資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
八年級信息技術義務教育版教學設計
課題 遠程控制更便捷 單元 第三單元 學科 信息技術 年級 八年級
學習目標 1.理解物聯(lián)系統(tǒng)中控制實現(xiàn)的過程，明確反饋與控制的關系，能準確區(qū)分人工控制和自動控制，并能列舉生活中的實例。2.熟練掌握遠程控制開鎖功能的工作流程，包括用戶端指令發(fā)布、MQTT服務器數(shù)據(jù)傳輸、門鎖端指令接收與執(zhí)行的全過程，清晰闡述各環(huán)節(jié)的作用和數(shù)據(jù)交互方式。3.深入理解遠程控制開鎖功能的模塊組成（輸入、計算、輸出模塊），精準掌握各模塊的硬件構成和功能實現(xiàn)細節(jié)，能夠獨立完成各模塊的硬件連接、程序編寫和調試工作，確保遠程控制開鎖功能的穩(wěn)定運行。4.熟練運用MQTT協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，包括搭建本地MQTT服務器、合理設置主題、準確實現(xiàn)發(fā)布與訂閱功能，以及在用戶端和門鎖端編寫高效的程序代碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和控制動作，具備解決實際應用中常見問題的能力。
重點 1.物聯(lián)系統(tǒng)中控制實現(xiàn)的過程及反饋與控制的關系，使學生深刻理解控制在物聯(lián)系統(tǒng)中的核心地位和作用機制，這是掌握物聯(lián)網系統(tǒng)控制原理的關鍵所在。2.遠程控制開鎖功能的模擬實現(xiàn)，包括系統(tǒng)架構設計、功能模塊劃分、利用MQTT協(xié)議實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交互和控制動作的編程實現(xiàn)，以及硬件連接和調試，確保學生能夠成功構建遠程控制開鎖系統(tǒng)，體驗物聯(lián)系統(tǒng)的實際控制功能，掌握物聯(lián)系統(tǒng)開發(fā)的基本技能。3.遠程控制開鎖功能中各模塊的功能和實現(xiàn)方式，讓學生清晰把握系統(tǒng)的整體架構和工作原理，為進一步學習和設計更復雜的物聯(lián)控制系統(tǒng)奠定堅實基礎。
難點 1.深入理解控制原理中基于反饋數(shù)據(jù)的精確調整機制，特別是如何根據(jù)不同的反饋信息實現(xiàn)對設備或系統(tǒng)工作狀態(tài)的精準控制，涉及到復雜的邏輯判斷、算法設計和系統(tǒng)優(yōu)化，學生理解和掌握起來具有一定難度。2.在實踐操作中，正確搭建和優(yōu)化本地MQTT服務器，確保其穩(wěn)定、高效運行，并實現(xiàn)用戶端和門鎖端之間準確、快速的數(shù)據(jù)傳輸和控制指令交互，需要學生具備扎實的網絡知識、熟練的編程能力和豐富的調試經驗，對學生的綜合技術能力要求較高。3.全面理解遠程控制系統(tǒng)的安全隱患及有效防范措施，需要學生綜合考慮網絡安全、設備安全、數(shù)據(jù)安全、用戶身份驗證等多方面因素，從系統(tǒng)整體角度進行深入分析和設計，對學生的系統(tǒng)思維能力和安全意識提出了較高挑戰(zhàn)。
教學過程
教學環(huán)節(jié) 教師活動 學生活動 設計意圖
導入新課 展示問題情境中遠程通知與遠程控制開鎖的關聯(lián)，提問學生是否可以實現(xiàn)遠程控制開鎖以及如何實現(xiàn)，引發(fā)學生思考，引出本節(jié)課的主題——遠程控制開鎖功能的實現(xiàn)，激發(fā)學生的學習興趣，讓學生明確本節(jié)課將深入探究物聯(lián)網技術在遠程控制門鎖系統(tǒng)中的應用。 傾聽老師引入相關問題 激發(fā)學生的學習興趣，讓從問題中進行思考，從而引出本節(jié)課的學習內容
