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第17课《基本功能的实现》教学设计
课题 基本功能的实现 单元 第六单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：明确校园气象系统 “数据采集 + 发布” 的功能需求，感知物联网技术在环境监测中的应用价值。计算思维：通过硬件连接、程序编写，培养逻辑设计与问题解决能力，掌握数据流转的流程设计。数字化学习与创新：利用云平台和 MQTT 协议，实践物联网数据传输的技术方法，提升数字化工具的应用与创新能力。信息社会责任：树立气象数据境内云平台存储的安全意识，规范传感器与开发板接口的连接操作，遵守物联网设备使用规范。
教学重点 硬件连接规范性，程序逻辑完整性，数据传输稳定性，系统思维建立。
教学难点 硬件与软件的协同调试，MQTT 协议与主题格式的准确应用，网络波动下的数据保障逻辑。
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6.17课 基本功能的实现问题情境校园气象数据采集系统最基本的功能是数据的读取和发送。本课要进行单台监测设备的设计，使其具备环境温度、湿度的数据采集和发布功能。这些基本功能如何实现？是否能使设备有效应对网络波动问题，保障数据完整？观看视频 学习课程新知导入，思考问题。 通过真实项目需求引发认知冲突，激发学生的探究兴趣，将抽象的与具象的结合，降低学习门槛。
讲授新课 新知讲解：实践探究一、温湿度数据采集我们选择一种常用的数字式温湿度传感器来采集温度和湿度数据。MicroPython软件内置了该传感器的驱动模块。硬件连接示例传感器有三个引脚，VCC 接电源正极、GND 接负极、OUT/S 接开发板输入输出口，工作电压 3.3~5V，可匹配多种常见开发板。（详细内容见教材p137页）图6-6 示例传感器如果使用杜邦线连接开发板和传感器，可以按表6-6进行连接。传感器可连 IO4 外的开发板接口，需注意该接口不能同时连接传感器与 LED 灯、蜂鸣器等元器件。 （详细内容见教材p138页）传感器引脚开发板引脚VCC3V3 或 VCCGNDGNDOUT 或 SIO4表6-6 传感器硬件连接小知识传感器电压适配原则不同传感器电压范围不同（如 DHT11 与 DHT22 均为 3.3~5V，而部分高精度温湿度传感器需 5V 单独供电），连接前需确认传感器 datasheet，避免电压不匹配烧毁设备或导致数据采集失败。2.程序编写读取传感器采集的温湿度数据只需要编写几行代码即可。 （详细代码见教材p138页）每次读取传感器数据的时间间隔应大于2秒，因为过短的间隔时间可能导致读取失败。小知识MicroPython 的 dht 库适配性dht 库不仅支持 DHT22 传感器，还支持 DHT11 传感器，只需将代码中dht.DHT22改为dht.DHT11，即可适配不同型号的数字式温湿度传感器，降低硬件替换的编程成本。试一试修改现有程序，使用while循环和time.sleep()延时语句，使监测设备每分钟进行一次温度和湿度测量，并使用prin1()语句将测量结果打印出来。导入模块 ：新增 import time，以便使用 time.sleep()进行延时。 无限循环 ：while True:创建一个永久循环，使设备能持续测量。 异常处理 ：使用 try...except捕获并提示传感器读取错误，增强程序稳定性。 打印数据 ：print()函数将格式化的温湿度数据输出到控制台。 读取间隔 ：time.sleep(60)实现每分钟（60秒）读取一次，满足题目要求。 二、数据发布1.云平台设置登录云平台后，创建一个项目并命名为“气象数据采集”，如图6-7所示。图6-7 创建项目进入项目页面后，单击页面右下方的“数据”按钮查看温湿度数据，如图6-8所示。图6-8 查看数据返回主界面，点 “数据管理” 页 “开始” 按钮启用消息记录（图 6-9）。平台订阅保存设备消息，公有版存 1 万条，私有版容量可自由修改。 （详细内容见教材p139页）图6-9 启用消息记录功能小知识MQTT 的 “订阅 - 发布” 模式 云平台在数据传输中扮演 “订阅者” 角色，开发板是 “发布者”；主题（如 “登录邮箱 / 气象数据采集 /temp”）是数据传输的 “地址”，只有订阅了对应主题的平台 / 设备，才能接收发布者发送的数据，确保数据定向传输。2.程序编写用 MQTT 协议的publish方法发布温湿度数据，主题格式为 “登录邮箱 / 项目名 / 自定义主题名”（项目名中文可直接用），参考程序实现设备每分钟发布一次温度数据。运行后在云平台订阅 “Temp” 主题即可查看数据。 （详细内容和代码见教材p140页）小知识数据格式规范 发布数据时将数值转为字符串（str()）是因为 MQTT 协议默认传输字节流；若需传输多维度数据（如同时传温度、湿度），可使用 JSON 格式，需导入ujson库，示例:data = ujson.dumps({“temp”：temp, “hum”: hum})，再发布data，便于平台解析多字段数据试一试编写程序，使开发板连接Wi-Fi网络。