第第頁人教版(2024新版）\o"八年級全一冊"八年級全一冊信息技術第二單元\o"第2單元萬物互聯有協議"萬物互聯有協議第10課物物互通有新徑教學設計一、學情分析學生在日常生活中對物聯網有一定的接觸和感受，如智能手表、智能家居設備等。但對于物聯網的技術原理和實現方式了解較少。學生具有較強的好奇心和探索欲望，喜歡通過實踐活動來學習新知識。二、教材分析本單元圍繞萬物互聯有協議展開，第六課主要介紹數據傳輸的多種方式。通過學習，學生將了解不同數據傳輸方式的原理、特點和應用，為后續學習網絡通信和物聯網技術奠定基礎。三、核心素養教育目標1.信息意識：讓學生認識到物聯網在信息時代的重要性，培養對物聯網技術的敏感度。2.計算思維：引導學生分析物物互通的實現過程，培養邏輯思維和問題解決能力。3.數字化學習與創新：鼓勵學生探索物聯網技術的應用，培養創新意識和實踐能力。4.信息社會責任：培養學生在使用物聯網設備時的安全意識和責任意識。四、教學重點與難點教學重點1.掌握MQTT的通信機制。2.學會利用物聯網服務平臺實現訂閱功能。教學難點1.理解MQTT通信機制中復雜的概念和流程。2.解決在使用物聯網服務平臺實現訂閱功能時可能遇到的問題。五、教學準備1.制作PPT課件，展示MQTT通信機制的圖片、原理圖和應用案例。2.準備電腦及網絡環境，用于演示MQTT通信和物聯網服務平臺的操作。3.注冊一個物聯網服務平臺賬號，以便在課堂上進行演示和學生實踐。4.設計一些與MQTT通信和訂閱功能相關的問題卡片。六、教學過程（一）導入新課師：同學們，在前面的課程中，我們已經了解了物聯網中的一些通信方式和數據傳輸方法。今天，我們將學習一種新的物物互通途徑——MQTT協議。MQTT協議在物聯網中有著廣泛的應用，它可以實現高效、可靠的物物通信。那么，MQTT的通信機制是怎樣的呢？我們又如何利用它來實現物物互通呢？讓我們一起走進今天的課程。（展示一些物聯網中使用MQTT協議進行通信的場景圖片，如智能家居系統中設備之間的通信、工業自動化中的傳感器數據傳輸等，激發學生的學習興趣。）（二）新課講解1.MQTT通信機制簡介（1）定義師：MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport），即消息隊列遙測傳輸協議，是一種輕量級的發布/訂閱消息傳輸協議。它主要用于在低帶寬、不可靠的網絡環境下，為遠程連接的設備提供實時可靠的消息服務。（展示MQTT協議的概念圖，讓學生直觀地了解其定義。）（2）MQTT的主要特點輕量級：MQTT協議的設計非常簡潔，占用的網絡帶寬和設備資源都非常少。這使得它非常適合在資源受限的物聯網設備上使用。發布/訂閱模式：MQTT采用發布/訂閱模式進行通信。發布者將消息發布到特定的主題（Topic）上，訂閱了該主題的訂閱者就可以接收到這些消息。這種模式使得設備之間的通信更加靈活和高效。可靠性高：MQTT協議提供了三種不同的服務質量（QoS）級別，分別是最多一次（Atmostonce）、至少一次（Atleastonce）和恰好一次（Exactlyonce）。這使得開發者可以根據不同的應用場景選擇合適的服務質量級別，保證消息的可靠傳輸。支持多種網絡環境：MQTT協議可以在各種網絡環境下工作，包括低帶寬、高延遲、不可靠的網絡。它還支持斷線重連功能，當設備與服務器斷開連接后，重新連接時可以自動恢復訂閱狀態。（通過圖片和文字介紹，詳細講解MQTT協議的主要特點，讓學生了解MQTT協議的優勢。）（3）MQTT的基本架構師：MQTT協議的基本架構由發布者（Publisher）、訂閱者（Subscriber）和服務器（Broker）三部分組成。發布者：發布者是消息的生產者，它將消息發布到特定的主題上。發布者可以是任何能夠連接到MQTT服務器的設備，如傳感器、控制器、智能手機等。訂閱者：訂閱者是消息的消費者，它訂閱了特定的主題，并接收發布者發布到該主題上的消息。訂閱者也可以是任何能夠連接到MQTT服務器的設備，如顯示器、報警器、服務器等。服務器：服務器是MQTT協議的核心，它負責接收發布者發布的消息，并將這些消息轉發給訂閱了相應主題的訂閱者。