4.2 创新实验——拯救班级绿植：搭建自动浇花闭环控制系统 教学设计-2023-2024学年高中通用技术粤科版（2019）必修 技术与设计2

通用技术必须2第4章第2节创新实验——拯救班级绿植：搭建自动浇花闭环控制系统 一、实验基本信息 本实验选自《技术与设计2》通用技术（必修）第四章控制及其设计，第二节控制系统的基本组成和工作过程。 本节主要内容是分析控制系统，理解开环控制和闭环控制，并且理解控制系统的工作过程。 本实验通过创设情境、问题提出、设计方案、实现控制系统，通过实践操作，让学生深入理解闭环控制系统的原理和应用。 二、实验设计思路与创新点 （一）设计思路 1.问题导向：从学生校园生活中发现暑假班级绿植浇水问题，引导学生思考如何利用技术思维去解决问题。 2.简化操作：利用编程实现系统控制，降低学生操作难度，提高实验效率。 3.强化实践：通过系统搭建、测试与优化，培养学生的实践能力和创新思维。 （二）实验创新点 1.深度学科融合：本实验通用技术和信息技术的融合，利用开源硬件和编程实现闭环控制系统，使得自动浇花控制系统不仅是一个技术实践项目，更是一个跨学科的综合性学习案例。 2.计算思维与编程应用：引入开源硬件编程元素，鼓励学生使用编程语言来编写控制程序，实现更复杂的控制逻辑和自动化功能。编程不仅限于控制水泵的开关，还可以包括土壤湿度数据的实时显示、数据分析算法的编写等。 3.设计思维的创新应用：在系统设计上，鼓励学生运用设计思维进行创新，如设计更美观的装置外观。 强化互动探究：增设小组讨论和集体探究环节，鼓励学生在团队合作中共同解决问题，提出创新性的改进方案。 4.实际应用与拓展：引导学生思考如何将自动控制系统应用到更多实际场景中，如家庭种植、温室农业、家庭园艺、城市绿化等。 三、实验原理/实验设计思路 本实验设计了一个自动浇水闭环控制系统，可以根据土壤湿度情况进行浇水。系统由湿度传感器、水泵、电源和控制器组成。传感器检测土壤湿度并与预设阈值比较，低于阈值时控制器驱动水泵浇水。传感器持续监测，确保湿度达到预设值后停止浇水，实现闭环控制。此设计帮助学生理解闭环控制系统原理，融合多学科知识，培养观察、分析和解决问题的能力。 四、实验教学目标 1.技术意识：培养学生从技术角度分析和解决日常生活中浇花控制系统问题的能力。 2.工程思维：引导学生系统分析自动浇花控制系统的复杂性，培养整体规划能力和系统分析能力。 3.计算思维：利用编程思维控制实现自动浇花，降低系统设计难度。 图样表达：指导学生绘制设计草图、结构图，优化自动浇花外观设计。 4.物化能力：使学生了解常用材料的属性和工具的使用方法，培养其物化能力和创造实践能力。 五、实验教学过程 （一）导入设计：拯救教室的绿植 老师：同学们，大家请看这张图片，这盆绿植，它怎么了？ 学生：（观察后回答）它看起来缺水了，叶子都蔫了。 老师：没错，这正是我们教室去年暑假阳台里的一盆绿植。暑假期间，由于无人照料，它变得如此模样。马上又要到暑假了，我们教室的绿植，我们该如何拯救它呢？ 引导思考： 学生：定时来人浇水，搬到户外······ 老师：想象一下，如果我们能有一个智能的浇水系统，它能在植物需要水的时候自动浇水，那该多好！那么，这样的系统应该如何设计呢？ 学生：（思考后回答）可能需要一个检测土壤湿度的装置，当湿度低于某个值时，就启动浇水系统。 老师：非常好！这正是我们今天要探讨的主题——利用闭环控制系统知识，搭建一个湿度控制系统，实现自动浇水。 情境：这正是我们教室去年暑假阳台里的一盆绿植。暑假期间，由于无人照料，它变得如此模样。马上又要到暑假了，我们教室的绿植，我们该如何拯救它呢？ （二）思考： 自动浇花需要什么功能，这些功能实现需要哪些电子元件呢？ （水泵抽水、土壤湿度检测、控制器、电磁继电器和电源） （三）任务实现自动浇花系统： 请同学们根据我们学习的控制系统，设计一个自动浇花的控制系统，请画出系统流程图。 1.连接硬件： 2.编写程序： 3.测试系统： 请学生完成系统的测试，并作简单分享。 4.现象分析： 土壤湿度情况 水泵状态 水管出水情况 当花盆土壤湿度未达到设定湿度值 转动抽水 有水流 当花盆土壤湿度达到设定湿度值 停止抽水 无流水 （四）交流展示： 1.请同学们分别多次测试自动浇花系统，请谈谈闭环控制系统有什么特点和优势？ 2.闭环系统在我们生活中还有那些应用？ （五）实验总结： （六）课后拓展： 1.如何从外观和结构进行美化设计。 2.如何从节能环保角度重新对功能进行设计。 六、实验效果 1.通过开源硬件实现闭环控制系统，学生将能够深入理解闭环控制系统的原理和应用，掌握自动浇花闭环控制系统的搭建和优化方法。 2.学生的实践能力和创新思维将得到显著提升，为其未来的学习和生活奠定坚实的基础。 3.通过编程、外观设计和互动探究等环节，学生将形成系统的技术观念和工程思维，为其后续的技术学习和职业发展打下良好基础。 学科网（北京）股份有限公司 $$