資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
第1.5課《反饋控制有算法》教學設計
課題 反饋控制有算法 單元 第一單元 學科 信息科技 年級 八年級
核心素養目標 信息意識：理解物聯網技術在農業中的應用，以簡易蔬菜灌溉系統為例，體驗智能化管理的便利和高效性，培養科技種植的意識。計算思維：通過分析灌溉系統的工作流程，掌握用編程解決實際問題的方法，提高邏輯思維和動手實踐能力。數字化學習與創新：使用傳感器和程序學習創新應用，探索如何利用技術優化資源利用，創造智能化農業解決方案。信息社會責任：認識科技對農業的深遠影響，理解智能灌溉系統在節約水資源和環境保護中的責任，培養可持續發展的意識。
教學重點 理解通過土壤濕度傳感器檢測與程序控制實現自動灌溉的物聯網系統原理。
教學難點 精準設定濕度閾值并協調傳感器、程序與水泵的實時響應，排查誤灌溉問題。
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1.5課 反饋控制有算法壯壯已經實現了簡易蔬菜灌溉物聯系統的基本功能，但他還想進一步完善系統設計，最終實現自動灌溉功能。讓我們一起來幫助他吧！想一想： 為什么智能灌溉相較人工調節更高效可靠？因為它能根據實時環境條件進行自動調整，確保每個作物得到適量的水分，減少人為誤差。思考：如何確保灌溉系統正確執行操作？灌溉系統通過高精度傳感器實時監測土壤濕度和其他環境條件，數據會不斷傳輸到控制程序中。程序對比實際數據與預設標準，自動調節水泵的開關狀態。自動灌溉系統利用高精度傳感器實時監測土壤濕度，并將數據反饋給控制中心，根據植物的具體需求自動調節澆水量。這樣可以確保植物始終獲得所需的水分，同時避免過度灌溉，保護植物的健康生長，進一步提高水資源利效率。物聯網技術在農業中實現了智能化精準管理，通過實時數據優化資源配置，提高生產效益。播放視頻《喝完的飲料瓶子做成自動灌溉神器》 課程新知導入完成思考題。觀看教學視頻。 幫助學生理解為什么智能灌溉更可靠通過問題導入引發學生思考。通過視頻吸引學生的注意力。
講授新課 新知講解：一、思考在生活中，掃地機器人是通過內置的傳感器檢測地面的污垢和障礙物，再利用預設的清掃路徑和算法來識別需要清掃的區域。思考一下，簡易蔬菜灌溉物聯系統是如何判斷土壤需要補充水分的？它是如何控制澆水量的？以哪種形式去反饋和控制才最合適呢？這個系統用一個小探測器（插土里）檢查干濕。如果土太干了，探測器就告訴主機“該澆水啦！”。主機接著開閥門放水，干得厲害就多澆一會兒，不太干就少澆點。最聰明的辦法是讓它“自己管自己”——探測器一直盯著濕度，夠了就關水，不夠又開，和手機自動調亮度一樣方便！二、馬上行動基于簡易蔬菜灌溉物聯系統自動灌溉功能的需求，請用線段將左右兩側進行匹配。三、思考簡易蔬菜灌溉物聯系統應該在哪種情況下執行灌溉呢？請結合以下選項說一說你的想法。A.根據土壤濕度自動開啟灌溉B.定時開啟灌溉，不管土壤是否干燥C.使用滴灌系統代替噴灌系統D.根據天氣預報調整灌溉計劃我覺得選A最合適！因為系統用土壤濕度探測器（像插在土里的小手指）判斷是否缺水，干了才自動澆水，不浪費水。B選項不管土干不干都澆，可能澆太多或不夠；C說的是怎么澆（比如慢慢滴水），不是什么時候澆；D靠天氣預報，萬一不準呢？還是直接測土壤更靠譜，就像手機自動調亮度比手動調更聰明！四、小貼士豆角生長情況與生長條件對照表見表 1-5-1。