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第2.10课《物联系统原型搭建》教学设计
课题 物联系统原型搭建 单元 第二单元 学科 信息技术 年级 七年级
核心素养目标 信息意识：能够了解物联系统与原型的概念与类型，涵盖校园农场、医疗物联等场景，感知原型在系统功能验证与测试中的应用价值。计算思维：能够学会通过需求分析、子系统设计，理解物联系统从规划到验证的构建规律，提升系统设计与问题解决的效率。数字化学习与创新：能够探索用控制板、传感器等硬件与编程工具，搭建物联子系统原型，创新功能验证与成果展示的实践形式。信息社会责任：能够认识物联系统原型搭建中的设备规范与数据安全责任，理解技术实践对个人能力提升与智慧农业发展的价值。
教学重点 能够了解物联系统与原型的概念与类型，涵盖校园农场、医疗物联等场景，感知原型在系统功能验证与测试中的应用价值。
教学难点 能够认识物联系统原型搭建中的设备规范与数据安全责任，理解技术实践对个人能力提升与智慧农业发展的价值。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第2.10课 物联系统原型搭建一、新知引入1、学习目标:通过搭建物联系统原型的过程，了解物联系统原型的基本概念;理解物联系统和物联系统原型的异同，了解物联系统原型的作用与意义。（播放视频） 日常生活中哪些事情需要先做个模型进行测试，再具体实施 你认为传统的农场可以做哪些智能化设计 观看视频初识原型场景 引导学生感知原型核心
讲授新课 新知讲解： 物联系统是由物联网技术支持的信息系统。物联系统的应用让人们的工作、学习和生活更高效、更便捷。在设计和建设物联系统之前，可以通过搭建物联系统原型来检验、测试或演示设想。知识链接信息系统信息系统是由硬件软件设施、通信网络、数据和用户的成的人机交互系统。信息系统本质上是一个工作系统，能为人们提供各种服务。如"政务服务网"拓展了政府政务工作的时间和空间，"智慧图书馆"使得学校的图书管理更高效智能，中国铁路12306系统方便了人们的购票和出行，这些都是常见的信息系统。一、物联系统原型不同的物联系统，能实现不同的功能。电力物联系统能有效整合各类资源，提高设备效率，为电网的发、输、变、配和用电等环节提供重要的技术支撑;校园农场物联系统能实现自动浇灌、自动通风、智能光照和水位控制等自动操作;医疗物联系统能实现医疗场景的物联与感知，助力医院的个性化治疗和高质量发展(如图10-1)。物联系统原型指该系统或系统某方面的一种原始形态，主要用于检验、测试或演示系统或系统某方面的功能。原型系统不必是完整的、可工作的系统，如为了验证物联系统的局部，可以设计物联系统原型子系统;为了测试某特定功能，则可以设计功能原型等。例如，"校园农场"物联系统原型可以设计一个"自动浇灌"物联子系统原型，用于验证自动浇水功能实现的可行性(如图10-2)。还可以设计针对特定环境数据，具备采集功能的功能原型，如"温度和湿度"功能原型(如图10-3)。知识链接功能原型 "功能原型"是最常见的一类原型系统，可以检验一个系统必须具备的某一项功能。如"温度和湿度"功能原型就是为了测试和验证"校园农场"中的环境温度和湿度的数据获取功能。二、物联网系统原型设计和搭建物联系统原型的搭建与物联系统的搭建类似，需经历前期分析、架构设计、硬件搭建、软件开发、系统测试和原型验证等阶段。 1.前期分析和架构设计每个物联系统都有其特定的功能，物联系统原型搭建的前期分析可以从需求出发。以"校园农场"物联系统原型为例，可以做以下分析和设计:（观看表格）开动脑筋针对"校园农场"物联系统，还可以设计哪些物联系统原型 答：可设计智能灌溉、虫害监测、水肥一体化、环境预警、作物生长追踪等物联原型，联动各类传感器与控制模块，适配农场多场景需求，实现种植精细化、管理数据化。经过充分的前期分析后，便可以根据功能需求规划和设计功能原型。"校园农场"物联系统原型的设计可验证和演示自动浇灌、智能光照、自动通风、智能水位控制等功能，规划设计如图10-4所示。2.硬件搭建根据前期规划和架构设计，便可以着手搭建物联系统原型。