资源简介

中小学教育资源及组卷应用平台
学习任务单
课程基本信息
学科 信息科技 年级 七年级 学期 春季
课题 第9课 物联网协议
教科书 书 名：信息科技教材 出版社：浙江教育出版社 出版日期：2023年12月
学习目标
1.通过HTTP和MQTT协议的对比学习，了解物联网协议。 2.通过对MQTT协议的消息发布/订阅模型的学习，了解应用MQTT协议实现物联网通信的基本过程。
课前学习任务
1. 分组：两人一组，一人为观察员，打开帮助视频，做好观察记录。 一人为操作员，完成实验操作,为记录提供建议 2. 评价：根据下发的导学单进行预习，说明任务的实时评价要求
课上学习任务
活动1：认识MQTT协议 观看微视频，对比学习MQTT和HTTP协议，了解MQTT的特点。 经过讨论，我们认为 更加适合物联网场景，理由是具有 的特点。 （在下列选项中勾选） 网络稳定性要求高 网络稳定性要求低 高功耗 低功耗 高传输特性 低传输特性 轻量级通信 实时可靠传递
评价：※了解物联网协议。 □★★★ □ ★★ □★
活动2：了解应用MQTT协议实现物联网通信的过程 1.自主阅读教材内容，了解MQTT采用的模型是（ ） ；在通讯过程中MQTT协议中有三种身份，分别是( )、( ) 、( ) 。 2.分析“校园农场”的光照功能，如何实现通过手机app查看光照数据，请尝试将以下MQTT的模型示意图补充完整（填写角色并用箭头画出数据传输方向 ）。 评价：※我知道应用MQTT协议实现物联网通信的过程 □★★★ □ ★★ □★ 活动3：了解MQTT的发布 实验一：将光线检测数据上传服务器，查看数据呈现 光线检测设备： 服务器： 实验步骤 1.登录物联数据中控平台，新建项目“智能光照”。 2.新建主题，输入“light”，选择设备类别，填写设备名称。 主题名称类别设备名 输入设备 输出设备
3.打开信息科技实验板编程工具，连接实验板，导入“智能光照”程序，并在程序中修改userId和projectId。 4.运行程序，在数据中台运行项目，在主题“light”中查看平台数据呈现情况，更改光照条件，观察平台中对应主题数据的变化情况并记录。 主题名称呈现数据1呈现数据2呈现数据3呈现数据4正常环境光有遮挡强光
通过实验，我发现通过主题 （选择 发布 /订阅)可以将数据从 发送到 。 活动4：了解MQTT的订阅 实验二：通过数据控制灯的亮灭，实现智能光照。 第一步：新建主题，输入“button”，选择设备类别，填写设备名称。 主题名称类别设备名 输入设备 输出设备
第二步：在“button”主题中，查看输出控制的button值，观察RGB灯亮灭情况。 主题名称主题数据值RGB灯亮灭情况主题数据值RGB灯亮灭情况button
通过实验，我发现通过主题 （选择 发布 /订阅)可以将数据从 发送到 。 思考：在实验中，服务器为什么需要始终保持连接 如果断开网络连接，数据还能正常传输吗？ 实验结论：经过实验研究，MQTT是一种 协议；（填工作原理） 评价：※掌握MQTT发布/订阅模型 □★★★ □ ★★ □★ 评价：※了解MQTT初始化配置。 □★★★ □ ★★ □★ 活动5：了解MQTT的发布/订阅模型 完成表格3的记录内容，梳理MQTT中的三种功能和作用，积极进行讨论思考，尝试语言描述。 功能作用ABC
