第二单元 第10课《物物互通有新径》教学设计2024-2025学年人教版（2024）初中信息科技八年级全一册

第10课 物物互通有新径 课 题 第二单元 第10课 物物互通有新径 应到人数 实到人数 课 型 新授课 备课时间 上课时间 教 材 分 析 本节课是八年级全一册中物联网实践与探索单元的重要课程，主要介绍 MQTT 协议这一物联网中流行的通信协议。MQTT 协议在物联网数据传输和设备通信方面具有重要地位，其独特的发布 - 订阅通信机制能够适应物联网设备众多、资源受限且需要高效实时通信的特点。通过学习本节课，学生能够深入了解 MQTT 的通信机制，掌握利用物联网服务平台实现订阅功能的方法，为构建更复杂的物联网应用系统奠定基础，培养学生在物联网技术领域的专业技能和创新思维，使学生能够更好地理解和应用物联网通信技术。 学 情 分 析 学生在之前的课程中已经对物联网和网络通信协议有了一定的了解，知道物联网设备之间需要通信协议来传输数据，但对于 MQTT 这种专门为物联网设计的协议及其通信机制缺乏深入认识。他们具备一定的编程基础和网络操作技能，但在面对新的协议和复杂的服务器配置（如在线 MQTT 服务器注册、本地 MQTT 服务器搭建）时，需要进一步学习和实践。 核 心 素 养 目 标 信息意识：学生能够通过利用 MQTT 实现订阅功能的实践活动，深刻认识到 MQTT 协议在物联网设备通信中的重要性，增强对物联网通信技术的敏感度，主动关注 MQTT 协议在物联网领域的应用场景和发展趋势，培养积极探索物联网通信新技术的意识。 计算思维：在编写连接 MQTT 服务器和订阅主题消息的程序过程中，学会运用逻辑思维分析程序与服务器之间的交互逻辑，培养计算思维中的问题分析和抽象概括能力，如总结设备连接服务器、订阅主题、接收消息的基本流程，理解程序如何实现 MQTT 协议的功能。 数字化学习与创新：鼓励学生通过实际操作、查阅资料等方式，自主学习 MQTT 协议的相关知识，包括通信机制、服务器配置、编程实现等，提高数字化学习的实践能力和创新技能，如学会从互联网上获取 MQTT 技术资料，筛选有用信息，并结合实践操作进行理解和应用，培养自主学习和终身学习的意识。 信息社会责任：在学习和使用 MQTT 协议的过程中，引导学生树立正确的价值观和责任意识，了解物联网通信中的安全风险（如服务器安全配置、数据加密传输等），增强信息安全和法律意识，遵守 MQTT 协议应用的道德规范和法律法规，积极保护个人隐私和数据安全。 教学重点 掌握利用物联网服务平台（在线 MQTT 服务器）实现订阅功能的方法，包括注册登录服务器、添加项目和主题、连接服务器、订阅消息以及在主控板上编写和运行相关程序等操作，使学生能够熟练运用这些步骤实现简单的 MQTT 订阅应用，提高学生的实践动手能力。 教学难点 培养学生在 MQTT 应用中的创新思维和综合应用能力，如在拓展与提升部分搭建本地 MQTT 服务器时，引导学生根据实际需求设计合理的应用场景，涉及到服务器配置、设备连接、主题管理和数据处理等多方面知识和技能的综合应用，提高学生解决实际问题的能力和创新能力，激发学生对物联网通信技术创新应用的兴趣。 教 法 讨论交流、讲解法、演示法、任务驱动法 学 法 交流讨论法、动手实践 教学准备 教师准备可联网的计算机 学生准备:预习本节课内容 教 学 过 程 二次备课 三次备课 一、新课导入 回顾之前学习的物联网通信知识，提问学生：“在物联网中，设备之间需要高效、可靠地传输数据，我们已经了解了一些通信方式，那有没有一种专门为物联网设计的通信协议呢？” 引发学生对新通信协议的兴趣。 简单介绍 MQTT 协议在物联网中的重要性，如它能够为大量硬件性能较低且处于互联网中的远程设备提供数据传输和监控服务，强调其独特的通信机制适用于物联网的特点，引出本节课的主题 —— 物物互通有新径，让学生对即将学习的 MQTT 协议充满期待。 1. 2. 3. 