资源简介

中小学教育资源及组卷应用平台
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：认识系统数据可靠性的核心价值，理解 MQTT QoS、NTP 对数据完整与时间精准的保障，提升物联网系统稳定性设计敏感度。计算思维：通过 QoS 配置、NTP 编程、数据质量控制分析，拆解 “传输保障 - 时间同步 - 质量校验” 流程，培养系统可靠性设计思维。数字化学习与创新：实践 MQTT QoS1、NTP 对时、JSON 格式化，掌握物联网设备 “抗干扰 - 高精度 - 规范化” 数据处理方法。信息社会责任：树立气象数据 “精准采集 - 合规校验” 意识，理解北斗授时、数据疑误检测的关键意义，遵守技术应用规范。
教学重点 MQTT 服务质量控制（QoS）的理解与应用，时间记录与 NTP 对时的实现，系统测试验证的关键任务。
教学难点 MQTT 不同 QoS 级别在实际场景的选择与代码实现，JSON 格式消息的编写与多数据融合，系统测试中异常情况的分析与解决。
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 何为物联网观看视频 观看视频。 帮助学生初步理解本课研究内容。
讲授新课 新知讲解：实践探究三、可靠性优化1.服务质量控制无线网络传输易受干扰，可能出现网络延迟、数据丢失，需通过 MQTT 协议的服务质量（QoS）控制保障消息稳定传输。（详细内容见教材p141页）表6-7 MOTT协议的服务质量控制级别MicroPython 的 MQTT 模块仅支持 QoS0 和 QoS1，默认 QoS0；指定 QoS1 （详细内容和代码见教材p142页）小知识QoS2 的实际应用场景 在金融物联网（如智能 POS 机交易数据）、医疗设备（如心电监测数据）等对 “无重复、无丢失” 要求极高的场景中，会采用 QoS2，但需搭配高性能网络（如 5G）降低开销，避免设备资源占用过高。试一试尝试在数据发布程序运行时断开无线路由器的WAN口连接，模拟网络或云平台出现故障的情况，观察QoS设置为0或1时的程序运行状态。QoS0：网络断开后数据直接丢失，恢复后无补传；QoS1：网络恢复后，设备自动重发未确认的消息，云平台能接收断开期间的数据。2.时间记录为解决 QoS1 发布数据可能重复的问题，明确数据采集时间，可通过开发板内置实时时钟（RTC）记录时间日期。参考程序导入machine模块，声明 RTC 对象后，调用datetime()方法即可获取当前时间及日期。 （详细内容和代码见教材p142页）开发板内置实时时钟（RTC）可通过rtc.datetime()获取时间（返回含年、月、日等的 8 元组）。断电后时间会重置（初始接近 2000 年 1 月 1 日）。为获取准确时间，需通过 “网络时间协议（NTP）“ 从网络时钟服务器同步，常见系统均用 NTP 校准时钟。（详细内容见教材p143页）图6-10 实时时钟初始时间日期阅读材料个人设备依赖 NTP 服务器授时，安全要求高的网络可通过专用 NTP 服务器接收北斗等卫星导航系统的高精度时间（如北斗 300 万年误差 1 秒），在局域网内提供时钟服务。（详细内容见教材p143，144页）图6-11 NTP服务器硬件查一查中国科学院国家授时中心设有授时服务器，请通过网络查询其服务器地址，再查一查还有哪些单位提供了授时服务，填入表6-8中。表6-8 提供授时服务的单位及NTP服务器地址单位NTP 服务器地址中国科学院国家授时中心ntp.ntsc.ac.cn清华大学ntp.tuna.tsinghua.北京邮电大学time.buptnet.阿里云ntp.aliyun.com确定 NTP 服务器地址后，可用ntptime模块编写对时程序校准时钟。程序运行后时间准确，但因 MicroPython 中星期从 0 开始（周一为 0），“星期” 显示与实际有差异。