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物联网数据传输技术教学设计
课题 物联网数据传输技术 单元 物联网数据传输——简易温湿度传输系统 学科 初中信息技术 年级 八年级
教材分析 本课聚焦物联网数据传输技术，以智慧教室应用实例为切入点，引导学生认识网络层在物联网中的核心作用。通过对比Wi-Fi、蓝牙等无线传输技术的特点，学生了解不同技术的适用场景。教材设计“议一议”“写一写”“设计”“实践”等环节，层层递进，让学生在分析、选择、连接设备的过程中，体验数据发送、传输及响应的全过程。能量加油站部分补充通信协议知识，拓展学生视野。拓展环节引导学生分析其他物联网应用场景，深化对数据传输技术的理解，培养实践与创新能力。
学习目标 信息意识：能够敏锐感知物联网数据传输技术在智慧教室及日常生活中的广泛应用，主动收集不同传输技术的性能与适用场景信息。计算思维：可以依据物联网应用场景需求，通过分析比较，合理选择无线传输技术，规划出数据从发送到响应的完整流程。数字化学习与创新：借助智慧教室实例，运用数字化工具深入探究物联网数据传输，创新设计出满足特定需求的数据传输与应用方案。信息社会责任：深刻理解物联网数据传输安全与隐私保护的重要性，自觉遵守通信协议规范，合法合规地使用数据传输技术。
重点 理解物联网网络层功能，掌握无线传输技术分类及特点，如 Wi-Fi、蓝牙等短距离传输技术。能依据不同应用场景，选择合适数据传输技术，并完成智慧教室中物联网设备连接，体验数据从发送、传输到响应的完整过程。
难点 深入理解不同无线传输技术的工作原理与适用场景差异，以及通信协议（如 MQTT）在物联网数据传输中的作用，能灵活运用知识分析复杂物联网场景的数据传输。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 植物的生长对环境的要求是非常高的，如果环境达不到要求，植物可能会生长缓慢或停止生长甚至枯萎。因此，对植物的生长环境进行实时监测非常重要。在植物的生长环境中，温度、湿度、光照、酸碱度等都是非常重要的因素。本单元的简易温湿度传输系统可以实时监测环境的温度和土壤的湿度，并将监测到的数据传输到物联网平台，让管理人员对植物的生长环境进行调控，从而满足植物生长所需的环境要求。在第三单元中，我们学习了使用温度传感器和湿度传感器采集并分析数据。在本单元中，我们将学习运用物联网平台，搭建一个简易的温湿度远程监测报警系统，并在此过程中学习物联网中网络层信息传输的相关知识，实践体验蓝牙和Wi-Fi这两种常见的数据传输技术，最后通过简单编程实践，实现温湿度远程监测报警及响应。学习目标1.通过分析生活中常见物联网应用中的数据传输，了解物联网中网络层的概念和作用，知道几种常用的物联网数据传输技术。2.通过实践完成数据的蓝牙传输和Wi-Fi传输，掌握蓝牙和Wi-Fi两种数据传输技术的基本原理及应用方法。3.设计数据监测报警方案，在实现物联网数据的读取、发送和接收并进行报警及响应的过程中，理解物联网数据的上行传输和下行传输。学习成果能够监测环境温度和土壤湿度并传输到物联网平台，同时可以进行报警响应的简易温湿度传输系统。学习路径物联网数据传输技术，了解物联网的网络层概念和常见数据传输技术。温湿度的蓝牙传输，通过蓝牙传输技术实现不同环境状态下的温湿度数据传输。升级数据传输距离，通过Wi-Fi传输技术实现不同环境状态下的温湿度数据传输。温湿度远程监测报警，设计合理的报警方案实现对农业大棚温湿度数据的远程监测报警，理解物联网数据的上行传输。温湿度的报警与响应，结合报警情况给予响应，即进一步的自动控制或人工干预；理解物联网数据的下行传输。 了解本单元的学习主题、学习目标、学习路径等。 通过教师简要介绍，让学生知晓本单元的学习主题。
