第五单元 第15课 自动通风系统的开发与实现（教学设计）2025-2026学年河大版初中信息科技八年级全一册

该初中信息科技教学设计聚焦自动通风系统开发，涵盖硬件选型、软件编程、云平台逻辑与系统测试。通过教室二氧化碳超标场景导入，承接前节物联网基础，以硬件表格、代码片段、流程图为支架，引导学生实现项目全流程。 以真实智慧教室项目为载体，采用项目式教学与小组分工，落实计算思维（分解系统模块）、数字化学习与创新（整合多段代码、云平台优化）、信息社会责任（工程规范）。实例丰富如硬件选型表填写、云平台逻辑调试，助力学生提升实践能力，为教师提供完整教学资源，便于高效开展教学。

白沟一中集体备课教学设计 课题 自动通风系统的开发与实现 课型 新授 课时 1 课标要求分析 1.信息意识：结合教室二氧化碳超标、空气闷堵真实场景，挖掘智能通风的技术需求；区分本地硬件直控、云平台远程管控两种信息传输方案；识别传感器、微控制器、云平台协同解决教室空气质量问题的价值。 2.计算思维：运用分解、抽象、建模思维，把自动通风系统拆解为CO₂采集终端、云平台服务、新风遥控终端三大模块；梳理 “采集数据→上传云平台→阈值判断→下发控制指令→红外执行新风启停” 完整数据流；针对接线错误、代码报错、网络断开开展逻辑排查调试；对比本地直连、云端控制方案优劣。 3.数字化学习与创新：借助开发板、传感器、云平台图形化工具完成完整物联网项目开发；整合 Wi-Fi 联网、ADC 采样、MQTT 收发、UART 串口多段代码，整合为完整运行程序；优化云平台判断逻辑，提出系统迭代改进方案。 4.信息社会责任：理解嵌入式系统在教室、家居、工业的广泛应用；认识合理设定通风阈值、规范硬件布线、完整测试验证是保障智能设备安全稳定运行的基础；树立项目开发前规划、开发后完整测试的工程规范意识。 教材分析 本课选自八年级信息科技第五单元《打造理想的智慧教室》，承接前一节物联网感知、通信基础内容，以教室自动通风系统为真实项目载体，完整覆盖硬件选型、硬件搭建、软件编程、云平台逻辑、系统测试全流程开发。 教材依托二氧化碳传感器、红外遥控模块、Wi-Fi 微控制器、物联网云平台，串联 ADC 模数采集、Wi-Fi 联网、MQTT 通信、分支判断程序、UART 串口传输等核心知识点，落实物联网三层架构实践，引导学生完整经历小型嵌入式物联网项目开发流程，为后续大型智能系统设计打下实践基础。 教材配套完整硬件表格、流程图、MicroPython 代码片段、云平台图形化编程案例，设置 “试一试” 实践任务，强调做中学，贴合新课标数字化实践育人要求。 学情分析 1.已有基础：八年级学生已掌握物联网感知层、网络层、应用层分层概念；认识传感器、执行器基础硬件；能读懂简单 MicroPython 代码，了解顺序、分支程序结构；初步接触 MQTT 通信、云平台基础概念。 2.能力短板：①不会根据项目需求匹配硬件参数、接口；②难以将完整项目拆解为分段代码（联网、采集、上传、指令接收、红外控制）；③不理解云平台分支逻辑与本地硬件程序的联动关系；④缺少完整项目调试、系统测试的思路。 3.学习特点：对教室智能通风真实场景兴趣高，动手实践意愿强，但逻辑整合、故障排查能力薄弱，适合小组合作分层完成硬件、软件、测试分工。 教学目标 （一）信息意识 能结合教室空气质量场景明确自动通风系统功能需求，区分本地硬件直连、云端远程控制两种信息传递方案，感知传感器、微控制器、云平台协同处理数据、下发指令的完整逻辑。 （二）计算思维 会将自动通风项目分解为硬件选型、数据采集、网络上传、云端判断、红外执行五大环节；能读懂 ADC 采集、MQTT 收发、分支判断、UART 串口相关代码；能针对系统故障开展分步逻辑调试，形成工程化项目设计思维。 （三）数字化学习与创新 能依据项目参数完成硬件选型、硬件接线并记录端口对应规则；整合分段 MicroPython 代码实现完整设备功能；利用云平台图形化模块编写阈值判断程序，自主提出系统优化改进方案。 （四）信息社会责任 知晓嵌入式系统在生活各领域的应用，遵守硬件接线、代码编写、系统测试的工程规范；明白完整测试验证是保障智能设备稳定、安全使用的必要环节，养成严谨数字化实践习惯。 教学重点 和难点 重点： 1. 根据项目需求完成二氧化碳传感器、红外模块、Wi-Fi 微控制器硬件选型。 2.读懂并整合 Wi-Fi 联网、ADC 采集、MQTT 上传 / 订阅、UART 红外控制四段核心代码。 3.梳理 “传感器采集 — 云平台判断 — 遥控终端执行” 完整系统数据流。 难点： 1. 理解云平台 MQTT 双向主题（CO₂数据上传、新风指令下发）的通信逻辑。 2. 整合多段独立代码，实现采集终端、遥控终端双向联动。 3. 分阶段完成实验室系统测试，根据测试数据优化系统参数。 教法、学法 教法： 情境教学法、项目式教学法、任务驱动法、讲授点拨法 学法： 小组合作探究法、自主归纳法、实践建模法、迁移运用法 教学准备 多媒体课件、任务单 教学过程 教师活动 学生活动 设计意图 一、情景导入 （1）展示教室多人上课闷热、二氧化碳浓度超标场景图片，联系上节课的思路，如何实现设计方案?如何在众多传感器产品中挑选合适的一款?哪些型号的微控制器既可以采集传感器数据，又可以通过Wi-Fi传输数据?系统各个部分涉及的软件代码将按照何种流程运行?在这一课，我们一起体验实现设计方案的过程。 二、传授新知 硬件设计： （1）讲解硬件选型核心原则：量程、电压、接口协议必须匹配，出示表 5-3 二氧化碳传感器选型表，示范填写参数。 （2）出示空白表 5-4 新风机遥控装置硬件选型表，引导学生分析红外模块两种工作方式，对比优缺点。 （3）讲解硬件搭建规范：统一记录模块端口，出示表 5-5 硬件端口对应规则表，示范传感器、红外模块与开发板接线。 （4）巡视各组，指导硬件接线，纠正接线混乱、端口不记录等问题。 软件设计： 任务 1：二氧化碳监测终端程序 （1）分步拆解三段代码：Wi-Fi 联网代码、ADC 采集 CO₂电压代码、MQTT 上传数据代码；逐行讲解 import 库、引脚定义、数据上传主题CO2_Level含义。 （2）出示程序流程图，梳理 “联网→循环采集→间隔上传” 逻辑。 （3）布置任务：小组整合三段代码，形成二氧化碳采集完整程序。 任务 2：云平台服务程序 （1）讲解云平台核心作用：接收 CO₂数据、阈值分支判断、下发新风指令； 演示云平台图形化编程：创建CO2_Level图表组件，搭建 “判断电压阈值→发布Fresh_air启停指令” 逻辑。 （2）提问拓展：云平台程序存在哪些不足？引导学生思考优化方案。 任务 3：新风遥控终端程序 （1）讲解 UART 串口作用：微控制器向红外模块传输启停脉冲信号；示范 UART 串口配置代码。 （2）拆解 MQTT 订阅代码，讲解回调函数识别ON/OFF指令，区分 “订阅消息” 和之前 “发布消息” 代码差异。 （3）出示新风终端流程图，梳理 “联网→循环监听指令→红外执行操作” 流程。 环节 4：新知探究三 测试验证动 （1）讲解系统测试三阶段：测试准备、实验室测试、现场安装调试。 （2）示范填写表 5-6 测试准备清单、表 5-7 系统测试数据表，说明设计指标 0.08% 二氧化碳阈值。 （3）组织各组开展实验室整体联调，排查硬件、代码、网络故障。 三、课堂小结 （1）带领学生梳理本节课项目完整流程：硬件选型→硬件搭建→软件分段编程→云平台逻辑配置→系统联调测试。 （2）总结核心知识点：ADC 模数采集、MQTT 双向通信、分支判断程序、嵌入式系统应用。 四、布置作业 1.