人教版2024新版八年级全一册信息技术第10课 物物互通有新径 教学设计

第第页人教版(2024新版）\o"八年级全一册"八年级全一册信息技术第二单元\o"第2单元万物互联有协议"万物互联有协议第10课物物互通有新径教学设计一、学情分析学生在日常生活中对物联网有一定的接触和感受，如智能手表、智能家居设备等。但对于物联网的技术原理和实现方式了解较少。学生具有较强的好奇心和探索欲望，喜欢通过实践活动来学习新知识。二、教材分析本单元围绕万物互联有协议展开，第六课主要介绍数据传输的多种方式。通过学习，学生将了解不同数据传输方式的原理、特点和应用，为后续学习网络通信和物联网技术奠定基础。三、核心素养教育目标1.信息意识：让学生认识到物联网在信息时代的重要性，培养对物联网技术的敏感度。2.计算思维：引导学生分析物物互通的实现过程，培养逻辑思维和问题解决能力。3.数字化学习与创新：鼓励学生探索物联网技术的应用，培养创新意识和实践能力。4.信息社会责任：培养学生在使用物联网设备时的安全意识和责任意识。四、教学重点与难点教学重点1.掌握MQTT的通信机制。2.学会利用物联网服务平台实现订阅功能。教学难点1.理解MQTT通信机制中复杂的概念和流程。2.解决在使用物联网服务平台实现订阅功能时可能遇到的问题。五、教学准备1.制作PPT课件，展示MQTT通信机制的图片、原理图和应用案例。2.准备电脑及网络环境，用于演示MQTT通信和物联网服务平台的操作。3.注册一个物联网服务平台账号，以便在课堂上进行演示和学生实践。4.设计一些与MQTT通信和订阅功能相关的问题卡片。六、教学过程（一）导入新课师：同学们，在前面的课程中，我们已经了解了物联网中的一些通信方式和数据传输方法。今天，我们将学习一种新的物物互通途径——MQTT协议。MQTT协议在物联网中有着广泛的应用，它可以实现高效、可靠的物物通信。那么，MQTT的通信机制是怎样的呢？我们又如何利用它来实现物物互通呢？让我们一起走进今天的课程。（展示一些物联网中使用MQTT协议进行通信的场景图片，如智能家居系统中设备之间的通信、工业自动化中的传感器数据传输等，激发学生的学习兴趣。）（二）新课讲解1.MQTT通信机制简介（1）定义师：MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport），即消息队列遥测传输协议，是一种轻量级的发布/订阅消息传输协议。它主要用于在低带宽、不可靠的网络环境下，为远程连接的设备提供实时可靠的消息服务。（展示MQTT协议的概念图，让学生直观地了解其定义。）（2）MQTT的主要特点轻量级：MQTT协议的设计非常简洁，占用的网络带宽和设备资源都非常少。这使得它非常适合在资源受限的物联网设备上使用。发布/订阅模式：MQTT采用发布/订阅模式进行通信。发布者将消息发布到特定的主题（Topic）上，订阅了该主题的订阅者就可以接收到这些消息。这种模式使得设备之间的通信更加灵活和高效。可靠性高：MQTT协议提供了三种不同的服务质量（QoS）级别，分别是最多一次（Atmostonce）、至少一次（Atleastonce）和恰好一次（Exactlyonce）。这使得开发者可以根据不同的应用场景选择合适的服务质量级别，保证消息的可靠传输。支持多种网络环境：MQTT协议可以在各种网络环境下工作，包括低带宽、高延迟、不可靠的网络。它还支持断线重连功能，当设备与服务器断开连接后，重新连接时可以自动恢复订阅状态。（通过图片和文字介绍，详细讲解MQTT协议的主要特点，让学生了解MQTT协议的优势。）（3）MQTT的基本架构师：MQTT协议的基本架构由发布者（Publisher）、订阅者（Subscriber）和服务器（Broker）三部分组成。发布者：发布者是消息的生产者，它将消息发布到特定的主题上。发布者可以是任何能够连接到MQTT服务器的设备，如传感器、控制器、智能手机等。订阅者：订阅者是消息的消费者，它订阅了特定的主题，并接收发布者发布到该主题上的消息。订阅者也可以是任何能够连接到MQTT服务器的设备，如显示器、报警器、服务器等。服务器：服务器是MQTT协议的核心，它负责接收发布者发布的消息，并将这些消息转发给订阅了相应主题的订阅者。