第二单元 第2课 校园数字气象站数据采集 教学设计 2025-2026学年教科版初中信息科技 八年级下册

该初中信息科技教学设计聚焦校园数字气象站感知层搭建与数据采集，通过复习上一课气象站规划及物联网三层架构，明确传感器在数据采集中的核心作用，建立从规划到实践的知识脉络，为学生搭建实操学习支架。 此资料以任务驱动实践操作为特色，融合信息意识（识别传感器功能与数据流程）、计算思维（梳理多传感器采集逻辑并绘制算法流程图）、数字化实践（完成硬件连接、程序编写与MQTT数据上传），通过集成气象仪与雨量传感器实操、分步调试等环节，采用小组协作与问题排查法，提升学生工程实践能力与数据意识，为教师提供清晰教学流程与资源支持。

第2课 校园数字气象站数据采集 课题 第2课 校园数字气象站数据采集 课型 新授课 + 实践操作课 课时 1 总课时 教材分析 本课是第二单元的核心实践课，承接第 1 课规划内容，聚焦气象站感知层搭建与数据采集。教材围绕气象传感器识别、硬件连接、程序编写、MQTT 数据传输、运行调试展开，让学生掌握温湿度、气压、风速、风向、雨量等数据的采集方法，形成完整的气象数据获取流程，为后续实时传输、测试运维、数据分析奠定实践基础。 学情分析 学生已完成气象站规划，了解物联网三层架构，但对气象专用传感器、集成气象仪、多传感器协同采集、MQTT 订阅等知识陌生。八年级学生动手意愿强、喜欢实操，但多硬件接线易混乱、程序理解难度大，需分步演示、任务驱动、小组协作，降低操作门槛，强化数据意识与工程实践能力。 核心素养 （教学） 目标 信息意识：识别气象传感器功能，理解气象数据采集 — 传输 — 显示流程，建立数据感知意识。 计算思维：梳理多传感器数据采集逻辑，能读懂并搭建数据采集算法流程。 数字化实践：完成传感器与主控板连接、程序编写、联网调试，实现多维度气象数据采集。 信息社会责任：规范操作硬件，安全用电，科学采集数据，培养严谨求实的探究精神。 德育安全 断电接线、规范操作；爱护传感器与主控板，小组合作互助，科学观测记录。 教学重点 气象传感器识别、感知层搭建、硬件连接、程序初始化、MQTT 配置、数据采集与显示。 教学难点 多传感器协同读取、MQTT 网络配置与数据稳定上传。 教法学法 教法：演示讲解、任务驱动、分步指导、问题排查。 学法：动手实操、小组合作、编程调试、记录总结。 教学准备 主控板、气象仪、雨量传感器、导线、电脑、PPT、接线图。 教学过程设计 复备栏 （一）复习导入，明确采集任务 复习回顾师：上一节课我们完成了什么任务？ 生：规划校园数字气象站，认识气象数据，绘制了系统示意图。 师：校园数字气象站要获取温度、湿度、气压、风速、风向、雨量，依靠的是哪一层？ 生：感知层 —— 传感器。 导入新课师：规划完成后，我们就要动手搭建感知层，实现气象数据采集。本课任务：认识传感器、连接硬件、编写程序、联网调试，让气象站 “会感知、能读数”。 板书课题第 2 课 校园数字气象站数据采集 本课学习目标 认识 6 种气象传感器 理解感知层架构 完成硬件连接与程序编写 实现气象数据采集、显示、上传 （二）新知学习：气象传感器与采集架构 认识气象传感器（写一写 / 认一认）教师结合教材图片，逐一讲解： 光敏传感器 温湿度传感器 风速传感器 风向传感器 气压传感器 雨量传感器 集成设备讲解 气象仪：集成风速、风向、温度、湿度、气压，一站式采集。 雨量传感器：检测是否降雨、雨量大小。 教师强调：本课使用集成气象仪 + 雨量传感器，简化接线，提高稳定性。 电容式雨量传感器原理 两个电极，间隙可存水 雨滴落入→电容变化→推算雨量 数据采集架构教师结合架构图讲解： 传感器→智能终端（主控板） 主控板通过 WiFi/USB 连计算机 局域网内构建服务器，存储与访问数据 感知层核心：传感器负责采集，主控板负责处理 （三）方案设计：数据采集流程与算法 数据采集四步骤 列出硬件清单 连接传感器与主控板 编写初始化与采集程序 上传、运行、调试、查看数据 数据传输流程传感器采集 → 传输给智能终端 → 屏幕实时显示 → 上传 MQTT 平台 → 计算机端接收风速超阈值 → 显示预警信息 绘制算法流程图教师引导学生完成：开始 → 初始化主控板 / 传感器 / 网络 → 读取气象仪 + 雨量数据 → 屏幕显示 → MQTT 上传 → 判断风速是否超标 → 预警 / 正常 → 循环采集 （四）实践操作：硬件连接与程序编写 硬件清单 主控板 ×1 气象仪 ×1 雨量传感器 ×1 连接线若干 计算机 ×1 硬件连接（重点强调）对照教材原理图指导： 气象仪接主控板对应接口 雨量传感器接指定端口 断电操作，防止短路、烧坏元件教师逐组检查，确保接线规范正确。 程序编写（分模块讲解）（1）初始化程序 PinPong 初始化板型 初始化气象仪（I2C 0x42） 初始化雨量计模块 设置舵机与显示界面 （2）网络配置（MQTT） 初始化 MQTT 连接服务器 订阅主题：温度、湿度、气压、风速、风向、雨量、光线、预警 （3）主循环程序 定时读取各类气象数据 更新屏幕显示 MQTT 发布数据 循环执行 运行与调试 上传程序，观察屏幕数据是否刷新 计算机端查看 MQTT 消息监控 核对雨量、温湿度等数值是否合理 常见问题排查 无数据：检查接线、传感器是否正常 数据不变：重启、重新初始化 联网失败：检查 WiFi、MQTT 配置 显示异常：核对程序变量 （五）展示交流与数据观测 小组展示各组演示： 屏幕实时显示气象数据 MQTT 平台接收数据正常 数据稳定、连续、可读取 师生点评 接线是否规范安全 数据是否准确稳定 程序逻辑是否正确 协作是否高效有序 数据记录各组实时记录一组气象数据，为下一课数据分析做准备。 （六）课堂小结与作业布置 课堂小结本课完成校园数字气象站感知层搭建，实现了多维度气象数据的采集、显示与上传，掌握了传感器接线、初始化编程、MQTT 配置等核心技能，为下一课 “实时传输” 奠定基础。 布置作业(1) 整理本课硬件接线图与程序流程。(2) 记录一组实时气象数据，备用分析。(3) 预习第 3 课《校园数字气象站实时传输》。 板书设计 第 2 课 校园数字气象站数据采集 一、气象传感器 温湿度、气压、风速、风向、雨量、光敏 二、感知层架构 传感器 → 主控板（智能终端）→ 网络 → 计算机 / 平台 三、采集流程 准备硬件 → 连接 → 编程 → 调试 → 采集 → 显示 → 上传 四、核心程序 初始化 → MQTT 订阅 → 循环读取 → 发布数据 五、安全规范 断电接线、防短路、轻拿轻放传感器 教 学 反 思 本课以实操为主，学生动手积极性高，基本掌握气象传感器与数据采集流程。但多传感器接线复杂、MQTT 配置抽象，部分学生操作缓慢、易出错，进度差异较大。后续应提供预制接线图与模块化程序，加强分层指导与小组互助，进一步简化操作步骤，强化安全规范与数据稳定性调试。 学科网（北京）股份有限公司 $