五、探究結合上面的思考，和小組成員討論簡易蔬菜灌溉物聯系統的灌溉策略，并將表1-5-2和圖1-5-1補充完整。六、討論目前系統已完成“決策”灌溉的算法設計，接下來就該設計“執行”灌溉部分。這部分在硬件和程序上分別需要哪些支持？小組內展開討論，嘗試將相關核心代碼寫下來。硬件支持：執行設備：需要水泵或電磁閥。驅動模塊：用繼電器或晶體管電路，把微控制器的弱電信號轉換成能控制水泵的強電。電源：水泵可能需要獨立電源。保護電路：加二極管或保險絲，防止水泵啟動時電流過大燒壞元件。程序支持：控制信號：用代碼控制微控制器引腳輸出高/低電平，觸發繼電器開關水泵。時間控制：設定灌溉時長。反饋檢測：加水位傳感器或電流檢測，確認水泵是否真的啟動了。代碼思路：# 初始化水泵控制引腳 設置 水泵引腳 = 輸出模式 # 接收決策指令 如果 決策層發送 "需要灌溉": 打開水泵引腳（高電平） 等待10秒 關閉水泵引腳（低電平） # 檢查反饋（比如水位是否上升） 如果 水位傳感器數值未變化: 報錯："水泵可能故障！" 否則: 保持水泵關閉七、思考在該系統中，如果傳感器檢測到土壤濕度已經足夠高，但水泵仍然開啟，可能是什么原因導致的？如何解決這個問題？如果土壤濕度夠了但水泵還在澆水，可能是：①傳感器被土糊住了（擦干凈試試）；②程序寫反了（比如該關水泵卻開了，檢查代碼條件）；③控制水泵的開關電路卡住了（拔電重啟或換掉）；④信號延遲（比如Wi-Fi太慢，讓傳感器傳數據更快點）。就像手機充完電還不停，得檢查哪里“死機”啦！八、小貼士在搭建和維護簡易物聯系統時，通常需要注意以下幾個方面：1.檢查傳感器是否正常工作。2.審查控制代碼，確保邏輯正確，并且能夠正確響應傳感器的輸入。3.及時更新操作軟件，修復已知的系統錯誤。4.檢查電路，確保沒有短路或斷路。5.測試執行器是否按預期工作，必要時更換損壞的部件。6.建立定期維護計劃，檢查所有組件的工作狀態，確保系統長期穩定運行九、馬上行動1.結合前期物聯系統各模塊的學習內容可知，在簡易蔬菜灌溉物聯系統中，傳感器采集的數據被送到_控制器_進行處理，然后根據__預設算法__的指令，__執行器__執行相應的動作。請你將該系統的主要工作流程圖補充完整：2.在物聯系統模塊整合完畢后，還需要進行完整系統調試。查閱相關資料，了解調試的內容應包括哪些方面。調試物聯網系統時，需檢查硬件（傳感器、執行器是否正常）、軟件（程序能否正確接收數據并發送指令）、設備間通信是否穩定，以及整體功能（如干燥時自動灌溉）是否達標。還要測試異常情況（斷網、斷電）下的反應，并確保長時間運行不卡頓。就像試玩新玩具車，先檢查零件再試跑，發現問題及時修！十、做中學請以小組為單位，完成簡易蔬菜灌溉物聯系統的模塊整合和功能集成。1.硬件清單：主控板x1、溫濕度傳感器x1、土壤濕度傳感器x1、水泵x1、4Pin線x2、Type-C數據線x1、帶有熱點功能的計算機x1。2.連接設備。用4Pin線將主控板和溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器連接起來，接入水泵最后通過Type-C數據線接入計算機，效果如1-5-2所示。3.編寫程序，進行系統調試。示例代碼見圖 1-5-3。十一、討論隨著科技的不斷進步和農業現代化的快速發展，物聯網技術在農業領域的應用越來越廣泛。你認為簡易蔬菜灌溉物聯系統在未來農業中會扮演什么樣的角色？未來的簡易灌溉系統會像“農田小管家”一樣！