講授新課 一、認識物聯(lián)系統(tǒng)中的控制1.講解物聯(lián)系統(tǒng)中反饋與控制的關系，強調控制是基于反饋數(shù)據(jù)調整設備或系統(tǒng)工作狀態(tài)，以火車站驗票系統(tǒng)（根據(jù)車票信息反饋控制閘機開合）、掃地機器人（根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)反饋規(guī)劃清掃路線和控制清掃動作）為例，讓學生理解控制在物聯(lián)系統(tǒng)中的重要性和實現(xiàn)方式。2.介紹控制的類型，包括人工控制（如用戶通過手機App發(fā)送指令控制家電）和自動控制（如智能照明系統(tǒng)根據(jù)光線傳感器數(shù)據(jù)自動調節(jié)亮度），引導學生思考生活中常見的遠程控制案例（如遠程控制空調、電視等），組織學生分組討論這些案例是如何實現(xiàn)控制的（如通過網絡連接、特定協(xié)議傳輸指令、設備接收并執(zhí)行動作），每個小組推選一名代表發(fā)言，分享小組討論結果，教師進行總結和補充，加深學生對控制概念和實現(xiàn)方式的理解，培養(yǎng)學生的觀察和分析能力。二、學分析遠程控制開鎖功能1.提出遠程控制開鎖的功能需求，組織學生分組討論：屬于人工控制還是自動控制？引導學生分析遠程控制開鎖是由用戶主動操作觸發(fā)指令發(fā)送，屬于人工控制范疇，培養(yǎng)學生對控制類型的判斷能力。系統(tǒng)是如何工作的？引導學生從系統(tǒng)架構角度思考，包括數(shù)據(jù)的采集（用戶端按鍵操作采集指令）、傳輸（通過網絡和MQTT服務器）、處理（計算模塊判斷指令并轉發(fā)）和執(zhí)行（門鎖端接收指令控制開鎖），培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維能力。2.詳細描述遠程控制開鎖的工作過程，結合圖示（如用戶端、MQTT服務器、門鎖端之間的數(shù)據(jù)流向圖）講解：用戶端（輸入模塊）：按鍵觸發(fā)后，主控板采集按鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)，并發(fā)布開鎖指令消息至MQTT服務器相應主題。MQTT服務器（計算模塊）：搭建好的服務器接收用戶端發(fā)布的消息，并根據(jù)主題將消息轉發(fā)給訂閱該主題的門鎖端。門鎖端（輸出模塊）：訂閱MQTT服務器相應主題，當收到開鎖指令消息后，控制舵機轉動實現(xiàn)開鎖動作。3.分析遠程控制開鎖功能的模塊組成，通過表格形式講解各模塊的硬件構成和功能：輸入模塊：硬件：主控板和按鍵傳感器。功能：按鍵傳感器檢測用戶按鍵操作，將狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給主控板，主控板負責將開鎖指令發(fā)布至MQTT服務器主題。計算模塊：硬件：具備移動熱點功能的計算機（用于搭建本地MQTT服務器）。功能：搭建MQTT服務器，設置主題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、管理和分發(fā)，確保用戶端和門鎖端之間的數(shù)據(jù)準確傳輸。輸出模塊：硬件：主控板和舵機。功能：主控板訂閱MQTT服務器主題，接收開鎖指令后，控制舵機轉動實現(xiàn)開鎖，將數(shù)字指令轉化為物理動作。三、模擬實現(xiàn)遠程控制開鎖功能1.實踐操作環(huán)節(jié)：分解模塊，設計算法：教師引導學生根據(jù)功能模塊分析，設計遠程控制開鎖功能的實現(xiàn)算法，包括用戶端如何采集按鍵狀態(tài)并發(fā)布指令、門鎖端如何訂閱指令并控制開鎖，以及MQTT服務器如何協(xié)調兩者之間的數(shù)據(jù)交互，讓學生明確各部分的任務和邏輯關系，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)設計能力。搭建實驗環(huán)境：連接無線網絡：確保實驗設備能夠正常連接網絡，教師指導學生進行網絡連接設置，檢查網絡連接是否成功，避免因網絡問題影響后續(xù)實驗。搭建本地MQTT服務器：教師演示使用具備移動熱點功能的計算機搭建本地MQTT服務器的過程，包括安裝相關軟件、進行配置，強調服務器配置的關鍵參數(shù)和注意事項，讓學生了解服務器搭建的基本步驟。學生分組在計算機上搭建本地MQTT服務器，記錄服務器的相關信息（地址、端口、用戶名和密碼），教師巡視各小組，及時幫助學生解決遇到的問題（如軟件安裝失敗、配置錯誤等），確保每個小組都能成功搭建服務器，培養(yǎng)學生的服務器操作能力。用戶端功能實現(xiàn)：教師講解用戶端（輸入模塊）的硬件連接方法，即按鍵傳感器與主控板的連接（如將按鍵傳感器連接到主控板的特定引腳），展示連接示意圖，讓學生清晰了解硬件連接方式。教師展示用戶端實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布的主要代碼，逐行解釋代碼含義，如初始化按鍵傳感器、檢測按鍵狀態(tài)、當按鍵按下時向MQTT服務器主題發(fā)布開鎖指令（“open”），并設置延遲時間防止重復發(fā)送，讓學生理解代碼如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和發(fā)布，培養(yǎng)學生的編程思維。