讲解三、记录心率传感器数据1、跑步越接近最高心率越好。有好多跑友错误地认为，跑步运动尽量增大强度，心率越接近自己最高心率减肥效果越好。其实不然，真正的有氧运动最好将心率控制在最高心率的80%——60%之间。
2、过度依赖手表数据。有些跑友在跑步的时候带上心率表，一会一看，一会一看，唯恐自己的心率超标，数据稍微一高就立即停下。这样过度依赖手表数据的做法也是不对的，手表有一定的误差，仅仅作为参考数据。在跑步过程中，心率偏高时，身体会发出一定的声音，比如呼吸急促，胸闷，感觉心脏要跳出来一样的感觉，跑步的时候主要听身体发出的声音，心率数据只参考，不要过度依赖手表数据。——错误的跑步心率认识课堂练习（1）在网上搜索正常的心率范围值：成人正常心率为每分钟____~____次，理想心率应为每分钟____~____次，运动员的心率较普通成人偏慢，一般为每分钟____次左右。
（2）将心率传感器佩戴在手腕处（如图1-4-6所示），再从串口监视器中读取自己平静时的心率数据，当前我的心率数值是____。
（3）对照正常的心率范围值，再次检查前述软、硬件的安装是否正确。图1-4-6 心率传感器的佩戴示意图三、记录心率传感器数据60100557050拓展提高实验探究1. 采集数据。
分别采集班里5名男生与5名女生平静时的心率数据，并填写到下表中。拓展提高实验探究2.处理数据。
为了更好地了解与分析心率情况，可以先将上述心率数据输入电子表格中，再生成下图，以方便进行数据分析。拓展提高实验探究3.分析数据。
通过数据图，我们分析出下列情况：
（1）受测5名男生的心率范围是____到____次/分，平均为____次/分。
（2）受测5名女生的心率范围是____到____次/分，平均为____次/分。
4. 实验结论。
不同的个体，心率存在____；在年龄相仿的前提下，不同性别的心率存在____的差异，女性的心率比男性的心率____（快/慢）。
心率增快危害健康、缩短寿命，增加心血管病的发病率和死亡率。那怎样的生活方式才是健康的生活方式呢？请大家思考及讨论。拓展提高心率增快会危害健康、缩短寿命，增加心血管病的发病率和死亡率，作为一名中学生，我们应该重视自己的身体健康，积极锻炼，健康生活。怎样的生活方式才是健康的生活方式呢？请在网上搜索相关资料并交流讨论。四、分析传感器数据健康的生活方式：
1.生活有规律，按时起床，按时睡觉，保持充足的睡眠。
2.营养要均衡，不要挑食，按时按量进餐。
3.保持健康开朗的心情，和同学和睦相处，不要斤斤计较。
4.每天保证至少1个小时的运动。
5.不吸烟、不喝酒，不沾毒品，洁身自好。拓展提高随堂练习对错题：大家一起辨一辨。
心率是指正常人安静状态下每分钟心跳的次数。（ ）
心率过快对人体造成心悸、胸闷等不适感，心率过慢则不要紧。（ ）
一般情况下，男生的心率比女生快。（ ）
心率传感器上显示的数据一定是对的。（ ）
为保持正常的心率，我们生活有规律，按时起床，按时睡觉。（ ）?????课堂总结本节课的知识点
一、心率的定义
二、心率传感器的接线方法
三、心率的测试方法
四、库文件的安装及调试方法
五、不同个体心率的特点和差异板书设计检测人体心率情况
一、心率的概念
二、调试心率传感器
三、记录心率传感器的数据
四、分析心率传感器的数据作业布置使用心率传感器检测每位家庭成员平静时的心率，并用电子表格记录各家庭成员的年龄、性别、身体状态（健康或带病）及心率数据，再以小组为单位对数据进行汇总、统计与分析，研究年龄、性别、身体状态与心率的关系，写一份实验报告。谢谢21世纪教育网（www.21cnjy.com) 中小学教育资源网站 有大把高质量资料？一线教师？一线教研员？
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