资源简介

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第4.11课《物联网系统的开发流程》教学设计
课题 物联网系统的开发流程 单元 第四单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：主动感知物联网系统开发需求，理解 “需求分析 - 系统设计 - 开发验证 - 应用维护” 全流程价值，关注数据安全与维护需求。计算思维：理解分析物联网系统的开发流程，培养系统化解决问题能力。数字化学习与创新：学习用表格、框图梳理需求、借工具理解代码，提升物联网系统设计与开发实践能力。 信息社会责任：重视用户身份信息加密、权限安全管理，理解物联网系统应用维护中的安全与责任，规范系统开发与使用。
教学重点 物联网系统开发流程及各阶段核心任务。
教学难点 系统设计中三层结构的理解与实际应用。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第4.11课 物联网系统的开发流程1、单元引入第四单元：简易物联网系统设计与实现了解了物联网的基本原理与工作过程之后，同学们是否想要设计一个物联网系统呢？如何根据待解决的实际问题搭建物联网系统的模型？组成物联网系统的设备种类较多，如何进行系统架构设计和技术选型？如何根据实际需求选择合适的硬件设备来搭建物联网系统？设计物联网系统时，需要遵循哪些原则？2、观看视频3、学习目标（1）了解物联网系统设计的一般过程。（2）掌握简易物联网系统设计、搭建的方法。（3）学会使用物联网开发板实现简单的开关控制和数据读取。（4）培养使用信息科技工具解决问题的能力。（5）初步体验自主可控技术在物联网中的应用。（6）组建基于物联网平台的LED灯控制系统，经历完整的物联网项目设计开发过程，提升利用物联网技术解决实际问题的能力。4、单元主题围绕智能家居和智慧校园主题，同学们有的想要远程开关灯具，有的想要监测门窗的开关状态，还有的想让教室能够自动通风……如何设计、搭建这样的物联网系统呢 在本单元的学习中，让我们开启物联网系统的设计、搭建之旅吧！（详细内容见教材p76页）5、问题情境学校教室钥匙管理存在多位老师使用同一或多间教室时取钥不便的难题，同学们想开发智能门禁系统，而物联网系统开发需经历需求分析、系统设计、开发验证、应用维护等关键阶段。 （详细内容见教材p77页） 课程新知导入。学习本单元及本课学习目标。 帮助学生初步理解本课研究内容。帮助学生学习更有目标性。
讲授新课 新知讲解：实践探究物联网系统开发需先做需求分析以明确任务和设计要点，接着确定系统硬件、软件、网络等结构，完成整体方案设计，再在开发验证阶段构建模型与原型并优化，保证系统满足用户需求。 （详细内容见教材p78页）一、需求分析应用场景不同，其功能设计也有所不同：家庭门禁系统：需识别家庭成员、防非法入侵，兼具智能监控、对讲功能。办公楼宇门禁系统：要实现门禁设备管理、人员通行权限管理、进出记录管理及智能考勤。校园门禁系统：需达成门禁设备管理、人员通行权限管理和一卡通服务。（详细内容见教材p78页）试一试同学们决定设计一种用于校园管理的智能门禁系统，请小组讨论，这套系统需要实现哪些功能呢 试着完成表4-1。表4-1校园智能门禁系统功能需求表功能具体说明人员通行权限管理赋予教职工、学生等不同类别人员不同的通行权限，权限不符时进行提示认证管理支持人脸识别和刷卡认证模式进出记录管理自动记录人员进出时间、地点等信息，可查询、导出相关记录二、系统设计明确了设计目标之后，可以从物联网的三层结构（感知层，网络层，应用层）角度明确具体设计方案。查一查根据校园智能门禁系统功能需求表补充表4-2的内容。表4-2 智能门禁系统的结构与功能结构功能感知层人脸识别、刷卡认证、紧急按钮触发网络层连接局域网、数据传输与指令转发应用层新用户注册、权限修改、进出记录查询小知识物联网分层设计的 “优势”各层独立开发、调试，降低复杂度 —— 例如感知层摄像头故障时，只需更换硬件，不影响应用层的权限管理功能；后期升级时，可单独升级网络层为 5G，无需重构整个系统。确定系统的输入和输出方式智能门禁系统是一个多功能系统，我们可以将其划分为若干个子系统进行研究。每个子系统都要接收外界的输入信息，产生输出信息，同时子系统与子系统之间又会产生信息交互。以人脸识别和刷卡认证为例，二者采集的信息会发送至门禁控制系统，系统与数据库比对审核后，向执行机构（电锁）发送控制指令，完成开门动作。（详细内容见教材p79页）确定系统的组成部分及信息流动方向系统内部需统一管理平台（服务器端管理软件）和网络（信息传输通道）：管理平台将采集的信息与数据库比对，生成控制指令，通过网络发送至电锁。 （详细内容见教材p80页）确定系统总体结构根据智能门禁系统的功能需求，进一步设计如图4-4所示的智能门禁系统总体结构。该系统由读卡器、摄像头、按钮、电锁、微控制器以及网络和管理平台组成，可支持人脸识别与刷卡认证两种认证模式。试一试至此，具有“分散部署、统一管理”特点的智能门禁系统初步成形。你还想到哪些智能门禁系统的子系统 它们的结构是怎样的 尝试用框图的形式画出你的设计方案。