STEM教育理念下的物聯網教學初探

程然

摘 要：以蘇科版初中信息技術九年級《初識物聯網》一課為基礎，結合學生日常學習生活中的物聯網應用案例，初步探討STEM教學：介紹生活中的物聯網的設計，利用實驗器材，讓學生認識物聯網，體驗物聯網應用；結合STEM教育理念，讓學生拓寬視野，走進物聯網的世界，提高對物聯網應用的探究能力。

關鍵詞：STEM 物聯網 教學設計

STEM教育是融合了科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）學科的一種綜合性教育，強調在多學科的融合中，培養具有創新能力的復合型人才。STEM的教學不能僅僅將科學、技術、工程、數學四門學科知識簡單疊加，而要做到將原本分散的學科內容自然組合，把學生需要學習的零碎知識變成互相聯系的統一整體，讓學生在多學科交叉融合的活動中，將知識與生活經驗聯系起來，解決實際問題，從而培養他們的創新精神、實踐能力以及解決問題的能力。

物聯網（Internet of Things）是物體與物體通過電子標簽、電子傳感器、衛星定位系統等設備，按約定的協議相連接，進行信息交換和通訊，從而實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。簡而言之，物聯網就是“物物相連的互聯網”。

我校自從2017年獲批江蘇省STEM項目試點學校以來，一直在積極探索符合學校實際、具有學校特色的STEM教學模式。目前，已經形成了以物聯網、機器人、航模、金鑰匙科技競賽等科技教育活動為基礎，以科技活動中心為基地的STEM教育研究與實踐成果。下面以蘇科版初中信息技術九

年級《初識物聯網》一課為基礎，結合學生日常學習生活中的物聯網應用案例，初步探討STEM教學。

一、教學準備

準備如下器材：自制創意小機器人1個、運動手環1個、手機1個、平板電腦5個、智能LED炫彩燈1個、WiFi電源插座2個、臺燈1個、風扇1個、紅外線感應1個、溫濕感應器1個、無線路由器1個、無線網關1個、多用插座若干。

將其中的部分學生實驗器材分成5組，見表1。

二、教學過程

（一）激趣引入

（將學生分成5個小組，各小組分別推選出組長、記錄員、演示員、解說員各一名。要求演示員演示時解說員同步解說；所有人大聲回答問題；做實驗時緊跟老師的節奏。）

師 （展示事先利用Arduino自制的創意小機器人）這是老師今天帶來的機器人。向它吹一口氣，它就能前進；它還能根據你說話聲音的大小，用燈光的明暗做出回應；它也是個膽小的機器人，因為它看見火光會害怕得后退。

（將機器人傳給各組，讓學生都親身體驗一下機器人吹氣前進、隨音量閃爍燈光、遇火后退等狀態。）

師 機器人為什么會知道有人在向它吹氣？它是怎么“聽”到聲音的？又是怎么“看”到火光的呢？問題的答案就在今天要學習的這節課中，一會兒還有更好玩的內容等著我們。（播放一段用手環記錄運動數據的視頻）同學們，你們看到了什么呢？

生 手環。

師 手環有些什么功能呢？

生 記錄步數。

生 看時間。

生 計算公里數。

師 同學們對手環的認識都很準確。今天，老師也帶來了一個手環。從現在開始，老師會把它戴在手腕上，讓它來記錄本節課老師的運動數據。大家可別忘了在下課前提醒老師看一下數據哦。

[設計意圖：讓小組聚集，近距離體驗機器人的動作反饋，激發學生探究的興趣，讓他們帶著疑問和好奇進入課堂。以生活中常見的物聯網應用小設備——手環，帶領學生走進物聯網世界，讓學生感知生活中的物聯網應用，消除物聯網的神秘感，將知識與生活經驗聯系起來，順勢引入本課教學。另外，讓學生關注數據，旨在讓學生明白數據與信息之間的關系。]

（二）探索交流

師 老師有個問題想請同學們思考一下：手環是通過什么感知跑步數據的呢？請小組討論一下。有答案的小組請舉手示意，由小組發言人匯報討論結果。

（小組討論。）

生 感應器。

生 傳感器。

師 沒錯，就是傳感器。（PPT出示“功能各異的傳感器：聲音、溫度、濕度、氣敏、力敏、紅外線、圖像、運動”）老師課前收集了一些傳感器的名稱，手環可能使用了哪一種傳感器呢？

生 運動。

師 那手環有了數據之后又是怎樣傳到手機上的呢？

生 藍牙。

師 除了藍牙這種無線數據傳輸方式外，大家還知道哪些方式呢？

生 WiFi。

生 3G、4G、5G……

師 同學們懂的真不少！手機上的這些數據能給我們哪些提醒？

生 跑了多少步。

師 跑了多少步、跑了多少公里，這些就是數據的智能應用。手環里的運動傳感器感知人的運動并形成數據，藍牙在手環和手機之間進行數據傳輸，手機對數據進行智能分析。手機、手環兩個物體在這個過程中進行了互聯，這種物與物聯通的工作方式，就是近幾年來火熱的新領域——物聯網。

[設計意圖：借手環的工作過程幫助學生梳理物聯網應用的方式，歸納總結物聯網應用的特點，進一步認知物聯網，了解概念、掌握原理。此部分知識涉及數學、信息學、物理學、工程學等多個學科，在課堂上無須明確指出學科分類，在講解物聯網工作流程的過程中滲透給學生即可。]