小结：经过学习，我们了解MQTT是一种 消息传输协议；（填工作原理）能够实现 的消息传递。(选择“一对一 ”或“一对多” ) 支持，支持异步通信。” 评价：※了解MQTT的发布/订阅模型。 □★★★ □ ★★ □★ 活动6：拓展活动 实验步骤： 1.物联网平台配置 第一步：在“项目管理”选项卡的右上角点击“新建项目”,在对话框中输入“两板通信”项目名并确认。在设备中查看新建的项目ID，并在程序中修改项目ID。 第二步：点击“两板通信”项目中的“查看”,进入配置界面。 第三步：新建主题，输入“switch”，选择设别类别，填写设备名称。 2.在编程工具，（一台电脑操作）一组导入“1号实验板”程序，另一组导入“2号实验板”程序,修改ID号，烧录。 3.运行程序，观察实验板，并记录实验内容。 设备名称通信内容是否成功设备一发送是 否设备二接收是 否设备二发送是 否设备一接收是 否
实验结论: 通过实验，我发现两个实验板可以通过 实现通信，发布者也可以作为 （发布者/订阅者）。 评价：※了解物联网的双向通信过程。 □★★★ □ ★★ □★
推荐的学习资源
1. 导学单、校园农场物联系统原型、物联系统原型解说视频、关于“HTTP协议和MQTT协议”的微视频、实验程序Python代码、操作帮助视频。
中小学教育资源及组卷应用平台
21世纪教育网(www.21cnjy.com)
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台
教学设计
课程基本信息
学科 信息科技 年级 七年级 学期 春季
课题 第9课 物联网协议
教科书 书 名：信息科技教材 出版社：浙江教育出版社 出版日期：2023年12月
教学内容与学习对象分析
本课是第二单元第9课，内容主要包括“认识MQTT协议”“MQTT订阅模型”，对应《课程标准》中的“物联网基本原理与功能”的部分。 本课是学生学习了感知技术、传感器概念与原理、传感器类型和功能、无线通信技术的基础上，进一步了解物联网背后的技术原理和运行机制，为后续从物联网系统设计规划到软硬件实践操作打下基础。物联网是互联网的拓展和延伸，在七年级上册第二单元第7课《互联网应用协议》、第8课《TCP/IP》阐述了互联网协议相关内容，呈现了网络中数据的编码、传输和呈现原理，对物联网中协议的作用与工作原理做了一定的铺垫。 本课遵循“数据”、“网络”两条逻辑主线，对应新课标的物联网实践与探索，响应其中“能根据需求，设计和搭建简单的物联系统原型，体验其中数据处理和应用的方法与过程”的内容要求。本课内容从HTTP协议到适合物联网传输特点的协议设计需求，再到MQTT协议的产生和应用，展现MQTT协议在物联网中得到广泛应用并发展的原因。教材中将HTTP协议和MQTT协议做比较，指出网络数据传输依赖协议的重要性。为了进一步了解MQTT协议的特点，教材中在MQTT订阅模型内容板块展开介绍了MQTT协议的发布和订阅模型，模型示意图经历从复杂到简单的迭代过程，帮助学生加深对MQTT协议的理解。结合理论与实践，提升学生的逻辑思维和问题解决能力，并强调信息安全和个人隐私保护的重要性，以培养学生的信息社会责任意识。 学习对象是七年级学生，他们善合作、乐表达，对原理的探究充满好奇和探究精神。经过前面几课的学习，学生已经对物联网的概念、特征、有了初步认识，对物联网四层架构有一定感知和了解；知道传感器的原理、常见传感器类型，会选择合适的传感器进行应用；了解物联网中常见的无线通信方法。但学生对传感器从感知层到网络层的工作原理以及物联网的运行机制还不知其所以然。他们没有Python的编程基础，对于抽象、零散的原理知识接受能力偏弱。因此，教师需要提供校园农场物联原型、“校园农场智能光照”实验的导学单作为支持材料，组织学生观察与探究，促进学生了解应用MQTT协议实现物联网通信的基本过程。
教学目标分析（含核心素养导向）