（详细内容和代码见教材p144，145页）图6-12 校准后的时钟将时间日期信息加入发布消息，按 JSON 格式编写以提升平台可读性，参考程序可实现带温度和采集时间的消息发布。程序运行后，平台因消息符合 JSON 规范，会自动以表格形式展示数据，包含平台接收时间、温度数据、设备发布时间三列。（详细内容和代码见教材p145，146页）图6-13 平台自动以表格形式显示JSON格式数据小知识NTP 服务器的层级结构 NTP 服务器分 stratum 1（直接连接北斗、GPS 等授时源）、stratum 2（同步 stratum 1）、stratum 3（同步 stratum 2），校园局域网常用 stratum 2/3 服务器，平衡精度与网络开销。阅读材料JSON是一种常用的数据格式，适用于程序之间的数据交换。优势显著：易读易写、跨编程语言和操作系统解析、支持数组、对象等复杂数据结构。书写规则：以大括号包裹，数据为键值对；值可是字符串、数字、布尔值、数组、对象或 null。 （详细内容见教材p147页）图6-14 经过格式化的JSON字符串小知识JSON 与 CSV 的格式选择 JSON 适合传输多字段、结构化数据（如温湿度 + 时间），便于平台自动生成表格（如图 6-13）；CSV 适合纯数值批量存储（如仅温度数据），文件体积更小，可根据 “传输解析” 或 “存储效率” 需求选择。试一试修改程序，在每次发布的消息中加入环境湿度信息。注意:修改过程中要始终保持消息符合JSON格式标准。提醒：需在读取温度后新增湿度读取语句，确保数据来源正确。JSON 格式中，新增的"hum":"{hum}"需用逗号与其他字段分隔，且键名用双引号包裹，符合 JSON 规范。四、测试验证系统功能开发后需测试验证，重点完成三项任务：（1）传感器测试：在温湿度差异环境，用成品温湿度计比对，验证传感器精度。（2）网络传输测试：配置正确网络、云平台参数，观察设备联网及数据发布是否正常。（3）独立运行测试：设备独立供电运行数小时 / 数天，观察数据是否异常。测试中可通过print( )输出信息辅助定位问题。小知识物联网设备的 “压力测试”在测试中可模拟极端场景，如频繁断开 / 恢复 Wi-Fi（测试重连逻辑）、高温（40℃以上）环境（测试传感器稳定性），提前暴露系统潜在故障，提升长期运行可靠性。课堂练习完成单项选择题：1、下列对 MQTT QoS1 级别的描述正确的是？（ B ）A.最多发布一次，网络开销小 B. 至少发布一次，保证消息送达C. 仅发布一次，无丢失无重复 D. 不支持数据重传2、开发板断电后丢失时间，需通过哪种协议实现时钟校准？（ B ）A. MQTT B. NTP C. JSON D. TCP/IP3、简述在校园气象系统中，采用 “QoS1+NTP+JSON” 组合方案对数据可靠性的保障作用。QoS1：通过 “至少一次送达” 机制，解决网络波动导致的数据丢失问题，保障数据传输完整性。NTP：实现开发板时钟精准同步，为每条数据添加准确时间戳，便于追溯数据采集节点，解决断电丢时间的问题。JSON：规范数据格式（如温湿度、时间戳的结构化存储），确保平台能自动解析、生成表格，减少数据格式错误导致的解析失败，保障数据可用性。拓展延伸气象数据对多领域意义重大，我国自动气象站受外部条件影响易故障，需对采集数据进行自动疑误检测，气象站资料质量控制分三级：有效性检查：检验数据是否符合气象学、物理学规律（如自然温度范围 - 55~55℃）。一致性检查：含时间一致性（数据变化符合自然规律，如温度秒升 10℃异常）和内部一致性（不同传感器数据比对，如露点温度高于实测温度则异常）。空间一致性检查：比对空间邻近气象站数据，结果合理则无误。 （详细内容见教材p148,149页）想一想气象站资料质量控制应该在气象站的微控制器中实现还是在云乎台中实现？为什么？气象站资料质量控制应设备端（微控制器）与云端（云平台）协同实现：设备端做有效性检查（如剔除极端温度），保障实时性并减少无效传输。