教學設計

課程基本信息學科信息科技年級七年級學期春季課題第9課物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議教科書書名：信息科技教材出版社：浙江教育出版社出版日期：2023年12月教學內容與學習對象分析本課是第二單元第9課，內容主要包括“認識MQTT協(xié)議”“MQTT訂閱模型”，對應《課程標準》中的“物聯(lián)網(wǎng)基本原理與功能”的部分。本課是學生學習了感知技術、傳感器概念與原理、傳感器類型和功能、無線通信技術的基礎上，進一步了解物聯(lián)網(wǎng)背后的技術原理和運行機制，為后續(xù)從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計規(guī)劃到軟硬件實踐操作打下基礎。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的拓展和延伸，在七年級上冊第二單元第7課《互聯(lián)網(wǎng)應用協(xié)議》、第8課《TCP/IP》闡述了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議相關內容，呈現(xiàn)了網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的編碼、傳輸和呈現(xiàn)原理，對物聯(lián)網(wǎng)中協(xié)議的作用與工作原理做了一定的鋪墊。本課遵循“數(shù)據(jù)”、“網(wǎng)絡”兩條邏輯主線，對應新課標的物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索，響應其中“能根據(jù)需求，設計和搭建簡單的物聯(lián)系統(tǒng)原型，體驗其中數(shù)據(jù)處理和應用的方法與過程”的內容要求。本課內容從HTTP協(xié)議到適合物聯(lián)網(wǎng)傳輸特點的協(xié)議設計需求，再到MQTT協(xié)議的產(chǎn)生和應用，展現(xiàn)MQTT協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應用并發(fā)展的原因。教材中將HTTP協(xié)議和MQTT協(xié)議做比較，指出網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸依賴協(xié)議的重要性。為了進一步了解MQTT協(xié)議的特點，教材中在MQTT訂閱模型內容板塊展開介紹了MQTT協(xié)議的發(fā)布和訂閱模型，模型示意圖經(jīng)歷從復雜到簡單的迭代過程，幫助學生加深對MQTT協(xié)議的理解。結合理論與實踐，提升學生的邏輯思維和問題解決能力，并強調信息安全和個人隱私保護的重要性，以培養(yǎng)學生的信息社會責任意識。學習對象是七年級學生，他們善合作、樂表達，對原理的探究充滿好奇和探究精神。經(jīng)過前面幾課的學習，學生已經(jīng)對物聯(lián)網(wǎng)的概念、特征、有了初步認識，對物聯(lián)網(wǎng)四層架構有一定感知和了解；知道傳感器的原理、常見傳感器類型，會選擇合適的傳感器進行應用；了解物聯(lián)網(wǎng)中常見的無線通信方法。但學生對傳感器從感知層到網(wǎng)絡層的工作原理以及物聯(lián)網(wǎng)的運行機制還不知其所以然。他們沒有Python的編程基礎，對于抽象、零散的原理知識接受能力偏弱。因此，教師需要提供校園農(nóng)場物聯(lián)原型、“校園農(nóng)場智能光照”實驗的導學單作為支持材料，組織學生觀察與探究，促進學生了解應用MQTT協(xié)議實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信的基本過程。教學目標分析（含核心素養(yǎng)導向）1.通過HTTP和MQTT協(xié)議的對比學習，了解物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。2.通過對MQTT協(xié)議的消息發(fā)布/訂閱模型的學習，了解應用MQTT協(xié)議實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信的基本過程。通過“智能光照”實驗，梳理MQTT的工作流程，驗證MQTT發(fā)布與訂閱模型，實現(xiàn)理論與實踐相結合，落實科與技并存。通過拓展實驗，進一步理解MQTT發(fā)布者和訂閱者之間數(shù)據(jù)流轉的雙向過程，引導學生關注數(shù)據(jù)安全、保護個人隱私。學生理解并剖析MQTT協(xié)議實質，理解物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\行機制，進一步增強學生的數(shù)據(jù)安全意識，滲透信息社會責任感。教學重點：1.認識MQTT協(xié)議

