第20课 反馈控制有算法 教案 2025-2026学年人教版初中信息科技八年级全一册

第20课《反馈控制有算法》教案 课程名称：第20课 反馈控制有算法 年级：八年级 课时：45分钟 一、教学目标分析 知识与技能 1.能够了解基于数据分析设计算法的方法，熟悉执行器的使用方法。 2.能够了解系统整合的一般方法。 过程与方法 1.通过实践操作，掌握如何根据数据设计算法。 2.通过实践操作，熟悉执行器的使用。 情感态度价值观 1.激发对物联技术的兴趣，培养科学求索能力。 2.培养科学创新思维，提高动手实践能力。 二、教学内容及重点 教学重点 根据数据设计算法，控制执行器，对系统进行整合。 教学难点 熟悉执行器的使用方法，了解系统整合的方法 三、教学过程设计 教学过程 教学内容 教学方法 情景导入 （3分钟） 师：经过前面的学习，我们知道物联系统能够对现实世界进行反馈与控制，那同学们知道物联系统中的反馈与控制是基于什么实现的吗？ 生：基于算法实现的。 师：对，物联系统中的反馈与控制是基于算法实现的。那么请同学们思考两个问题：我们如何基于数据分析设计算法呢？如何执行控制器呢？ 师：带着这些问题，本节课我们将揭开反馈与控制算法的神秘面纱，学习如何根据数据设计算法，如何执行控制器，了解怎样对系统进行整合，探索功能扩展。通过本节课的学习，那两个问题便会迎刃而解了。 问题导向学习 新课教学 知识点一：根据数据设计算法 （3分钟） 师：我们在前面的学习中了解过物联花盆系统，物联花盆系统要实现自动灌溉功能时，需要在对温度、土壤湿度、光照强度和天气预报数据分析的基础上设计算法。我们可以设计表格来规划灌溉条件。 师：这里我们再拓展一个小知识点，要实现灌溉功能的话，物联花盆系统则需要增加执行模块，以便向现实世界采取行动。执行器模块的作用是让物联系统对环境形成反馈，所有执行器都是输出设备。那么数据、算法、反馈和执行器之间的关系是怎样的呢？数据是设计算法的依据；算法是根据一定的规则产生的结果；反馈时物联系统作用于外部环境的过程；执行器则是反馈的载体。 讲授法 师生互动 合作探究 （实践操作）（6分钟） 师：我们已经了解到我们需要根据数据设计算法，现在让我们进入学习活动1，设计灌溉条件决策表，并通过编程让主控板实现决策。大家一起动手操作，小组合作学习完成任务。 师：我们首先根据土壤湿度的分析结果，确定合适的土壤湿度上限值、下限值。然后根据物联花盆系统的灌溉条件，将对应决策填入表格中。 师：接下来我们要对灌溉条件进行整理。已知所有条件都与土壤湿度有关，且可以分为大于上限值、介于上下限值之间、小于下限值三种，因此我们可以将灌溉条件整理优化成新的表格。 师：最后根据表格中的条件设计算法，形成数据决策部分程序，主要代码如示例所示，灌溉条件需要使用分支结构嵌套，它通过if条件判断语句判断是否灌溉。 师：这个学习活动的项目原理是根据优化后的表格中的条件设计算法，形成数据决策部分程序，根据条件判断是否灌溉，在主控板上显示“灌溉”或“不灌溉”。 师：我们用到的实验设备有主控板，土壤湿度传感器和4pin连接线。 实验步骤： （1）第一步：我们首先连接土壤湿度传感器和主控板，用4PIN线将土壤湿度传感器连接倒主控板的P0、P1引脚。 （2）第二步：编写数据决策程序。根据土壤湿度的分析结果,确定合适的土壤湿度上限值、下限值。如果土壤湿度大于上限值,显示“不灌溉”。土壤湿度介于上下限值之间。天气预报有雨,显示“不灌溉”；否则显示“灌溉”。光照强度大则增加土壤湿度下限值，否则恢复下限值。