資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
第2.1課《智慧校園新手段》教學設計
課題 智慧校園新手段 單元 第一單元 學科 信息科技 年級 八年級
核心素養(yǎng)目標 信息意識：通過智慧校園卡消費流程，識別個人數(shù)據(jù)（學號、余額）的存儲與傳輸風險，理解數(shù)據(jù)校驗對隱私保護的意義。計算思維：分解消費系統(tǒng)流程（刷卡→驗證→扣費），用流程圖設計余額判斷算法，修復“負數(shù)余額”漏洞。數(shù)字化學習與創(chuàng)新：利用主控板、RFID設備與mPython搭建物聯(lián)系統(tǒng)，調(diào)試程序?qū)崿F(xiàn)扣費預警功能。信息社會責任：在設置余額預警值時平衡便捷與安全，分析數(shù)據(jù)傳輸出錯對用戶的影響，增強信息安全意識。
教學重點 掌握智慧校園卡消費系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)，包括硬件連接、程序編寫與數(shù)據(jù)校驗流程。
教學難點 正確配置MQTT參數(shù)與數(shù)據(jù)對應關(guān)系，設計余額判斷算法避免負數(shù)漏洞，調(diào)試硬件與軟件協(xié)同問題。
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 第2.1課 智慧校園新手段新學期伊始，壯壯轉(zhuǎn)人新的學校，智慧校園讓他大開眼界。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了校園內(nèi)的信息共享和智能管理，無論是圖書借閱、上課簽到，還是用餐消費，都可以通過校園一卡通輕松完成。想一想：為什么刷卡時讀卡器要發(fā)出射頻信號？射頻信號用于激活校園卡內(nèi)的電子標簽，使其傳輸存儲的ID號等身份信息到讀卡器，完成身份識別和數(shù)據(jù)交互。思考：主控板連接計算機的Type-C線有什么作用？Type-C線用于給主控板供電，并將編寫的程序代碼從計算機傳輸?shù)街骺匕澹瑢崿F(xiàn)硬件控制邏輯。。校園卡充值需驗證卡號有效性（如是否存在）和充值金額合法性（如是否為數(shù)字且非負數(shù)），防止誤操作。電子標簽內(nèi)嵌的ID號與系統(tǒng)預存的學號、姓名綁定，刷卡時讀卡器通過射頻信號讀取ID完成匹配。播放視頻《物聯(lián)網(wǎng)嵌入式實戰(zhàn)項目之智慧校園一卡通充值驅(qū)動》 課程新知導入完成思考題。觀看教學視頻。 幫助學生理解智慧校園具有的功能。通過問題導入引發(fā)學生思考。通過視頻吸引學生的注意力。
講授新課 新知講解：一、馬上行動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園中有哪些應用實例 它們在實際生活中都發(fā)揮了哪些作用？上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，將你的發(fā)現(xiàn)填入表 2-1-1中。二、思考智慧校園卡是智慧校園建設中的基礎(chǔ)組成部分，它集成身份識別、消費支付、信息管理等多種功能于一體。智慧校園卡實現(xiàn)消費支付功能需經(jīng)歷哪些流程？其中可能需要獲取哪些數(shù)據(jù)？智慧校園卡消費支付的流程是：先綁定個人信息和銀行卡，給卡充值后，刷卡時系統(tǒng)自動扣錢并記錄消費信息。需要的數(shù)據(jù)包括學生的姓名、學號、卡里余額，以及消費時間、地點和金額，有時還需要密碼驗證。三、探究請以小組探究的方式，分析智慧校園卡消費系統(tǒng)的基本功能需求，完成以下任務。