二、讲授新课 学习活动1 任务 1：熟悉在线 MQTT 服务器 教师在课堂上注册并登录一个免费的在线 MQTT 服务器（如 EMQ X 提供的免费公共服务器），向学生展示注册过程中的注意事项，如填写准确的个人信息、选择合适的用户名和密码（强调密码的安全性，可参考拓展与提升中设置复杂密码的要求）。登录成功后，进入服务器控制台，向学生介绍控制台的界面布局和主要功能模块，如项目管理、主题管理、设备管理等。 教师演示在服务器中添加项目的步骤，如点击 “项目” 菜单，选择 “创建项目”，输入项目名称（如 “物联网实验项目”）和描述信息，然后点击 “确定” 完成项目创建。接着，在项目下添加主题，讲解主题 ID 的命名规则（由数字和字母组成的字符串），并举例说明如何根据应用场景命名主题，如 “温度传感器数据”“灯光控制指令” 等。添加主题后，向学生展示主题的详细信息页面，包括主题的权限设置（如订阅、发布权限）等，让学生了解主题在 MQTT 通信中的作用和管理方式。 在服务器中添加设备时，教师详细讲解设备 ID、用户名和密码等信息的生成和作用。强调设备 ID 是用于识别连接到 MQTT 服务器的设备的唯一标识符，每个设备必须具有不同的 ID，以便服务器区分不同设备的连接。同时，说明用户名和密码是设备连接服务器的身份验证凭据，确保设备与服务器之间的通信安全。记录系统自动生成的设备 ID、用户名和密码等信息，为后续连接服务器做准备，培养学生对服务器设备管理的认识和操作能力。 任务 2：实现 MQTT 订阅功能 教师指导学生在计算机或其他设备上启动移动热点，并设置网络名称（如 “iotclass”）和密码（如 “IoT@123456”，满足复杂密码要求）。提醒学生注意移动热点的频段选择（一般选择 2.4GHz 频段，兼容性更好）和信号强度调整，确保主控板能够稳定连接。然后，讲解在主控板程序中如何修改连接 Wi - Fi 网络的代码（wifi.connect ("网络名称","密码")），使其与设置的移动热点信息匹配，引导学生理解主控板通过 Wi - Fi 连接到互联网是实现 MQTT 订阅功能的基础，培养学生的网络配置能力。 展示图 10.2 中的代码，向学生详细讲解连接 MQTT 服务器的代码逻辑。首先，解释代码中导入的 mqttclient、wifi、oled 类的作用，如 mqttclient 类用于实现 MQTT 协议的相关功能，wifi 类用于连接 Wi - Fi 网络，oled 类用于在主控板显示屏上输出信息。然后，逐行讲解连接 MQTT 服务器的代码参数含义，如 server 参数指定 MQTT 服务器地址（根据所使用的在线服务器填写正确地址），port 参数设置服务器端口号（通常为 1883），client_id 参数填写设备 ID，user 参数和 psd 参数分别填入之前记录的用户名和密码。在讲解过程中，通过提问的方式，让学生思考每个参数的作用和重要性，如 “如果设备 ID 填写错误会发生什么？”“为什么需要用户名和密码进行连接？” 等，帮助学生深入理解连接服务器的过程，培养学生的编程思维能力。 学生根据教师的讲解，在编程环境中编写或补充完善连接 MQTT 服务器的程序。教师巡视各小组，为学生提供编程指导，帮助学生解决编程过程中遇到的语法错误、逻辑问题等，确保学生能够顺利完成连接服务器代码的编写，使主控板能够成功连接到在线 MQTT 服务器。 展示图 10.3 中的代码，讲解订阅主题消息的代码实现。首先，解释定义的 receivedfunction 函数的作用，它是用于处理接收到的主题消息的回调函数，当有消息到达订阅的主题时，该函数将被自动调用。然后，讲解 mqttclient.received 函数的功能，它用于绑定接收事件，指定当订阅的主题收到消息时，执行 receivedfunction 函数来处理消息。在 receivedfunction 函数中，通过 mqttclient.message 函数获取接收到的消息内容，并使用 oled.print 函数将消息显示在主控板显示屏上，让学生理解如何实现消息的接收和显示，培养学生的消息处理能力。 