讲授新课 一、物联网数据传输技术概览聚焦在第三单元的学习中，我们制作了一个温湿度采集器，能够实时采集环境的温度和土壤的湿度。如何把采集到的数据传输到物联网应用层，使这些数据发挥作用呢 这就要提到物联网中的数据传输技术了。本课我们通过体验一个智慧教室中的物联网应用实例分析物联网中数据的发送、传输和响应，学习物联网的数据传输技术。探索校园智慧教室中的智能空调、移动投屏、智能开关、智能门禁、智能音响等，同生活中常见的手机控制空调、远程监控、运动手环记录运动量及心肺情况等各种智慧应用一样，都可以通过移动终端对设备进行控制。一般来说，它们需要连接Wi-Fi或者蓝牙才能正常工作。这里的Wi-Fi、蓝牙其实就是两种物联网数据传输技术。为什么有的用Wi-Fi，有的用蓝牙呢？它们之间有什么异同？它们是如何工作的？还有哪些物联网数据传输技末？在体验与分析智慧教室的数据发送、传输及响应前，我们先要认识物联网数据传输技术。在物联网的三层结构中，网络层的核心功能是信息传输，也就是实现感知层与应用层之间的信息传送。网络层使用不同的网络通信技术，可以满足不同的数据传输需求。议一议网络通信技术可分为无线传输技术和有线传输技术。你觉得在物联网的应用中，哪一种传输技术应用更广泛、更适合未来发展 有线传输需要用很长的网线来连接，很不方便。参考：在物联网应用中，无线传输技术应用更广泛且更适合未来发展。由于物联网设备常部署在移动、分散或难以布线的场景（如智能家居、穿戴设备、农业监测），无线技术（如NB-IoT、5G）提供了灵活部署、低功耗和广覆盖的优势。尽管有线技术在稳定性和带宽要求高的场景中不可或缺，但无线技术更契合物联网大规模、低成本、易扩展的需求，尤其是随着5G和低功耗广域网技术的成熟，无线连接将成为物联网发展的主流支撑。写一写无线传输技术按照传输距离的不同，可以分为短距离传输技术和广域网传输技术两种，以实现设备之间建立连接并通信。搜索资料，尝试把下表补充完整。能量加油站物联网的网络层是物联网设备实现连接的通道，是物联网三大层次结构中的第二层，负责将感知层识别和采集的信息高效、安全地传送到应用层。无线传输技术是物联网行业的技术基础，因此物联网的网络层主要关注的是无线传输技术。Wi-Fi和蓝牙这样的短距离传输技术，其特点是高功耗、高速率，主要应用于智能家居和可穿戴设备等应用场景，应用广泛且产业成熟度较高。ZigBee这样的短距离传输技术，其特点是低功耗、低速率，适合局域网设备的灵活组网应用，如热点共享等。而从另一个角度看，Wi-Fi支持TCP/IP协议，能直接接入互联网；而蓝牙和ZigBee则不支持TCP/IP协议，需要其他的网关(如手机)才能和互联网连接。二、物联网数据传输的体验与分析设计根据不同应用场景的使用需求，选择合适的数据传输技术，再记录和分析发送的数据、接收的数据、反馈的数据，就完成了一次对物联网工作过程的体验和分析。请以智慧教室中的一种物联网应用为例填写下表，为实践体验物联网数据传输做好准备。体验案例(感知层)□智能空调□移动投屏□其他移动终端(应用层)□平板电脑□手机□其他传输技术(网络层)□蓝牙□Wi-Fi□其他实践按照上表成功连接设备后，我们可以传输哪些数据 请将你成功传输的数据记录在下面的方框中。我发出的指令数据：我收到的响应数据：我通过平板电脑给智能空调发送指令后，还收到了已完成的响应消息。