第3課物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建教學(xué)設(shè)計(jì)湘教版（2024）初中信息科技八年級上冊

第3課物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建活動概述本次活動聚焦于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建，學(xué)生將學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建的整體流程，包括物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺、智能終端和編程語言的選擇，以及MQTT服務(wù)器的搭建和客戶端編程。通過實(shí)際操作與學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握搭建簡單物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的方法，提升實(shí)踐動手能力和綜合運(yùn)用知識的能力，增強(qiáng)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的理解。教材分析教材先介紹搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體流程，讓學(xué)生對所需步驟有全面認(rèn)識。接著分別闡述每個(gè)環(huán)節(jié)，如物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺的類型及特點(diǎn)、智能終端的選擇依據(jù)、編程語言的適用性等。詳細(xì)講解以SIoT為例搭建MQTT服務(wù)器的步驟，包括運(yùn)行服務(wù)器程序和訪問Web管理端，以及MQTT客戶端編程中消息的發(fā)送、訂閱和終端設(shè)備協(xié)同工作的原理。教材內(nèi)容從理論到實(shí)踐，逐步引導(dǎo)學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建的關(guān)鍵知識和技能。核心素養(yǎng)目標(biāo)信息意識學(xué)生能認(rèn)識到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建中各要素的重要性，理解不同選擇對系統(tǒng)功能和性能的影響；能夠根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺、智能終端和編程語言，增強(qiáng)對信息的篩選和判斷能力；關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建技術(shù)的發(fā)展，提升對信息技術(shù)應(yīng)用的敏感度和關(guān)注度。計(jì)算思維在學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建過程中，培養(yǎng)邏輯思維和問題解決能力；理解系統(tǒng)搭建各環(huán)節(jié)的邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)流向，提升抽象思維和系統(tǒng)思維能力，學(xué)會運(yùn)用計(jì)算思維優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建方案。數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新借助教材、網(wǎng)絡(luò)資源和實(shí)踐操作，自主學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建知識，掌握利用數(shù)字化工具獲取和處理信息的方法；在實(shí)踐中嘗試創(chuàng)新系統(tǒng)搭建方式，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。信息社會責(zé)任了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建技術(shù)背后的科研成果和應(yīng)用意義，培養(yǎng)對科學(xué)探索和創(chuàng)新的尊重；認(rèn)識到合理搭建和使用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對社會和個(gè)人的影響，增強(qiáng)信息社會責(zé)任感，樹立正確的信息價(jià)值觀。教學(xué)重、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建的流程和各環(huán)節(jié)要點(diǎn)；MQTT服務(wù)器的搭建步驟；MQTT客戶端編程中消息發(fā)送、訂閱及終端設(shè)備協(xié)同工作的實(shí)現(xiàn)。教學(xué)難點(diǎn)理解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)各部分之間的協(xié)同工作原理；掌握MQTT客戶端編程中回調(diào)函數(shù)的使用和消息處理邏輯。教學(xué)方法講授法、實(shí)踐操作法、小組合作法教學(xué)用具多媒體課件、安裝有SIoT程序的計(jì)算機(jī)、開源硬件（如ESP32開發(fā)板）、相關(guān)連接線、編程軟件課時(shí)安排一課時(shí)教學(xué)過程（第一課時(shí)）教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)活動二次備課課程導(dǎo)入師：展示一些已經(jīng)搭建好的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景圖片或視頻，如智能溫室大棚、智能家居控制系統(tǒng)等，提問學(xué)生：“這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是如何搭建起來的呢？”生：思考。師：引出本節(jié)課關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建的主題。選擇的圖片或視頻要具有代表性，涵蓋多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，吸引學(xué)生的注意力。若學(xué)生難以回答，可進(jìn)一步提示與網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備和程序相關(guān)。知識講授物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建流程師：講解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建需要經(jīng)歷的三個(gè)階段：物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺選擇、智能終端選擇、編程語言選擇。師：物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺的選擇：介紹物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺的作用，即提供設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲等服務(wù)。講解常見的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺類型，如OneNET、阿里云等網(wǎng)絡(luò)平臺，以及本地自建服務(wù)器，重點(diǎn)介紹SIoT開源MQTT服務(wù)器的特點(diǎn)（如擁有數(shù)據(jù)接收、存儲和導(dǎo)出等功能，支持多種操作系統(tǒng)，無須部署、一鍵運(yùn)行，適用于教學(xué)）和使用方法（存放消息的“Topic”隨用隨創(chuàng)）。師：智能終端的選擇：說明選擇智能終端要考慮的因素，如簡單數(shù)據(jù)采集和復(fù)雜功能實(shí)現(xiàn)對智能終端的不同要求，介紹部分開源硬件的聯(lián)網(wǎng)功能特點(diǎn)，如ESP32、ESP8266自帶WiFi功能，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。師：編程語言的選擇：講解一般選擇Python語言進(jìn)行編程的原因（功能強(qiáng)大且主流），以及對于基于C語言的智能終端，如何借助pinpong庫在計(jì)算機(jī)端運(yùn)行Python代碼實(shí)現(xiàn)感知和控制。生：明確物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建流程。MQTT服務(wù)器搭建師：以Windows操作系統(tǒng)為例，講解搭建SIoT服務(wù)器的步驟。師：運(yùn)行服務(wù)器程序：演示與當(dāng)前操作系統(tǒng)匹配的SIoT程序，雙擊運(yùn)行執(zhí)行文件，彈出命令提示符窗口，強(qiáng)調(diào)不要關(guān)閉該窗口，否則服務(wù)器進(jìn)程會關(guān)閉。師：訪問Web管理端：講解SIoT提供的Web管理功能，在瀏覽器中輸入://本機(jī)IP:8080（若在本機(jī)訪問，也可使用\t"s://doubao/chat/_blank"://localhost:8080或\t"s://doubao/chat/_blank"://127.0.0.1:8080）即可訪問服務(wù)器的網(wǎng)頁管理端，展示網(wǎng)頁管理端的界面和功能。生：學(xué)習(xí)如何設(shè)置MQTT服務(wù)器。MQTT客戶端編程師：介紹MQTT官方團(tuán)隊(duì)提供多種編程語言的客戶端范例，對于Python語言，常用的庫是采用MQTT協(xié)議的siot，講解其特點(diǎn)（同時(shí)支持Python和MicroPython，代碼簡潔且容易理解，通過pipinstallsiot命令即可完成安裝）。師：MQTT消息的發(fā)送：講解發(fā)送MQTT消息的步驟，首先連接MQTT服務(wù)器（展示連接參數(shù)的關(guān)鍵代碼，強(qiáng)調(diào)替換本機(jī)IP地址和自行命名TopicID），然后使用publish發(fā)送消息，通過代碼示例演示每隔1秒向服務(wù)器發(fā)送一次消息的實(shí)現(xiàn)方法。師：MQTT消息的訂閱：講解siot采用回調(diào)函數(shù)處理消息訂閱過程，展示訂閱消息的代碼示例，解釋回調(diào)函數(shù)中參數(shù)的含義（msg.topic為消息的主題，msg.payload是收到的消息內(nèi)容），說明常見的做法是將收到的消息內(nèi)容放在全局變量中以便后續(xù)處理。師：物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的協(xié)同工作：講解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中終端設(shè)備協(xié)同工作依靠基于消息主題和內(nèi)容的“協(xié)議”，以物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)為例，說明智能終端如何根據(jù)接收到的消息值執(zhí)行相應(yīng)動作，強(qiáng)調(diào)消息主題和內(nèi)容約定規(guī)則的重要性。生：學(xué)習(xí)如何對MQTT客戶端進(jìn)行編程。在講解過程中，結(jié)合實(shí)際操作演示，讓學(xué)生更直觀地理解每個(gè)步驟和代碼的作用。對于抽象概念，如回調(diào)函數(shù)，通過比喻等方式幫助學(xué)生理解。準(zhǔn)備一些常見問題的解答手冊，方便學(xué)生在實(shí)踐中遇到問題時(shí)查閱。實(shí)踐操作探索活動生：以小組為單位，使用一臺計(jì)算機(jī)作為MQTT服務(wù)器，采用一款開源硬件作為智能終端，嘗試搭建一個(gè)簡單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如LED的遠(yuǎn)程控制。師：巡視各小組，觀察學(xué)生操作情況，適時(shí)給予引導(dǎo)和幫助，解答疑問，如服務(wù)器連接問題、代碼編寫錯(cuò)誤等。拓展活動生：選擇一種物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺（若選擇本地自建服務(wù)器，需測試確保其正常使用），結(jié)合之前學(xué)習(xí)的物聯(lián)網(wǎng)知識，根據(jù)擬定的項(xiàng)目方案，搭建一個(gè)簡單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并填寫項(xiàng)目實(shí)施記錄表。師：引導(dǎo)學(xué)生思考如何優(yōu)化自己的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，提高系統(tǒng)性能和功能。在學(xué)生實(shí)踐操作前，確保相關(guān)設(shè)備和軟件正常運(yùn)行，為學(xué)生提供詳細(xì)的操作指南和代碼模板。對于學(xué)生在實(shí)踐中遇到的問題，及時(shí)給予技術(shù)支持和指導(dǎo)，鼓勵小組內(nèi)成員共同解決問題。課堂練習(xí)1.下列關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺的說法正確的是（）A.只能選擇網(wǎng)絡(luò)上已搭建好的平臺B.SIoT不支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出C.本地自建服務(wù)器無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理功能D.物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺可提供數(shù)據(jù)存儲服務(wù)