学生在编程环境中编写订阅主题消息的代码，并将完整的程序烧录到主控板中。在烧录过程中，提醒学生注意检查程序的语法错误和逻辑正确性，确保程序能够正确运行。烧录完成后，指导学生在 MQTT 服务器控制台中找到对应的主题，点击 “发布消息” 按钮，输入测试消息（如 “Hello, MQTT!”），观察主控板显示屏是否能够正确接收到并显示消息。如果出现问题，教师引导学生从服务器配置、程序代码、网络连接等方面进行排查，帮助学生解决问题，确保学生能够成功实现 MQTT 订阅功能，让学生体验从服务器发布消息到主控板接收显示的完整过程，提高学生的实践操作能力。 新课讲授 结合图 10.1，详细讲解 MQTT 的发布 - 订阅通信机制。以智能家居系统为例，将发布者类比为各种传感器（如温度传感器、湿度传感器、门窗传感器等），它们负责采集环境数据并将数据发布到相应的主题上；将订阅者类比为智能设备（如智能灯泡、智能空调、智能窗帘等），它们订阅感兴趣的主题，以接收传感器发布的数据并根据数据进行相应的操作；将 MQTT 服务器类比为智能家居系统的控制中心，负责管理主题和消息的分发。当温度传感器发布当前室内温度数据到 “温度传感器数据” 主题时，订阅了该主题的智能空调和智能窗帘等设备将从服务器接收到温度数据，智能空调根据温度数据自动调整制冷或制热模式，智能窗帘根据温度和光照等数据自动调整开合程度。通过这种类比方式，帮助学生理解发布者、服务器和订阅者之间的关系以及数据的传输流程，使抽象的通信机制更加直观易懂。 深入讲解发布 - 订阅模式的工作流程，包括发布者如何向服务器发布消息（如通过指定主题和消息内容，使用 MQTT 协议规定的格式将消息发送到服务器）、服务器如何管理主题和存储消息（如维护主题列表，根据订阅关系将消息推送给订阅者）以及订阅者如何接收消息（如通过注册回调函数，在服务器推送消息时自动触发函数进行处理）。在讲解过程中，强调服务器在整个通信过程中的核心作用，它解耦了发布者和订阅者，使得系统具有更好的灵活性和可扩展性，如可以方便地增加或减少发布者和订阅者，而不影响其他设备的正常通信。同时，与之前学习的 HTTP 协议进行对比，分析 MQTT 协议在物联网场景中的优势，如 HTTP 协议需要客户端主动请求才能获取数据，而 MQTT 协议可以实现服务器主动推送消息，更适合物联网设备实时获取数据的需求，培养学生对不同通信协议的理解和分析能力。 三、拓展与提升 在学生搭建本地 MQTT 服务器过程中，提供详细的操作指南和技术支持。对于学生在配置文件修改过程中可能遇到的问题，如语法错误、参数设置不当等，及时给予指导和纠正。例如，当学生在修改 config.json 文件中的账号和密码时，提醒学生注意格式要求，确保修改后的配置能够正确保存和生效。 在学生实现本地订阅功能时，引导学生参考之前学习活动 1 中利用在线 MQTT 服务器实现订阅功能的方法，如编写连接服务器、订阅主题消息的程序代码，注意根据本地服务器的地址、端口号等信息进行相应的修改。巡视各小组，帮助学生解决代码编写过程中的问题，如网络连接问题、消息接收处理逻辑错误等，确保学生能够顺利实现本地订阅功能，让学生体验从本地服务器搭建到应用实现的完整过程，提高学生的实践动手能力和问题解决能力。 四、教学反思 在连接 MQTT 服务器和订阅主题消息的代码编写过程中，学生对代码中的参数设置和函数调用容易出现错误，反映出学生对编程逻辑和 MQTT 协议相关函数的理解还不够深入。后续教学应加强编程基础的复习和巩固，在讲解 MQTT 相关代码时，更加详细地解释每个函数的功能、参数含义以及返回值，结合实际场景帮助学生理解代码的作用。例如，在讲解连接服务器代码时，通过实际案例说明不同服务器地址、端口号、设备 ID 等参数在实际通信中的作用，以及错误设置可能导致的后果，让学生更加深入地理解代码与协议功能之间的联系，提高学生的编程能力和代码调试技能。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$