2.了解MQTT協(xié)議的消息發(fā)布/訂閱模型。

教學難點：1.了解MQTT協(xié)議2.理解MQTT協(xié)議的消息發(fā)布/訂閱模型。教學過程（一）感知【活動描述】學生觀看視頻，感知校園農(nóng)場物聯(lián)系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享和傳遞的過程?！緦W生活動】1.觀察“校園農(nóng)場物聯(lián)系統(tǒng)原型”實物，關注其實現(xiàn)的功能。2.集體觀看大屏幕“校園農(nóng)場物聯(lián)系統(tǒng)原型”的解說視頻，思考以下問題：（1）校園農(nóng)場中的傳感器、管理員手機、云端服務器等設備，是如何實現(xiàn)信息共享和傳遞？（2）物聯(lián)系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享和傳遞的原因？【教師活動】1.課前調試好實物原型進行展示。2.在學生觀看視頻的過程中，觀察學生反應，包括注意力集中程度、表情變化等。3.根據(jù)問題的梯度，選擇兩位學生代表分享觀看視頻的感受并回答問題。在學生思考并分享的過程中，引導學生初步感知物聯(lián)系統(tǒng)中的信息共享和傳遞的原因?！绢A設】生1（課前無準備的學生）：我知道物聯(lián)系統(tǒng)中信息的傳遞，但不清楚原理。生2（課前有準備的學生）：我知道物聯(lián)系統(tǒng)中如何實現(xiàn)信息共享和傳遞需要協(xié)議。【設計意圖】通過引入“校園農(nóng)場智能物聯(lián)系統(tǒng)”原型演示進入課堂，旨在激發(fā)學生的學習興趣，引導他們探索物聯(lián)網(wǎng)信息共享和傳遞的實現(xiàn)原理，初步感知物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。（二）建構活動1：認識MQTT協(xié)議【活動描述】學生觀看微視頻，師生共同梳理MQTT協(xié)議的概念和特點?！緦W生活動】1.閱讀書本P49，小組合作探究物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的類型和功能，結合微課，完成導學單中的問題：（1）“校園農(nóng)場”采用什么物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議比較合適？（2）HTTP協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)應用中有哪些局限？2.學生代表發(fā)言，展示討論結果。分享格式參考如下：經(jīng)過學習討論，我們認為更加適合物聯(lián)網(wǎng)場景，理由是具有的特點?！窘處熁顒印?.在學生閱讀教材時，教師進行巡視指導。2.邀請兩名學生發(fā)言，在學生匯報分享時，逐步引導學生對比學習MQTT和HTTP協(xié)議，了解MQTT的特點?！绢A設】生1（基礎不好的學生）：我不清楚MQTT和HTTP協(xié)議之間的區(qū)別點。（如果學生選擇有偏差，教師及時糾正，幫助學生理解MQTT的優(yōu)勢。）生2（基礎較好的學生）：我知道MQTT和HTTP協(xié)議之間的區(qū)別點，也了解MQTT的特點。（針對學生回答，教師引導學生構建出“MQTT名片”，如圖1所示，包含中文名、協(xié)議本質、設計目的、協(xié)議基礎和應用場景五個方面。）圖1MQTT名片展示圖【設計意圖】通過對比學習，分析物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)過程中存在的問題和HTTP協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)應用中的局限，將知識進行遷移升級，構建出“MQTT名片”，落實本課學習的重點?