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第2.1课《智慧校园新手段》教学设计
课题 智慧校园新手段 单元 第一单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：通过智慧校园卡消费流程，识别个人数据（学号、余额）的存储与传输风险，理解数据校验对隐私保护的意义。计算思维：分解消费系统流程（刷卡→验证→扣费），用流程图设计余额判断算法，修复“负数余额”漏洞。数字化学习与创新：利用主控板、RFID设备与mPython搭建物联系统，调试程序实现扣费预警功能。信息社会责任：在设置余额预警值时平衡便捷与安全，分析数据传输出错对用户的影响，增强信息安全意识。
教学重点 掌握智慧校园卡消费系统的物联网技术实现，包括硬件连接、程序编写与数据校验流程。
教学难点 正确配置MQTT参数与数据对应关系，设计余额判断算法避免负数漏洞，调试硬件与软件协同问题。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第2.1课 智慧校园新手段新学期伊始，壮壮转人新的学校，智慧校园让他大开眼界。物联网技术实现了校园内的信息共享和智能管理，无论是图书借阅、上课签到，还是用餐消费，都可以通过校园一卡通轻松完成。想一想：为什么刷卡时读卡器要发出射频信号？射频信号用于激活校园卡内的电子标签，使其传输存储的ID号等身份信息到读卡器，完成身份识别和数据交互。思考：主控板连接计算机的Type-C线有什么作用？Type-C线用于给主控板供电，并将编写的程序代码从计算机传输到主控板，实现硬件控制逻辑。。校园卡充值需验证卡号有效性（如是否存在）和充值金额合法性（如是否为数字且非负数），防止误操作。电子标签内嵌的ID号与系统预存的学号、姓名绑定，刷卡时读卡器通过射频信号读取ID完成匹配。播放视频《物联网嵌入式实战项目之智慧校园一卡通充值驱动》 课程新知导入完成思考题。观看教学视频。 帮助学生理解智慧校园具有的功能。通过问题导入引发学生思考。通过视频吸引学生的注意力。
讲授新课 新知讲解：一、马上行动物联网技术在校园中有哪些应用实例 它们在实际生活中都发挥了哪些作用？上网查阅相关资料，将你的发现填入表 2-1-1中。二、思考智慧校园卡是智慧校园建设中的基础组成部分，它集成身份识别、消费支付、信息管理等多种功能于一体。智慧校园卡实现消费支付功能需经历哪些流程？其中可能需要获取哪些数据？智慧校园卡消费支付的流程是：先绑定个人信息和银行卡，给卡充值后，刷卡时系统自动扣钱并记录消费信息。需要的数据包括学生的姓名、学号、卡里余额，以及消费时间、地点和金额，有时还需要密码验证。三、探究请以小组探究的方式，分析智慧校园卡消费系统的基本功能需求，完成以下任务。1.需求分析及功能实现。在使用智慧校园卡消费的过程中，如何识别使用者身份、记录消费数据和校园卡余额呢？请分析各个环节的功能需求及用到的实验设备、平台，并填写在横线上，完成图 2-1-1。2.算法分析及流程图完善。将图2-1-2中空缺的部分补充完整，并从中选择合适的模块在右边绘制出完整的流程图。四、小贴士RFID 系统的基本组成包括电子标签和读卡器。电子标签是RFID 系统中的真正数据载体，通常嵌入在智慧校园卡中。电子标签包含唯一的识别码（如ID号），用于标识持卡人的身份。读卡器是读取或写入标签信息的设备，属于接收端。当智慧校园卡靠近读卡器时，读卡器会发出射频信号，激活校园卡中的电子标签，并读取或写入标签中的信息。五、做中学模拟实现智慧校园卡消费系统功能。1.硬件清单：主控板 x1、电子标签 x1、RFID 读卡器 x1、4Pin 线 x1、Type-C数据线 x1、带有热点功能的计算机 x1。2.连接设备。用 4Pin 线将主控板和RFID 读卡器连接起来(见图 2-1-3)，并通过Type-C数据线接入计算机。六、小贴士读卡器的接口要与主控板对应的接口相匹配。如图2-1-4所示，读卡器对应的接口是“GND VCC SCL SDA”，所以应该连接主控板对应的“GND VCC SCL SDA”接口。七、做中学3.程序编写。（1）将使用的主控板和计算机通过 Wi-Fi接入互联网，完成网络配置。（2）进入物联网服务平台，添加项目，获取主题名称信息，如图 2-1-5 所示。（3）进入设备管理界面，添加设备，输入设备名称，获取client_id和User/Password信息如图2-1-6所示。