1.需求分析及功能實現(xiàn)。在使用智慧校園卡消費的過程中，如何識別使用者身份、記錄消費數(shù)據(jù)和校園卡余額呢？請分析各個環(huán)節(jié)的功能需求及用到的實驗設備、平臺，并填寫在橫線上，完成圖 2-1-1。2.算法分析及流程圖完善。將圖2-1-2中空缺的部分補充完整，并從中選擇合適的模塊在右邊繪制出完整的流程圖。四、小貼士RFID 系統(tǒng)的基本組成包括電子標簽和讀卡器。電子標簽是RFID 系統(tǒng)中的真正數(shù)據(jù)載體，通常嵌入在智慧校園卡中。電子標簽包含唯一的識別碼（如ID號），用于標識持卡人的身份。讀卡器是讀取或?qū)懭霕撕炐畔⒌脑O備，屬于接收端。當智慧校園卡靠近讀卡器時，讀卡器會發(fā)出射頻信號，激活校園卡中的電子標簽，并讀取或?qū)懭霕撕炛械男畔ⅰＮ濉⒆鲋袑W模擬實現(xiàn)智慧校園卡消費系統(tǒng)功能。1.硬件清單：主控板 x1、電子標簽 x1、RFID 讀卡器 x1、4Pin 線 x1、Type-C數(shù)據(jù)線 x1、帶有熱點功能的計算機 x1。2.連接設備。用 4Pin 線將主控板和RFID 讀卡器連接起來(見圖 2-1-3)，并通過Type-C數(shù)據(jù)線接入計算機。六、小貼士讀卡器的接口要與主控板對應的接口相匹配。如圖2-1-4所示，讀卡器對應的接口是“GND VCC SCL SDA”，所以應該連接主控板對應的“GND VCC SCL SDA”接口。七、做中學3.程序編寫。（1）將使用的主控板和計算機通過 Wi-Fi接入互聯(lián)網(wǎng)，完成網(wǎng)絡配置。（2）進入物聯(lián)網(wǎng)服務平臺，添加項目，獲取主題名稱信息，如圖 2-1-5 所示。（3）進入設備管理界面，添加設備，輸入設備名稱，獲取client_id和User/Password信息如圖2-1-6所示。（4）打開 mPython 軟件，依次選擇“擴展”“添加”“網(wǎng)絡應用”“MOTT 物聯(lián)網(wǎng)”，添加網(wǎng)絡應用，如圖 2-1-7 所示。（5）在mPython軟件中，依次選擇“擴展”“添加”“傳感器”“RFID”，添加傳感器如圖2-1-8所示。（6）初始化 MQTT 參數(shù)，如圖 2-1-9 所示。（7）編寫獲取個人身份信息、消費記錄和余額的代碼，如圖2-1-10所示。（8）編寫將智慧校園卡序列號、消費記錄和余額顯示在OLED屏上的代碼，如圖2-1-11所示。（9）通過 指令將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)服務平臺，完整代碼如圖2-1-12所示。4.程序測試。運行程序，查看結(jié)果，如圖2-1-13所示。八、思考觀察智慧校園卡消費系統(tǒng)的最終輸出效果，你發(fā)現(xiàn)了什么？為什么會出現(xiàn)這樣的情況？我發(fā)現(xiàn)刷卡機顯示余額變成負數(shù)了！比如小明的卡號是“202305”，買了15元的文具，余額顯示“-5元”。這應該是因為刷卡時沒檢測卡里錢夠不夠，系統(tǒng)直接扣錢導致的。可能程序里漏了“如果余額不足就禁止消費”的判斷條。九、討論在實際使用智慧校園卡的時候，有可能出現(xiàn)余額不足的情況。我們能否給智慧校園卡消費系統(tǒng)設置一個提示余額不足的功能？請小組討論預警值設置為多少合適，并完成以下填空。小組討論認為，預警值設為10元比較合理。比如食堂一頓飯大約10-15元，余額低于10元時提示，既能提醒充值，又不影響單次消費（如果金額剛好夠的話）。如果設太高（如50元），可能頻繁提醒；太低（如2元）可能來不及充值就欠費了。