参考：三、物联网通信协议与应用迁移能量加油站无论是短距离传输技术还是广域网传输技术，它们都遵循着一定的通信协议，按照统一的规则，才能达成相互之间的有效连接和消息互通。在物联网应用中，使用最多的就是MQTT(消息队列遥测传输)协议。MQTT协议是一个基于客户端—服务器的消息发布一订阅传输协议。MQTT也是使用TCP/IP协议提供网络连接的，但可以在低带宽、不可靠的网络中提供基于云平台的远程设备的数据传输和监控，比较适合物联网场景的即时通信需求。MQTT协议的发布一订阅模式在工作时，所有的物联网终端都通过TCP连接到云端，云端通过主题的方式管理各个设备订阅的通信内容，并负责将设备与设备之间消息的转发，提供一对多的消息发布。它是一种小型传输协议，占用开销很小。拓展我们通过记录智慧教室中物联网应用案例所传输的数据，体验了物联网中数据的传输。请仿照这个例子，分析“手机控制空调工作”这一场景中的数据传输过程，或者分析我们佩戴的智能手环的感知层设备和应用层设备是什么,它们分别如何工作才能记录和分析我们的运动量及心肺情况。参考：整个过程体现了物联网“感知-传输-应用”的三层协同：应用层触发（手机APP）：您在手机APP上点击“开启制冷26℃”或“睡眠模式”，这是一个来自应用层的控制指令。网络层传输：指令在手机上被编码成标准数据包，通过家庭Wi-Fi路由器发送到互联网。数据通过互联网，被可靠地传递到空调厂商的云服务器。感知/执行层响应（空调）：空调内置的Wi-Fi模块（网络层接入点）持续监听云端。当它接收到云端转发的指令数据包后，会进行解析。解析后的指令被传递给空调的主控芯片（感知层/执行层核心），芯片随之驱动压缩机、风扇等硬件执行相应操作，完成指令要求。状态反馈与确认：空调在状态改变后（如温度达到设定值），会将新的状态数据（当前温度、运行模式）通过上述路径反向发送至云服务器，再推送到您的手机APP上。这样，您在APP上就能实时看到“空调已开启，室温26℃”的确认信息，形成一个完整的控制与反馈闭环。 理解网络层的核心作用，并通过“议一议”和“写一写”活动，对比有线与无线传输技术，并了解无线技术按传输距离的分类及其特点。在智慧教室中亲身体验某一物联网应用，记录实际操作中发送和接收的指令数据，完成一次完整的数据传输工作过程体验。学习支撑物联网通信的核心协议——MQTT协议及其工作原理。将本课所学知识迁移到新的场景中进行分析。 从温湿度采集器引出数据传输的需求，通过智慧教室和生活中的实例（如智能空调、运动手环）引入物联网数据传输技术（Wi-Fi、蓝牙）。重点讲解网络层的核心作用，并通过“议一议”和“写一写”活动，引导学生对比有线与无线传输技术，并了解无线技术按传输距离的分类及其特点（如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等）。指导学生如何根据场景选择合适的数据传输技术，并通过填写表格的方式，为在智慧教室中亲身体验某一物联网应用（如控制智能空调）做好准备。接着进入“实践”环节，记录实际操作中发送和接收的指令数据，完成一次完整的数据传输工作过程体验。在实践体验后，通过“能量加油站”介绍支撑物联网通信的核心协议——MQTT协议及其工作原理（发布/订阅模式）。最后在“拓展”环节，引导学生将本课所学知识迁移到新的场景（如手机控制空调、智能手环工作过程）中进行分析，巩固和深化对物联网数据传输全过程的理解。
