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關注信息科技實驗教學 | 《物聯網基本原理演示》實驗教學設計

2022年4月，教育部正式頒佈了《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，這標誌着信息技術課程正式走向了信息科技課程。

信息科技課程雖然有了課程體系，但仍然缺乏系統全面的新教學體系，我們需要探索與新理念、新內容相匹配的新教學方法，才能夠真正落實信息科技新課程所倡導的嶄新理念。

因此，本刊將持續關注信息科技課程新教學，本期關注的是實驗教學。

實驗教學是信息科技課程轉型中最值得探索和嘗試的教學法之一。在本期專題中，我們邀請了衆多一線名師和教研員共同探索信息科技實驗教學的價值與實施路徑，並給出了具體實踐案例。

實驗內容分析

本課內容選自《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》第四學段（7～9年級）的“物聯網實踐與探索”模塊，通過本模塊的學習，學生能初步理解萬物互聯給人類信息社會帶來的影響、機遇和挑戰，瞭解物聯網是連接物理世界與數字世界的紐帶和媒介，瞭解物聯網協議，以及典型物聯網應用的特點，能設計並實現具有簡單物聯的數字系統。

《物聯網基本原理演示》包括通過分析身邊應用場景中的物聯網應用，認識物聯網實現的基本原理。根據學習任務的需求和可用的實驗設備，設計、搭建具有數據採集、實時傳輸和簡單控制的物聯網系統。通過編寫程序，讀取採集含有物聯網功能的設備中的數據，並進行適當的控制和反饋。

學習對象分析

本課授課對象爲八年級學生。八年級學生對事物的理解更加深入，能夠從多個角度和層面去思考問題，他們的邏輯思維能力也在不斷提高，能夠進行更復雜的推理和判斷。他們的思維更加獨立，能夠自己解決問題，更加開放，願意接受新的觀點和想法。他們的思維也更加具有批判性，能夠對信息進行分析和評價，更加創新，能夠提出新的想法和解決方案。他們的合作意識正在逐漸增強，更願意與他人合作完成任務，在合作中能夠學習和借鑑他人的優點，提高自己的能力。他們更加註重學習的深度和廣度，願意主動尋找學習資源，利用各種方式進行學習。在認知結構上，學生已經學習了互聯網，瞭解了互聯網是人與人之間的互聯；初步瞭解了物聯網的基本含義是“萬物互聯”，但不瞭解物聯網的特徵、原理其相關技術。

實驗素養目標

1.教學目標

通過分析身邊應用場景中的物聯網應用，認識物聯網實現的四層架構。

通過物聯繫統的設計和搭建，探索物聯網中數據採集處理、反饋控制等基本功能。

通過編寫程序，實現讀取採集數據，並進行適當的控制和反饋，瞭解自主可控技術的意義。

2.核心素養指向

信息意識：感受物聯網給人們學習、生活和工作帶來的改變。

計算思維：能根據需求，設計和搭建簡單的物聯網原型，體驗其中數據處理和應用的方法和過程。

信息社會責任：瞭解自主可控對國家安全以及物聯網發展的重要意義。

數字化學習：在學習過程中，選擇適當的數字資源支持學習，改變學習方式，利用微課進行自主學習和合作學習。

實驗重難點及對策

重點：根據學習任務的需求和可用的實驗設備，設計、搭建具有數據採集、實時傳輸和簡單控制功能的物聯網系統。解決對策：利用物聯網學習套件，通過學習任務單列出可以實現的功能，學生勾選需要使用的模塊，明晰搭建需求和設備選擇；通過微課可以自學和探究搭建過程。

難點：通過編寫程序，讀取採集含有物聯網功能的設備中的數據，並進行適當的控制和反饋。解決對策：提供實現物聯網功能的Python代碼，通過代碼中引腳參數的修改和分析明晰用程序控制物聯網系統運行的機制。

