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物联网相关技术教学设计
课题 物联网相关技术（第二课时） 单元 走进物联网 学科 初中信息科技 年级 八年级
教材分析 教材深入介绍了物联网中的定位技术，特别是全球定位系统和北斗卫星导航系统。内容详尽，从系统构成到功能特性，再到应用领域，都做了细致阐述。通过日常生活中的实例，将高科技与实际应用相结合，使读者更易理解。项目实践部分设计巧妙，让学生通过自主研究，比较不同无线通信技术的优劣，并探讨北斗卫星系统的未来应用，既培养了学生的研究能力，也加深了他们对知识的理解和运用。整体而言，教材既具有知识性，又富有实践性，有助于提升学生的学习兴趣和实际操作能力。
学习目标 信息意识：学生能够认识到定位技术在物联网时代的重要性，了解其在日常生活中的应用场景。计算思维：学生能够理解并分析定位技术的基本原理和工作方式，如GPS和北斗卫星导航系统的运作机制。数字化学习与创新：学生能够通过数字化工具（如互联网搜索引擎、专业数据库等）自主查找和学习定位技术的相关知识。信息社会责任：使学生意识到在享受技术带来的便利时，也应关注其可能带来的社会问题，如隐私泄露等，并探讨合理的解决方案。
重点 介绍和理解物联网中的定位技术，特别是GPS和北斗卫星导航系统的工作原理及应用。学生需要掌握这些技术的核心概念和基本功能，了解它们在现代生活中的重要作用。
难点 如何让学生深入理解定位技术的内部机制，以及如何通过项目实践活动，让学生自主比较不同无线通信技术的特点，并探讨北斗卫星系统的未来应用。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 上次课我们学习了物联网相关技术，包括感知识别技术如条码识别、射频识别和传感器技术，这些技术让物品能“开口说话”。此外，还学习了短距离无线通信技术，如Wi-Fi、蓝牙、NFC和ZigBee，它们实现了小范围内的无线通信，使设备协同工作更便捷。这些技术广泛应用于智能家居、移动支付等领域，为人们的生活带来便利。本次课，我们将学习物联网中的定位技术。 回顾上节课学习的主要内容。 通过带领学生回顾上次课学习内容，巩固学习效果，同时引出本次课学习主题。
讲授新课 三、定位技术在未来复杂的异构网络环境下，要实现全面、灵活及可靠的人与物通信、物与物通信，就需对物进行精准的定位、跟踪和操控。定位是指通过声光以及无线电等方式获取目标当前位置的信息。这里的位置信息并不仅仅是单纯的物理空间坐标，还涉及处在该位置的时间等。常见的定位技术有GPS卫星定位技术、北斗卫星导航系统、Wi-Fi定位技术及蓝牙定位技术等。拓展阅读——异构网络异构网络指在不同制造商生产的计算机、网络设备和系统组成的网络中，使用不同的协议，运行不同的应用。思考活动请同学们结合日常生活的经验，交流讨论定位技术在生活中是如何应用的。下面主要介绍卫星定位技术。(一)全球定位系统全球定位系统即GPS,是美国从20世纪70年代开始研制，并于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，给测绘领域带来了一场深刻的技术革命。GPS主要由空间部分、地面监控部分和用户部分组成，如图2-10所示。1.空间部分GPS的空间部分由24颗工作卫星组成，位于距离地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上，轨道倾角为55°。此外，还有4颗有源备用卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好的定位解算精度，提供了在时间上连续的全球导航能力。2.地面监控部分地面监控部分由1个主控站、5个全球监测站和3个地面控制站组成。全球监测站将取得的卫星观测数据经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各全球监测站收集跟踪数据。计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控指令注入卫星。3.用户部分用户部分即GPS接收机，其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。在日常生活中，GPS主要的应用方向有车辆跟踪、出行路线规划和导航服务、信息查询及紧急援助等。(二)北斗卫星导航系统中国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem,简称BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，如图2-11所示，北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。