資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
第2.4課《跨學科活動：智能農植園》教學設計
課題 跨學科活動：智能農植園 單元 第二單元 學科 信息科技 年級 八年級
核心素養目標 信息意識：能夠了解意識到這些數據對于植物生長的重要性，從而及時調整種植策略。計算思維：能將復雜的實際問題轉化為數學模型或計算模型的能力，是計算思維的核心之一。數字化學習與創新：學習物聯網技術在農業中的應用，了解如何選擇和配置合適的傳感器和設備。信息社會責任：在智能農植園中，對于數據的使用和共享要遵循道德規范。要確保數據的真實性和可靠性。
教學重點 認識數據如何獲取信息并了解數據在生活中的應用。
教學難點 掌握獲取數據背后信息的方式并能有效地幫助更好的生活等。
教學過程
教學環節 教師活動 學生活動 設計意圖
導入新課 第2.課 《跨學科活動：智能農植園》板書課題。1.本課中你將學習：如何在校園內搭建一個互聯網平臺如何使用開源硬件實現智能農植園的遠程澆灌系統2.學校農植園的植物在生長過程中需要大量的水和土壤營養，作為學生又無法時時刻刻在農植園里進行澆灌。請你組建一個小組，應用物聯網系統和反饋控制的知識，搭建一個智能農植園，實現遠程就能進行澆灌的功能，進一步思考用這些知識可以解決哪些問題。3.播放視頻 學習新知引入觀看教學視頻。 初步明確本課所有知識點。將學生的注意吸引到課堂。
講授新課 新知講解：板書課題。需求分析“智能農植園”項目的設計，必須先完成目標分析，查找相關資料并思考智能農植園應該有哪些功能，確認項目計劃，同時基于物聯網知識搭建一個物聯網平臺，最終用接入物聯網的開源硬件實現水泵的控制。請你結合前面課時的學習，完成項目需求設計，填入表2.4.1中。功能需求功能描述所需硬件/軟件環境監測與調控傳感器的部署、數據采集與傳輸、智能預警監測與控制系統軟件、自動化種植管理軟件生長檢測與分析圖像采集、數據分析算法、病蟲害識別調控設備、中央控制系統自動化種植管理自動化播種設備、智能灌溉系統、施肥自動化遠程監控平臺軟件、傳感器遠程監控管理監控平臺、遠程控制功能、數據報表與分析生長檢測與分析軟件、圖像采集二、分工合作為了更好地完成“智能農植園”這個項目任務，你的小組需要進行分工合作，小組成員的分工角色與合作職責，可以參照表2.4.2所示的范例，也可以另行設計，并添加到項目方案中。姓名角色分工張三組長負責項目統籌、監督與管理李四成員進行項目規劃的文檔撰寫張紅成員負責硬件的搭建和外觀王五成員負責硬件編程、實現功能三、規劃實施“智能農植園”項目的實施過程，可劃分為方案設計、平臺搭建、硬件連接、程序編寫、調試優化等環節。1.方案設計“智能農植園”項目方案的設計，一般包括項目功能需求分析、項目需求硬件/軟件分析、項目分工等。請搜索并學習更多相關知識，結合表2.4.1中的內容來設計你們的項目方案。項目方案一、項目概述利用自動化控制技術以及數據分析技術，實現農業種植的智能化管理，提高農作物的產量和質量，降低人工成本，實現資源的高效利用和環境保護。二、項目目標1、提高農作物產量和質量，通過精準的環境控制和科學的種植管理。2、實現資源節約和環保，通過智能灌溉和精準施肥等措施，減少水資源和肥料的使用量，降低農業面源污染，提高資源利用效率。3、降低人工成本，通過自動化控制系統和遠程監控管理，減少人工勞動強度。三、項目內容1、智能灌溉系統：安裝土壤濕度傳感器、氣象站等設備，實時監測土壤濕度、氣溫、降雨量等。