3.3 智能消防系统实践（1）教学设计 　2025—2026学年川教版（2024）信息科技 八年级上册

该初中信息科技教学设计聚焦智能消防系统功能分析与硬件搭建，通过播放校园火灾隐患视频导入，关联前两节课物联网通信技术与MQTT协议，引导学生结合校园场景拆解远程监测、控制、报警功能及技术支撑，借助自主学习任务单、硬件选型表等支架梳理知识。 亮点在于以核心素养为导向，通过计算思维拆解功能技术需求，数字化学习与创新推动小组合作硬件搭建（如分工接线与检查），信息社会责任强化校园安全价值认知。采用真实场景驱动的项目式教学，提供详细硬件清单与接线示范，助学生提升技术实践能力，也为教师提供清晰教学路径。

第三单元第三节 智能消防系统实践 第1课时 智能消防系统功能分析与硬件搭建 素养目标 （一）信息意识 1.能结合校园火灾风险场景（如教室、实验室），识别智能消防系统需具备的核心功能（远程监测、远程控制、远程报警），理解 “功能设计需匹配实际需求” 的原则，认识到系统实践是物联网技术（感知、通信、平台、协议）的综合应用。 2.能主动关注智能消防系统硬件组件（传感器、主控板、执行器、物联网模块）的适配性，感知 “硬件选择需围绕功能需求” 的逻辑（如监测烟雾需选烟雾传感器、远程通信需选物联网模块）。 （二）计算思维 1.能将智能消防系统的复杂功能拆解为 “远程监测”“远程控制”“远程报警” 三个子功能，分析每个子功能的技术需求（如远程监测需传感器 + 通信技术、远程控制需执行器 + 协议），具备 “复杂问题拆解” 的思维。 2.能根据硬件功能（如温度传感器检测温度、继电器控制电路）与系统需求，梳理 “传感器→主控板→执行器→物联网模块” 的硬件连接逻辑，具备 “组件协同” 的初步思维。 （三）数字化学习与创新 1.能利用教材中的硬件选型表、连接示意图，小组合作完成智能消防系统的硬件清单制定，明确各组件的型号与功能，体验 “需求→选型” 的创新过程。 2.能通过模拟搭建（如用面包板连接传感器与主控板），实践硬件接线规范，尝试解决接线过程中的简单问题（如引脚接错、电源正负极反接），培养 “技术实践” 能力。 （四）信息社会责任 1.了解智能消防系统对校园安全的实际价值（如实时监测火灾、远程快速响应），认识到物联网技术在公共安全领域的应用意义，增强 “技术服务社会” 的责任感。 2.在硬件搭建过程中，树立 “安全操作” 意识（如断电接线、规范使用工具），避免因操作不当导致设备损坏或安全隐患，理解 “技术实践需遵循规范” 的责任。。 学习重点 1、重点： （1）智能消防系统功能分析：结合校园场景需求，明确系统需具备的 “远程监测”（温度、烟雾、火焰）、“远程控制”（喷淋、报警）、“远程报警”（APP 推送、蜂鸣器）功能，拆解每个功能的技术支撑（如远程监测需传感器 + MQTT 协议），结合教材功能设计图完成需求梳理。 （2）智能消防系统硬件搭建：根据功能需求选择硬件（如温度传感器选 DS18B20、执行器选继电器 + 水泵、通信模块选 Wi-Fi/NB-IoT），掌握 “传感器→主控板→执行器→物联网模块” 的接线逻辑，结合教材图硬件连接示意图完成搭建。 2、难点： （1）功能与硬件的匹配逻辑：如 “远程报警” 功能需同时匹配 “蜂鸣器（本地报警）” 和 “物联网模块 + 云平台（远程 APP 报警）”，需明确 “一个功能对应多个硬件” 的协同关系，避免 “单一硬件对应单一功能” 的局限思维。 （2）硬件接线的规范性：如物联网模块与主控板的串口连接（TX/RX 引脚交叉连接）、继电器与水泵的电源连接（继电器常开引脚接水泵正极），需结合教材接线图分步拆解，避免因接线错误导致设备烧毁。。 教学过程 一、导入 1.