第3课物联网系统的搭建教学设计湘教版（2024）初中信息科技八年级上册

第3课物联网系统的搭建活动概述本次活动聚焦于物联网系统的搭建，学生将学习物联网系统搭建的整体流程，包括物联网服务平台、智能终端和编程语言的选择，以及MQTT服务器的搭建和客户端编程。通过实际操作与学习，学生能够掌握搭建简单物联网应用系统的方法，提升实践动手能力和综合运用知识的能力，增强对物联网技术实际应用的理解。教材分析教材先介绍搭建物联网系统的整体流程，让学生对所需步骤有全面认识。接着分别阐述每个环节，如物联网服务平台的类型及特点、智能终端的选择依据、编程语言的适用性等。详细讲解以SIoT为例搭建MQTT服务器的步骤，包括运行服务器程序和访问Web管理端，以及MQTT客户端编程中消息的发送、订阅和终端设备协同工作的原理。教材内容从理论到实践，逐步引导学生掌握物联网系统搭建的关键知识和技能。核心素养目标信息意识学生能认识到物联网系统搭建中各要素的重要性，理解不同选择对系统功能和性能的影响；能够根据实际需求选择合适的物联网服务平台、智能终端和编程语言，增强对信息的筛选和判断能力；关注物联网系统搭建技术的发展，提升对信息技术应用的敏感度和关注度。计算思维在学习物联网系统搭建过程中，培养逻辑思维和问题解决能力；理解系统搭建各环节的逻辑关系和数据流向，提升抽象思维和系统思维能力，学会运用计算思维优化物联网系统搭建方案。数字化学习与创新借助教材、网络资源和实践操作，自主学习物联网系统搭建知识，掌握利用数字化工具获取和处理信息的方法；在实践中尝试创新系统搭建方式，培养创新思维和实践能力。信息社会责任了解物联网系统搭建技术背后的科研成果和应用意义，培养对科学探索和创新的尊重；认识到合理搭建和使用物联网系统对社会和个人的影响，增强信息社会责任感，树立正确的信息价值观。教学重、难点教学重点物联网系统搭建的流程和各环节要点；MQTT服务器的搭建步骤；MQTT客户端编程中消息发送、订阅及终端设备协同工作的实现。教学难点理解物联网系统各部分之间的协同工作原理；掌握MQTT客户端编程中回调函数的使用和消息处理逻辑。教学方法讲授法、实践操作法、小组合作法教学用具多媒体课件、安装有SIoT程序的计算机、开源硬件（如ESP32开发板）、相关连接线、编程软件课时安排一课时教学过程（第一课时）教学环节教学活动二次备课课程导入师：展示一些已经搭建好的物联网应用场景图片或视频，如智能温室大棚、智能家居控制系统等，提问学生：“这些物联网应用是如何搭建起来的呢？”生：思考。师：引出本节课关于物联网系统搭建的主题。选择的图片或视频要具有代表性，涵盖多种物联网应用场景，吸引学生的注意力。若学生难以回答，可进一步提示与网络、设备和程序相关。知识讲授物联网系统搭建流程师：讲解物联网系统搭建需要经历的三个阶段：物联网服务平台选择、智能终端选择、编程语言选择。师：物联网服务平台的选择：介绍物联网服务平台的作用，即提供设备管理、数据存储等服务。讲解常见的物联网服务平台类型，如OneNET、阿里云等网络平台，以及本地自建服务器，重点介绍SIoT开源MQTT服务器的特点（如拥有数据接收、存储和导出等功能，支持多种操作系统，无须部署、一键运行，适用于教学）和使用方法（存放消息的“Topic”随用随创）。师：智能终端的选择：说明选择智能终端要考虑的因素，如简单数据采集和复杂功能实现对智能终端的不同要求，介绍部分开源硬件的联网功能特点，如ESP32、ESP8266自带WiFi功能，方便实现数据上传。师：编程语言的选择：讲解一般选择Python语言进行编程的原因（功能强大且主流），以及对于基于C语言的智能终端，如何借助pinpong库在计算机端运行Python代码实现感知和控制。生：明确物联网系统搭建流程。MQTT服务器搭建师：以Windows操作系统为例，讲解搭建SIoT服务器的步骤。师：运行服务器程序：演示与当前操作系统匹配的SIoT程序，双击运行执行文件，弹出命令提示符窗口，强调不要关闭该窗口，否则服务器进程会关闭。