在硬件搭建的过程中，从实现功能和需求出发，选择合适的硬件，对"校园农场"物联系统原型的硬件选择做如下规划，硬件搭建情况如图10-5所示。观看表格亲身体验选择并搭建"校园农场"物联系统原型中的任一物联子系统原型。答：选取智能灌溉子系统搭建原型，接入土壤湿度传感器与水泵控制模块，通过 MQTT 协议传输数据，设定湿度阈值编写控制逻辑，完成硬件接线与程序调试，实现土壤缺水时自动灌溉的功能验证。 3.物联系统原型搭建的功能验证硬件系统搭建完成后，需要对各功能的实现情况进行检测和验证，可以以子系统和功能原型为单位进行验证。例如，对"自动通风"物联子系统原型的"温度"获取功能原型进行验证，如图10-6所示。亲身体验检测并验证刚才选择和搭建的物联子系统原型中的功能原型。答：对智能灌溉子系统开展功能验证，模拟土壤低湿度环境，监测传感器数据上传与 MQTT 消息推送，检验水泵自动启停响应，排查传输与控制故障，确认各项核心功能均稳定达标。三、随堂作业搭建"校园农场"物联系统原型中的其他物联子系统原型，并验证。答：选取环境监测子系统进行搭建，集成温湿度、光照传感器，完成组网与数据上传配置。通过模拟环境变量变化，验证数据采集、传输及阈值告警功能，排查异常问题，确保子系统稳定运行。四、单元小结与反思 本单元主要介绍了物联网感知与识别技术、常见传感器的原理与类型、物联网的多种通信方式和协议，以及物联系统原型搭建的要点。 通过本单元的学习，希望同学们能理解并掌握以下要点: (1)万物互联的基本原理是物联网终端通过通信协议实现数据汇集与处理。 (2)网络中数据的编码、传输和呈现需要遵循特定的规则(协议)。 (3)自主可控技术对保障国家安全(特别是数据安全和网络安全)具有重要意义。 (4)算法是通过明确的、可执行的操作来描述解决问题的方法及其步骤。(5)算法可以用多种方式(文字、图示、代码等)进行描述，不同的算法效率可能不同。学习完本单元内容，请同学们以小组为单位，思考某个领域对物联网应用的一个需求，并尝试动手搭建一个物联系统原型，探讨它的出现对某领域发展有何影响。同学们可以通过线上或线下的方式交流彼此的想法。五、课堂练习完成课堂练习23-25页。六、拓展延伸1、物联系统（观看视频）2、传感器选型要点3、边缘计算应用4、系统安全防护 学习信息系统概念构成学习原型概念与类型了解功能原型核心作用分析需求规划原型架构思考农场原型设计方向搭建农场子系统原型验证子系统功能达标搭建验证其他子系统梳理要点交流学习想法完成 23-25 页课堂练习观看视频拓展系统认知 让学生理解系统本质让学生知晓原型应用价值帮助学生明晰原型功能培养学生系统规划能力启发学生创新设计思维提升学生原型搭建能力培养学生故障排查能力检验学生综合应用能力引导学生总结反思提升巩固学生知识掌握程度拓宽学生系统知识边界
课后作业 1、选取校园农场一种物联子系统，梳理其搭建流程、功能验证方法，简析常见故障与对应解决方案。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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第二单元 第10节
物联系统原型搭建
（浙教版）七年级
下
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
能够认识物联系统原型搭建中的设备规范与数据安全责任，理解技术实践对个人能力提升与智慧农业发展的价值。
能够探索用控制板、传感器等硬件与编程工具，搭建物联子系统原型，创新功能验证与成果展示的实践形式。
能够学会通过需求分析、子系统设计，理解物联系统从规划到验证的构建规律，提升系统设计与问题解决的效率。
能够了解物联系统与原型的概念与类型，涵盖校园农场、医疗物联等场景，感知原型在系统功能验证与测试中的应用价值。
03
新知讲解
第十节：物联系统原型搭建
学习目标
通过搭建物联系统原型的过程，了解物联系统原型的基本概念;理解物联系统和物联系统原型的异同，了解物联系统原型的作用与意义。
第十节：物联系统原型搭建
学习目标
通过搭建物联系统原型的过程，了解物联系统原型的基本概念;理解物联系统和物联系统原型的异同，了解物联系统原型的作用与意义。