播放 “校园教室火灾隐患” 视频（如实验室电器短路、易燃物堆积），提问： “上两节课我们学了物联网通信技术、云平台与 MQTT 协议，如何将这些技术整合起来，搭建一个能‘远程监测火灾、远程控制喷淋、远程推送报警’的智能消防系统？” “这个系统需要具备哪些功能才能应对校园火灾风险？需要哪些硬件组件才能实现这些功能？” 素养目标 （1）分析校园智能消防需要什么功能； （2）选对实现这些功能的硬件； （3）按规范接好硬件线路，确保传感器能传数据、执行器能听指令。 二、自主学习 1、发放 “自主学习任务单”，引导学生阅读教材（功能分析、硬件搭建部分），完成以下任务： 学习模块 关键问题 功能分析 1. 教材中智能消防系统的核心功能有哪三项？每项功能对应的应用场景是什么？ 2. “远程监测” 功能需要监测哪些环境数据？“远程控制” 功能需要控制哪些设备？ 硬件选型 1. 教材表中，实现 “温度监测”“烟雾监测”“喷淋控制” 功能分别需要哪些硬件？ 2. 物联网模块（如 Wi-Fi 模块）的作用是什么？为什么必须选择该模块？ 硬件连接 教材图中，温度传感器、烟雾传感器、继电器、物联网模块分别接主控板的哪些引脚？请标注引脚编号。 三、高效点拨 1.智能消防系统功能分析：基于校园需求的拆解 （1）远程监测功能： 需求来源：校园教室、实验室需实时监测 “火灾前兆数据”，避免火灾发生； 监测内容：教材明确需监测 “温度、烟雾浓度、火焰” 三类数据（温度超标、烟雾出现、火焰产生均为火灾信号）； 技术支撑：温度传感器（DS18B20）、烟雾传感器（MQ-2）、火焰传感器（Flame Sensor）采集数据，通过物联网模块（Wi-Fi/NB-IoT）上传至云平台； 应用场景：管理员通过 APP 查看各教室实时数据，如发现某实验室温度骤升，及时排查隐患； （2）远程控制功能： 需求来源：火灾发生时，若人员无法赶赴现场，需远程启动灭火设备； 控制对象：教材明确需控制 “喷淋装置（水泵）、通风设备（排风扇）”（喷水灭火、排出有毒烟雾）； 技术支撑：继电器（控制水泵 / 排风扇电源）、物联网模块接收云平台指令，主控板解析指令后驱动执行器； 应用场景：管理员在 APP 下发 “打开喷淋” 指令，云平台通过 MQTT 协议推送至教室主控板，继电器闭合，水泵启动喷水； （3）远程报警功能： 需求来源：火灾发生时，需同时通知 “现场人员（本地报警）” 和 “远程管理员（远程报警）”； 报警方式：教材明确需 “蜂鸣器 + LED 灯（本地声光报警）” 和 “APP 推送 + 短信（远程报警）”； 技术支撑：蜂鸣器、LED 灯（接主控板数字引脚），物联网模块将报警信息上传至云平台，云平台推送到 APP / 短信； 应用场景：教室烟雾超标时，蜂鸣器响、LED 灯闪，同时管理员 APP 收到 “教室 101 烟雾报警” 推送。 2. 智能消防系统硬件搭建：规范接线与组件协同 （1）硬件清单确定： 明确 “核心硬件 + 辅助硬件”，避免遗漏： 硬件类型 具体组件 功能作用 选型理由（教材依据） 传感器 DS18B20 温度传感器 采集环境温度，监测火灾高温 测量范围 - 55℃~125℃，适配火灾温度场景 MQ-2 烟雾传感器 采集烟雾浓度，监测火灾烟雾 可检测多种可燃气体，灵敏度高 火焰传感器 检测火焰，确认火灾发生 响应速度快，适合火灾快速识别 控制器 Arduino/Nano 主控板 接收传感器数据，驱动执行器 开源硬件，支持多种传感器与模块接入 执行器 继电器模块 控制水泵、排风扇电源通断 可通过主控板数字引脚控制高电压设备 微型水泵 喷水灭火 体积小，适合模拟消防喷淋系统 蜂鸣器、LED 灯 本地声光报警 提醒现场人员及时疏散 通信模块 ESP8266 Wi-Fi 模块 连接云平台，传输数据与指令 成本低，适合校园 Wi-Fi 覆盖场景 辅助组件 面包板、杜邦线、电源 搭建电路、提供电力 保障硬件稳定连接与供电 （2）硬件接线逻辑拆解： ①传感器接线（信号传输）： 