资源简介

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八年级信息技术义务教育版教学设计
课题 远程控制更便捷 单元 第三单元 学科 信息技术 年级 八年级
学习目标 1.理解物联系统中控制实现的过程，明确反馈与控制的关系，能准确区分人工控制和自动控制，并能列举生活中的实例。2.熟练掌握远程控制开锁功能的工作流程，包括用户端指令发布、MQTT服务器数据传输、门锁端指令接收与执行的全过程，清晰阐述各环节的作用和数据交互方式。3.深入理解远程控制开锁功能的模块组成（输入、计算、输出模块），精准掌握各模块的硬件构成和功能实现细节，能够独立完成各模块的硬件连接、程序编写和调试工作，确保远程控制开锁功能的稳定运行。4.熟练运用MQTT协议进行数据通信，包括搭建本地MQTT服务器、合理设置主题、准确实现发布与订阅功能，以及在用户端和门锁端编写高效的程序代码实现数据交互和控制动作，具备解决实际应用中常见问题的能力。
重点 1.物联系统中控制实现的过程及反馈与控制的关系，使学生深刻理解控制在物联系统中的核心地位和作用机制，这是掌握物联网系统控制原理的关键所在。2.远程控制开锁功能的模拟实现，包括系统架构设计、功能模块划分、利用MQTT协议实现远程数据交互和控制动作的编程实现，以及硬件连接和调试，确保学生能够成功构建远程控制开锁系统，体验物联系统的实际控制功能，掌握物联系统开发的基本技能。3.远程控制开锁功能中各模块的功能和实现方式，让学生清晰把握系统的整体架构和工作原理，为进一步学习和设计更复杂的物联控制系统奠定坚实基础。
难点 1.深入理解控制原理中基于反馈数据的精确调整机制，特别是如何根据不同的反馈信息实现对设备或系统工作状态的精准控制，涉及到复杂的逻辑判断、算法设计和系统优化，学生理解和掌握起来具有一定难度。2.在实践操作中，正确搭建和优化本地MQTT服务器，确保其稳定、高效运行，并实现用户端和门锁端之间准确、快速的数据传输和控制指令交互，需要学生具备扎实的网络知识、熟练的编程能力和丰富的调试经验，对学生的综合技术能力要求较高。3.全面理解远程控制系统的安全隐患及有效防范措施，需要学生综合考虑网络安全、设备安全、数据安全、用户身份验证等多方面因素，从系统整体角度进行深入分析和设计，对学生的系统思维能力和安全意识提出了较高挑战。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 展示问题情境中远程通知与远程控制开锁的关联，提问学生是否可以实现远程控制开锁以及如何实现，引发学生思考，引出本节课的主题——远程控制开锁功能的实现，激发学生的学习兴趣，让学生明确本节课将深入探究物联网技术在远程控制门锁系统中的应用。 倾听老师引入相关问题 激发学生的学习兴趣，让从问题中进行思考，从而引出本节课的学习内容
讲授新课 一、认识物联系统中的控制1.讲解物联系统中反馈与控制的关系，强调控制是基于反馈数据调整设备或系统工作状态，以火车站验票系统（根据车票信息反馈控制闸机开合）、扫地机器人（根据环境数据反馈规划清扫路线和控制清扫动作）为例，让学生理解控制在物联系统中的重要性和实现方式。2.介绍控制的类型，包括人工控制（如用户通过手机App发送指令控制家电）和自动控制（如智能照明系统根据光线传感器数据自动调节亮度），引导学生思考生活中常见的远程控制案例（如远程控制空调、电视等），组织学生分组讨论这些案例是如何实现控制的（如通过网络连接、特定协议传输指令、设备接收并执行动作），每个小组推选一名代表发言，分享小组讨论结果，教师进行总结和补充，加深学生对控制概念和实现方式的理解，培养学生的观察和分析能力。二、学分析远程控制开锁功能1.提出远程控制开锁的功能需求，组织学生分组讨论：属于人工控制还是自动控制？引导学生分析远程控制开锁是由用户主动操作触发指令发送，属于人工控制范畴，培养学生对控制类型的判断能力。系统是如何工作的？引导学生从系统架构角度思考，包括数据的采集（用户端按键操作采集指令）、传输（通过网络和MQTT服务器）、处理（计算模块判断指令并转发）和执行（门锁端接收指令控制开锁），培养学生的系统思维能力。2.详细描述远程控制开锁的工作过程，结合图示（如用户端、MQTT服务器、门锁端之间的数据流向图）讲解：用户端（输入模块）：按键触发后，主控板采集按键状态数据，并发布开锁指令消息至MQTT服务器相应主题。MQTT服务器（计算模块）：搭建好的服务器接收用户端发布的消息，并根据主题将消息转发给订阅该主题的门锁端。门锁端（输出模块）：订阅MQTT服务器相应主题，当收到开锁指令消息后，控制舵机转动实现开锁动作。3.分析远程控制开锁功能的模块组成，通过表格形式讲解各模块的硬件构成和功能：输入模块：硬件：主控板和按键传感器。功能：按键传感器检测用户按键操作，将状态数据传输给主控板，主控板负责将开锁指令发布至MQTT服务器主题。计算模块：硬件：具备移动热点功能的计算机（用于搭建本地MQTT服务器）。功能：搭建MQTT服务器，设置主题，实现数据的存储、管理和分发，确保用户端和门锁端之间的数据准确传输。输出模块：硬件：主控板和舵机。