（4）打开 mPython 软件，依次选择“扩展”“添加”“网络应用”“MOTT 物联网”，添加网络应用，如图 2-1-7 所示。（5）在mPython软件中，依次选择“扩展”“添加”“传感器”“RFID”，添加传感器如图2-1-8所示。（6）初始化 MQTT 参数，如图 2-1-9 所示。（7）编写获取个人身份信息、消费记录和余额的代码，如图2-1-10所示。（8）编写将智慧校园卡序列号、消费记录和余额显示在OLED屏上的代码，如图2-1-11所示。（9）通过 指令将数据上传至物联网服务平台，完整代码如图2-1-12所示。4.程序测试。运行程序，查看结果，如图2-1-13所示。八、思考观察智慧校园卡消费系统的最终输出效果，你发现了什么？为什么会出现这样的情况？我发现刷卡机显示余额变成负数了！比如小明的卡号是“202305”，买了15元的文具，余额显示“-5元”。这应该是因为刷卡时没检测卡里钱够不够，系统直接扣钱导致的。可能程序里漏了“如果余额不足就禁止消费”的判断条。九、讨论在实际使用智慧校园卡的时候，有可能出现余额不足的情况。我们能否给智慧校园卡消费系统设置一个提示余额不足的功能？请小组讨论预警值设置为多少合适，并完成以下填空。小组讨论认为，预警值设为10元比较合理。比如食堂一顿饭大约10-15元，余额低于10元时提示，既能提醒充值，又不影响单次消费（如果金额刚好够的话）。如果设太高（如50元），可能频繁提醒；太低（如2元）可能来不及充值就欠费了。当 卡内余额 <= 10元 时，执行 提示“余额不足，请及时充值”当 卡内余额 > 10元 时，执行 正常扣除消费金额十、思考在模拟实现智慧校园卡消费系统功能的编程过程中，如果初始化 MQTT 参数和发送至平台服务器的数据没有和前期从设备中获取到的参数信息对应上，会出现什么样的结果？如果编程时MQTT参数和数据没对上，刷卡信息可能“送错地方”或“传错内容”。比如：服务器收不到正确的卡号，导致无法记录是谁刷的卡。消费金额传成乱码，余额可能扣错钱（比如该扣10元，结果扣了100元）。系统会提示“发送失败”或显示一堆错误代码，就像发消息发错人一样，整个功能都用不了啦！简单总结： 参数不对应会让数据“迷路”或“变样”，系统就没法正常工作啦！十二、任务拓展智慧校园卡除了拥有消费功能，还必须具备充值功能，请在本节课的基础上为系统新增充值功能。设计思路：充值方式：手机扫码充值（如家长用微信转账）+ 校内充值机投币核心步骤：输入卡号 → 输入金额 → 验证是否为有效数字（如不能是负数）更新卡内余额 → 发送“充值成功”提示到手机和校园卡系统举个栗子：小明用充值机塞入50元现金，系统自动给卡里加50元，刷卡时就能用了！拓展延伸：硬件功能扩展环境监测集成：为校园卡/读卡器添加温湿度传感器，刷卡时同步显示环境数据（如教室温度过高提醒）。生物识别升级：在现有RFID基础上增加指纹识别模块，实现“刷卡+指纹”双重验证（防冒用）。NFC手机联动：加入NFC模块，允许用手机模拟校园卡功能（如安卓手机触碰刷卡）。低功耗报警模块：为电子标签添加微型蜂鸣器或LED灯，余额不足时自动闪烁/响铃提醒。显示屏扩展：在刷卡机加装OLED屏，实时显示消费详情、余额及充值二维码。 讨论物联网在校园中的应用。思考并画出校园卡的支付流程。小组协作写出校园卡的流程与关键算法。想一想RFID还有那些应用场景。模拟实现智慧校园卡消费系统功能。观察图片，完成思考题。小组讨论完成填空。完成思考题。完成拓展任务。了解校园卡可以扩展什么功能。 帮助学生思考书本知识在生活中的应用。培养学生分析需求的能力。培养学生的协作能力与算法设计能力。培养学生对所学知识的应用能力。培养学生的动手能力。培养学生的观察分析能力。培养学生协作完成任务的能力。巩固课程知识。提高学生的分析设计能力。拓展学生的知识点。
课堂小结 智慧校园新手段1.进行新知引入2.了解工作流程3.设计基本流程4.完成课堂练习5.进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 根据本课内容，设计一个校园网充值系统。学完本节课，和同学们讨如何增加充值功能。完成PPT42-43的练习题。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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