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第16课《需求分析和系统设计》教学设计
课题 需求分析和系统设计 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：能结合校园微气候研究需求，明确气象数据采集的信息维度与获取方式。计算思维：通过分析系统结构、功能需求，建立物联网系统设计的逻辑思维，能对功能进行分类并规划开发流程。数字化学习与创新：掌握需求分析、系统设计的方法，能选择合适的软硬件并规划系统开发，具备数字化系统设计与实践的能力。信息社会责任：明确气象数据的合规使用要求，树立数据安全与社会责任意识。
教学重点 明确需求分析方法，系统结构设计，软硬件选型依据。
教学难点 多模式系统架构的理解，软硬件选型的综合决策，需求到功能的转化。
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6.16课 需求分析和系统设计1、单元引入第六单元：跨学科主题：设计校园气象数据采集系统炎炎夏日里，偶尔拂过的一阵凉风总能带来片刻的舒适与宁静。校园中的植物分布、建筑布局、地面材质等因素都与校园环境中的气象数据息息相关。物联网技术能否助力我们设计一套校园气象数据采集系统，解码校园微气候，为创造更舒适的学习和生活环境提供科学依据呢？2、观看视频3、学习目标（1）明确校园气象数据采集系统的总体开发需求，并将需求转化为开发任务，合理划分出多个开发阶段。（2）实现温度、湿度等气象数据的采集、上传、云端存储和查看，利用开发板内置存储器和外接屏幕实现监测站本地数据的存储和查看。（3）尝试通过优化人机交互界面等方式提升系统的可用性。(4)提升利用物联网技术解决问题的能力，感受物联网技术对生活与社会发展的价值和作用。4、单元主题通过细致且精确的观察与记录，我们不仅能够捕捉到风速的细微波动，还能够依据这些珍贵的数据为校园的绿色环境建设贡献充满创意的点子。为了研究校内一年四季的热舒适度情况，需要长时间对校园内的温度、湿度、风速、风向等数据进行采集。（详细内容见教材p128页）5、问题情境新时代学校是城区中心的一贯制学校，占地 1.6 万平方米，有 3 栋教学楼、图书馆、操场等，近 2000 名师生。室内有 Wi-Fi、室外无 Wi-Fi 但有 5G 网络。请协助设计支持校园微气候研究的气象数据采集系统，思考：系统由哪几部分组成？需选用哪些软硬件和协议？（详细内容见教材p129页）图6-1 校园平面示意图 学习课程新知导入，初步了解本课学习课题。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：实践探究一、需求分析校园气象数据采集系统用于校园微气候研究，需求分析阶段需调查研究内容、条件、环境信息需求，再转化为系统功能需求。1.调查研究第一部分是明确研究内容，即通过访谈、查文献确定需采集的气象数据类型、采集周期及时长。（详细内容见教材p130页）查一查查阅文献，回答下列问题。把你的答案写在框内。开展校园微气候研究需要采集哪些数据？研究对数据范围和精度有怎样的要求？答：采集温、湿、风（速、向）、空气质量等数据，温度 20 50 C（±0.5℃）、湿度0 100%RH（±5% RH）、风速0 32m/s、风向 8 方位。采集数据的理想周期和最短周期如何确定？答：理想周期按微气候规律（如每小时），最短周期分钟级（如每 5 分钟）。③是否需要每天都采集数据？需要在一天当中的哪些时段采集数据？答：需每天采集，覆盖清晨、上午课间、午后、傍晚等关键时段。④如何查看采集的数据 从设备中导出数据时是否有特殊格式要求？答：数据可通过设备屏幕或网页查看，导出需 CSV 格式。第二部分需了解系统所在区域的自然环境信息（校园所在地区海拔、全年温湿度极值等）和技术条件（供电、网络环境等）。因系统设备装在室外，教学楼无线网络对室外覆盖有限，需实地测试网络覆盖范围和信号质量。 （详细内容见教材p130页）试一试将无线路由器安装在室内，在物联网开发板中编写程序连接无线路由器，然后将开发板移至室外，测试能保持网络连接和数据传输效果的最远距离。测试后完成表6-1。表6-1 网络传输性能测试开发板型号网络协议和频率实测最远传输距离示例开发板Wi-Fi 802.11n 2.4 GHz50 米ESP32 开发板Wi-Fi 802.11b/g/n 2.4 GHz80 米Arduino Uno+Wi-Fi 模块Wi-Fi 802.11g 2.4 GHz30 米2.功能需求分析需关注环境信息的采集、传输、存储、查看等基本功能，兼顾可靠性（如离线存储）、可用性（如屏幕显示清晰），用技术参数描述功能，细化整理为表 6-2。（详细内容见教材p131页）表6-2校园气象数据采集系统功能需求分层细化表小知识自动网络状态检测可通过编程实现 —— 当 Wi-Fi 信号弱于 - 80dBm 时，自动切换至 5G 或 LoRa 网络，确保数据传输不中断，提升系统可靠性。 （如搜索引擎、在线教育），支撑起多样化的数字服务场景。二、系统设计1.系统结构设计校园气象监测设备由开发板等组成，多设备，多工作模式。第一种模式是标准模式，借学校 Wi-Fi 将数据传至云平台，MQTT 服务器仅传消息无存储，需编程支持数据浏览保存。（详细内容见教材p131页）图6-2标准模式第二种模式是离线模式，网络或服务器中断时，采集设备将数据本地存储，支持计算机读取（如图 6-3） 。（详细内容见教材p131页）图6-3 离线模式第三种模式是自组网模式，自组网模式用 LoRa 传输，覆盖广，LoRa 适合物联网应用。自组网模式下，网关（开发板）连 LoRa 和 Wi-Fi 转发数据。 （详细内容见教材p133页）图6-4 自组网模式2.软硬件选型软硬件选型需综合功能、性能、兼容、环境适应性、平台等因素：功能性能：硬件参数（如屏幕）需匹配需求，传感器量程精度等要达标。兼容性：确保传感器、模块协议（IIC 等）与开发板兼容，不兼容加转换模块。环境适应性：硬件需适应室外气候（如开发板耐 - 40~85℃，电子墨水屏低温受限）。平台选择：优先国内开源物联网平台，操作简单，气象数据不得向境外传输。 （详细内容见教材p133，134页）查一查通过网络查阅资料，初步拟定系统所用软件、硬件的型号，填在表6-3中，然后说明理由。表6-3 软硬件选型软硬件型号选择理由温湿度传感器DHT22量程精度达标，兼容，满足需求自组网网络模块SX1278远距低耗，适配室外，兼容屏幕模块2004 液晶显示行数 / 字符数满足需求开发板ESP32多协议，扩展强，开发便物联网平台中国移动 OneNET合规，操作简，存储导出完善其他传感器FC-28量程方位满足，信号适配对于校园气象数据采集系统，我们需要开发许多功能：采集温湿度传感器数据、连接Wi-Fi网络、自动检测网络状态、通过平台发布数据、记录时间日期、在开发板中存储数据和在屏幕上显示信息等。试一试请在表6-4中将这些功能划分为基础功能和高级功能两类，以便后期逐步实现。表6-4 功能分类基础功能高级功能采集温湿度、连 Wi-Fi 传数据、屏幕显数据，记录时间日期自动切网络、离线存储同步、数据可视化我们将按照图6-5所示的开发流程逐步实现系统的各项功能。图6-5 开发流程三、课堂练习完成单项选择题：1，校园气象数据采集系统的自组网模式中，负责 “连接 LoRa 与 Wi-Fi 网络” 的设备是（ C ）。A. 传感器 B. 监测设备 C. 网关 D. MQTT 服务器2，下列软硬件选型中，符合校园室外环境适应性要求的是（ B ）。A. 电子墨水屏（-10℃无法工作） B. LoRa 模块（-40~85℃工作温度）C. 温湿度传感器（量程 0~50℃） D. 非国内物联网平台（如 AWS IoT）完成多项选择题：1，校园气象数据采集系统感知层的功能需求包括（ AC ）。A.采集温湿度数据 B. 自动切换网络 C. 采集风速风向数据 D. 存储数据至平台2，软硬件选型时需考虑的因素有（ ABCD ）。A. 传感器精度是否达标 B. 