；顒?：了解應用MQTT協(xié)議實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信的過程【活動描述】自主閱讀教材，猜想MQTT的模型數(shù)據(jù)流轉，完成示意圖連接?！緦W生活動】1.自主閱讀教材內容，提煉關鍵詞，小組合作完成導學單中活動2的填空。結合“校園農(nóng)場”的光照功能（利用手機APP查看光照數(shù)據(jù))，猜想MQTT的模型示意圖，在導學單上填寫角色并用箭頭畫出數(shù)據(jù)傳輸方向。2.小組代表發(fā)言：猜想的MQTT的模型示意圖，光照數(shù)據(jù)傳輸方向。圖2光照數(shù)據(jù)傳輸方向圖【教師活動】1.在學生完成導學單活動2的時候，巡視觀察學生，實時用手機拍攝學生的答題記錄。2.展示2-3組的導學單活動2結果，利用希沃白板同步學生屏幕展示答題結果，組織學生進行匯報，并鼓勵其他學生提問和補充，促進深入探討。學生1導學單截圖學生2導學單截圖【預設】生1：還不理解MQTT的模型，可能會出現(xiàn)很多的連線方式。（針對此情況，提醒學生在教材中圈出關鍵詞。）生2：MQTT的模型初步了解，學生能正確連接，出現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向箭頭。（教師作小結，引領學生利用實驗驗證方式來解析數(shù)據(jù)流轉方向，從而真正解鎖MQTT協(xié)議的原理。）【設計意圖】通過自學教材，學生將掌握MQTT協(xié)議的三種角色及其工作原理。為深化理解，進行光照功能案例分析，并繪制數(shù)據(jù)流向圖以推測MQTT的工作模型，為后續(xù)實驗做好鋪墊。活動3：了解MQTT的發(fā)布【活動描述】學生進行實驗一，將光線檢測數(shù)據(jù)上傳服務器，查看數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，師生共同梳理MQTT發(fā)布模型?！緦W生活動】小組合作，利用實驗器材，參考實驗步驟幫助視頻，完成實驗操作，做好導學單實驗記錄。表1實驗一記錄表實驗一：將光線檢測數(shù)據(jù)上傳服務器，查看數(shù)據(jù)呈現(xiàn)光線檢測設備：服務器：實驗步驟1.登錄物聯(lián)數(shù)據(jù)中控平臺，新建項目“智能光照”。2.新建主題，輸入“l(fā)ight”，選擇設備類別，填寫設備名稱。主題名稱類別設備名輸入設備輸出設備3.打開信息科技實驗板編程工具，連接實驗板，導入“智能光照”程序，并在程序中修改userId和projectId。主題名稱呈現(xiàn)數(shù)據(jù)1呈現(xiàn)數(shù)據(jù)2呈現(xiàn)數(shù)據(jù)3呈現(xiàn)數(shù)據(jù)4正常環(huán)境光有遮擋強光4.運行程序，在數(shù)據(jù)中臺運行項目，在主題“l(fā)ight”中查看平臺數(shù)據(jù)呈現(xiàn)情況，更改光照條件，觀察平臺中對應主題數(shù)據(jù)的變化情況并記錄。通過實驗，我發(fā)現(xiàn)通過主題（選擇發(fā)布/訂閱)可以將數(shù)據(jù)從發(fā)送到。【教師活動】1.介紹實驗步驟和程序的關鍵語句，強調ID號的修改。2.巡視指導，引導學生在實驗過程中關注信息傳遞的過程，及時解決學生出現(xiàn)的問題。提醒學生可參考實驗操作步驟說明（如圖3所示）圖3光照數(shù)據(jù)的發(fā)布實驗操作步驟說明3.邀請一組學生演示實驗結果并進行總結，填寫發(fā)布過程圖。（如圖4所示）圖4光照數(shù)據(jù)的發(fā)布過程圖【預設】生1：實驗板編程程序中的用戶ID和項目ID沒有改成物聯(lián)數(shù)據(jù)中臺中的用戶ID和項目ID，實驗板和平臺沒有連接。（針對這種情況，提醒學生要將ID號進行對應修改）生2：物聯(lián)數(shù)據(jù)中控平臺中項目和主題“名稱”和實驗板編程程序中調用的名稱沒有對應，造成無法讀取數(shù)據(jù)。（針對這種情況，組織出現(xiàn)共同問題的小組成員觀看老師演示，如何找到主題名稱，并進行修改。）生3：教室WIFI無法滿足多個實驗板連接，造成無法同時聯(lián)網(wǎng)。