義務(wù)教育《信息科技》

8年級上冊

跨學(xué)科主題活動

在線數(shù)字氣象站

想必大家都在語文課上學(xué)過這首詩，“碧玉妝成一樹高，萬條垂下綠絲絳。不知細(xì)葉誰裁出，二月春風(fēng)似剪刀?！边@首詩生動描寫了二月份的氣象特點(diǎn)。中國是文明古國和農(nóng)業(yè)大國，我們的祖先一直十分重視和農(nóng)業(yè)相關(guān)的動態(tài)數(shù)據(jù)，包括氣象、水文等資料，如重慶的白鶴梁題刻，就記錄了從唐廣德元年（公元763年）至公元1963年的1200年間，長江枯水年份和水位的動態(tài)數(shù)據(jù)資料。古人在沒有精確儀器的情況下，用“石魚”來作為觀測長江枯水位的標(biāo)尺，經(jīng)過多年觀察，精確地掌握了長江枯水期的水位的平均值，即兩條魚的眼睛距離江底的垂直距離137.91米，除了精確地掌握這一標(biāo)尺，還將這一跨越千年的長江水文動態(tài)數(shù)據(jù)通過“石魚”標(biāo)尺和白鶴梁題刻完美呈現(xiàn)出來。情境引入現(xiàn)代社會為了更好地監(jiān)測氣象，人們建設(shè)了氣象站，將一些氣象設(shè)備集成在一起，部署在城市的中心或者郊區(qū)，對城市的氣象信息進(jìn)行監(jiān)控，傳統(tǒng)氣象站一般都很大，不易移動，而且還需要人員定期讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行維護(hù)。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，氣象站已經(jīng)變得不那么神秘了，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動氣象站，體積小巧，不需要人員照看，能夠完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣象站。在線數(shù)字氣象站這種小型在線數(shù)字氣象站，借助各類傳感器，能夠?qū)︼L(fēng)速、風(fēng)向、雨量、空氣濕度、空氣溫度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、蒸發(fā)量、大氣壓力等氣象要素進(jìn)行全天候的現(xiàn)場監(jiān)測，還能通過無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，方便統(tǒng)計(jì)分析和管理，一般使用太陽能電池板供電，可以長期駐留在野外?，F(xiàn)在基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化氣象站的建設(shè)成本很低，而且有很多成熟方案，只需要將一些傳感器模塊、控制模塊、通信模塊和供能模塊連接起來，并部署到環(huán)境中，就可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的自動監(jiān)測，通過通信模塊，可以實(shí)時上傳環(huán)境氣象信息。情境引入我們將以“在線數(shù)字氣象站”為主題，開展觀摩、學(xué)習(xí)和討論。請同學(xué)們以小組為單位，積極參與，真正動手搭建一個在線數(shù)字氣象站。情境引入任務(wù)一——了解氣象與氣象站活動設(shè)計(jì)在查閱資料的過程中學(xué)習(xí)各類氣象符號并了解氣象指數(shù)，并通過收集氣象站的相關(guān)資料，了解氣象站的工作原理、常見類型、組成原件及其搭建方案。任務(wù)一——了解氣象與氣象站活動實(shí)施

1.理解氣象與氣象指數(shù)氣象指的是風(fēng)、云、雨、雪、霜、露、閃電、打雷等一切大氣物理現(xiàn)象，是影響人類活動的瞬時天氣狀態(tài)。在教師指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)各類氣象符號，了解各類氣象指數(shù)，并嘗試著完成以下操作。（1）查閱各類氣象指數(shù)；（2）分析氣象指數(shù)的獲取需要哪些傳感器。任務(wù)一——了解氣象與氣象站