云端做一致性（时间、内部）和空间一致性检查，利用充足算力完成多维度分析。二者协同兼顾实时与全面，保障数据质量。MQTT QoS 与网络带宽的平衡当校园网络带宽有限时，对 “非关键数据”（如每 10 秒一次的湿度）用 QoS0，对 “关键数据”（如每小时一次的极端温度）用 QoS1，既保障核心数据可靠，又避免 QoS1 重传占用过多带宽。边缘计算与云平台协同质量控制在开发板（边缘端）实现 “有效性检查 + 异常数据暂存”，云端实现 “一致性 + 空间一致性检查”，同时边缘端将异常数据标记后上传，云端分析后反馈 “传感器校准指令”，形成 “采集 - 校验 - 优化” 闭环，提升系统响应速度。观看视频：五种常见的通讯协议 学习服务质量控制的相关知识。学习小知识，了解QoS2 的实际应用场景。完成试一试，断开无线路由器的WAN口连接，观察程序运行状态。学习开发板内置实时时钟（RTC）记录时间日期的相关知识。阅读材料，观看服务器硬件图片。完成查一查，查一查还有哪些单位提供了授时服务。学习编写对时程序相关知识。学习小知识，了解NTP 服务器的层级结构。阅读材料，了解JSON的优势及书写规则。学习小知识，了解JSON 与 CSV 的格式选择。完成试一试，修改程序，在每次发布的消息中加入环境湿度信息。学习测试验证的相关知识。学习小知识。完成练习题。进行知识拓展。完成想一想。 让学生在实操中直观理解 MQTT 不同服务质量控制级别的优劣，学会根据网络波动场景选择合适的 QoS 策略，提升问题分析与解决能力。让学生明确其在 “无重复、无丢失” 需求场景中的不可替代性。帮助学生直观掌握 QoS 不同级别（0、1）的工作机制。帮助学生明确实时时钟（RTC）的功能与应用场景，理解其在数据时间戳标记、故障数据溯源中的作用。补充 “NTP（网络时间协议）”的应用场景，让学生了解个人计算机、物联网设备等对准确时间的依赖，以及 NTP 服务器在时间同步中的核心作用。引导学生通过网络查询，了解国内权威授时服务单位及其 NTP 服务器地址，掌握信息检索技能。把 NTP 对时、时间数据应用、JSON 格式规范等知识点整合，帮助学生构建 “时间同步 - 数据封装 - 平台展示” 的完整技术链条认知。向学生介绍 NTP 服务器的层级结构，明确不同层级的授时源和同步关系。向学生介绍 JSON 数据格式的概念、优势及语法规则，帮助学生掌握这一程序间数据交换的常用格式。帮助学生明确两种数据格式的适用场景。 让学生通过修改程序，强化对 JSON 格式规范的掌握，提升编写符合JSON 标准数据的实践能力。引导学生掌握系统测试验证的方法，提升其排查问题、验证功能的工程实践能力。让学生了解极端场景测试对系统可靠性的价值。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。引导学生思考气象站资料质量控制的实现位置，同时深化对设备端与云端功能边界的理解。
课堂小结 基本功能的实现 第二节1.可靠性优化2.测试验证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 在本课程序中添加温度有效性有效性检查逻辑，核心是当检测到温度低于 - 55℃或高于 55℃时，通过打印 “温度异常，跳过发布” 提示，过滤异常数据并停止发布，确保传输数据符合基本物理规律。查询 “中国气象局气象数据质量控制规范” 后，需对比其与本课 “有效性 - 一致性 - 空间一致性” 三级控制的相同点（如均以保障数据可靠性为目标，包含基础有效性校验等）和不同点（如规范可能更细化，涉及更多专业气象指标或行业标准等）并简述。 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）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)

展开更多......

收起↑