设计复杂系统时，可先划分为若干子系统分别设计；整体设计要提出多种方案，从灵活性、可扩展性、操作便捷性、开发难易程度等角度优选，若方案不满足需求，还需修改优化。（详细内容见教材p78页）小知识系统灵活性：方案能否灵活适应未来需求的变化、环境的改变等。可扩展性：系统是否具备方便扩展新功能、接入新模块的能力。操作便捷性：用户操作该系统是否简单、高效、易上手。开发难易程度：方案在技术实现、资源投入等方面的开发难度如何。三、开发验证开发验证阶段需依据设计方案：硬件电路设计需兼顾功能、工艺、功耗、寿命、成本。软件代码开发涉及嵌入式微处理器和终端控制程序等代码开发。验证调试和优化需调试验证功能与稳定性，有问题就修改优化，直到符合设计要求。（详细内容见教材p81，82页）在上述智能门禁系统中，微处理器的信息处理、信息传输、系统控制等功能都需要通过程序来实现。程序设计工具示例如图4-5所示。图4-5某编程软件工作界面进行系统测试时，可以在如表4-3所示的系统测试表中记录测试情况，明确存在的问题，便于进行修改、优化。表4-3系统测试表测试项目是否实现设计功能存在的问题刷卡认证是需要提高读卡速度人脸识别是光线较暗时识别准确率待提升门禁远程控制否网络连接不稳定，指令传输延迟异常报警是报警声音较小，易被忽略四、课堂练习假设校园智能门禁系统要新增 “考勤统计功能”，请从需求分析角度，阐述该功能的具体需求（比如考勤时段划分、考勤异常判定、考勤报表生成等）。考勤时段划分日常：工作日上课日分上午（7:30 - 12:00）、下午（13:30 - 17:30）、晚上（18:30 - 21:00）时段，覆盖常规出勤。特殊：周末补课、节假日调课等，管理员可灵活设临时时段。考勤异常判定迟到：时段开始后过门禁。早退：时段结束前过门禁离开。缺勤：时段内未过门禁。异常打卡：1 分钟内多次过门禁，标记待核查。考勤报表生成个人：按周 / 月 / 学期生成，展示考勤类型打卡次数。班级 / 部门：生成整体报表，统计出勤率等，方便管理。全校：分析各年级、专业、部门考勤，辅助教学管理决策。五、拓展延伸物联网系统开发需要从设备、架构、网络、安全性、应用和维护等方面进行全面考虑。应用和维护对象涉及服务器系统、设备、网关。应用方面要监控连接与通信状态。维护方面需排查故障、调整设备和服务。（详细内容见教材p8页）查一查查阅资料，了解进行物联网系统应用与维护时需要考虑的事项，填写表4-4。表4-4物联网系统应用与维护需考虑的事项项目内容需考虑的事项系统管理监控系统运行状态，预判可能出现的故障确认是否有非法连接；检查设备是否离线安全性管理维持系统安全定期更新系统固件；定期更换管理员密码系统维护对系统进行维护，包括系统更新和扩展等定期备份系统数据；检查硬件设备运行状况故障解决调查故障原因，采取措施修复建立故障排查流程；记录故障案例及解决方案远程维护技术物联网系统可通过 OTA（空中下载技术）远程更新设备固件 —— 例如校园门禁的微控制器，无需现场拆机，通过网络即可推送新版本代码，大幅降低维护成本，尤其适合多校区分散部署的系统。物联网系统中的相关应用技术以智能门禁系统为例。敏捷开发：适配门禁需求动态变化的开发模式。LPWAN 技术：降低偏远区域门禁部署成本。区块链：保障多校区门禁权限数据安全。边缘计算：提升门禁高峰时段响应速度。观看视频：操作系统 初步认识系统开发流程。。根据门禁系统来学习相关知识。完成试一试。完成查一查。学习小知识。结合图文内容分析智能门禁系统输入输出流程。。根据图文，分析信息在各组成部分之间的流动方向。根据图片，理解系统是如何通过这些部分协同工作。完成试一试。学习相关知识。学习小知识。学习相关知识。完成课堂联系。进行知识拓展。完成查一查。 认识本课主要研究内容，帮助学生初步了解系统开发。通过对比不同场景门禁功能，让学生理解 “应用场景决定系统功能设计”，加深对需求分析需结合场景的认识。让学生明确需求分析对系统开发的重要性，学会结合场景梳理功能。帮助学生掌握物联网三层结构，提升系统设计与逻辑分析能力。帮助学生清晰、直观地理解物联网分层设计的优势。借助智能门禁系统实例，让学生直观理解 “确定系统的输入和输出方式” 这一概念，将抽象的系统分析知识具象化。使学生能够清晰把握系统各部分的功能以及信息在系统内的传递路径。使学生能够从整体上把握系统的构成与功能实现逻辑。强化对系统模块化设计的理解。让学生明白复杂系统设计的方法策略，培养学生的系统思维和工程设计思维。深度学习该如何可以修改的具体方面。。让学生认识开发验证环节，理解系统优化的必要性。强化学生结合实际场景（校园考勤）梳理功能需求的能力。拓宽学生知识面。通过让学生查阅资料并填写表格，引导学生自主探究物联网系统应用与维护需考虑的事项。
课堂小结 物联网系统的开发流程1.需求分析2系统设计3.开发验证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 围绕 “智能手表系统”，完成需求分析、绘制系统结构框图；分析该系统在应用维护中可能遇到的 2 个安全风险（如 “陌生人冒用他人校园卡”），提出解决措施。 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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