它能自動盯著土壤濕度，該澆水時立刻行動，不用人天天盯著。還能省水省電，就算天氣突然變干也不怕，蔬菜能長得更好。說不定以后還能連手機，農民叔叔在家刷視頻時，系統就默默把活兒干完啦！科技種田，超酷的！十二、任務拓展物聯系統能實現的功能是多種多樣的。例如，增設攝像頭或者特殊的傳感器來監測植物的健康狀況，如果發現有病蟲害的跡象，系統可以自動發送警報到綁定的手機上。除了自動灌溉功能，簡易蔬菜灌溉物聯系統還可以擴展出哪些新功能？可能會涉及哪些新的硬件？發揮你的想象，完成表1-5-3。十三、小節十四、拓展以小組為單位，圍繞提升灌溉效率、智能化管理、資源節約與環境保護等方面改進模塊功能，進一步升級簡易蔬菜灌溉物聯系統，并寫出你的具體優化方案。例如，智能水肥一體化系統實現灌溉與施肥的同步進行，提高水肥利用效率，減少資源浪費。優化方案名稱： “省心種菜小助手”自動澆水+施肥，硬件：加一個“混合桶”（裝水和肥料）和小型抽水機。效果：土壤干了自動澆水和施肥，不用人動手！晴天不澆水，硬件：加個“太陽傳感器”（光照傳感器）。效果：大太陽時暫停澆水，避免水被曬干浪費。手機遠程控制，硬件：加個Wi-Fi模塊（類似手機聯網的小零件）。效果：用手機隨時看菜地濕度，還能遠程開關水泵！雨水回收利用，硬件：菜地旁放個“雨水桶”+小水管。效果：下雨時存水，澆菜用雨水更省自來水！總結：升級后系統會更聰明：自動看天氣澆水、手機遙控、用雨水種菜，省錢又環保！拓展延伸：智能家居與農業的結合陽臺上的“智能小菜園”：通過智能花盆和手機App，在家里的陽臺就能種出生菜、番茄。廚余垃圾變“肥料工廠”：智能堆肥桶能自動分解廚余垃圾，生成有機肥料，并通過管道輸送到家庭菜園，實現循環利用。空調也能當“菜園保姆”：夏天開空調時，系統會聯動調節室內菜園的濕度；冬天取暖時，還能利用余熱為植物保溫。植物的“AI家庭醫生”：用攝像頭掃描植物葉片，AI會自動識別黃葉、蟲害，并通過手機推送“治病藥方”。自動澆水的“隱形園丁”：在花盆底部藏一套微型滴灌系統，連接家庭水管。濕度不足時自動滴水，全程無需人工操作。未來廚房的“鮮活菜籃子”：冰箱旁的智能菜架能自動調節溫度、光照，種滿香菜、薄荷。做飯時隨手摘取，新鮮直達鍋鏟。 思考灌溉系統如何判斷土壤水分。思考蔬菜灌溉物聯系統自動灌溉功能的需求。討論灌溉策略。小組討論完成“決策”灌溉的核心邏輯偽代碼實現。思考回答思考題。完成練習題。請以小組為單位，完成簡易蔬菜灌溉物聯系統的模塊整合和功能集成。討論問題。完成表格填寫。分組完成任務。了解智能家居與農業的結合。 引導學生討論問題，引入課程內容。培養學生思考問題的能力。培養學生解決問題的能力。培養學生的計算機思維。考察學生對課程知識的掌握程度。培養學生根據問題查找資料的能力。培養學生的動手能力。提高學生的思考辨別能力。完成任務，加強學生對知識點的掌握。提高學生的協同動手能力。拓展學生的知識點。
課堂小結 數據呈現可視化1.掌握自動灌溉系統算法設計與決策2.完成簡單自動灌溉的制作3.學習自動灌溉模塊整合和功能集成4.完成課堂練習5.進行知識拓展 總結回顧 對本節課內容進行總結概括。
課后作業 根據本課內容，設計一個簡單的自動灌溉系統。學完本節課，自動灌溉系統的基本模塊劃分。完成PPT42-43頁的練習題。 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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