北斗卫星导航系统空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，根据总体规划，在2020年前后覆盖全球。系统的主要功能包括：（1）短报文通信。用户终端具有双向报文通信功能，民用可以一次传送40～60个汉字的短报文信息，军用可以一次传送120个汉字信息，在远洋航行中有重要的应用价值。(2)精密授时。北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20～100纳秒(ns)时间同步精度。(3)定位精准。水平精度为100m,设立标校站之后为20m,工作频率为2491.75MHz。(4)系统容纳的最大用户数：540000户/时。北斗卫星导航系统应用范围广泛，主要应用领域包括气象应用、道路交通管理、海运和水运、航空运输、应急救援等。拓展学习——物联网定位技术的多样化应用智能交通：物联网定位技术在智能交通领域有广泛应用。例如，通过GPS和北斗卫星导航系统，车辆可以实现精确定位和导航，提供实时交通信息，助力驾驶员规划最佳路线，有效缓解交通拥堵。智能物流：在物流领域，物联网定位技术可以实现对货物的精确追踪和管理。通过定位技术，物流公司可以实时掌握货物的位置和状态，提高物流效率和准确性，降低物流成本。智能家居：在智能家居领域，物联网定位技术可以实现家电设备的自动识别和定位。用户可以通过智能手机等终端设备进行远程控制，实现智能化管理，提升居住舒适度和便捷性。公共安全：物联网定位技术还在公共安全领域发挥着重要作用。例如，警方和消防部门可以利用定位技术迅速找到事故或犯罪现场，提高应急响应速度。拓展学习——物联网定位技术的发展趋势高精度定位：随着技术的进步，物联网定位技术的精度不断提高。未来，高精度定位将成为主流，为各种应用提供更加准确的位置信息。室内外一体化定位：目前，许多定位技术主要集中在室外环境。未来，随着技术的发展，室内外一体化定位将成为可能，为用户提供更加连续和无缝的定位体验。多源数据融合：未来的物联网定位技术将更加注重多源数据的融合，如将卫星定位、无线通信网络定位、惯性导航等技术相结合，以提高定位的准确性和稳定性。隐私保护：随着物联网定位技术的广泛应用，用户隐私保护将成为关注的焦点。未来，物联网定位技术将更加注重用户隐私的保护，确保用户信息的安全。项目实践（1）根据本课内容和网上查找的最新资料，对目前几种主要的短距离无线通信技术进行比较，分析在智能家居中采用哪项技术最合适，填写下表。短距离无线通信技术分析比较名称蓝牙NFCWi-FiZigBee传输速度通信距离安全性主要应用功耗(2)请同学们查阅资料，交流探讨未来北斗卫星系统的应用。 学习定位技术的重要作用和概念。了解异构网络的含义。全面学习全球定位系统。学习我国自主研发的北斗卫星导航系统。了解并思考物联网定位技术的多样化应用。了解并思考物联网定位技术的发展趋势。结合本课学习内容，小组合作完成项目实践。 让学生了解定位技术的重要性及应用，特别是在未来复杂异构网络环境下。通过介绍不同定位技术，拓宽学生视野，并启发他们思考定位技术在日常生活中的应用，从而深化对现代科技与生活紧密联系的认识。通过介绍全球定位系统GPS的构成及应用，帮助学生全面了解GPS的工作原理和实用价值，激发学生对现代科技的兴趣。通过介绍中国北斗卫星导航系统的构成、功能及应用领域，帮助学生了解国家自主研制的科技成果，激发学生对国家科技发展的自豪感，同时拓展科技应用领域的知识。通过展示物联网定位技术在多个领域中的实际应用，帮助学生理解定位技术的重要性和实用性，激发学生对物联网技术的兴趣，并拓展其科技视野。让学生了解物联网定位技术的未来趋势，激发学生对技术前沿发展的兴趣，同时强调隐私保护的重要性，培养学生对技术应用的全面认识。通过项目实践，让学生深入研究并比较不同的短距离无线通信技术，同时探讨北斗卫星系统的未来应用，以增强学生的实践能力和对科技发展趋势的理解。
课后练习 请调查你所在城市的一个公共场所（如购物中心、公园等），了解其是否应用了定位技术来提升服务质量或管理效率。如果应用了，请详细描述该技术的具体应用方式及其带来的好处；如果没有应用，请你设想一种可能的定位技术应用场景，并说明其潜在的优势。 结合本课学习内容，独立完成课后练习。 考查学生对定位技术的理解与应用拓展能力。以此培养学生的前瞻性思维与创新能力。
课堂小结 组织学生分小组总结本课学习内容，请每个小组代表说说自己小组总结的结果。教师做最后的补充。参考：本课我们深入学习了物联网中的定位技术，重点探讨了GPS全球定位系统和北斗卫星导航系统。通过了解这些技术的原理和应用，我们认识到定位技术在现代生活中的不可或缺性。通过项目实践，同学们还自主比较了不同的短距离无线通信技术，并探讨了北斗卫星系统的广阔应用前景。希望同学们能将所学知识与实际生活相结合，不断创新思考，为推动物联网技术的发展贡献自己的力量。 在小组讨论基础上，推选代表总结本课学习内容。其他小组做补充总结。 学生自己总结学习内容是一种学习方法，每次课可以梳理出学习了哪些知识、技能方法和思维方式，在头脑中形成本课程的学科结构。