03
新知讲解
第十节：物联系统原型搭建
03
新知讲解
日常生活中哪些事情需要先做个模型进行测试，再具体实施
你认为传统的农场可以做哪些智能化设计
03
新知讲解
物联系统是由物联网技术支持的信息系统。物联系统的应用让人们的工作、学习和生活更高效、更便捷。在设计和建设物联系统之前，可以通过搭建物联系统原型来检验、测试或演示设想。
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新知讲解
知识链接
信息系统
信息系统是由硬件软件设施、通信网络、数据和用户的成的人机交互系统。信息系统本质上是一个工作系统，能为人们提供各种服务。如"政务服务网"拓展了政府政务工作的时间和空间，"智慧图书馆"使得学校的图书管理更高效智能，中国铁路12306系统方便了人们的购票和出行，这些都是常见的信息系统。
03
新知讲解
一、物联系统原型
不同的物联系统，能实现不同的功能。电力物联系统能有效整合各类资源，提高设备效率，为电网的发、输、变、配和用电等环节提供重要的技术支撑;校园农场物联系统能实现自动浇灌、自动通风、智能光照和水位控制等自动操作;医疗物联系统能实现医疗场景的物联与感知，助力医院的个性化治疗和高质量发展(如图10-1)。
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新知讲解
物联系统原型指该系统或系统某方面的一种原始形态，主要用于检验、测试或演示系统或系统某方面的功能。原型系统不必是完整的、可工作的系统，如为了验证物联系统的局部，可以设计物联系统原型子系统;为了测试某特定功能，则可以设计功能原型等。例如，"校园农场"物联系统原型可以设计一个"自动浇灌"物联子系统原型，用于验证自动浇水功能实现的可行性(如图10-2)。还可以设计针对特定环境数据，具备采集功能的功能原型，如"温度和湿度"功能原型(如图10-3)。
03
新知讲解
知识链接
功能原型
"功能原型"是最常见的一类原型系统，可以检验一个系统必须具备的某一项功能。如"温度和湿度"功能原型就是为了测试和验证"校园农场"中的环境温度和湿度的数据获取功能。
03
新知讲解
二、物联网系统原型设计和搭建
物联系统原型的搭建与物联系统的搭建类似，需经历前期分析、架构设计、硬件搭建、软件开发、系统测试和原型验证等阶段。
03
新知讲解
1.前期分析和架构设计
每个物联系统都有其特定的功能，物联系统原型搭建的前期分析可以从需求出发。以"校园农场"物联系统原型为例，可以做以下分析和设计:
序号 需求的具体描述 物联系统原型名称
1 定时浇灌和条件浇灌(判断土壤湿度，决定是否浇灌) "定时浇灌"物联子系统原型
2 光照不足时开灯补光 "智能光照"物联子系统原型
3 大棚内温湿度的监测，可智能化开启或关闭电扇 "自动通风"物联子系统原型
4 监测大棚内水培植物的水位,低水位时自动加水 "智能水位控制"物联子系统原型
03
新知讲解
开动脑筋
针对"校园农场"物联系统，还可以设计哪些物联系统原型
可设计智能灌溉、虫害监测、水肥一体化、环境预警、作物生长追踪等物联原型，联动各类传感器与控制模块，适配农场多场景需求，实现种植精细化、管理数据化。
03
新知讲解
经过充分的前期分析后，便可以根据功能需求规划和设计功能原型。"校园农场"物联系统原型的设计可验证和演示自动浇灌、智能光照、自动通风、智能水位控制等功能，规划设计如图10-4所示。
03
新知讲解
2.硬件搭建
根据前期规划和架构设计，便可以着手搭建物联系统原型。在硬件搭建的过程中，从实现功能和需求出发，选择合适的硬件，对"校园农场"物联系统原型的硬件选择做如下规划，硬件搭建情况如图10-5所示。
物联子系统原型 主要硬件
"自动浇灌"子系统原型 控制板1、水分传感器、继电器、水泵、连接线等
"智能光照"子系统原型 控制板1、光线传感器、RGB灯、连接线等
"自动通风"子系统原型 控制板2、温度传感器、马达、风扇、连接线等
"智能水位控制"子系统原型 控制板2、超声波传感器、水泵、连接接等
03
新知讲解
亲身体验
选择并搭建"校园农场"物联系统原型中的任一物联子系统原型。