2.分析與設(shè)計(jì)氣象站請同學(xué)們利用線下的圖書館、報(bào)刊以及線上的網(wǎng)絡(luò)資源，查閱氣象站相關(guān)資料，完成以下內(nèi)容。（1）氣象站的發(fā)展歷史和主要用途？檢索氣象站發(fā)展歷史的相關(guān)資料，了解當(dāng)代氣象站的發(fā)展趨勢，掌握氣象站的原理。查閱氣象站的相關(guān)資料，了解當(dāng)代氣象站的分類和主要用途，分析氣象站的組成，并設(shè)計(jì)一個可行的實(shí)現(xiàn)方案。活動實(shí)施任務(wù)一——了解氣象與氣象站（2）在收集數(shù)據(jù)過程中，你遇到哪些難題，是怎么解決的？交流討論：與同學(xué)交流討論你的發(fā)現(xiàn)，相互補(bǔ)充完善?；顒訉?shí)施任務(wù)一——了解氣象與氣象站活動實(shí)施（3）在設(shè)計(jì)方案的過程中，你有什么獨(dú)到的設(shè)計(jì)？有哪些使用場景？如果要實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)，你需要哪些配件？請大家獨(dú)立思考，并在一起討論這些設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。我的設(shè)計(jì)我的理由其他同學(xué)有哪些好的設(shè)計(jì)借鑒他/她的設(shè)計(jì)方案的理由任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)觀摩老師組裝在線數(shù)字氣象站的過程，協(xié)助老師完成氣象站的調(diào)試。在老師的指導(dǎo)下完成無線傳感器部署案例、極端天氣預(yù)警案例、不同采樣頻率下能源使用情況分析案例等任務(wù)。以小組合作的方式，談?wù)勛约簠⑴c活動的心得體會，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。活動設(shè)計(jì)任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)1.無線傳感器部署讓我們用RFID標(biāo)簽和讀寫器制作無線傳感器RFID標(biāo)簽，內(nèi)容見下頁表格，可以參照以下三個步驟進(jìn)行。第一步，將RFID標(biāo)簽粘貼到無線傳感器上，用讀寫器讀取RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。第二步，將該傳感器的信息寫入RFID標(biāo)簽，包含型號、類型、位置、部署時間、部署人等。第三步，保存寫入的信息，并使用讀寫器讀取RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，查看是否寫入成功。活動實(shí)施任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)類型記錄與分析型號位置高度經(jīng)度維度部署時間部署人RFID標(biāo)簽項(xiàng)活動實(shí)施任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)另外，讓我們設(shè)計(jì)一個簡易的無線傳感器追溯系統(tǒng)，可以參照以下三個步驟進(jìn)行操作。第一步，準(zhǔn)備RFID標(biāo)簽、一個無線傳感器、一個RFID標(biāo)簽讀寫器。第二步，將RFID標(biāo)簽貼在無線傳感器上，模擬無線傳感器的部署過程，利用RFID標(biāo)簽讀寫器，分別寫入多次部署信息，包括部署時間、部署地點(diǎn)和部署人。第三步，利用RFID標(biāo)簽讀寫器讀取這些信息，模擬追溯過程?；顒訉?shí)施分享交流：同學(xué)們，可以針對無線傳感器的部署和追溯問題展開討論，部署的地點(diǎn)是否會影響氣象監(jiān)測的結(jié)果？部署地點(diǎn)選擇什么位置比較合適？為什么？如果要設(shè)計(jì)一個可實(shí)際應(yīng)用的追溯系統(tǒng)，應(yīng)考慮哪些問題？大家可以暢所欲言，并進(jìn)行分享交流。任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)2.極端天氣預(yù)警案例分析與展示請同學(xué)們以小組為單位，在老師的帶領(lǐng)下，分析極端天氣預(yù)警案例，結(jié)合之前學(xué)過的自動滅火、自動報(bào)警、自動澆花案例，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個極端天氣預(yù)警系統(tǒng)，并演示預(yù)警過程。（1）極端天氣。極端天氣是指天氣（氣候）的狀態(tài)嚴(yán)重偏離其平均態(tài)，在統(tǒng)計(jì)意義上屬于不易發(fā)生的事件。這里我們選定的極端天氣是極端低溫，極端低溫對人類活動影響非常大，有時甚至?xí)斐扇藛T死亡。