功能：主控板订阅MQTT服务器主题，接收开锁指令后，控制舵机转动实现开锁，将数字指令转化为物理动作。三、模拟实现远程控制开锁功能1.实践操作环节：分解模块，设计算法：教师引导学生根据功能模块分析，设计远程控制开锁功能的实现算法，包括用户端如何采集按键状态并发布指令、门锁端如何订阅指令并控制开锁，以及MQTT服务器如何协调两者之间的数据交互，让学生明确各部分的任务和逻辑关系，培养学生的系统设计能力。搭建实验环境：连接无线网络：确保实验设备能够正常连接网络，教师指导学生进行网络连接设置，检查网络连接是否成功，避免因网络问题影响后续实验。搭建本地MQTT服务器：教师演示使用具备移动热点功能的计算机搭建本地MQTT服务器的过程，包括安装相关软件、进行配置，强调服务器配置的关键参数和注意事项，让学生了解服务器搭建的基本步骤。学生分组在计算机上搭建本地MQTT服务器，记录服务器的相关信息（地址、端口、用户名和密码），教师巡视各小组，及时帮助学生解决遇到的问题（如软件安装失败、配置错误等），确保每个小组都能成功搭建服务器，培养学生的服务器操作能力。用户端功能实现：教师讲解用户端（输入模块）的硬件连接方法，即按键传感器与主控板的连接（如将按键传感器连接到主控板的特定引脚），展示连接示意图，让学生清晰了解硬件连接方式。教师展示用户端实现数据发布的主要代码，逐行解释代码含义，如初始化按键传感器、检测按键状态、当按键按下时向MQTT服务器主题发布开锁指令（“open”），并设置延迟时间防止重复发送，让学生理解代码如何实现数据采集和发布，培养学生的编程思维。学生根据教师讲解进行硬件连接和程序编写，将编写好的程序烧录到用户端主控板中，教师检查学生硬件连接和程序代码，确保无误后进行下一步操作，培养学生的动手实践能力。门锁端功能实现：教师讲解门锁端的硬件连接和程序编写思路，即订阅MQTT服务器主题，当接收到开锁指令时，通过控制舵机转动实现开锁动作，展示订阅主题和控制舵机的代码示例，让学生理解门锁端如何接收和处理数据。教师提供部分门锁端功能实现的主要代码（如定义开锁函数、绑定MQTT消息接收事件等），引导学生理解代码逻辑，要求学生小组自主完成代码补充和完善（如根据实际硬件连接调整舵机控制引脚等），培养学生的自主学习和编程能力。学生编写门锁端程序，连接主控板和舵机，将程序烧录到主控板中，教师巡视指导，帮助学生解决程序编写和硬件连接中遇到的问题（如订阅失败、舵机控制异常等），确保门锁端能够正确接收指令并开锁，培养学生的编程和调试能力。小组合作，完善代码，运行验证功能：学生分组进行整体功能的调试和完善，确保用户端能够准确采集按键状态数据并发布指令，MQTT服务器正常工作，门锁端能够及时接收到指令并开锁，教师引导学生在调试过程中观察系统各部分的运行状态，分析可能出现的问题（如数据传输延迟、丢失，指令解析错误，开锁动作异常等）并进行排查，培养学生的问题解决能力和团队协作能力。各小组进行功能验证，模拟远程按下按键，观察门锁端舵机是否能正确转动开锁，若出现问题，小组内共同分析原因并解决，教师巡视各小组，对普遍问题进行集中讲解和指导，确保每个小组都能成功实现远程控制开锁功能，让学生体验到物联系统的实际控制效果，增强学生的实践成就感。 深入了解远程控制的相关知识 通过几个学习活动让学习开始掌握本节课的重点及难点
课堂练习 提出问题：“在模拟远程控制开锁功能的过程中，你遇到了哪些困难？如何解决的？你认为远程控制开锁系统在安全性方面存在哪些问题？如何改进？”组织学生分组讨论，鼓励学生分享实践中的经验和问题，如硬件连接不稳定的解决方法、程序逻辑错误的调试经验等，引导学生思考远程控制开锁系统可能存在的安全隐患（如网络攻击导致开锁指令被劫持、用户身份验证漏洞、设备被破解等）以及相应的改进措施（如加密传输数据、增加身份验证方式、定期更新设备固件等），培养学生的问题解决能力和安全意识。每个小组推选一名代表发言，分享小组讨论结果，其他小组可以进行补充和提问，教师进行总结和点评，强调在物联系统设计中安全因素的重要性，鼓励学生在今后的学习和实践中注重系统的安全性设计。 提出相关问题，学生之间进行讨论与思考，进一步扩展所学知识 进一步拓展本节课的学习知识
课堂小结 1.与学生一起回顾本节课的重点内容，包括物联系统中控制的概念（基于反馈调整设备状态）、反馈与控制的关系、远程控制开锁功能的工作过程（用户端 - MQTT服务器 - 门锁端的数据流程）、功能模块组成（输入、计算、输出模块及功能）以及利用物联网服务平台实现远程控制开锁功能的实践操作要点，强调控制原理在物联系统中的核心作用和MQTT协议在远程控制中的应用优势。2.提问学生：“通过本节课的学习，你对远程控制开锁功能的实现有了哪些新的认识？在生活中你还能想到哪些类似的物联网远程控制应用场景？”引导学生总结自己的学习收获，加深对知识的理解和应用能力，同时培养学生对物联网技术在生活中应用的观察力。 引导学生总结自己本节课的学习收获 对本节课的学习进行总结
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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