1.通过HTTP和MQTT协议的对比学习，了解物联网协议。 2.通过对MQTT协议的消息发布/订阅模型的学习，了解应用MQTT协议实现物联网通信的基本过程。 通过“智能光照”实验，梳理MQTT的工作流程，验证MQTT发布与订阅模型，实现理论与实践相结合，落实科与技并存。通过拓展实验，进一步理解MQTT发布者和订阅者之间数据流转的双向过程，引导学生关注数据安全、保护个人隐私。学生理解并剖析MQTT协议实质，理解物联网数据传输的运行机制，进一步增强学生的数据安全意识，渗透信息社会责任感。 教学重点： 1. 认识MQTT协议
2.了解MQTT协议的消息发布/订阅模型。
教学难点： 1. 了解MQTT协议 2. 理解MQTT协议的消息发布/订阅模型。
教学过程
（一）感知 【活动描述】 学生观看视频，感知校园农场物联系统实现信息共享和传递的过程。 【学生活动】 1.观察“校园农场物联系统原型”实物，关注其实现的功能。 2.集体观看大屏幕“校园农场物联系统原型”的解说视频，思考以下问题： （1）校园农场中的传感器、管理员手机、云端服务器等设备，是如何实现信息共享和传递？ （2）物联系统实现信息共享和传递的原因？ 【教师活动】 1.课前调试好实物原型进行展示。 2.在学生观看视频的过程中，观察学生反应，包括注意力集中程度、表情变化等。 3.根据问题的梯度，选择两位学生代表分享观看视频的感受并回答问题。在学生思考并分享的过程中，引导学生初步感知物联系统中的信息共享和传递的原因。 【预设】 生 1（课前无准备的学生）：我知道物联系统中信息的传递，但不清楚原理。 生 2（课前有准备的学生）：我知道物联系统中如何实现信息共享和传递需要协议。 【设计意图】 通过引入“校园农场智能物联系统”原型演示进入课堂，旨在激发学生的学习兴趣，引导他们探索物联网信息共享和传递的实现原理，初步感知物联网协议。 （二）建构 活动1：认识MQTT协议 【活动描述】 学生观看微视频，师生共同梳理MQTT协议的概念和特点。 【学生活动】 1.阅读书本P49，小组合作探究物联网协议的类型和功能，结合微课，完成导学单中的问题： （1）“校园农场”采用什么物联网协议比较合适？ （2）HTTP协议在物联网应用中有哪些局限？ 2.学生代表发言，展示讨论结果。分享格式参考如下： 经过学习讨论，我们认为 更加适合物联网场景，理由是具有 的特点。 【教师活动】 1.在学生阅读教材时，教师进行巡视指导。 2.邀请两名学生发言，在学生汇报分享时，逐步引导学生对比学习MQTT和HTTP协议，了解MQTT的特点。 【预设】 生1（基础不好的学生）：我不清楚MQTT和HTTP协议之间的区别点。（如果学生选择有偏差，教师及时纠正，帮助学生理解MQTT的优势。） 生2（基础较好的学生）：我知道MQTT和HTTP协议之间的区别点，也了解MQTT的特点。 （针对学生回答，教师引导学生构建出“MQTT名片”，如图1所示，包含中文名、协议本质、设计目的、协议基础和应用场景五个方面。） 图1 MQTT名片展示图 【设计意图】 通过对比学习，分析物联网系统实现过程中存在的问题和HTTP协议在物联网应用中的局限，将知识进行迁移升级，构建出“MQTT名片”，落实本课学习的重点。 活动2：了解应用MQTT协议实现物联网通信的过程 【活动描述】 自主阅读教材，猜想MQTT的模型数据流转，完成示意图连接。 【学生活动】 1.自主阅读教材内容，提炼关键词，小组合作完成导学单中活动2的填空。结合“校园农场”的光照功能（利用手机APP查看光照数据)，猜想MQTT的模型示意图，在导学单上填写角色并用箭头画出数据传输方向。 2.小组代表发言：猜想的MQTT的模型示意图，光照数据传输方向。 图2 光照数据传输方向图 【教师活动】 1.在学生完成导学单活动2的时候，巡视观察学生，实时用手机拍摄学生的答题记录。 2.展示2-3组的导学单活动2结果，利用希沃白板同步学生屏幕展示答题结果，组织学生进行汇报，并鼓励其他学生提问和补充，促进深入探讨。 