如果土壤湿度低于下限值,显示“灌溉”。依土壤湿度分析结果确定上下限值，若土壤湿度大于上限值，显示“不灌溉”；湿度介于上下限之间时，结合天气预报判断，有雨则 “不灌溉”，无雨则 “灌溉”；光照强度大时增加湿度下限值，反之恢复；若土壤湿度低于下限值，显示 “灌溉” ，以此实现基于多条件的灌溉决策判断。 代码版如图所示。 （3）第三步：将代码刷入主控板中。 （4）第四步：进行功能演示。在不同情况下，主控板上会显示决策“灌溉”或“不灌溉”。 师：现在让我们进行一下活动总结，灌溉条件包括土壤强度、天气预报、光照强度等；我们的实验目的是确定物联花盆系统中土壤湿度上下限值，制定灌溉决策并编写相关程序；决策条件是土壤湿度大于上限不灌溉；小于下限灌溉；介于之间时，下雨不灌溉、不下雨灌溉。 讨论法 合作学习 实践操作 新课教学 知识点二：控制执行器 （2分钟） 师：下面让我们来学习如何控制执行器，在物联花盆系统中，反馈与控制就是显示土壤湿度情况和实现自动灌溉。 讲授法 师生互动 合作探究 （实践操作）（8分钟） 师：通过实践操作来了解一下如何控制执行器。让我们一起动手操作，两人为一小组，合作完成学习活动2。学习活动2有两个要求，第一个是显示土壤湿度：在显示屏显示土壤湿度数据实现自动灌溉。第二个是实现自动灌溉：灌溉需要水泵作为执行部件。将水泵与主控板连接。修改数据决策程序，添加相关的控制代码，让电机启动并灌溉5s。 师：我们用到的实验设备有主控板，土壤湿度传感器，水泵和4pin连接线。 实验步骤： (1)第一步：我们首先连接水泵、土壤湿度传感器与主控板。 1. 第二步：编写程序代码，显示土壤湿度，实现自动灌溉。 将上个任务的屏幕显示“灌溉”替换为水泵启动，“不灌溉”替换为水泵停止。 代码版如图所示。 (3)第三步：将代码刷入到主控板中。 (4)第四步：进行功能演示，检测土壤湿度。 师：根据活动过程请同学们完成活动总结的填空。 讨论法 合作学习 实践操作 新课教学 知识点三：对系统进行整合 （5分钟） 师：现在让我们来学习第三个部分如何对系统进行整合，我们在实现各个功能模块并测试后，可以将所有模块集成到一起形成一个简易物联灌溉系统，其处理核心流程如示例图所示。师：下面请同学们思考一个问题：在实验的过程中有什么注意事项吗？ 师：我们需要注意每次执行完相应的功能，可以让主控板等待一段时间再执行，以减少数据通信和数据存储。因此，可以把主程序代码放在无限循环中，并在最后通过time.sleep( )控制等待时间。还有在项目投入使用前，还需要进行系统调试。一方面要对比功能需求进行测试；另一方面则是让物联系统进行整体运行，以测试是否存在问题。在实验过程中，同学们需要注意哦。 讲授法 师生互动 合作探究 （实践操作）（8分钟） 师：下面通过实验操作完成对系统进行整合的任务。让我们一起动手操作，小组合作学习完成学习活动3。大家以小组为单位，完成物联花盆系统项目的模块整合和功能集成。根据需求清单对物联花盆系统项目进行功能测试。 实验步骤： 1. 第一步：进入掌控IOT平台，添加物联网项目主题和设备。 1. 第二步：编写程序。连接网络和物联网平台，整合获取天气预报和自动浇灌系统功能的代码。 代码版如图所示。 1. 第三步：将代码刷入到主控板中。 1. 第四步：进行功能演示。屏幕上会显示土壤湿度值以及天气预报，根据灌溉条件，符合灌溉条件时，水泵启动实现自动浇灌系统。 师：请同学们对以上总结以上活动。完成填空。 