服務器還負責管理發布者和訂閱者的連接，維護主題列表和訂閱關系等。（通過示意圖和文字介紹，詳細講解MQTT協議的基本架構，讓學生了解發布者、訂閱者和服務器之間的關系。）2.MQTT的通信過程（1）連接建立師：發布者和訂閱者在與服務器進行通信之前，首先需要建立連接。連接建立的過程包括以下幾個步驟：客戶端（發布者或訂閱者）向服務器發送連接請求，請求中包含客戶端的標識、用戶名、密碼等信息。服務器收到連接請求后，對客戶端的身份進行驗證。如果驗證通過，服務器會向客戶端發送連接確認消息，建立連接。客戶端收到連接確認消息后，連接建立成功。（通過示意圖和動畫演示，詳細講解連接建立的過程，讓學生了解MQTT通信的第一步。）（2）發布消息師：發布者在連接建立成功后，可以向服務器發布消息。發布消息的過程包括以下幾個步驟：發布者確定要發布的消息內容和主題。發布者將消息內容和主題封裝成MQTT消息格式，并向服務器發送發布消息請求。服務器收到發布消息請求后，將消息存儲在相應的主題中，并將消息轉發給訂閱了該主題的訂閱者。（通過示意圖和動畫演示，詳細講解發布消息的過程，讓學生了解發布者的操作。）（3）訂閱主題師：訂閱者在連接建立成功后，可以向服務器訂閱特定的主題。訂閱主題的過程包括以下幾個步驟：訂閱者確定要訂閱的主題。訂閱者向服務器發送訂閱主題請求，請求中包含要訂閱的主題列表。服務器收到訂閱主題請求后，將訂閱者加入到相應主題的訂閱列表中，并向訂閱者發送訂閱確認消息。（通過示意圖和動畫演示，詳細講解訂閱主題的過程，讓學生了解訂閱者的操作。）（4）接收消息師：訂閱者在訂閱了特定的主題后，就可以接收發布者發布到該主題上的消息。接收消息的過程包括以下幾個步驟：服務器將發布者發布的消息轉發給訂閱了相應主題的訂閱者。訂閱者收到消息后，對消息進行處理。（通過示意圖和動畫演示，詳細講解接收消息的過程，讓學生了解訂閱者如何接收消息。）3.MQTT的服務質量（QoS）級別師：MQTT協議提供了三種不同的服務質量級別，分別是最多一次（Atmostonce）、至少一次（Atleastonce）和恰好一次（Exactlyonce）。最多一次（QoS0）：在這種服務質量級別下，消息的發送是不可靠的。發布者將消息發送到服務器后，不會等待服務器的確認消息。因此，消息可能會丟失或重復發送。這種服務質量級別適用于對消息可靠性要求不高的場景，如環境監測數據的傳輸。至少一次（QoS1）：在這種服務質量級別下，消息的發送是可靠的。發布者將消息發送到服務器后，會等待服務器的確認消息。如果服務器沒有收到消息，發布者會重新發送消息，直到收到服務器的確認消息為止。因此，消息可能會重復發送，但不會丟失。這種服務質量級別適用于對消息可靠性要求較高的場景，如工業自動化中的控制命令傳輸。恰好一次（QoS2）：在這種服務質量級別下，消息的發送是最可靠的。發布者將消息發送到服務器后，會與服務器進行兩次握手，確保消息只被發送一次且被正確接收。這種服務質量級別適用于對消息可靠性要求非常高的場景，如金融交易數據的傳輸。（通過示意圖和文字介紹，詳細講解MQTT的服務質量級別，讓學生了解不同服務質量級別之間的差異和適用場景。）4.利用物聯網服務平臺實現訂閱功能（1）選擇物聯網服務平臺師：目前，市面上有很多物聯網服務平臺可供選擇，如阿里云IoT、騰訊云IoT、百度云IoT等。這些平臺都提供了MQTT協議的支持，可以方便地實現設備之間的通信和數據傳輸。在選擇物聯網服務平臺時，需要考慮以下幾個因素：功能和性能：選擇一個功能強大、性能穩定的物聯網服務平臺，可以保證設備之間的通信和數據傳輸的可靠性和效率。易用性：選擇一個易于使用的物聯網服務平臺，可以降低開發難度和成本。安全性：選擇一個安全可靠的物聯網服務平臺，可以保護設備和數據的安全。成本：選擇一個成本合理的物聯網服務平臺，可以降低項目的總體成本。（通過對不同物聯網服務平臺的介紹和比較，讓學生了解如何選擇適合自己的物聯網服務平臺。）（2）注冊和登錄物聯網服務平臺師：選擇好物聯網服務平臺后，需要注冊一個賬號并登錄平臺。注冊賬號的過程通常比較簡單，只需要提供一些基本的信息，如用戶名、密碼、郵箱等。