课后练习 选择题在物联网的三层结构中，负责将感知层识别和采集的信息高效、安全地传送到应用层的是（ ）A. 感知层 B. 网络层 C. 应用层 D. 以上都不是以下哪种短距离传输技术具有低功耗、低速率的特点，适合局域网设备的灵活组网应用（ ）A. Wi-Fi B. 蓝牙 C. ZigBee D. 5G在物联网应用中，使用最多的通信协议是（ ）A. HTTP B. FTP C. MQTT D. TCP判断题无线传输技术按照传输距离的不同，只分为短距离传输技术。（ ）蓝牙支持 TCP/IP 协议，能直接接入互联网。（ ）MQTT 协议是一种大型传输协议，占用开销很大。（ ）解答题请分析“手机控制智能门禁开门”这一场景中的数据传输过程，包括感知层设备、应用层设备分别是什么，它们使用了什么传输技术，数据是如何从发出到响应的。参考答案选择题答案：B解析：物联网三层结构中，网络层的核心功能是信息传输，即实现感知层与应用层之间的信息传送，所以选 B。答案：C解析：ZigBee 是低功耗、低速率的短距离传输技术，适合局域网设备的灵活组网应用；Wi-Fi 和蓝牙是高功耗、高速率；5G 不属于短距离传输技术，所以选 C。答案：C解析：在物联网应用中，使用最多的通信协议是 MQTT（消息队列遥测传输）协议，HTTP 主要用于网页浏览，FTP 用于文件传输，TCP 是传输控制协议，不是物联网特有的常用应用层协议，所以选 C。判断题答案：×解析：无线传输技术按照传输距离的不同，可以分为短距离传输技术和广域网传输技术两种，并非只分为短距离传输技术，所以该说法错误。答案：×解析：Wi-Fi 支持 TCP/IP 协议，能直接接入互联网；而蓝牙不支持 TCP/IP 协议，需要其他的网关（如手机）才能和互联网连接，所以该说法错误。答案：×解析：MQTT 协议是一种小型传输协议，占用开销很小，并非大型传输协议，所以该说法错误。解答题感知层设备：智能门禁上的传感器（如识别卡感应器、指纹识别器等），用于采集开门的相关信息，如识别卡信息、指纹信息等。应用层设备：手机，用户通过手机上的应用程序发出开门指令。传输技术：一般使用 Wi-Fi 或者蓝牙（具体取决于门禁系统和手机的配置及距离等因素）。如果使用 Wi-Fi，手机和智能门禁都连接同一个 Wi-Fi 网络，通过互联网进行数据传输；如果使用蓝牙，手机和智能门禁直接通过蓝牙建立连接传输数据。数据传输过程：用户在手机上操作应用程序，发出开门指令，指令数据通过选定的传输技术（Wi-Fi 或蓝牙）发送到智能门禁。智能门禁的控制系统接收到指令数据后，进行验证和处理，如果验证通过，则控制门锁打开，并将已开门的响应数据通过相同的传输技术反馈给手机，手机上的应用程序显示开门成功的信息。 结合本课学习内容，独立完成课后练习。 通过课后练习，进一步巩固本课学习的物联网数据传输技术相关的内容。
课堂小结 组织学生分小组总结本课学习内容，请每个小组代表说说自己小组总结的结果。教师做最后的补充。参考：同学们，这节课我们一起走进了物联网数据传输技术的奇妙世界。大家了解了网络层在物联网里的关键作用，认识了 Wi-Fi、蓝牙等无线传输技术及其特点。通过智慧教室实例，亲自体验了数据从发出指令到收到响应的过程。还知晓了通信协议保障数据有效传输。希望大家课后继续探索，留意生活中更多物联网应用，思考如何用所学让生活更智能！ 在小组讨论基础上，推选代表总结本课学习内容。其他小组做补充总结。 学生自己总结学习内容是一种学习方法，每次课可以梳理出学习了哪些知识、技能方法和思维方式，在头脑中形成本课程的学科结构。
板书 从教师板书上归纳本课学习内容的重点。 通过板书，帮助学生形成本课学习内容思维导图。
21世纪教育网www.21cnjy.com精品试卷·第2页（共2页）
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