学生1导学单截图 学生2导学单截图 【预设】 生1：还不理解MQTT的模型，可能会出现很多的连线方式。（针对此情况，提醒学生在教材中圈出关键词。） 生2：MQTT的模型初步了解，学生能正确连接，出现数据的双向箭头。 （教师作小结，引领学生利用实验验证方式来解析数据流转方向，从而真正解锁MQTT协议的原理。） 【设计意图】 通过自学教材，学生将掌握MQTT协议的三种角色及其工作原理。为深化理解，进行光照功能案例分析，并绘制数据流向图以推测MQTT的工作模型，为后续实验做好铺垫。 活动3：了解MQTT的发布 【活动描述】 学生进行实验一，将光线检测数据上传服务器，查看数据呈现，师生共同梳理MQTT发布模型。 【学生活动】 小组合作，利用实验器材，参考实验步骤帮助视频，完成实验操作，做好导学单实验记录。 表1 实验一记录表 实验一：将光线检测数据上传服务器，查看数据呈现 光线检测设备： 服务器： 实验步骤 1.登录物联数据中控平台，新建项目“智能光照”。 2.新建主题，输入“light”，选择设备类别，填写设备名称。 主题名称类别设备名 输入设备 输出设备
3.打开信息科技实验板编程工具，连接实验板，导入“智能光照”程序，并在程序中修改userId和projectId。 主题名称呈现数据1呈现数据2呈现数据3呈现数据4正常环境光有遮挡强光
4.运行程序，在数据中台运行项目，在主题“light”中查看平台数据呈现情况，更改光照条件，观察平台中对应主题数据的变化情况并记录。 通过实验，我发现通过主题 （选择 发布 /订阅)可以将数据从 发送到 。
【教师活动】 1.介绍实验步骤和程序的关键语句，强调ID号的修改。 2.巡视指导，引导学生在实验过程中关注信息传递的过程，及时解决学生出现的问题。提醒学生可参考实验操作步骤说明（如图3所示） 图3 光照数据的发布 实验操作步骤说明 3.邀请一组学生演示实验结果并进行总结，填写发布过程图。（如图4所示） 图4 光照数据的发布过程图 【预设】 生1：实验板编程程序中的用户ID和项目ID没有改成物联数据中台中的用户ID和项目ID，实验板和平台没有连接。（针对这种情况，提醒学生要将ID号进行对应修改） 生2：物联数据中控平台中项目和主题“名称”和实验板编程程序中调用的名称没有对应，造成无法读取数据。（针对这种情况，组织出现共同问题的小组成员观看老师演示，如何找到主题名称，并进行修改。） 生3：教室WIFI无法满足多个实验板连接，造成无法同时联网。(针对这种情况,提醒学生尝试换一个WIFI账号连接） 生4：实验板出现无法烧录等状况。（针对这种情况，老师帮助学生清除实验板缓存数据，或是换一个备用实验板） 【设计意图】 学生将亲身体验数据从设备上传到平台的过程，并理解MQTT协议的信息发布机制，从而突破本课的学习难点。 活动4：了解MQTT的订阅 【活动描述】 小结实验一完成情况，小组合作进行实验二，通过数据控制灯的亮灭，实现智能光照。 【学生活动】 1.部分未完成实验一的小组，继续调试实验一结果。 2.已完成实验一的小组，利用实验器材，根据实验步骤完成实验二操作，做好实验二记录。参考操作帮助视频。 表2 实验二记录表 第一步：新建主题，输入“button”，选择设备类别，填写设备名称。 主题名称类别设备名 输入设备 输出设备
第二步：在“button”主题中，查看输出控制的button值，观察RGB灯亮灭情况。 主题名称主题数据值RGB灯亮灭情况主题数据值RGB灯亮灭情况button
通过实验，我发现通过主题 （选择 发布 /订阅)可以将数据从 发送到 。 思考：在实验中，服务器为什么需要始终保持连接 如果断开网络连接，数据还能正常传输吗？ 实验结论：经过实验研究，MQTT是一种 协议；（填工作原理）