登錄平臺后，可以進入平臺的控制臺，進行設備管理、數據管理、規則引擎等操作。（通過實際操作演示，讓學生了解如何注冊和登錄物聯網服務平臺。）（3）創建主題和訂閱主題師：在物聯網服務平臺上，可以創建主題和訂閱主題。創建主題的過程通常比較簡單，只需要指定主題的名稱和描述即可。訂閱主題的過程也比較簡單，只需要選擇要訂閱的主題，并指定訂閱者的標識和訂閱方式即可。（通過實際操作演示，讓學生了解如何在物聯網服務平臺上創建主題和訂閱主題。）（4）測試訂閱功能師：創建主題和訂閱主題后，可以進行測試訂閱功能。測試的方法可以是使用一個發布者設備發布消息到特定的主題上，然后觀察訂閱者設備是否能夠接收到這些消息。如果訂閱者設備能夠接收到消息，說明訂閱功能正常。如果訂閱者設備不能接收到消息，需要檢查發布者和訂閱者的配置是否正確，以及網絡連接是否正常。（通過實際操作演示，讓學生了解如何測試訂閱功能。）（三）鞏固練習1.MQTT知識問答（1）將學生分成若干小組，每個小組推選一名代表。（2）教師準備一些與MQTT通信機制相關的問題，如MQTT的發布/訂閱模式是怎樣的、MQTT的服務質量級別有哪些、如何在物聯網服務平臺上創建主題等。（3）每個小組的代表依次回答問題，答對一題得一分，答錯一題扣一分。（4）最后得分最高的小組獲勝，教師給予獎勵。（通過知識問答的方式，鞏固學生對MQTT通信機制的掌握，提高學生的學習積極性和競爭意識。）2.MQTT訂閱功能實驗（1）教師提供一些物聯網設備模擬軟件，如虛擬傳感器、虛擬顯示器等。（2）學生分成小組，進行MQTT訂閱功能實驗。每個小組的任務是選擇一種物聯網設備模擬軟件，使用物聯網服務平臺實現訂閱功能，并將接收到的消息顯示在模擬設備上。（3）學生在小組內進行實驗和記錄，完成任務后提交實驗報告。（4）教師對學生的實驗報告進行評價，總結學生在實驗過程中遇到的問題和解決方法。（通過實驗的方式，讓學生親身體驗MQTT訂閱功能的實現過程，提高學生的實踐操作能力和問題解決能力。）3.MQTT應用創意設計（1）教師提出一個設計任務，如設計一個基于MQTT協議的智能家居系統、智能農業系統等。（2）學生分成小組，進行MQTT應用創意設計。每個小組可以根據自己的興趣和特長，選擇不同的設計方向，如環境監測、設備控制、安全防范等。（3）學生在小組內進行討論和設計，繪制系統架構圖，撰寫設計說明。（4）每個小組推選一名代表進行展示，介紹自己小組的設計方案。（5）其他小組的學生對展示的方案進行評價，提出優點和不足之處。（6）教師對每個小組的方案進行點評，評選出最佳設計方案。（通過創意設計的方式，培養學生的創新思維和實踐能力，讓學生將所學的MQTT知識應用到實際問題中。）（四）課堂小結師：同學們，今天我們一起學習了MQTT的通信機制和利用物聯網服務平臺實現訂閱功能的方法。通過學習，我們了解了MQTT協議的定義、特點、基本架構和通信過程，掌握了發布者、訂閱者和服務器之間的關系，以及如何在物聯網服務平臺上創建主題和訂閱主題。希望同學們在今后的學習和生活中，能夠關注物聯網技術的發展，積極探索MQTT協議在物聯網中的應用，為推動物聯網的發展做出自己的貢獻。（五）作業布置1.查閱資料，了解更多關于MQTT協議的應用案例，并選擇一個自己感興趣的案例進行分析，寫一篇短文。2.思考如何利用MQTT協議解決生活中的實際問題，提出一個創意方案，并撰寫方案說明。七、板書設計1.MQTT通信機制簡介（定義、特點、架構）2.通信過程（連接建立、發布消息、訂閱主題、接收消息）3.服務質量級別4.訂閱功能實踐要點八、課后反思在本節課的教學中，通過多種教學方法的運用，如講解、演示、實踐操作、小組討論等，激發了學生的學習興趣，提高了學生的學習積極性和參與度。在新課講解環節，對MQTT的通信機制和利用物聯網服務平臺實現訂閱功能的方法進行了詳細的講解，使學生對MQTT協議有了較為全面的認識。在鞏固練習環節，通過知識問答、實驗操作和創意設計等活動，鞏固了學生對所學知識的掌握，提高了學生的實踐操作能力和創新思維能力。然而，在教學過程中也存在一些不足之處。例如，在講解MQTT的服務質量級別時，由于這部分內容