根據農作物的需水規律和環境參數，自動控制灌溉設備的開啟和關閉，實現精準灌溉。2、環境監測系統：部署空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器等設備，實時監測；通過無線傳輸技術，將環境數據上傳至云平臺，實現遠程實時監控。3、精準施肥系統：安裝土壤養分傳感器，實時監測土壤肥力狀況。根據農作物的生長需求和土壤肥力數據，制定精準施肥方案。4、病蟲害防治系統：安裝病蟲害監測設備，如蟲情測報燈、誘捕器等，實時監測病蟲害發生情況。通過圖像識別技術和數據分析，對病蟲害進行早期預警和診斷。5、智能控制系統：建立中央控制系統，集成智能灌溉、環境監測、精準施肥、病蟲害防治等各個子系統，實現統一管理和控制。開發手機 APP 和電腦端管理平臺，方便管理人員隨時隨地進行遠程監控和管理操作。四、項目實施步驟（一）需求調研和方案設計（第 1 - 2 個月）：對農植園的現狀進行調研，了解農作物品種、種植面積、土壤條件、水源情況等基本信息。（二）設備采購和安裝調試（第 3 - 4 個月）：根據設備選型結果，進行設備采購和定制。組織專業技術人員進行設備安裝和調試，確保設備正常運行。建立數據傳輸網絡和云平臺，實現設備之間的互聯互通和數據的遠程傳輸。（三）系統集成和軟件開發（第 5 - 6 個月）:對智能灌溉、環境監測、精準施肥、病蟲害防治等各個子系統進行集成，實現統一管理和控制。（四）人員培訓和試運行（第 7 - 8 個月）:組織農植園管理人員和技術人員進行系統操作和維護培訓，使其熟悉系統的功能和操作流程。（五）項目驗收和推廣應用（第 9 - 10 個月）：組織項目驗收，對項目的建設成果進行評估和驗收。 2.平臺搭建智能農植園遠程澆灌功能的實現離不開物聯網平臺的搭建。物聯網平臺有很多，SIoT就是一款開源物聯網平臺，用SIoT為智能農植園搭建一個物聯網平臺。請在過程中完成表 2.4.3的物聯網服務器參數記錄表。序號內容描述1服務器IP地址實現設備之間通信和數據傳輸的關鍵標識。2“智能農植園”項目遠程澆灌主題基于物聯網技術實現對農作物精準、自動化灌溉的重要模塊。3.硬件連接根據功能需求分析，完成硬件器材的收集后，開始連接開源硬件和控制模塊等。將開源硬件的連接引腳記錄到表2.4.4中。序號開源硬件引腳編號控制模塊1GPIO - 通用輸入輸出引腳，用于連接數字傳感器（如按鈕）在控制模板中設置為輸入模式，觸發中斷時執行相應的按鈕事件處理函數。2SPI - 串行外設接口引腳，用于連接 SPI 設備（如顯示屏）據顯示屏的通信協議和控制要求，在控制模板中配置 SPI 通信參數，實現數據的發送和接收。4.程序編寫請參照學習過的物聯網的相關知識，利用編程軟件和SloT物聯網平臺實現智能農植園的遠程澆灌功能：開源硬件A發送信號給物聯網平臺，開源硬件 B從物聯網平臺訂閱指令完成水泵的控制實現遠程澆灌。5.調試優化完成智能農植園的功能編程后，還要經歷調試優化環節。調試時，可直接尋找校園內不同位置進行測試，看看是否都能實現遠程澆灌，同時評估智能農植園的遠程澆灌功能。優化應包括網絡連接和智能農植園功能優化，可從場景應用等方面進行思考。請你對自己小組開發的“智能農植園”項目進行調試優化，并根據調試中發現的問題或不足思考相應的解決思路，記錄在表2.4.5中。序號發現問題或不足解決思路1傳感器數據不準確校準傳感器、優化傳感器安裝位置2通信連接不穩定增強無線信號覆蓋、優化網絡架構3灌溉系統執行效果不佳調整灌溉布局和參數、加強設備維護四、交流評價項目成果交流，分為成果整理與交流兩個環節。