温度传感器（DS18B20）：VCC 接主控板 5V、GND 接 GND、DATA 接数字引脚 D4——“先接电源，再接信号，避免传感器烧毁”； 烟雾传感器（MQ-2）：VCC 接 5V、GND 接 GND、AO（模拟信号）接模拟引脚 A0——“模拟引脚用于读取烟雾浓度数值”； 火焰传感器：VCC 接 5V、GND 接 GND、DO（数字信号）接数字引脚 D5——“数字引脚用于判断是否检测到火焰（高 / 低电平）”； ②执行器接线（指令执行）： 继电器模块：VCC 接 5V、GND 接 GND、信号引脚接 D6——“主控板通过 D6 引脚输出高低电平，控制继电器通断”； 水泵：正极接继电器 “NO（常开）” 引脚、负极接电源负极，继电器 “COM（公共）” 引脚接电源正极 ——“继电器闭合时，NO 与 COM 连通，水泵通电喷水”； 蜂鸣器、LED 灯：正极接限流电阻后接数字引脚 D7/D8、负极接 GND——“主控板输出高电平，蜂鸣器响、LED 灯亮”； ③通信模块接线（数据传输）： ESP8266 Wi-Fi 模块：VCC 接 3.3V（不可接 5V，避免烧毁）、GND 接 GND、TX 接主控板 RX（D0）、RX 接主控板 TX（D1）——“串口通信需 TX/RX 交叉连接，确保数据双向传输”； 教师演示：用实物分步接线，重点展示 “继电器与水泵的电源连接”“Wi-Fi 模块的串口交叉接线”，并提醒学生对照教材图检查接线顺序。 四、当堂训练 1.小组分工搭建：4 人一组，明确分工 ——“功能梳理员（确认功能与硬件匹配）”“硬件选型员（核对硬件型号）”“接线操作员（按图接线）”“质量检查员（对照教材图检查接线）”，教师巡视指导，重点解决以下问题： 问题 1：传感器信号引脚接错（如温度传感器 DATA 接成 5V）—— 引导对照教材图核对引脚编号； 问题 2：Wi-Fi 模块接 5V 电源 —— 提醒 “模块标注 3.3V，需用稳压模块降压”； 问题 3：继电器与水泵正负极接反 —— 演示 “继电器 COM 接正极、NO 接水泵正极” 的正确逻辑； 2.硬件检查验收：小组完成搭建后，举手示意教师验收，验收标准：①接线无短路（用万用表测通断）；②各组件电源匹配（无 5V 接 3.3V）；③引脚连接与教材图一致，验收通过后进入下阶段学习。 五、课堂小结 1.功能：远程监测（温 / 烟 / 火）、远程控制（喷淋 / 通风）、远程报警（声光 + APP）； 2.硬件：传感器（采集）、主控板（决策）、执行器（行动）、通信模块（传输）； 3.接线：传感器→主控板（信号）、执行器→主控板（指令）、通信模块→主控板（数据）。 六、课后作业 1绘制 “智能消防系统硬件连接示意图”，标注各组件的引脚连接（如 “温度传感器 DATA→D4”），并在图旁注明 “接线注意事项”（如 “Wi-Fi 模块接 3.3V”）。 七、板书设计 智能消防系统实践（第一课时） 核心内容 实践要点 一、系统功能分析 1. 远程监测：温 / 烟 / 火数据采集 2. 远程控制：喷淋 / 通风设备控制 3. 远程报警：声光 + APP 推送 功能需匹配校园场景，避免冗余 二、硬件选型 1. 传感器：DS18B20、MQ-2、火焰传感器 2. 执行器：继电器、水泵、蜂鸣器 3. 通信：ESP8266 Wi-Fi 模块 4. 控制器：Arduino 主控板 硬件型号需适配功能，如温度传感器选 DS18B20 三、硬件搭建 1. 传感器→主控板：信号引脚（D4/A0） 2. 执行器→主控板：继电器（D6）、蜂鸣器（D7） 3. 通信模块→主控板：Wi-Fi 模块（D0/D1 交叉） 断电接线，核对引脚，避免短路 / 反接 总结 功能是核心，硬件是基础，接线是关键，三者协同才能搭建有效系统 —— 八、课后反思 学科网（北京）股份有限公司 $