實驗整體思路

本節課教學通過“走進物聯網世界——探究物聯網結構——體驗物聯網搭建——驗證物聯網猜想”四個環節展開。學生先通過導學單中的圖片分析生活中物聯網的應用場景，從智慧家居、智慧交通、智慧物流、智慧農業等行業中的應用體會物聯網的無處不在。緊接着進入探究物聯網架構的環節，通過分析物聯網應用背後的科學原理，填寫導學案，明晰物聯網的四層架構。然後通過認識物聯網學習實驗板，找實驗板中與物聯網架構相關的設備，瞭解感知層和網絡層設備的名稱和作用。在搭建完簡單的物聯網系統後，通過將程序燒錄到開源硬件中並打開串口查看數據，觀察反饋和控制，填寫實驗記錄，理解物聯網的自主可控。最後在實驗小結中驗證在探究環節中關於實現物聯網應用的猜想，從實踐出發探究科學原理，用科學原理指導科學實踐，形成閉環。具體思路如下圖所示。

實驗資源

教師的準備：課件、學生學習資源包（包含物聯網應用視頻、設備連接視頻、功能代碼文件）、物聯網實驗板。

爲學生所做的準備：實驗導學單。

實驗教學過程

1.萬物互聯，走進物聯網世界（如表1）

2.觀察思考，探究物聯網結構（如表2）

3.動手實驗，體驗物聯網搭建（如表3）

4.總結反思，驗證物聯網猜想（如表4）

實驗設計與創新點

1.在實踐中探究科學原理，用科學原理指導科學實踐

學生們通過關注生活中物聯網應用的實際問題和現象，通過觀察、實驗、分析等方法，提出實現物聯網功能的設備和架構的猜想，以物聯網四層架構爲科學原理指導實驗，開展實驗驗證，在實驗小結中驗證在探究環節中關於實現物聯網應用的猜想。在實踐中探究科學原理，用科學原理指導科學實踐。這一過程強調了實證主義的原則，即科學研究應該以實際經驗爲基礎，通過實驗來檢驗理論的正確性。

2.靈活設計實驗操作，通過物聯網功能菜單式選擇實現難度分層

在體驗物聯網搭建和實現部分功能的實驗中，存在學生學習能力有差異、實驗速度有快慢的問題，如果由教師來指定做一個或幾個實驗，會讓學生的思維受限，不利於以解決問題爲導向的計算思維的發展。

所以，筆者設計了功能的菜單式選擇，學生可以自由地選擇一個或多個功能展開探索和實踐，在解決真實問題的過程中培養髮現問題、分析問題、解決問題的能力，同時也解決了實驗速度不一致的問題，讓每組學生都能充分地展開實踐，並形成爲實現更多功能而投入探究的良性競爭。

3.數字化學習創新，提供物聯網實驗板演示操作視頻資源包

給學生提供物聯網實驗板演示操作視頻資源包，有效解決硬件連接實驗中可能出現的問題。視頻形式可以直觀地展示實驗操作的過程，讓學生更清楚地瞭解實驗的每一個步驟，從而更容易理解和掌握。學生可以根據自己的需求和時間來選擇觀看視頻的時間和進度，還可以多次觀看視頻，加深對實驗操作的理解。

教學反思

通過這次實驗教學，筆者對物聯網有了更深入的瞭解，也收穫了很多寶貴的經驗。

第一，實驗課前的準備工作很重要。教師需要了解物聯網的基本概念、科學原理和架構搭建，這樣在實驗教學過程中才能更好地理解實驗的目的和意義，並將它們融入到教學設計中，使實驗教學更有意義，而不是僅僅讓學生摸一摸實驗器材。

第二，實驗操作要嚴謹。在實驗過程中，教師需要引導學生按照實驗步驟進行操作，養成良好的實驗習慣，如認真記錄實驗數據、整理實驗器材等，以便在實驗結束後能夠及時總結和分析實驗結果。

第三，注重實驗結果的分析與總結。在實驗結束後，教師需要對實驗結果進行分析和總結，找出實驗中可能存在的問題，並提出改進措施。此外，還可以通過對比不同實驗條件下的數據，進一步探討物聯網的原理和應用。

這次實驗課的教學設計和實施過程是筆者教學生涯中一個重要的經歷，它連接着過去和未來。在今後的教學中，怎樣將已有的教學設計經驗和新的教學內容及素養目標、育人目標相結合是未來要思考的問題，筆者將不斷提高自己的實踐能力和學科素養，爲提升學生的數字素養和技能而努力。

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本文作者：

應筱豔

浙江省杭州市錢江新城實驗學校

文章刊登於《中國信息技術教育》2024年第05期

引用請註明參考文獻：

應筱豔.《物聯網基本原理演示》實驗教學設計.[J].中國信息技術教育，2024（05）：17-20.

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