师：访问Web管理端：讲解SIoT提供的Web管理功能，在浏览器中输入://本机IP:8080（若在本机访问，也可使用\t"s://doubao/chat/_blank"://localhost:8080或\t"s://doubao/chat/_blank"://127.0.0.1:8080）即可访问服务器的网页管理端，展示网页管理端的界面和功能。生：学习如何设置MQTT服务器。MQTT客户端编程师：介绍MQTT官方团队提供多种编程语言的客户端范例，对于Python语言，常用的库是采用MQTT协议的siot，讲解其特点（同时支持Python和MicroPython，代码简洁且容易理解，通过pipinstallsiot命令即可完成安装）。师：MQTT消息的发送：讲解发送MQTT消息的步骤，首先连接MQTT服务器（展示连接参数的关键代码，强调替换本机IP地址和自行命名TopicID），然后使用publish发送消息，通过代码示例演示每隔1秒向服务器发送一次消息的实现方法。师：MQTT消息的订阅：讲解siot采用回调函数处理消息订阅过程，展示订阅消息的代码示例，解释回调函数中参数的含义（msg.topic为消息的主题，msg.payload是收到的消息内容），说明常见的做法是将收到的消息内容放在全局变量中以便后续处理。师：物联网终端设备的协同工作：讲解物联网系统中终端设备协同工作依靠基于消息主题和内容的“协议”，以物联网灌溉系统为例，说明智能终端如何根据接收到的消息值执行相应动作，强调消息主题和内容约定规则的重要性。生：学习如何对MQTT客户端进行编程。在讲解过程中，结合实际操作演示，让学生更直观地理解每个步骤和代码的作用。对于抽象概念，如回调函数，通过比喻等方式帮助学生理解。准备一些常见问题的解答手册，方便学生在实践中遇到问题时查阅。实践操作探索活动生：以小组为单位，使用一台计算机作为MQTT服务器，采用一款开源硬件作为智能终端，尝试搭建一个简单的物联网应用，如LED的远程控制。师：巡视各小组，观察学生操作情况，适时给予引导和帮助，解答疑问，如服务器连接问题、代码编写错误等。拓展活动生：选择一种物联网服务平台（若选择本地自建服务器，需测试确保其正常使用），结合之前学习的物联网知识，根据拟定的项目方案，搭建一个简单的物联网应用，并填写项目实施记录表。师：引导学生思考如何优化自己的物联网应用，提高系统性能和功能。在学生实践操作前，确保相关设备和软件正常运行，为学生提供详细的操作指南和代码模板。对于学生在实践中遇到的问题，及时给予技术支持和指导，鼓励小组内成员共同解决问题。课堂练习1.下列关于物联网服务平台的说法正确的是（）A.只能选择网络上已搭建好的平台B.SIoT不支持数据导出C.本地自建服务器无法实现设备管理功能D.物联网服务平台可提供数据存储服务

2.以下哪种开源硬件自带WiFi功能，方便实现数据上传（）A.ArduinoB.ESP32C.掌控板D.行空板

3.在MQTT客户端编程中，用于处理消息订阅过程的是（）A.publish函数B.connect函数C.回调函数D.init函数对于基础较弱的学生，在练习前可针对重点知识点进行简单回顾和提示。练习过程中，关注学生的答题情况，对出现错误较多的题目，及时进行讲解和强化训练。课堂小结引导学生回顾本节课重点内容，包括物联网系统搭建的流程、MQTT服务器搭建步骤和MQTT客户端编程要点。邀请学生分享在学习过程中的收获和疑问，教师进行总结和解答。布置课后作业：让学生课后完善自己搭建的物联网应用，思考如何进一步拓展其功能。可让学生自主发言总结，教师进行补充和完善；对学生疑问进行分类解答，突出重点问题。对课后作业进行详细说明，确保学生清楚任务要求。板书设计第3课物联网系统的搭建一、物联网系统搭建流程1.服务平台选择2.智能终端选择3.编程语言选择二、MQTT服务器搭建1.运行服务器程序2.访问Web管理端三、MQTT客户端编程1.消息发送2.消息订阅3.终端设备协同工作教学