成果整理，其內容涉及項目需求分析、項目設計方案、平臺搭建、硬件連接、程序編寫和調試優化等方面，并為之制作匯報交流用的PPT。項目成果評價，可基于表2.4.6的評價量規，來對自己與他人的項目成果進行客觀的評價，并記錄評價結果。項目成果評價標準評價方式優良一般自評他評項目需求分析表項目需求描述完整、正確且具體項目需求描述完整、正確其他一般良項目設計方案完全滿足項目需求基本滿足項目需求其他良優項目平臺搭建完全正確基本正確其他一般一般項目硬件連接完全正確基本正確其他良一般項目程序編寫完全合理、正確基本合理、正確其他一般良項目調試優化記錄記錄完整、解決思路較合理、基本正確記錄較完整、解決思路較合理、基本正確其他優一般本單元你學習了：物聯網的通信協議和通信技術物聯網顯示模塊、聲音模塊和電動執行模塊的控制搭建物聯網系統知識梳理物聯網系統和反饋控制物聯網的互聯通信常見的物聯網通信技術常見的物聯網通信協議物聯網的控制技術顯示模塊聲音模塊電動執行模塊物聯網的系統搭建物聯網通信搭建流程MQTT服務器搭建MQTT客戶端編程跨學科活動：智能農植園學習檢測1、某公司要開發野外環境監測項目，設備常在移動信號較差的環境中運行。以下通信技術中適合用于該項目的是(b)。A.4G B. NB-IoT C.Wi-Fi D.藍牙2、SIoT是常見的物聯網服務器，下面關于SloT的描述不正確的是(c)。A.使用的發布/訂閱消息模式B.支持數據導出C.只能運行在局域網中D.基于TCP/IP 協議3、以下常見的電子模塊中，不屬于輸出模塊的是(d)。A.電動機 B.舵機 C.顯示屏 D.按鈕4、在前面的實踐活動中，每個小組都已經搭建了一個物聯網應用模型并在局域網中正常運行。小清想在學校里也能訪問家里的物聯網系統，結果遇到了困難。請分析一下測試失敗的原因，并給出一種可行的解決方案。一、測試失敗原因分析網絡限制：家里的物聯網系統最初是在局域網環境下搭建和運行的，局域網通常使用私有 IP 地址，這些地址在互聯網上是不可路由的。端口問題：即使家庭網絡允許外部訪問，物聯網系統所使用的服務端口可能沒有在路由器上進行正確的端口映射。二、可行的解決方案使用動態域名解析（DDNS）服務：注冊一個動態域名，并在家庭路由器或物聯網設備中配置 DDNS 客戶端。設置路由器端口映射：登錄家庭路由器的管理界面，找到端口映射（或虛擬服務器）設置選項。反思評價在本單元的學習過程中，肯定少不了與他人進行互動交流、參與作品制作等活動。現在請就此進行總結與反思，以便更好地促進自身成長。1.從同伴那里學到了什么 2.向同伴分享過哪些觀點 3.工具、方法的使用是否得當 4.開發項目是否有值得推廣的經驗 1.從同伴那里學到了什么 技術知識與應用包含傳感器技術的深入理解、物聯網通信技術的實際應用、自動化控制設備的操作與編程；項目規劃與進度管理、團隊協作與溝通技巧；數據分析與決策，數據采集與整理方法、數據分析方法與應用。2.向同伴分享過哪些觀點 創新種植理念，可持續發展的種植模式強調了在智能農植園中引入可持續發展理念的重要性。利用有機廢棄物進行堆肥，實現資源的循環利用，減少對化學肥料的依賴，既降低了成本，又有利于環境保護和土壤質量的提升。3.工具、方法的使用是否得當 不得當，改進方法工具集成與自動化程度提升，考慮開發一些自定義的腳本或工具，實現數據從采集到分析再到決策的自動化流程。4.開發項目是否有值得推廣的經驗 精準農業理念,智能農植園項目體現了精準農業的理念，根據作物的實際需求進行精細化管理。