當 卡內(nèi)余額 <= 10元 時，執(zhí)行 提示“余額不足，請及時充值”當 卡內(nèi)余額 > 10元 時，執(zhí)行 正常扣除消費金額十、思考在模擬實現(xiàn)智慧校園卡消費系統(tǒng)功能的編程過程中，如果初始化 MQTT 參數(shù)和發(fā)送至平臺服務器的數(shù)據(jù)沒有和前期從設備中獲取到的參數(shù)信息對應上，會出現(xiàn)什么樣的結(jié)果？如果編程時MQTT參數(shù)和數(shù)據(jù)沒對上，刷卡信息可能“送錯地方”或“傳錯內(nèi)容”。比如：服務器收不到正確的卡號，導致無法記錄是誰刷的卡。消費金額傳成亂碼，余額可能扣錯錢（比如該扣10元，結(jié)果扣了100元）。系統(tǒng)會提示“發(fā)送失敗”或顯示一堆錯誤代碼，就像發(fā)消息發(fā)錯人一樣，整個功能都用不了啦！簡單總結(jié)： 參數(shù)不對應會讓數(shù)據(jù)“迷路”或“變樣”，系統(tǒng)就沒法正常工作啦！十二、任務拓展智慧校園卡除了擁有消費功能，還必須具備充值功能，請在本節(jié)課的基礎(chǔ)上為系統(tǒng)新增充值功能。設計思路：充值方式：手機掃碼充值（如家長用微信轉(zhuǎn)賬）+ 校內(nèi)充值機投幣核心步驟：輸入卡號 → 輸入金額 → 驗證是否為有效數(shù)字（如不能是負數(shù)）更新卡內(nèi)余額 → 發(fā)送“充值成功”提示到手機和校園卡系統(tǒng)舉個栗子：小明用充值機塞入50元現(xiàn)金，系統(tǒng)自動給卡里加50元，刷卡時就能用了！拓展延伸：硬件功能擴展環(huán)境監(jiān)測集成：為校園卡/讀卡器添加溫濕度傳感器，刷卡時同步顯示環(huán)境數(shù)據(jù)（如教室溫度過高提醒）。生物識別升級：在現(xiàn)有RFID基礎(chǔ)上增加指紋識別模塊，實現(xiàn)“刷卡+指紋”雙重驗證（防冒用）。NFC手機聯(lián)動：加入NFC模塊，允許用手機模擬校園卡功能（如安卓手機觸碰刷卡）。低功耗報警模塊：為電子標簽添加微型蜂鳴器或LED燈，余額不足時自動閃爍/響鈴提醒。顯示屏擴展：在刷卡機加裝OLED屏，實時顯示消費詳情、余額及充值二維碼。 討論物聯(lián)網(wǎng)在校園中的應用。思考并畫出校園卡的支付流程。小組協(xié)作寫出校園卡的流程與關(guān)鍵算法。想一想RFID還有那些應用場景。模擬實現(xiàn)智慧校園卡消費系統(tǒng)功能。觀察圖片，完成思考題。小組討論完成填空。完成思考題。完成拓展任務。了解校園卡可以擴展什么功能。 幫助學生思考書本知識在生活中的應用。培養(yǎng)學生分析需求的能力。培養(yǎng)學生的協(xié)作能力與算法設計能力。培養(yǎng)學生對所學知識的應用能力。培養(yǎng)學生的動手能力。培養(yǎng)學生的觀察分析能力。培養(yǎng)學生協(xié)作完成任務的能力。鞏固課程知識。提高學生的分析設計能力。拓展學生的知識點。
課堂小結(jié) 智慧校園新手段1.進行新知引入2.了解工作流程3.設計基本流程4.完成課堂練習5.進行知識拓展 總結(jié)回顧 對本節(jié)課內(nèi)容進行總結(jié)概括。
課后作業(yè) 根據(jù)本課內(nèi)容，設計一個校園網(wǎng)充值系統(tǒng)。學完本節(jié)課，和同學們討如何增加充值功能。完成PPT42-43的練習題。 布置作業(yè) 拓展學生的學習能力
課堂板書 觀看板書 強調(diào)教學重點內(nèi)容。
21世紀教育網(wǎng) www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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