温室效应分析模拟器设计

主讲人：李悦琛

李悦琛

拥有多年大数据分析和软件开发经验。专注于创新教学，善用项目式教学引导学生通过亲身实践，深入探索科学原理和技术应用。

学习背景

本案例中，教师将引导学生制作模拟温室效应的装置，让他们更好地了解温室效应，认识到温室效应的严重危害，并呼吁他们从身边的小事做起，做到节能减排、低碳环保，从而保卫我们共同的家园。

教学目标

知识与技能 1.了解单片机和传感器的基本工作原理及其在模拟温室效应中的作用。2.能够掌握使用单片机和传感器进行数据采集、物联网数据传输、数据图表绘制等基本技能。

过程与方法 1.学生通过实践活动，能够提升观察、分析和解决问题的能力。2.学生能够学会利用单片机和传感器进行科学实验设计，掌握科学实验的基本方法和步骤。

情感态度和价值观 学生通过实践活动，认识到科技在环境保护中的重要作用，增强环保意识和责任感。

教学过程

一、温室效应的原理及形成过程

当太阳辐射到达地球表面时，地表吸收太阳辐射能并将其转化为热能，使地表温度升高。然而，地表热量不能无限制地向外散发，因为大气中的温室气体能够吸收和重新辐射热量。水汽、二氧化碳、甲烷和臭氧是主要的温室气体，它们吸收和重新辐射热量的方式有所不同。当这些温室气体吸收热量时，会阻止热量向外层空间散发，从而导致地表温度升高，形成了一种类似于密闭温室的效应，使得地表平均气温显著高于没有温室效应时的温度。

二、实验设计

学生根据温室效应原理及形成过程，对模拟装置的实验设计展开讨论。通过讨论设定实验要点：模拟太阳、模拟室外环境、模拟二氧化碳浓度较高的室内环境、同步监测室内外的温度变化。基于实验要点，学生对单片机开发板进行筛选，选择满足实验要求的开发板及传感器。

师生经过讨论，决定本次实验由两块具有物联网功能的掌控板作为开发板，分别连接两个高精度温度传感器，其中一个传感器暴露在空气中模拟室外效果，另一个放置在充满二氧化碳的塑料罩内，模拟室内效果。同时分别在“室内”和“室外”环境中放置相同大小的两个冰球，观测两个冰球融化的速度。掌控板监测到的数据通过物联网实时传输到电脑端，学生通过图形化编程工具的画笔功能，绘制出随时间变化的温度折线图，从而可以直观地看到室内外温度变化的差异，达到实验目的。学生绘制实验设计草图，并进行探讨和优化。（如图1）

三、活动实施

整个实验由两部分组成：温度采集端、电脑数据绘制端。教师根据实验需求，对学生进行分组分工，让他们分别完成掌控板A端（模拟室内效果）、掌控板B端（模拟室外效果）和电脑绘图C端的编程调试。

1.启动和设置SIoT物联网环境

安装和启动SIoT物联网客户端，启动成功后在物联网平台设置主题。学生在掌控板A端和B端以及电脑绘图C端分别对应连接SIoT物联网主题，完成整套实验装置的物联网设置。主要步骤如下。

STEP 1：启动SIoT，构建局域网内的物联网平台服务。

STEP 2：使用浏览器打开物联网平台地址，对设备进行配置。物联网平台地址就是本机IP地址，端口号为8080。账号和密码如图2所示。

STEP 3：掌控板A端和掌控板B端配置物联网参数。在MQTT的初始化参数部分，物联网平台选择SIoT，并且输入刚刚在浏览器中打开的服务器地址（不写端口号）、账号、密码。Topic_0可以自定义，主要格式为：项目名/设备名。（如图2所示，temp1就是项目名，A就是A端掌控板的设备名）