板书 从教师板书上归纳本课学习内容的重点。 通过板书，帮助学生形成本课学习内容思维导图。
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第2课
物联网相关技术
八年级
上
（第二课时）
01
学习目标
内容总览
02
新知导入
03
定位技术
04
定位技术的多样化应用
05
定位技术的发展趋势
06
课后练习
07
课堂小结
08
板书设计
教学目标
意识到在享受技术带来的便利时，也应关注其可能带来的社会问题，如隐私泄露等，并探讨合理的解决方案。
信息社会责任
能够认识到定位技术在物联网时代的重要性，了解其在日常生活中的应用场景。
信息意识
能够理解并分析定位技术的基本原理和工作方式，如GPS和北斗卫星导航系统的运作机制。
计算思维
能够通过数字化工具（如互联网搜索引擎、专业数据库等）自主查找和学习定位技术的相关知识。
数字化学习与创新
新知导入
上次课我们学习了物联网相关技术，包括感知识别技术如条码识别、射频识别和传感器技术，这些技术让物品能“开口说话”。此外，还学习了短距离无线通信技术，如Wi-Fi、蓝牙、NFC和ZigBee，它们实现了小范围内的无线通信，使设备协同工作更便捷。这些技术广泛应用于智能家居、移动支付等领域，为人们的生活带来便利。本次课，我们将学习物联网中的定位技术。
探究新知
一、定位技术
在未来复杂的异构网络环境下，要实现全面、灵活及可靠的人与物通信、物与物通信，就需对物进行精准的定位、跟踪和操控。定位是指通过声光以及无线电等方式获取目标当前位置的信息。这里的位置信息并不仅仅是单纯的物理空间坐标，还涉及处在该位置的时间等。常见的定位技术有GPS卫星定位技术、北斗卫星导航系统、Wi-Fi定位技术及蓝牙定位技术等。
探究新知
一、定位技术
异构网络指在不同制造商生产的计算机、网络设备和系统组成的网络中，使用不同的协议，运行不同的应用。
拓展阅读——异构网络
思考活动
请同学们结合日常生活的经验，交流讨论定位技术在生活中是如何应用的。
思考活动
参考
在日常生活中，定位技术的应用已经无处不在。例如，当我们使用导航软件时，GPS定位帮助我们规划最佳路线，避开拥堵，顺利到达目的地。此外，共享单车和打车软件也利用定位技术，让我们轻松找到附近的车辆，提高出行效率。同时，在社交应用中，我们也可以通过位置共享功能，让朋友轻松找到我们的位置，方便聚会和见面。定位技术还为运动健身应用提供了精准的运动轨迹记录，帮助我们更好地了解自己的运动状态。总之，定位技术已经深入我们生活的方方面面，为我们的生活带来了极大的便利。
探究新知
一、定位技术
全球定位系统即GPS,是美国从20世纪70年代开始研制，并于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，给测绘领域带来了一场深刻的技术革命。
(一)全球定位系统
探究新知
一、定位技术
GPS主要由空间部分、地面监控部分和用户部分组成，如图所示。
(一)全球定位系统
探究新知
一、定位技术
1.空间部分
GPS的空间部分由24颗工作卫星组成，位于距离地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上，轨道倾角为55°。此外，还有4颗有源备用卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好的定位解算精度，提供了在时间上连续的全球导航能力。
(一)全球定位系统
探究新知
一、定位技术
2.地面监控部分
地面监控部分由1个主控站、5个全球监测站和3个地面控制站组成。全球监测站将取得的卫星观测数据经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各全球监测站收集跟踪数据。计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控指令注入卫星。
(一)全球定位系统
探究新知
一、定位技术
3.用户部分
用户部分即GPS接收机，其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。在日常生活中，GPS主要的应用方向有车辆跟踪、出行路线规划和导航服务、信息查询及紧急援助等。
(一)全球定位系统
探究新知
一、定位技术
中国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem,简称BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，如图所示，北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。