服务器还负责管理发布者和订阅者的连接，维护主题列表和订阅关系等。（通过示意图和文字介绍，详细讲解MQTT协议的基本架构，让学生了解发布者、订阅者和服务器之间的关系。）2.MQTT的通信过程（1）连接建立师：发布者和订阅者在与服务器进行通信之前，首先需要建立连接。连接建立的过程包括以下几个步骤：客户端（发布者或订阅者）向服务器发送连接请求，请求中包含客户端的标识、用户名、密码等信息。服务器收到连接请求后，对客户端的身份进行验证。如果验证通过，服务器会向客户端发送连接确认消息，建立连接。客户端收到连接确认消息后，连接建立成功。（通过示意图和动画演示，详细讲解连接建立的过程，让学生了解MQTT通信的第一步。）（2）发布消息师：发布者在连接建立成功后，可以向服务器发布消息。发布消息的过程包括以下几个步骤：发布者确定要发布的消息内容和主题。发布者将消息内容和主题封装成MQTT消息格式，并向服务器发送发布消息请求。服务器收到发布消息请求后，将消息存储在相应的主题中，并将消息转发给订阅了该主题的订阅者。（通过示意图和动画演示，详细讲解发布消息的过程，让学生了解发布者的操作。）（3）订阅主题师：订阅者在连接建立成功后，可以向服务器订阅特定的主题。订阅主题的过程包括以下几个步骤：订阅者确定要订阅的主题。订阅者向服务器发送订阅主题请求，请求中包含要订阅的主题列表。服务器收到订阅主题请求后，将订阅者加入到相应主题的订阅列表中，并向订阅者发送订阅确认消息。（通过示意图和动画演示，详细讲解订阅主题的过程，让学生了解订阅者的操作。）（4）接收消息师：订阅者在订阅了特定的主题后，就可以接收发布者发布到该主题上的消息。接收消息的过程包括以下几个步骤：服务器将发布者发布的消息转发给订阅了相应主题的订阅者。订阅者收到消息后，对消息进行处理。（通过示意图和动画演示，详细讲解接收消息的过程，让学生了解订阅者如何接收消息。）3.MQTT的服务质量（QoS）级别师：MQTT协议提供了三种不同的服务质量级别，分别是最多一次（Atmostonce）、至少一次（Atleastonce）和恰好一次（Exactlyonce）。最多一次（QoS0）：在这种服务质量级别下，消息的发送是不可靠的。发布者将消息发送到服务器后，不会等待服务器的确认消息。因此，消息可能会丢失或重复发送。这种服务质量级别适用于对消息可靠性要求不高的场景，如环境监测数据的传输。至少一次（QoS1）：在这种服务质量级别下，消息的发送是可靠的。发布者将消息发送到服务器后，会等待服务器的确认消息。如果服务器没有收到消息，发布者会重新发送消息，直到收到服务器的确认消息为止。因此，消息可能会重复发送，但不会丢失。这种服务质量级别适用于对消息可靠性要求较高的场景，如工业自动化中的控制命令传输。恰好一次（QoS2）：在这种服务质量级别下，消息的发送是最可靠的。发布者将消息发送到服务器后，会与服务器进行两次握手，确保消息只被发送一次且被正确接收。这种服务质量级别适用于对消息可靠性要求非常高的场景，如金融交易数据的传输。（通过示意图和文字介绍，详细讲解MQTT的服务质量级别，让学生了解不同服务质量级别之间的差异和适用场景。）4.利用物联网服务平台实现订阅功能（1）选择物联网服务平台师：目前，市面上有很多物联网服务平台可供选择，如阿里云IoT、腾讯云IoT、百度云IoT等。这些平台都提供了MQTT协议的支持，可以方便地实现设备之间的通信和数据传输。在选择物联网服务平台时，需要考虑以下几个因素：功能和性能：选择一个功能强大、性能稳定的物联网服务平台，可以保证设备之间的通信和数据传输的可靠性和效率。易用性：选择一个易于使用的物联网服务平台，可以降低开发难度和成本。安全性：选择一个安全可靠的物联网服务平台，可以保护设备和数据的安全。成本：选择一个成本合理的物联网服务平台，可以降低项目的总体成本。（通过对不同物联网服务平台的介绍和比较，让学生了解如何选择适合自己的物联网服务平台。）（2）注册和登录物联网服务平台师：选择好物联网服务平台后，需要注册一个账号并登录平台。注册账号的过程通常比较简单，只需要提供一些基本的信息，如用户名、密码、邮箱等。