第 4 课 跨学科活动：简易气象站 教学设计 2024—2025学年湘教版（2024）信息科技八年级上 册

第4课跨学科活动：简易气象站教学设计 2024一2025学年湘教版(2024)信息科技八年级上册 一、教学背景分析 1.教材分析：本课是湘教版信息科技八年级上册“智能系统与应用”单元 的跨学科实践课，以“简易气象站”制作为载体，融合信息科技（传感器应用、 编程控制)、地理（气象要素观测）、物理（电路连接）等多学科知识，旨在培养 学生综合运用数字化工具解决实际问题的能力。 2.学情分析：八年级学生己掌握Arduino基础编程（如数字/模拟输入输出、 循环结构)，具备简单电路连接能力，但对传感器工作原理、多传感器协同工作 及数据误差处理经验不足。学生对气象观测有生活兴趣（如关注天气预报），但 缺乏系统的技术实现认知。 二、核心素养目标 1.信息意识：能从生活需求（如校园气象服务）中提炼气象数据采集的核 心要素（温湿度、气压、光照、风速），理解气象数据对生产生活的价值，形成 基于数据的决策意识。 2.计算思维：能通过分解（将气象站功能分解为数据采集、处理、显示）、 抽象（建立传感器信号与气象参数的映射模型）、算法设计（编写循环采样、数 据滤波算法)等方法，解决多传感器协同工作问题。 3.数字化学习与创新：能综合运用Arduino开发板、各类传感器、物联网 平台等数字化工具，跨学科整合气象观测知识，创新设计具有本地特色的简易气 象站（如针对校园绿化区的小气候观测）。 4.信息社会责任：通过参与校园气象服务，体会技术对公共服务的支撑作 用：在数据采集与分析中养成严谨的科学态度，主动传播气象知识，增强环境保 护意识。 三、教学重难点 1.重点：简易气象站的硬件搭建（传感器选型与电路连接）、软件编程（多 传感器数据采集与显示)、跨学科数据应用（气象要素与天气变化的关联分析）。 2.难点：多传感器信号干扰的解决（如温湿度传感器与气压传感器的供电 隔离)、数据误差的校准（如风速传感器的非线性校正）、气象数据的可视化表达 (如用折线图呈现24小时温湿度变化)。 四、教学准备 1.硬件：Arduino UN0开发板(40套)、DHT11温湿度传感器(40个)、BMP280 气压传感器(40个)、GY30光照传感器(40个)、三杯式风速传感器(40个)、 面包板(40块)、杜邦线(400根)、USB数据线(40根)、微型显示屏(OLED, 40个)。 2.软件：Arduino IDE编程软件（预安装DHT库、Adafruit_BMP280库）、 Exc1(用于数据可视化)、物联网平台（如乐联网，用于远程数据上传）。 3.跨学科资料：地理教材《天气与气候》章节（气象要素定义及观测标准）、 《传感器原理与应用》科普手册（传感器工作原理图解）、校园气象历史数据（近 一周温湿度、气压记录)。 4.环境：智能实验室（配备多媒体投影、电路检测工具）、校园绿化带（作 为气象站部署测试点)。 五、教学过程（总时长40分钟） 一、情境导入(5分钟) 1.真实情境创设：播放视频一一“上周五我校运动会因突降大雨临时取消， 部分班级物资被淋湿”。展示校公众号留言：“如果能提前知道小雨要来了，我们 就能做好准备！”“学校有气象站就好了！” 2.问题驱动：提问：“要建设校园简易气象站，需要监测哪些气象要素？如 何用信息科技手段实现实时数据采集？”引导学生结合生活经验（如手机天气 APP显示内容)讨论，总结出核心要素：温度(C)、湿度(%)、气压(hPa)、 光照强度(1x)、风速(m/s)。 3.明确任务：“本节课我们将分组设计并制作简易气象站，要求能同时采集 上述5类数据，通过显示屏实时显示，并尝试分析数据与天气变化的关系。” 二、知识铺垫(8分钟) 1.传感器原理讲解（结合实物演示）： (1)温湿度传感器(DHT11):通过电阻式湿度感应元件和NTC温度感应元 件，将温湿度转换为数字信号（单总线协议），精度：温度士2℃，湿度士5%。 (2)气压传感器(BMP280):利用压阻效应，将气压变化转换为模拟电压信 号，通过I2C总线传输，精度：±1hPa(相对气压)。 (3)光照传感器(GY30):基于光敏电阻的光电效应，光照越强电阻越小， 输出模拟电压(0-5V),需通过公式转换为光照强度(1x=电压值×1000)。 (4)风速传感器（三杯式）：风杯旋转切割磁感线产生脉冲信号，频率与风 速成正比（风速=脉冲频率×0.15）。 2.多传感器接线规则：强调“电源共地”（所有传感器GND接Arduino GND)、 “信号隔离”（不同传感器使用不同数字/模拟引脚，避免引脚冲突）。示例：DHT11 接数字引脚2，BP280接I2C引脚(A4、A5),GY30接模拟引脚A0,风速传感器 接数字引脚3。 3.编程逻辑框架：展示伪代码流程图（初始化传感器一→循环采集数据→数 据处理（滤波、单位转换）→显示数据)，解释关键步骤（如DHT11需要2秒以 上的采样间隔，避免数据错误)。 三、实践操作：简易气象站制作(18分钟) 1.任务分解（明确教学要求）： (1)硬件搭建：按照“电源→传感器一→主控板”顺序连接电路，用万用表 检测电源电压（确保3.3V/5V正常），检查引脚是否松动。 (2)软件编程：编写Arduino代码，实现多传感器数据读取、单位转换（如 将GY30的模拟值转换为1x)、误差处理（如DHT11读取失败时跳过本次数据）。 (3)测试优化：在实验室环境(25℃、50%湿度、1013Pa)下校准传感器， 记录3次测量值，计算平均值；到校园绿化带测试，观察数据是否合理（如光照 强度应低于空旷区域)。 2.学生活动（具体表现）为 (1)小组分工：4人一组，1人负责电路连接（对照接线图），1人编写基 础代码（复制传感器库示例代码），1人调试数据显示（修改0LED显示坐标），1 人记录测试数据（填写《气象站测试记录表》）。 (2)典型问题与指导： ①问题：BMP280无法读取数据。指导：检查I2C引脚是否接反(SDA接A4, SCL接A5),用“扫描I2C设备”工具确认传感器地址(0x76或0x77)。 ②问题：风速传感器数据跳动大。指导：观察脉冲信号波形（用示波器）， 发现风杯轴承卡顿，建议涂抹少量润滑油：修改代码增加“中值滤波”（连续采 样5次，取中间值)。 ③问题：OLED显示乱码。指导：检查显示库是否正确安装（需同时安装 Adafruit_GFX和Adafruit_SSD1306库)，调整显示坐标（如温度显示在(0,0）， 湿度在(0,16))。 3.教学例题： 题目：编写Arduino代码，实现DHT11温湿度传感器和GY30光照传感器的 数据采集与显示(0LD屏幕)。要求：每3秒采集一次，温度显示为“T:25.0℃” 湿度为“H:50%”,光照为“L:12001x”。 参考代码： cpp