(針對這種情況,提醒學生嘗試換一個WIFI賬號連接）生4：實驗板出現(xiàn)無法燒錄等狀況。（針對這種情況，老師幫助學生清除實驗板緩存數(shù)據(jù)，或是換一個備用實驗板）【設計意圖】學生將親身體驗數(shù)據(jù)從設備上傳到平臺的過程，并理解MQTT協(xié)議的信息發(fā)布機制，從而突破本課的學習難點?；顒?：了解MQTT的訂閱【活動描述】小結實驗一完成情況，小組合作進行實驗二，通過數(shù)據(jù)控制燈的亮滅，實現(xiàn)智能光照?！緦W生活動】1.部分未完成實驗一的小組，繼續(xù)調試實驗一結果。2.已完成實驗一的小組，利用實驗器材，根據(jù)實驗步驟完成實驗二操作，做好實驗二記錄。參考操作幫助視頻。表2實驗二記錄表第一步：新建主題，輸入“button”，選擇設備類別，填寫設備名稱。主題名稱類別設備名輸入設備輸出設備第二步：在“button”主題中，查看輸出控制的button值，觀察RGB燈亮滅情況。主題名稱主題數(shù)據(jù)值RGB燈亮滅情況主題數(shù)據(jù)值RGB燈亮滅情況button通過實驗，我發(fā)現(xiàn)通過主題（選擇發(fā)布/訂閱)可以將數(shù)據(jù)從發(fā)送到。思考：在實驗中，服務器為什么需要始終保持連接?如果斷開網(wǎng)絡連接，數(shù)據(jù)還能正常傳輸嗎？實驗結論：經(jīng)過實驗研究，MQTT是一種協(xié)議；（填工作原理）【教師活動】1.幫助個別小組進行實驗一的調試，關注學生的實驗二過程，并邀請一組學生演示。2.廣播總結實驗的結果，完成訂閱過程圖的填寫。（如圖5所示）圖5光照數(shù)據(jù)的訂閱過程圖【預設】生1：實驗成功的小組，展示實驗結果，并進行下一個實驗。生2：實驗過程中遇到問題無法呈現(xiàn)實驗結果的小組，老師引導小組間互助互學，幫助分析問題的原因，尋找解決的方法?！驹O計意圖】通過實驗二，學生將探究數(shù)據(jù)從平臺到設備的傳輸過程，理解MQTT信息訂閱機制，并初步掌握設備智能控制原理。在此過程中，學生將相互學習、互相幫助，實現(xiàn)樂于分享和小組協(xié)作的素養(yǎng)目標。活動5：了解MQTT的發(fā)布/訂閱模型【活動描述】師生總結兩個實驗結果（如圖6所示），梳理MQTT模型，完成課堂小結鞏固練習?！緦W生活動】1.完成表格3的記錄內容，梳理MQTT中的三種功能和作用，積極進行討論思考，嘗試語言描述。圖6MQTT發(fā)布/訂閱模型圖表3MQTT中的三種功能和作用記錄表功能作用ABC2.一名學生到黑板上完成MQTT發(fā)布/訂閱模型的板貼（如圖7所示）。圖7MQTT發(fā)布/訂閱模型【教師活動】1.關注學生完成課堂練習的情況，記錄完整的結果，鼓勵學生進行結果分享。2.觀察學生板貼情況的正確性、美觀性。3.師生共同總結MQTT模型的發(fā)布、訂閱模型。討論回答MQTT模型中為何要始終保持連接的原因。師生互動共同完成“經(jīng)過學習，我們了解MQTT是一種消息傳輸協(xié)議；（填工作原理）能夠實現(xiàn)的消息傳遞。(選擇“一對一”或“一對多”)支持，支持異步通信。”【預設】生1：表格填寫完全正確的同學，教師引導學生表達自己的理解，老師根據(jù)學生的表述給于鼓勵。生2：表格填寫有誤的同學，教師及時糾正，幫助學生理解MQTT的實質。【設計意圖】通過實驗探究的猜想-驗證-結論過程，梳理MQTT的工作流程，驗證其發(fā)布與訂閱模型，剖析MQTT協(xié)議的本質，理解物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸機制，從而提升學習興趣并鞏固課程重點。（三）應用活動6：拓展活動【活動描述】實驗操作實現(xiàn)兩個實驗板間的信息傳遞?！緦W生活動】1.部分小組繼續(xù)實驗二的調試。2.基礎好的小組進行拓展活動，完成導學單記錄表4。表4拓展實驗記錄表拓展實驗實現(xiàn)兩個實驗板間的信息傳遞。設備名稱通信內容是否成功設備一發(fā)送是否設備二接收是否設備二發(fā)送是否設備一接收是否實驗結果:經(jīng)過學習，我們了解MQTT是一種消息傳輸協(xié)議；（填工作原理）能夠實現(xiàn)的消息傳遞。(選擇“一對一”或“一對多”)支持，支持異步通信?！窘處熁顒印?.引導學生小組合作，探索兩塊實驗板之間的信息傳遞。2.巡視觀察，解答學生的疑問?！绢A設】生1：少數(shù)學生進行拓展實驗，挑戰(zhàn)實驗探究，老師需要多加鼓勵。生2