【教师活动】 1.帮助个别小组进行实验一的调试，关注学生的实验二过程，并邀请一组学生演示。 2.广播总结实验的结果，完成订阅过程图的填写。（如图5所示） 图5光照数据的订阅过程图 【预设】 生1：实验成功的小组，展示实验结果，并进行下一个实验。 生2：实验过程中遇到问题无法呈现实验结果的小组，老师引导小组间互助互学，帮助分析问题的原因，寻找解决的方法。 【设计意图】 通过实验二，学生将探究数据从平台到设备的传输过程，理解MQTT信息订阅机制，并初步掌握设备智能控制原理。在此过程中，学生将相互学习、互相帮助，实现乐于分享和小组协作的素养目标。 活动5：了解MQTT的发布/订阅模型 【活动描述】 师生总结两个实验结果（如图6所示），梳理MQTT模型，完成课堂小结巩固练习。 【学生活动】 1.完成表格3的记录内容，梳理MQTT中的三种功能和作用，积极进行讨论思考，尝试语言描述。 图6 MQTT发布/ 订阅模型图 表3 MQTT中的三种功能和作用记录表 功能作用ABC
2.一名学生到黑板上完成MQTT发布/订阅模型的板贴（如图7所示）。 图7 MQTT发布/订阅模型 【教师活动】 1.关注学生完成课堂练习的情况，记录完整的结果，鼓励学生进行结果分享。 2.观察学生板贴情况的正确性、美观性。 3.师生共同总结MQTT模型的发布、订阅模型。讨论回答MQTT模型中为何要始终保持连接的原因。师生互动共同完成“经过学习，我们了解MQTT是一种 消息传输协议；（填工作原理）能够实现 的消息传递。(选择“一对一 ”或“一对多” ) 支持，支持异步通信。” 【预设】 生1：表格填写完全正确的同学，教师引导学生表达自己的理解，老师根据学生的表述给于鼓励。 生2：表格填写有误的同学，教师及时纠正，帮助学生理解MQTT的实质。 【设计意图】 通过实验探究的猜想-验证-结论过程，梳理MQTT的工作流程，验证其发布与订阅模型，剖析MQTT协议的本质，理解物联网数据传输机制，从而提升学习兴趣并巩固课程重点。 （三）应用 活动6：拓展活动 【活动描述】 实验操作实现两个实验板间的信息传递。 【学生活动】 1.部分小组继续实验二的调试。 2.基础好的小组进行拓展活动，完成导学单记录表4。 表4 拓展实验记录表 拓展实验实现两个实验板间的信息传递。 设备名称通信内容是否成功设备一发送是 否设备二接收是 否设备二发送是 否设备一接收是 否
实验结果: 经过学习，我们了解MQTT是一种 消息传输协议；（填工作原理）能够实现 的消息传递。(选择“一对一 ”或“一对多” ) 支持，支持异步通信。
【教师活动】 1.引导学生小组合作，探索两块实验板之间的信息传递。 2.巡视观察，解答学生的疑问。 【预设】 生1：少数学生进行拓展实验，挑战实验探究，老师需要多加鼓励。 生2：在前面的实验环节，没有调试成功的小组，教师及其他小组要帮助学生进行分析原因，解决故障。 【设计意图】 学生通过实践进一步理解MQTT发布者和订阅者间数据流转的双向过程。在完成物联网数据平台搭建的基础上，鼓励学生继续探索和创新，将所学知识应用到更广泛的场景中。 活动7：应用思考 【活动描述】 立足“校园农场”物联系统原型，小组讨论分享更多发布或订阅数据。 【学生活动】 学生根据表格5，积极思考讨论。 表5 应用思考记录表 主题名实现功能Light实现光亮数据的发布和订阅