开发板与模块是否兼容C. 物联网平台是否国内合规 D. 设备成本是否过高四、拓展延伸校园气象数据采集系统的设计方案需细化，如 MQTT 传输多项气象数据时，可每项数据设单独主题，或合并成一个消息通过同一主题发布。（详细内容见教材p136页） 发布方式 2 用 JSON 格式编写消息，方便程序提取数据，还可从网络开销、数据存储等角度细化系统。 （详细内容见教材p136页）表6-5两种消息发布方式发布方式主题消息发布方式 1DeviceID1001Temp25.0Hum40.5发布方式 2Data{“DeviceID”：1001，“Temp”：25.0，“Hum”：40.5}LoRa 网络与 5G 网络的校园适配场景差异LoRa 适合校园室外远距离、低数据量传输（如操场风速数据，每 5 分钟 1 条），功耗低（模块续航 6 个月以上），但速率慢（＜50kbps）。5G 适合高数据量场景（如含视频的安防监测），速率快但功耗高（需频繁充电），校园气象数据采集优先用 LoRa（成本低、续航久）。气象数据在校园的二次应用采集的气象数据除用于微气候研究，还可联动校园服务：如高温（＞35℃）时通过平台推送 “操场活动防晒提醒”，降雨前（湿度骤升 + 风向变化）提醒 “关闭教学楼窗户”，实现数据从 “研究” 到 “服务” 的延伸。观看视频：什么是MQTT协议 学习相关知识，明确研究内容通过多种方式确定需收集的信息。完成查一查，通过查阅文献回答课件上的四个问题。了解系统所在区域的自然环境信息和技术条件。完成试一试，测试能保持网络连接和数据传输效果的最远距离，并在表格中记录数据。学习功能需求的层次化分析。学习小知识，了解如何检测自动网络状态。分析标准模式、离线模式、自组网模式的架构图，梳理不同模式下的组件关系与数据流程。学习软硬件相关知识。完成查一查。梳理校园气象数据采集系统需开发的功能。完成试一试。完成练习题。进行知识拓展。 引导学生通过文献调研掌握需求分析的方法。培养学生文献调研与需求提炼能力，将 “研究需求” 转化为系统设计的 “数据层面要求”，为后续功能设计提供依据。训练学生进行实地调研、分析现场制约因素并解决实际问题的能力。让学生通过实地网络测试，掌握 实操技能，明确系统对网络环境的依赖。通过分析不同工作模式的架构图，让学生理解 设计逻辑，掌握多模式系统的适配性设计，建立系统架构的全局认知。让学生掌握物联网系统中网络可靠性设计的方法。通过分析不同工作模式的架构图，让学生理解 “场景需求驱动技术架构” 的设计逻辑，掌握多模式系统的适配性设计，建立系统架构的全局认知。培养学生在系统设计中综合权衡多维度因素的工程决策能力，使其理解功能、兼容、环境、平台等要素对系统实用性的影响。引导学生运用网络检索技能，结合软硬件选型的多维度考量因素。让学生全面梳理系统的功能模块，建立对系统功能开发的整体认知。帮助学生明确系统功能的优先级，掌握分步实现系统功能的规划方法，培养项目开发的阶段性思维。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 需求分析和系统设计1.需求分析2.系统设计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 以小组为单位，绘制校园气象数据采集系统的 “数据流转全流程图”，需标注从 “传感器采集数据” 到 “网页查看数据” 的每一步（含网络类型、设备名称、数据存储位置），例如：温湿度传感器（DHT22）→ESP32 开发板→LoRa 模块（SX1278）→网关→Wi-Fi→OneNET 平台→网页。查阅资料，对比 “LoRa 网络与 NB-IoT 网络” 在校园气象数据传输中的优缺点（从覆盖范围、功耗、速率、成本角度），撰写 200 字左右的分析短文。 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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