同时，修改现有程序，使系统能够同时发布温度数据和湿度数据。Wi-Fi 连接部分：通过network模块创建 WLAN 对象，激活并连接到你的 Wi-Fi 网络，直到连接成功。传感器与 MQTT 初始化：初始化 DHT22 温湿度传感器和 MQTT 客户端，建立与云平台的连接。数据采集与发布循环：每分钟采集一次温湿度数据，分别发布到 “项目名 /temp” 和 “项目名 /hum” 主题，同时打印发布结果以便调试。请根据实际情况替换代码中的Wi-Fi 名称、密码、MQTT 平台信息（客户端 ID、服务器地址、用户名、密码）和项目名，即可实现 “连接 Wi-Fi + 同时发布温湿度数据” 的功能。小知识Wi-Fi 连接稳定性优化 程序中可加入 Wi-Fi 断连重连逻辑，示例:if not wlan.isconnected():wlan.connect(‘Wi-Fi名’， ‘密码’)，放在while True循环内，确保设备在 Wi-Fi 断开后能自动重新连接，避免数据传输中断。三、课堂练习完成单项选择题：1.数字式温湿度传感器的 VCC 引脚应连接开发板的哪个引脚？（ A ）A. 3V3 或 VCC B. GND C. IO4 D. 任意引脚2.MQTT 协议中，发布温湿度数据的主题格式正确的是？（ B ）气象数据采集 / 你的登录邮箱 /temp 你的登录邮箱 / 气象数据采集 /temptemp / 气象数据采集 / 你的登录邮箱 无需固定格式，任意命名完成多项选择题：3.物联网云平台 “数据管理” 页面的功能包括（ ABD ）启用消息记录功能 查看设备上传的温湿度数据 C. 修改 MQTT 客户端密码 D. 存储设备发布的消息（公有版 10000 条）完成判断题：4.传感器可连接开发板 IO4 以外的接口，但该接口能同时连接传感器和蜂鸣器，不影响数据采集。（ × ）四、拓展延伸边缘计算在数据采集的应用在开发板本地对采集的温湿度数据进行预处理 —— 如设定阈值（温度＞60℃或＜-20℃判定为异常），程序中加入if temp < -20 or temp > 60: continue，剔除异常数据后再发送至云平台，减少无效数据传输，降低网络带宽消耗。多传感器协同采集若需同时采集校园气象的风速、光照数据，可新增风速传感器（接 IO5）、光照传感器（接 IO6），程序中同步初始化多个传感器对象（如windSensor = machine.ADC(machine.Pin(5))），实现温度、湿度、风速、光照多数据并行采集，丰富气象数据维度。观看视频：LoRa无线传输模块及其应用 学习硬件连接相关知识，观察示例传感器。学习小知识，理解传感器电压适配原则，知道不同传感器电压范围不同。程序编写，编写代码读取传感器采集的温湿度数据。学习小知识，了解MicroPython 的 dht 库适配性。完成试一试，修改现有程序，并将测量结果打印出来。学台设置的相关知识，登录云平台，创建项目，查看数据。学习小知识，了解 “订阅 - 发布” 模式。逐行解析参考程序，运行程序。学习小知识，明确数据格式规范。完成试一试，修改现有程序。学习小知识，知道Wi-Fi 连接稳定性优化完成练习题。进行知识拓展。 帮助学生掌握硬件连接的规范操作，为后续数据采集的稳定性打基础。规避 “电压不匹配烧毁设备”“接口冲突导致数据失败” 等错误，建立严谨的意识。让学生理解 “数据读取时间间隔” 的必要性，培养关注硬件时序要求的严谨性。直观理解dht库对不同传感器的适配性。引导学生将 编程知识与实际需求结合，掌握物联网设备 “周期性数据采集” 的实现方法，提升编程应用能力与计算思维。帮助学生掌握云平台的核心操作流程，建立 数据传输的具象认知，提升数字化工具的实操应用能力。通过角色扮演和实操验证，帮助学生快速理解分工与数据定向传输逻辑。帮助学生掌握基于 MQTT 协议发布数据的核心编程流程，建立 关联认知，提升代码分析与调试能力。帮助学生理解 MQTT 协议底层逻辑，提升数据格式处理的编程能力。让学生掌握物联网设备 “联网 - 采集 - 传输” 的完整流程，提升综合编程与硬件协同的应用能力。帮助学生掌握物联网设备应对网络波动的基础方法，提升程序的健壮性与实用性。考察学生学以致用的能力，深化对本课知识内容的理解和掌握。拓宽学生知识面。
课堂小结 基本功能的实现 第一节1.温湿度数据采集2.数据发布3.完成课堂练习4.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 优化本课温湿度采集与发布程序：在程序中加入 “异常数据提示” 功能 —— 当温度＞40℃或湿度＞90% 时，通过print()打印 “温湿度异常，请检查环境”；同时加入 “MQTT 连接断开重连” 逻辑，确保数据稳定发布。 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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