登录平台后，可以进入平台的控制台，进行设备管理、数据管理、规则引擎等操作。（通过实际操作演示，让学生了解如何注册和登录物联网服务平台。）（3）创建主题和订阅主题师：在物联网服务平台上，可以创建主题和订阅主题。创建主题的过程通常比较简单，只需要指定主题的名称和描述即可。订阅主题的过程也比较简单，只需要选择要订阅的主题，并指定订阅者的标识和订阅方式即可。（通过实际操作演示，让学生了解如何在物联网服务平台上创建主题和订阅主题。）（4）测试订阅功能师：创建主题和订阅主题后，可以进行测试订阅功能。测试的方法可以是使用一个发布者设备发布消息到特定的主题上，然后观察订阅者设备是否能够接收到这些消息。如果订阅者设备能够接收到消息，说明订阅功能正常。如果订阅者设备不能接收到消息，需要检查发布者和订阅者的配置是否正确，以及网络连接是否正常。（通过实际操作演示，让学生了解如何测试订阅功能。）（三）巩固练习1.MQTT知识问答（1）将学生分成若干小组，每个小组推选一名代表。（2）教师准备一些与MQTT通信机制相关的问题，如MQTT的发布/订阅模式是怎样的、MQTT的服务质量级别有哪些、如何在物联网服务平台上创建主题等。（3）每个小组的代表依次回答问题，答对一题得一分，答错一题扣一分。（4）最后得分最高的小组获胜，教师给予奖励。（通过知识问答的方式，巩固学生对MQTT通信机制的掌握，提高学生的学习积极性和竞争意识。）2.MQTT订阅功能实验（1）教师提供一些物联网设备模拟软件，如虚拟传感器、虚拟显示器等。（2）学生分成小组，进行MQTT订阅功能实验。每个小组的任务是选择一种物联网设备模拟软件，使用物联网服务平台实现订阅功能，并将接收到的消息显示在模拟设备上。（3）学生在小组内进行实验和记录，完成任务后提交实验报告。（4）教师对学生的实验报告进行评价，总结学生在实验过程中遇到的问题和解决方法。（通过实验的方式，让学生亲身体验MQTT订阅功能的实现过程，提高学生的实践操作能力和问题解决能力。）3.MQTT应用创意设计（1）教师提出一个设计任务，如设计一个基于MQTT协议的智能家居系统、智能农业系统等。（2）学生分成小组，进行MQTT应用创意设计。每个小组可以根据自己的兴趣和特长，选择不同的设计方向，如环境监测、设备控制、安全防范等。（3）学生在小组内进行讨论和设计，绘制系统架构图，撰写设计说明。（4）每个小组推选一名代表进行展示，介绍自己小组的设计方案。（5）其他小组的学生对展示的方案进行评价，提出优点和不足之处。（6）教师对每个小组的方案进行点评，评选出最佳设计方案。（通过创意设计的方式，培养学生的创新思维和实践能力，让学生将所学的MQTT知识应用到实际问题中。）（四）课堂小结师：同学们，今天我们一起学习了MQTT的通信机制和利用物联网服务平台实现订阅功能的方法。通过学习，我们了解了MQTT协议的定义、特点、基本架构和通信过程，掌握了发布者、订阅者和服务器之间的关系，以及如何在物联网服务平台上创建主题和订阅主题。希望同学们在今后的学习和生活中，能够关注物联网技术的发展，积极探索MQTT协议在物联网中的应用，为推动物联网的发展做出自己的贡献。（五）作业布置1.查阅资料，了解更多关于MQTT协议的应用案例，并选择一个自己感兴趣的案例进行分析，写一篇短文。2.思考如何利用MQTT协议解决生活中的实际问题，提出一个创意方案，并撰写方案说明。七、板书设计1.MQTT通信机制简介（定义、特点、架构）2.通信过程（连接建立、发布消息、订阅主题、接收消息）3.服务质量级别4.订阅功能实践要点八、课后反思在本节课的教学中，通过多种教学方法的运用，如讲解、演示、实践操作、小组讨论等，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的学习积极性和参与度。在新课讲解环节，对MQTT的通信机制和利用物联网服务平台实现订阅功能的方法进行了详细的讲解，使学生对MQTT协议有了较为全面的认识。在巩固练习环节，通过知识问答、实验操作和创意设计等活动，巩固了学生对所学知识的掌握，提高了学生的实践操作能力和创新思维能力。然而，在教学过程中也存在一些不足之处。例如，在讲解MQTT的服务质量级别时，由于这部分内容