2.以下哪種開源硬件自帶WiFi功能，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳（）A.ArduinoB.ESP32C.掌控板D.行空板

3.在MQTT客戶端編程中，用于處理消息訂閱過程的是（）A.publish函數(shù)B.connect函數(shù)C.回調(diào)函數(shù)D.init函數(shù)對于基礎(chǔ)較弱的學(xué)生，在練習(xí)前可針對重點(diǎn)知識點(diǎn)進(jìn)行簡單回顧和提示。練習(xí)過程中，關(guān)注學(xué)生的答題情況，對出現(xiàn)錯(cuò)誤較多的題目，及時(shí)進(jìn)行講解和強(qiáng)化訓(xùn)練。課堂小結(jié)引導(dǎo)學(xué)生回顧本節(jié)課重點(diǎn)內(nèi)容，包括物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建的流程、MQTT服務(wù)器搭建步驟和MQTT客戶端編程要點(diǎn)。邀請學(xué)生分享在學(xué)習(xí)過程中的收獲和疑問，教師進(jìn)行總結(jié)和解答。布置課后作業(yè)：讓學(xué)生課后完善自己搭建的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，思考如何進(jìn)一步拓展其功能。可讓學(xué)生自主發(fā)言總結(jié)，教師進(jìn)行補(bǔ)充和完善；對學(xué)生疑問進(jìn)行分類解答，突出重點(diǎn)問題。對課后作業(yè)進(jìn)行詳細(xì)說明，確保學(xué)生清楚任務(wù)要求。板書設(shè)計(jì)第3課物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建一、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建流程1.服務(wù)平臺選擇2.智能終端選擇3.編程語言選擇二、MQTT服務(wù)器搭建1.運(yùn)行服務(wù)器程序2.訪問Web管理端三、MQTT客戶端編程1.消息發(fā)送2.消息訂閱3.終端設(shè)備協(xié)同工作教學(xué)