两个掌控板依次设置好后，学生连接设备并进行测试。如果在浏览器的物联网端能够显示出项目及设备，说明连接成功。

STEP 4：电脑绘图C端配置物联网。C端的代码采用实时模式，即绘制折线图时需要用到舞台和角色。点击扩展，先扩展网络服务中的MQTT模块。扩展之后，为C端设置MQTT的初始化参数，如图3所示。

2.编写代码

（1）掌控板A端（模拟室内效果）

掌控板A端连接“室内”的气压温度传感器，实时读取“室内”的温度，数据显示在掌控板的屏幕上，并每隔一秒将数据同步发送到物联网端。如果温度超高，就会发出报警音，掌控板的RGB灯会显示为红色，温度下降后，报警音停止，RGB灯关闭。

（2）掌控板B端（模拟室外效果）

掌控板B端连接“室外”的气压温度传感器，实时读取“室外”的温度，数据显示在掌控板的屏幕上，并每隔一秒将数据同步发送到物联网端。代码和A端相同，最后的MQTT发送消息至Topic_1。

（3）电脑绘图C端

电脑绘图C端需要通过画笔工具将实时温度变化以折线图的形式展示在舞台上。因此我们需要设计舞台背景为折线图坐标系，并分别为代表室内温度和室外温度的角色进行编程，利用画笔绘制折线图。主要步骤如下。

STEP 1：绘制背景。动手绘制一个坐标系，横坐标为时间轴，纵坐标为温度轴，温度最大值为50，最小值为10。

STEP 2：编写背景代码，如图4所示。

STEP 3：室内外温度折线图绘制。选取两个角色，分别命名为“室内”和“室外”，并将两个角色的大小尽可能调整到最小，成功调试代码后，可以把角色隐藏。扩展图形化的画笔功能，并为“室内”角色设置画笔颜色为红色，为“室外”角色设置画笔颜色为蓝色。根据实时接收到的物联网数据，分别将“室内”和“室外”温度值映射在坐标系上，通过画笔绘制出温度变化的折线图。

3.外观设计

教师引导学生采用废旧物品将温室效应分析模拟器装置整体外观进行设计和改良。

STEP 1：固定底座。学生们将扩展板和台灯底座固定在纸盒内，作为整个作品的底座。盒盖挖孔，方便掌控板和传感器的安装。

STEP 2：固定模拟温室装置。把矿泉水桶截取中段，用热熔胶固定在美化后的盒子外侧，并把掌控板和传感器分别固定好，用保鲜膜覆盖好矿泉水桶，使它成为密封状态。

4.加入二氧化碳，进行联调

明矾和小苏打等比例混合后，加入少量水，二者发生化学反应，会释放出二氧化碳，使用一根细管将二氧化碳导入室内模拟器的水杯中，就可以观测到二氧化碳的产生情况。（整体装置如图5所示）

通过测试联调，可以清晰观测到起初“室内”和“室外”的温度是相等的。开灯加温后，代表室内温度的折线图上升速度很快，而代表室外温度的折线图上升速度较为平缓。关闭加热灯后，代表室内温度的折线图依然保持较高温度，且下降速度較慢，而代表室外温度的折线图下降速度较快。

四、教学总结

在实验中，我们将两个相同的气压温度传感器（BMP288）分别连接在两个掌控板上，通过掌控板可以实时看到温度值的变化，并通过物联网将数据传输到电脑上，同步绘制出温度折线图，便于更好地对比观察。我们把其中一个气压温度传感器裸露在空气中，模拟正常情况下的温度变化；另一个用保鲜膜和水桶罩住，并在底部打上热熔胶密封，里面放置了二氧化碳发生装置，模拟温室效应情况下的温度变化。在两个传感器的正中间放置了台灯，模拟太阳光照的效果，使实验升温更迅速，变化更明显。

通过实验，我们观察到“室内”通过光照，温度升温很快，关灯之后温度下降缓慢，会很长时间保持较高的温度。我们也曾拿冰块模拟冰川进行实验，“室内”的冰块融化速度会比“室外”的快很多。通过这个实验，学生们认识到保护地球，阻止温室效应，已经是迫在眉睫的任务了。