(二)北斗卫星导航系统
探究新知
一、定位技术
北斗卫星导航系统空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，根据总体规划，在2020年前后覆盖全球。系统的主要功能包括：
(二)北斗卫星导航系统
（1）短报文通信。用户终端具有双向报文通信功能，民用可以一次传送40～60个汉字的短报文信息，军用可以一次传送120个汉字信息，在远洋航行中有重要的应用价值。
探究新知
一、定位技术
(2)精密授时。北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20～100纳秒(ns)时间同步精度。
(二)北斗卫星导航系统
(3)定位精准。水平精度为100m,设立标校站之后为20m,工作频率为2491.75MHz。
(4)系统容纳的最大用户数：540000户/时。
探究新知
一、定位技术
北斗卫星导航系统应用范围广泛，主要应用领域包括气象应用、道路交通管理、海运和水运、航空运输、应急救援等。
(二)北斗卫星导航系统
探究新知
拓展学习——物联网定位技术的多样化应用
在物流领域，物联网定位技术可以实现对货物的精确追踪和管理。通过定位技术，物流公司可以实时掌握货物的位置和状态，提高物流效率和准确性，降低物流成本。
物联网定位技术在智能交通领域有广泛应用。例如，通过GPS和北斗卫星导航系统，车辆可以实现精确定位和导航，提供实时交通信息，助力驾驶员规划最佳路线，有效缓解交通拥堵。
智能交通
智能物流
探究新知
拓展学习——物联网定位技术的多样化应用
物联网定位技术还在公共安全领域发挥着重要作用。例如，警方和消防部门可以利用定位技术迅速找到事故或犯罪现场，提高应急响应速度。
在智能家居领域，物联网定位技术可以实现家电设备的自动识别和定位。用户可以通过智能手机等终端设备进行远程控制，实现智能化管理，提升居住舒适度和便捷性。
智能家居
公共安全
探究新知
拓展学习——物联网定位技术的发展趋势
随着技术的进步，物联网定位技术的精度不断提高。未来，高精度定位将成为主流，为各种应用提供更加准确的位置信息。
高精度定位
目前，许多定位技术主要集中在室外环境。未来，随着技术的发展，室内外一体化定位将成为可能，为用户提供更加连续和无缝的定位体验。
室内外一体化定位
探究新知
拓展学习——物联网定位技术的发展趋势
未来的物联网定位技术将更加注重多源数据的融合，如将卫星定位、无线通信网络定位、惯性导航等技术相结合，以提高定位的准确性和稳定性。
多源数据融合
随着物联网定位技术的广泛应用，用户隐私保护将成为关注的焦点。未来，物联网定位技术将更加注重用户隐私的保护，确保用户信息的安全。
隐私保护
项目实践
（1）根据本课内容和网上查找的最新资料，对目前几种主要的短距离无线通信技术进行比较，分析在智能家居中采用哪项技术最合适，填写下表。
名称 蓝牙 NFC Wi-Fi ZigBee
传输速度
通信距离
安全性
主要应用
功耗
项目实践
参考
名称 蓝牙 NFC Wi-Fi ZigBee
传输速度 中等 低 高 低
通信距离 中等 短 远 中等
安全性 高 高 中等 高
主要应用 数据传输、音频传输 身份识别、支付 高速数据传输、上网 低速数据传输、传感器网络
功耗 中等 低 高 低
项目实践
(2)请同学们查阅资料，交流探讨未来北斗卫星系统的应用。
项目实践
参考
未来北斗卫星系统的应用将更加广泛和深入。以下是对其几个可能的应用领域的探讨：（1）智能交通，北斗系统可进一步提高车辆定位的精准度，助力智能交通系统的发展，优化交通流量管理，减少拥堵。（2）环境监测，北斗可用于环境监测，如对森林、草原等自然资源进行实时监控，及时发现并应对环境问题。（3）公共安全，在灾害应对和紧急救援中，北斗的短报文通信功能将发挥巨大作用，提高救援效率。
课堂总结
本课我们深入学习了物联网中的定位技术，重点探讨了GPS全球定位系统和北斗卫星导航系统。通过了解这些技术的原理和应用，我们认识到定位技术在现代生活中的不可或缺性。通过项目实践，同学们还自主比较了不同的短距离无线通信技术，并探讨了北斗卫星系统的广阔应用前景。希望同学们能将所学知识与实际生活相结合，不断创新思考，为推动物联网技术的发展贡献自己的力量。
课后作业
请调查你所在城市的一个公共场所（如购物中心、公园等），了解其是否应用了定位技术来提升服务质量或管理效率。如果应用了，请详细描述该技术的具体应用方式及其带来的好处；如果没有应用，请你设想一种可能的定位技术应用场景，并说明其潜在的优势。
板书
29
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