活動實(shí)施任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)同時，極端低溫對氣象站本身也有影響，無線傳感器可能會失靈，而采用電池的供能模塊的性能也會下降。測量極端低溫可以采用溫度傳感器，但要注意極端低溫是否在溫度傳感器的工作溫度量程內(nèi)，如果不在，應(yīng)更換合適的溫度傳感器。極端低溫天氣傳感器活動實(shí)施任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)（2）極端低溫判定。準(zhǔn)備極端天氣預(yù)警系統(tǒng)所需的配件和工具，分析極端天氣判定的基本原理。請同學(xué)們了解極端低溫的判定原理，觀察極端天氣系統(tǒng)配件和總體結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)搭建極端天氣預(yù)警系統(tǒng)的過程，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告?；顒訉?shí)施任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)極端低溫判定原理與我們之前學(xué)過的火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)類似，但也略有不同。由于我國幅員遼闊，溫差較大，對于極端低溫的判定條件，也不可能統(tǒng)一，以北京市為例，北京市氣象局發(fā)布的極端低溫黃色警報(bào)判定條件為“預(yù)計(jì)連續(xù)三天及以上日最低氣溫低于-12℃”，而我們一般測得的是實(shí)時數(shù)據(jù)，因此要實(shí)現(xiàn)極端低溫預(yù)警，就要使用一段時間內(nèi)溫度連續(xù)變化數(shù)據(jù)，這里建議根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，可采用在一定的時間內(nèi)溫度下降達(dá)到了某個閾值，如在3個小時內(nèi)，溫度持續(xù)下降了5℃，即可判定為將要發(fā)生極端低溫。同學(xué)們可以此為判定條件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)極端低溫的判定程序?；顒訉?shí)施任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)（3）極端低溫預(yù)警。請同學(xué)們在老師的協(xié)助下，連接通信模塊，并測試其連通性。預(yù)警工作分為兩部分，一是在達(dá)到極端低溫的判定條件后，啟動通信模塊，給指定用戶發(fā)送短信；二是設(shè)計(jì)短信內(nèi)容，如“在過去的3小時內(nèi)，溫度持續(xù)下降，已超過5℃，預(yù)計(jì)將會發(fā)生極端低溫天氣，在未來的3小時，溫度可能會繼續(xù)下降5℃，請注意防護(hù)?！保?）修改完善。如果有條件，請同學(xué)們在老師的安排和指導(dǎo)下，完成所有的分析，并通過展示案例，進(jìn)行各組之間的評比，發(fā)現(xiàn)并記錄其中的問題，然后進(jìn)行相應(yīng)的修改，記錄在表中?；顒訉?shí)施任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)在分享展示過程中發(fā)現(xiàn)了什么問題？需要怎樣修改？項(xiàng)目記錄表活動實(shí)施任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)3.不同采樣頻率下能源自持時間分析在老師的幫助，將無線傳感器的采樣頻率調(diào)高或者調(diào)低，以觀察能源消耗情況，如果采用的是電池或者太陽能供電方式，請記錄能源的自持時間，并分析采樣頻率與能源使用情況之間的關(guān)系，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告?；顒訉?shí)施任務(wù)二——?dú)庀笳敬罱ㄓ^摩與體驗(yàn)如果具備相應(yīng)支持條件，可在老師指導(dǎo)和協(xié)助下，將上述方案設(shè)計(jì)進(jìn)行具體細(xì)化與實(shí)施，并通過界面展示方式，讓同學(xué)們能夠直觀地觀察氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時變化。通過文檔在班級中進(jìn)行展示分享，根據(jù)大家的意見在下框中記錄優(yōu)化措施與心得體會。展示分享跨學(xué)科主題活動學(xué)習(xí)評價(jià)①根據(jù)自己的情況填寫下表評價(jià)維度評價(jià)內(nèi)容評價(jià)方式自評互評師評過程評價(jià)在體驗(yàn)過程中，認(rèn)識氣象傳感器及其使用技巧在實(shí)際操作中培養(yǎng)使用傳感器的能力，積累