學生根據(jù)教師講解進行硬件連接和程序編寫，將編寫好的程序燒錄到用戶端主控板中，教師檢查學生硬件連接和程序代碼，確保無誤后進行下一步操作，培養(yǎng)學生的動手實踐能力。門鎖端功能實現(xiàn)：教師講解門鎖端的硬件連接和程序編寫思路，即訂閱MQTT服務器主題，當接收到開鎖指令時，通過控制舵機轉動實現(xiàn)開鎖動作，展示訂閱主題和控制舵機的代碼示例，讓學生理解門鎖端如何接收和處理數(shù)據(jù)。教師提供部分門鎖端功能實現(xiàn)的主要代碼（如定義開鎖函數(shù)、綁定MQTT消息接收事件等），引導學生理解代碼邏輯，要求學生小組自主完成代碼補充和完善（如根據(jù)實際硬件連接調整舵機控制引腳等），培養(yǎng)學生的自主學習和編程能力。學生編寫門鎖端程序，連接主控板和舵機，將程序燒錄到主控板中，教師巡視指導，幫助學生解決程序編寫和硬件連接中遇到的問題（如訂閱失敗、舵機控制異常等），確保門鎖端能夠正確接收指令并開鎖，培養(yǎng)學生的編程和調試能力。小組合作，完善代碼，運行驗證功能：學生分組進行整體功能的調試和完善，確保用戶端能夠準確采集按鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)并發(fā)布指令，MQTT服務器正常工作，門鎖端能夠及時接收到指令并開鎖，教師引導學生在調試過程中觀察系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)，分析可能出現(xiàn)的問題（如數(shù)據(jù)傳輸延遲、丟失，指令解析錯誤，開鎖動作異常等）并進行排查，培養(yǎng)學生的問題解決能力和團隊協(xié)作能力。各小組進行功能驗證，模擬遠程按下按鍵，觀察門鎖端舵機是否能正確轉動開鎖，若出現(xiàn)問題，小組內共同分析原因并解決，教師巡視各小組，對普遍問題進行集中講解和指導，確保每個小組都能成功實現(xiàn)遠程控制開鎖功能，讓學生體驗到物聯(lián)系統(tǒng)的實際控制效果，增強學生的實踐成就感。 深入了解遠程控制的相關知識 通過幾個學習活動讓學習開始掌握本節(jié)課的重點及難點
課堂練習 提出問題：“在模擬遠程控制開鎖功能的過程中，你遇到了哪些困難？如何解決的？你認為遠程控制開鎖系統(tǒng)在安全性方面存在哪些問題？如何改進？”組織學生分組討論，鼓勵學生分享實踐中的經驗和問題，如硬件連接不穩(wěn)定的解決方法、程序邏輯錯誤的調試經驗等，引導學生思考遠程控制開鎖系統(tǒng)可能存在的安全隱患（如網絡攻擊導致開鎖指令被劫持、用戶身份驗證漏洞、設備被破解等）以及相應的改進措施（如加密傳輸數(shù)據(jù)、增加身份驗證方式、定期更新設備固件等），培養(yǎng)學生的問題解決能力和安全意識。每個小組推選一名代表發(fā)言，分享小組討論結果，其他小組可以進行補充和提問，教師進行總結和點評，強調在物聯(lián)系統(tǒng)設計中安全因素的重要性，鼓勵學生在今后的學習和實踐中注重系統(tǒng)的安全性設計。 提出相關問題，學生之間進行討論與思考，進一步擴展所學知識 進一步拓展本節(jié)課的學習知識
課堂小結 1.與學生一起回顧本節(jié)課的重點內容，包括物聯(lián)系統(tǒng)中控制的概念（基于反饋調整設備狀態(tài)）、反饋與控制的關系、遠程控制開鎖功能的工作過程（用戶端 - MQTT服務器 - 門鎖端的數(shù)據(jù)流程）、功能模塊組成（輸入、計算、輸出模塊及功能）以及利用物聯(lián)網服務平臺實現(xiàn)遠程控制開鎖功能的實踐操作要點，強調控制原理在物聯(lián)系統(tǒng)中的核心作用和MQTT協(xié)議在遠程控制中的應用優(yōu)勢。2.提問學生：“通過本節(jié)課的學習，你對遠程控制開鎖功能的實現(xiàn)有了哪些新的認識？在生活中你還能想到哪些類似的物聯(lián)網遠程控制應用場景？”引導學生總結自己的學習收獲，加深對知識的理解和應用能力，同時培養(yǎng)學生對物聯(lián)網技術在生活中應用的觀察力。 引導學生總結自己本節(jié)課的學習收獲 對本節(jié)課的學習進行總結
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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