基础作业：完善课堂未填完的硬件选型表、端口对应表、系统测试数据表；默写二氧化碳采集终端核心代码注释。 2.提升作业：结合课堂讨论，写出 3 条云平台程序优化改进方案，说明优化思路。 3.拓展作业：查阅资料，收集国产嵌入式系统（ESP32、合宙、兆易创新）相关资料，简单记录发展现状。 回顾上节课的设计思路，思考如何实现此项目。 阅读课本 “问题情境”，梳理本课需要解决的三大问题：硬件选型、软件流程、系统测试。 小组合作，对照课本硬件参数，完成表 5-4 新风机遥控装置硬件选型表填写。 依据课本硬件搭建示意图，完成二氧化碳监测装置、新风遥控装置接线。 如实填写表 5-5 硬件端口对应规则表，记录每一个模块使用引脚。 对照流程图读懂分段代码，标注每段代码功能。 在 Thonny 中输入、整合代码，下载至开发板，测试能否正常采集、上传数据。 （1）登录云平台，模仿案例搭建阈值判断程序。 （2）小组讨论云平台程序优化方向（增加数据存储、多级风量、故障告警等）。 读懂串口、MQTT 订阅代码，标注关键指令。 编写新风遥控完整程序，下载开发板，等待云平台下发指令测试红外输出。 小组完成测试准备清单勾选，开展整套系统联调。 记录新风开启、关闭对应的二氧化碳浓度，填写测试数据表。 记录调试中遇到的故障与解决方法。 跟随教师梳理知识框架，记录课堂易错点。 明确课后作业任务。 从学生熟悉的教室场景切入，激发信息意识，明确本节课项目实践任务，建立学习目标。 落实计算思维分解建模能力，掌握硬件匹配、规范布线的工程方法，为后续软件编程打好硬件基础，落实数字化学习与创新素养。 理解本地采集终端单向上传数据逻辑，掌握 MicroPython 基础采集、网络通信语法。 理解物联网双向 MQTT 通信，区分上传、订阅两类消息主题，培养创新优化思维。 打通系统完整数据流，理解 “采集端 - 云平台 - 执行端” 三者联动逻辑，突破本课难点。 建立完整项目测试工程思维，落实信息社会责任，养成严谨规范的数字化实践习惯。 系统梳理本课知识，巩固计算思维项目开发逻辑，分层作业适配不同水平学生。 板书设计 第 15 课 自动通风系统的开发与实现 一、硬件设计：选型→接线→记录端口 CO₂传感器 → ADC 采集 红外学习模块 → UART 串口 ESP32：Wi-Fi 联网、MQTT 通信 二、软件三层程序 采集终端：联网→ADC 读电压→上传 CO2_Level 云平台：接收数据→阈值判断→下发 Fresh_air 指令 遥控终端：订阅指令→UART 发送红外信号 3、 系统测试三步 准备→实验室联调→现场调试 四、核心协议：MQTT（发布 / 订阅双向通信） 教学反思 （一）课堂亮点 以完整真实智慧教室项目贯穿全课，硬件、软件、测试一体化教学，完整落实物联网项目开发全流程，四维核心素养同步落地。 采用小组分工模式，降低单学生操作压力，硬件、代码、云平台、测试四类任务分层分配，兼顾动手能力弱、逻辑思维强不同类型学生。 结合课本配套表格、流程图、代码片段开展实践，贴合教材要求，学生能对照学案自主完成基础任务。 （二）课堂存在问题 课堂时间有限，部分小组代码整合、云平台图形化编程完成较慢，联调测试时间紧张。 学生对 MQTT“发布/订阅双向主题” 逻辑区分不清晰，容易混淆上传、接收两段代码。 故障排查能力薄弱，出现接线错误、网络断开时，不会按照 “硬件→代码→云平台” 顺序分步定位问题。 （三）改进措施 课前提前分发分段代码模板、硬件接线示意图，压缩课堂抄写代码、看懂图纸时间，预留更多联调测试时间。 制作 MQTT 双向通信简易流程图贴纸，直观区分上传、下发两条数据流，突破教学难点。 下节课增加 5 分钟故障排查专项训练，整理常见报错清单，引导学生建立分层调试思维。 课后开放机房，供未完成系统联调的小组继续实操，完善测试数据记录。 学科网（北京）股份有限公司 $