选取智能灌溉子系统搭建原型，接入土壤湿度传感器与水泵控制模块，通过 MQTT 协议传输数据，设定湿度阈值编写控制逻辑，完成硬件接线与程序调试，实现土壤缺水时自动灌溉的功能验证。
03
新知讲解
3.物联系统原型搭建的功能验证
硬件系统搭建完成后，需要对各功能的实现情况进行检测和验证，可以以子系统和功能原型为单位进行验证。例如，对"自动通风"物联子系统原型的"温度"获取功能原型进行验证，如图10-6所示。
03
新知讲解
亲身体验
检测并验证刚才选择和搭建的物联子系统原型中的功能原型。
对智能灌溉子系统开展功能验证，模拟土壤低湿度环境，监测传感器数据上传与 MQTT 消息推送，检验水泵自动启停响应，排查传输与控制故障，确认各项核心功能均稳定达标。
03
新知讲解
随堂练习
搭建"校园农场"物联系统原型中的其他物联子系统原型，并验证。
选取环境监测子系统进行搭建，集成温湿度、光照传感器，完成组网与数据上传配置。通过模拟环境变量变化，验证数据采集、传输及阈值告警功能，排查异常问题，确保子系统稳定运行。
03
新知讲解
单元小结与反思
本单元主要介绍了物联网感知与识别技术、常见传感器的原理与类型、物联网的多种通信方式和协议，以及物联系统原型搭建的要点。
通过本单元的学习，希望同学们能理解并掌握以下要点:
(1)万物互联的基本原理是物联网终端通过通信协议实现数据汇集与处理。
(2)网络中数据的编码、传输和呈现需要遵循特定的规则(协议)。
(3)自主可控技术对保障国家安全(特别是数据安全和网络安全)具有重要意义。
(4)算法是通过明确的、可执行的操作来描述解决问题的方法及其步骤。
(5)算法可以用多种方式(文字、图示、代码等)进行描述，不同的算法效率可能不同。
03
新知讲解
学习完本单元内容，请同学们以小组为单位，思考某个领域对物联网应用的一个需求，并尝试动手搭建一个物联系统原型，探讨它的出现对某领域发展有何影响。同学们可以通过线上或线下的方式交流彼此的想法。
04
课堂练习
一、选择题
1、搭建校园农场智能灌溉子系统，核心的环境感知设备是（ ）
A. 土壤湿度传感器 B. 空气质量传感器
C. 人脸识别模块 D. 语音播报模块
2、对物联子系统进行功能验证时，模拟土壤湿度低于阈值，主要检验（ ）
A. 设备外观美观度 B. 水泵自动启停控制功能
C. 系统存储容量大小 D. 设备外壳材质强度
A
B
04
课堂练习
3、校园农场环境监测子系统数据传输，常用的轻量级物联网协议是（ ）
A. MQTT B. HTTP
C. FTP D. POP3
4、下列不属于校园农场物联子系统搭建基础环节的是（ ）
A. 硬件模块接线 B. 控制逻辑编程
C. 随意丢弃废旧元件 D. 系统组网配置
A
C
04
课堂练习
二、判断题
1、搭建物联子系统原型需同步完成硬件接线与程序逻辑调试。（ ）
2、功能验证阶段，通过模拟环境变量变化可高效检测系统响应。（ ）
3、校园农场虫害监测子系统可搭配图像采集设备实现监测。（ ）
4、子系统验证只需检测硬件通断，无需测试软件传输逻辑。（ ）
5、环境监测子系统可集成温湿度、光照多类传感器采集数据。（ ）
√
X
√
√
√
05
拓展延伸
物联系统
05
拓展延伸
传感器选型要点
校园农场选传感设备需贴合场景，土壤、温湿度类传感器要考量户外防护等级与采集精度，兼顾成本与续航，匹配窄带传输特性，保障长期稳定采集田间环境数据。
05
拓展延伸
边缘计算应用
在农场物联子系统中搭载边缘计算模块，可本地预处理传感数据，削减云端传输流量，降低网络延迟，强化灌溉、告警的实时响应能力，适配园区弱网工况。
05
拓展延伸
系统安全防护
校园农场物联系统可通过 MQTT 协议加密、设备身份校验构筑安全防线，设置访问权限，定期升级固件，规避数据窃取、指令篡改等风险，守护系统平稳运行。
08
板书设计
物联系统原型搭建
一、物联系统原型
二、物联网系统原型设计和搭建
课后作业:
1、选取校园农场一种物联子系统，梳理其搭建流程、功能验证方法，简析常见故障与对应解决方案。
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