生：物联花盆系统项目包括四个模块，传感器模块、数据处理与分析模块、MQTT模块和控制模块；需要实现的功能有境监控、数据可视：实时获取天气数据，实时监控并记录湿度和光照数据，提供图表；自动灌溉:根据土壤湿度情况控制水泵自动开启关闭；还要进行功能测试，确保各模块独立和集成后的功能正常。验证整个系统的运行情况，包括传感器数据采集、数据分析、控制命令执行。 讨论法 合作学习 实践操作 新课教学 知识点四： （5分钟） 师：通过前面的学习，我们认识到了我们需要根据数据设计算法，并通过控制执行器进行操作与反馈，还学习了对系统进行整合，在学习过程中我们以物联花盆系统为例子深入讲解了各个知识点。物物相连带来了无限的可能，通过不断地创新可以让物联系统有更多的功能，物联花盆系统也是如此。那么，同学们有没有什么创新性的提议呢？如果我们要进行功能扩展，物联花盆系统应从哪几个方面进行创新扩展？ 师：我们可以从系统功能上进行扩展，利用红外热释电传感器，便可以感知是否有人在附近活动，将数据上传到物联网服务平台，并进行数据分析，可以了解主人对植物的关心程度；还可以给物联花盆系统增加人工智能摄像头，自动识别植物种类，并设置不同的湿度参数。还可以从人机交互上进行扩展，可以编写一个网页端程序，方便查看所有花盆终端的实时数据；可以增加手动灌溉控制的按钮，便于更灵活地控制花盆灌溉。我们也可以从数据处理与可视化上进行扩展，可以在网页端增加数据图表来直观地分析花盆环境数据，然后进一步探索环境数据对绿植生长的影响。 师：但是我们也需要注意，在设计物联系统时，还需要考虑后续系统功能的扩展需求。从硬件角度，可以预留一些引脚来连接更多的传感器和执行器。从软件角度，可以设计合理的程序框架，方便扩展功能。 问题导向法 讲授法 拓展深化，回归生活 （3分钟） 师：本节课我们学习到了物联系统的反馈与控制是需要算法和执行器进行操作的，现在让我们来看一下拓展提升的问题吧。两个问题：1.选择一两个可以实现的创新功能，对已实现的物联系统进行改造升级。2. 某物联门锁系统检测到门口有人停留时，会自动启动摄像头的监控功能，并将监控画面实时显示在房间内的显示屏上。同时，系统会通过蜂鸣器发出提示音，并通过应用软件推送消息通知用户。用户可以通过手应用软件远程控制门锁。在此物联门锁系统中，数据采集、传输和反馈控制是如何实现的？可能会用到哪些硬件？ 师：在物联门锁中，我们可以通过摄像头采集数据；通过家庭无线网络传输数据；利用算法实现了显示屏显示和推送消息通知。 师：同学们，参与物联花盆系统实验，能让你们深入理解基于数据分析的算法设计，熟练掌握执行器的使用与系统整合方法。让我们快动手试试吧！ 问题导向学习 讨论法 实践操作 课后作业（1分钟） 师：请同学们根据本节课所学的知识，结合生活实际，在课后思考，结合生活实际，提出至少两个物联花盆系统可以拓展的创新功能，并说明每个功能的实现思路、可能用到的硬件和软件技术，以思维导图的形式呈现。 课堂小结与评价 （1分钟） 师：本节课，我们了解基于数据分析设计算法的方法，熟悉执行器的使用方法。还了解系统整合的一般方法。 教学反思 1.反思点：本次课程是否达到了预期的教学目标？学生是否能够清晰地理解？在讲解复杂概念如系统整合中的参数调整和优化时，部分学生反映理解起来有难度。此外，教学节奏把控上存在不足，部分内容讲解过细导致进度稍有延迟，一些拓展内容未能充分展开。 2.改进措施：针对系统整合部分，增加更多生动实例和可视化演示，帮助学生更好地理解复杂概念。同时，合理梳理和精简教学内容，精准把控教学节奏，确保在完成基本教学任务的同时，为学生提供更多拓展学习机会。 学科网（北京）股份有限公司 $