（三）體驗應用

（播放兩段關于物聯網應用的視頻，其文字說明如下。）

1.基于物聯網科技的農作物種植。由傳感器感知溫度、濕度、土壤鹽分等信息，經網絡傳輸到手機或電腦，對比預先設定的農作物最佳生長環境指數，可自動或手動發布指令，進行調節溫度、濕度、土壤鹽分等操作，讓農作物在最適宜的環境中生長，遠離蟲害、遠離農藥，讓我們吃得更放心。

2.在食物吃得放心的同時我們也需要精神食糧。深圳市將新增20臺自助圖書館，使全市自助圖書館的數量達到240臺。“自助圖書館吐出的不是書，而是知識和文明。”圖書館的每本書里都貼有一個電子標簽；標簽閱讀器讀出標簽中的信息，也就是這本書的信息，經網絡傳輸到主機電腦；電腦查詢后給出相應的借還處理。圖書館還提供“預借”服務：市民通過圖書館網站預訂圖書，圖書館會在48小時內通過物流把書送到市民指定的自助機。

師 除了這兩個物聯網應用的例子，在我們的衣食住行中還有哪些物聯網應用？或者說，還有哪些與網絡有關的智能應用？請小組內討論說說物聯網應用能給我們的生活帶來哪些便利。

（學生小組討論后交流：智能醫療、智能家居、智能交通、智能物流……）

師 你們太棒了，個個都是創意家！你們說的有些創意已經實現了，有些還等著你們去創造。（PPT出示圖1）其實在我們生活的方方面面都有物聯網應用的功勞。

師 同學們已經知道了很多智能應用，想不想自己也動動手，搭建一個簡單的物聯網環境？老師今天帶來了一些實驗器材。（展示實驗器材，PPT出示如下實驗原理。）

實驗原理 本實驗以低功耗ZigBee通信技術為支撐，在每臺平板電腦（或手機）上安裝物聯網專用APP，將平板電腦（或手機）通過連接無線路由器接入互聯網；將智能LED炫彩燈、WiFi電源插座、紅外線感應、溫濕感應器等接入智能家居主機——無線網關，將無線網關通過連接無線路由器接入互聯網。這樣可以通過平板電腦（或手機）等終端控制設備，實現遠程控制燈光照明、遠程控制家用電器、遠程安防、遠程環境監測等功能（如圖2）。

師 請各小組組長抽簽領取實驗器材，然后帶領組員進行實驗。

（學生分組實驗，搭建簡單物聯網應用、模擬物聯網應用場景。教師組間指導。小組匯報本組完成情況，講解，演示。）

師 控制臺燈、風扇的開與關實際上是控制遠程電源的開與關。同學們想一想，還可以遠程控制哪些電器？

生 窗簾開合。

生 水壺燒水。

……

[設計意圖：借生活中物聯網應用的實際案例，帶領學生近距離感知物聯網，并且通過小組合作實驗親身體驗物聯網應用，以幫助學生深度理解和掌握物聯網的相關知識，提升協作、分享的能力。]

（四）拓展提高

師 5組實驗器材組成的物聯網都已經成功搭建，每組器材都有各自獨特的功能。本組器材如果跟其他小組的器材組合在一起，能開發出什么新的功能？或者，你還想添加什么設備，以完成你的設想？請以小組為單位討論并匯報想法。

（學生討論，規劃，推測，演練，匯報。）

師 同學們的思考都有獨到之處。你們設計的組合功能可以用在日常生活中的哪些方面？請將自己的想法記錄下來。老師也有一個想法，即5組實驗器材可以一起組合應用在智能家居上：紅外線探測可以讓我們知道住所進出情況，保證家庭安全；遠程讀取溫度、濕度可以監測家里的環境是否舒適，如果溫度高了，可以打開風扇降溫；晚上回家可以先把燈光打開，如果出門前忘記關了，也可以遠程關閉；而智能LED炫彩燈則可以用來烘托氣氛、切換場景。（稍停）現在同學們已經能夠完成實驗室物聯網搭建了，那么，請同學們思考一個問題：作為物聯網的受益者，未來10年、20年，我們需要什么樣的物聯網為我們服務？

（學生發言，教師小結。）

師 一節課的時間對于物聯網的發展來說，太短太短，對于我們認識物聯網、了解物聯網來說，也太短太短。但老師相信，經過我們這一節課的共同努力，物聯網的概念、原理、應用、前景已經在我們腦海中有了印記，而這印記將會成為我們今后繼續探索物聯網世界的一把鑰匙，精彩的物聯網世界將會為有準備的我們打開大門。按課始的約定，我們一起來看看上了一節課后的手環數據。（將手環的數據和手機同步）哦，老師本節課運動的步數是549步，消耗的熱量是21卡路里，大約只等同于一小包薯條的熱量。這個數值有點低，課后讓我們一起運動起來吧。下課！

[設計意圖：在學生小組合作完成實驗室物聯網搭建后，再次點燃他們創新思維的火花。或許學生現在只能有想法，但只要在心中埋下夢想的種子，條件成熟后自然會開出絢麗的花朵。]