【教师活动】 邀请学生进行发言，并补充主题。 【预设】 生1:回答可以检测空气温湿度。 生2：回答可以检测土壤湿度。 生3：回答可以检测土壤养分。 生4：回答可以检测虫情。 【设计意图】 通过学以致用，帮助学生发散思维，思考物联系统中的数据发布和订阅，培养学生利用科技解决实际问题的能力。 梳理 【活动描述】 师生共同梳理物联网中的安全问题，板书梳理本课主要内容，完成学科平台上的课堂练习。 【学生活动】 1.思考物联网中的安全问题，明确用户在物联数据的管理、维护及应用过程中需关注数据安全，保护个人隐私。 2.学生根据板书梳理本课主要内容，完成学科平台上的课堂练习。 【教师活动】 1.引导学生重视物联网中的安全问题，引导关注学生数据安全。 2.展示学科平台上课堂练习完成情况，师生分析题目。 【设计意图】 通过梳理课堂知识，巩固学生对本节课所学内容的理解，帮助学生完成知识建构，使知识更加系统化。同时，回顾本课的教学目标，进一步激发学生的信息社会责任感。
中小学教育资源及组卷应用平台
21世纪教育网(www.21cnjy.com)
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台
作业练习
课程基本信息
学科 信息科技 年级 七年级 学期 春季
课题 第9课 物联网协议
教科书 书 名：信息科技教材 出版社：浙江教育出版社 出版日期：2023年12月
作业练习
本练习可作为课堂测试，考察学生上课对知识点的掌握情况。 1.在物联网中，MQTT协议主要用于解决什么问题？（单选题） A、数据存储B、 高速计算C、 设备间通信 D、 用户认证 参考答案：C 答案解析： MQTT 全称为 Message Queuing Telemetry Transport(消息队列遥测传输)是一种基于发布/订阅模式的“轻量级”消息协议。 2.在MQTT协议中，消息是通过什么进行分类和路由的？（单选题） A、 IP地址 B、 端口号 C、 主题（Topic） D、 设备ID 参考答案：C 答案解析： MQTT协议是一种轻量级的发布-订阅消息协议，专为物联网应用而设计。发布者和订阅者都是客户端，通过topic主题进行对话。发布者和订阅者并不需要直接的连接，都是通过MQTT这个中介进行沟通。 3.在使用MQTT协议的发布/订阅模型中，如果一个客户端想要接收特定主题的消息，它需要执行以下哪个操作？（单选题） A、 发布消息到该主题 B、 请求服务器停止发送消息 C、 订阅该主题 D、 取消订阅该主题 参考答案：C 答案解析 MQTT 全称为 Message Queuing Telemetry Transport(消息队列遥测传输)是一种基于发布/订阅模式的“轻量级”消息协议。 4、MQTT协议中，服务器端可以执行以下哪些操作:( )（多选题） A、 接受来自客户端的网络连接 B、 接受客户端发布的应用信息 C、 处理来自客户端的订阅和退订请求 D、向订阅的客户转发应用程序消息 参考答案：ABCD 答案解析: MQTT 服务器又称为 Broker(消息代理)，是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间。它可以:接受来自客户端的网络连接;接受客户端发布的应用信息;处理来自客户端的订阅和退订请求；向订阅的客户转发应用程序消息。 5、MOTT 协议中，客户端可以执行以下哪些操作:( )（多选题） A、 可以发布信息，其他客户端可以订阅该信息 B、 订阅其它客户端发布的消息 C、 退订或删除应用程序的消息 D、 断开与服务器连接: 参考答案：ABCD 答案解析: 服务器：接收来自客户端的网络连接；接收客户端发来的消息；处理来自客户端的订阅和退订请求；向订阅的客户转发应用程序消息； 客户端：客户端连接服务器，可以是消息的发布者和订阅者，用于发布和订阅信息；退订或者删除其他客户端的消息；断开和服务器的连接。
中小学教育资源及组卷应用平台
21世纪教育网(www.21cnjy.com)
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)

展开更多......

收起↑