例如，通過對土壤肥力和作物生長階段的監測，精確控制施肥量和施肥時間，這與傳統的粗放式農業生產形成鮮明對比。這種精準農業的經驗值得在整個農業領域推廣，以提高農產品的產量和質量，同時減少對環境的負面影響。五、拓展延伸智能農植園中的傳感器是如何工作的？溫度傳感器：熱電阻溫度傳感器利用金屬（如鉑、銅等）的電阻隨溫度變化而變化的特性。當溫度升高時，金屬電阻會增大。光照傳感器：光照傳感器主要基于光電效應工作。其中，光敏電阻是一種常見的元件。當光照強度變化時，光敏電阻的阻值會發生改變。土壤濕度傳感器：電容式土壤濕度傳感器是比較常見的一種。它利用土壤的介電常數隨含水量變化而變化的特性。二氧化碳傳感器：非色散紅外（NDIR）二氧化碳傳感器是常用的一種。它利用二氧化碳對特定波長的紅外光有吸收特性。如何通過數據分析來優化農作物的種植管理？1、數據收集與整理：在智能農植園里，首先要收集各類傳感器的數據，包括土壤濕度、溫度、光照強度、二氧化碳濃度等環境數據，還有農作物生長階段的數據。2、生長階段分析：播種到發芽階段分析這個階段的數據可以確定最適宜的播種深度、土壤溫度和濕度。幼苗期到成熟期觀察農作物在不同生長階段對環境的不同需求。3、生長環境分析：通過分析溫度和光照數據，可以確定農作物生長的最佳溫度和光照區間。4、病蟲害預警與防治：通過分析環境數據和農作物生長數據，發現病蟲害的早期跡象。例如，當溫度和濕度長期處于適合某種病蟲害滋生的范圍，且農作物生長數據出現異常。與傳統農業種植方式，農作物產量和質量上有哪些明顯的優勢？產量方面的優勢：精準環境控制，智能農植園能夠精準控制溫度，為農作物提供適宜的生長環境。利用光照傳感器和補光設備，保證農作物有足夠的光照時間和強度。通過濕度傳感器和二氧化碳傳感器，可以調節空氣濕度和二氧化碳濃度。精準灌溉和施肥灌溉精準度采用智能灌溉系統，根據土壤濕度傳感器的數據進行精準灌溉。質量方面的優勢：外觀品質由于智能農植園能夠為農作物提供穩定、適宜的生長環境，果實大小和形狀更加均勻。例如，智能溫室里種植的櫻桃番茄，每顆果實大小相近，色澤鮮艷，而傳統種植可能會因為環境因素的波動導致果實大小參差不齊。內在品質智能農植園可以優化農作物生長環境，提高其營養成分含量。 學習需求分析。學習分工合作。進行項目規劃實施。進行學習內容的交流評價。進行本單元內容的學習總結。進行知識梳理。進行學習內容的檢測。進行反思評價。進行知識拓展。 初步學習需求分析，明確項目設計，為本課研究打下基礎，并鍛煉學生的學習能力和觀察能力。為后面完成項目方案做好準備。引導學生學習項目實施規劃，介紹每一步操作，加深對本課知識內容的理解和掌握。通過交流評價知道所學內容的不足。通過提問的方式加深學習內容。鞏固加深所學內容。檢測學習內容。通過反思評價更好加深本單元學習內容。拓寬學生知識面。
課堂小結 跨學科活動：智能農植園1、引入新知內容2、學習需求分析3、進行分工合作、規劃實施 4、交流評價5、進行相關知識拓展6、完成小結與評價 總結回顧 對本節課內容進行總結概括。
課后作業 設計一個家庭智能農植園的創意方案。討論智能農植園對當地農業生態環境的影響。 布置作業 拓展學生的學習能力
課堂板書 觀看板書 強調教學重點內容。
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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