中小學物聯網課程設計的兩種思路

謝賢曉 王國芳

“萬物互聯”的時代正漸行漸近，物聯網技術也越來越受到創客教育、STEAM教育領域的重視。但因為缺乏簡單易用的物聯網平臺和廉價穩定的智能終端，中小學生很難有機會理解物聯網原理，真正學習物聯網技術并開發各種創意應用。在這樣的背景下，“虛谷物聯”項目誕生了。

● “虛谷物聯”項目

“虛谷物聯”項目的核心是開發的開源MQTT服務器程序——SIoT，它為中小學STEAM教育提供了教學專用物聯網平臺，而2018年發布的開源硬件掌控板，則讓物聯網終端實現了低成本。兩者的結合降低了中小學的物聯網實驗室建設成本以及技術門檻，讓學生不僅能夠真正學習到物聯網的核心技術，還能通過物聯網技術采集數據、分析數據，進而探究科學問題。

物聯網技術的教學一直是STEAM教育和創客教育的熱點。為幫助一線教師掌握物聯網技術，“虛谷物聯”項目組為SIoT軟件編寫了詳細而具體的文檔（文檔閱讀地址：https：//siot.readthedocs.io/）。

SIoT文檔中提供了各種客戶端連接服務器的范例，其中包括專用客戶端，Mind+、mPython、App Inventor2和Python等常見編程語言，以及Arduino、micro：bit、掌控板等開源硬件，文檔還介紹了Node-RED、Processing、PowerPoint等不太常見的工具。除此之外，文檔中還收集了一系列典型應用案例，如熱輻射實驗探究、智能家居模型、互動媒體“劃龍舟”和互動游戲“足球對戰”等。

● 物聯網課程開發

要普及物聯網教育，僅僅為教師們提供理論和技術培訓是不夠的，最好能夠提供簡單易用的課程，作為他們實施教學的“腳手架”。我們團隊在“虛谷物聯”項目組的支持下，根據物聯網技術的兩大亮點——遠程控制和數據采集，結合《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》中提出的活動方式，對物聯網課程進行了開發，并初步形成了兩種設計思路，具體如下：

（1）設計制作類。設計制作指學生運用各種工具、工藝（包括信息技術）進行設計，并動手操作，將自己的創意、方案付諸現實，轉化為物品或作品的過程。教師可以指導學生學習物聯網技術，并利用這方面的技術設計能夠解決真實世界問題的應用，制作出相關作品。

（2）考察探究類。考察探究是學生基于自身興趣，在教師的指導下，從自然、社會和自身生活中選擇和確定研究主題，開展研究性學習，在觀察、記錄和思考中，主動獲取知識，分析并解決問題的過程。在考察探究的活動中，學生以物聯網技術為工具，利用實時、無線的方式采集數據，進行基于數據的科學探究活動。

● 設計制作類課程的開發

我們將設計制作類的課程命名為“趣味物聯網作品設計”，帶領學生學習物聯網技術并設計相關應用，涉及到的軟硬件分別是“Mind+”（一款基于Scratch3.0開發的青少年圖形化編程軟件）、掌控板（包含其他傳感器、執行器的學習套件），以項目式學習為主要學習方式，開發各種創意應用。

1.課程目標

熟悉開源硬件掌控板的編程，理解物聯網的運行原理，能夠利用物聯網技術設計各種與智能家居、互動媒體相關的創客作品，培養STEAM素養。

2.課程定位

執教對象為非零起點學生，具有一定的Scratch編程基礎;課程內容的設計上偏向于網絡互動與實際應用，以項目化的方式進行呈現;實例的選擇從易到難，遵循循序漸進原則，最終完成一個完整的物聯網作品并進行展示。

3.硬件選擇

本課程在實施過程中，除了需要掌控板外，還需要一些輸入硬件設備（DHT11溫濕度傳感器、3D手勢、電導、鱷魚夾）和輸出硬件設備（繼電器、舵機、電風扇），連接掌控板和輸入、輸出設備的拓展板。在課程開設前，需要將教師機設置為數據采集服務器，定時采集各種數據，供學生連接使用。

4.課程內容

“趣味物聯網作品設計”的核心內容是了解、體驗、剖析和設計物聯網作品，涵蓋了傳感器、開源硬件、編程和網絡等技術。我們將課程分為掌控板編程基礎、簡易氣象臺、電子沙盤設計和簡易智能家居四個單元，每個主題的學習從創設情境開始，通過“我要學”→“我要做”→“我要想”→“我要練”→“我要讀”展開。課程具體內容如表1所示。

物聯網是互聯網的延伸，涉及的知識點較多，如網絡基礎知識、MQTT協議、訂閱消息、發送消息等，所以“趣味物聯網作品設計”在課程設計上涉及網絡通信、自動控制、硬件編程等多方面問題，“軟硬兼施”，是一門跨學科學習的課程。通過系列專題學習，引導學生開展深入探究與實踐，從而發現問題、思考問題，并且能運用物聯網技術解決實際問題，培養學生處理問題的能力和綜合素養。在教學過程中教師不要過分強調知識的深度，而要強調知識的廣度，讓學生通過網絡多了解物聯網作品，并嘗試“仿造”，然后“改良”，最終實現“創新”。

● 考察探究類課程的開發

數據分析已經深入到科學、技術、工程和現代生活的各個方面，科學數據分析的一般流程為：收集數據—整理數據—提取數據—構建模型—推斷并獲取結論。SIoT服務器能夠收集并導出物聯網數據，因此學生通過SIoT能獲得大量的科學實驗數據，并利用這些數據進行研究和分析。考察探究類的課程，我們命名為“基于物聯網技術的科學探究”，顧名思義，就是利用物聯網技術進行科學探究。

1.課程目標

借助開源硬件和物聯網技術，通過數據采集、分析的方式探究科學實驗中的各種變量，親歷基于數據的科學探究過程，培養數據統計、數學建模、編程和科學探究能力。

2.課程定位

執教對象可以是編程零起點學生，不關注編程;教師可以是非信息技術專業的教師，如科學教師、綜合實踐活動教師。

3.硬件選擇

本課程除了需要掌控板和拓展板外，還需要實驗過程中采集數據所需的輸入硬件設備，如DHT11傳感器、土壤濕度傳感器、超聲波傳感器、PM2.5傳感器、可燃氣體、渾濁傳感器、液位傳感器、紫外線傳感器、防水溫度傳感器、模擬氣體傳感器（MQ9）和LM35溫度傳感器等。

4.課程內容

“基于物聯網技術的科學探究”課程的核心內容是收集、提取數據，進行科學探究。課程分為兩個單元：第一單元主要是讀取數據，呈現數據，熟悉網絡平臺;第二單元采用項目化學習方式，一個實驗就是一個項目，每個項目由2～3課時完成（如表2）。

科學探究是人們在研究各類科學特別是自然科學問題時所采取的方法，包括四個步驟：①提出問題;②猜想假設;③接受檢驗;④不斷完善。步驟③就是通過實驗的辦法來驗證假設和猜想，收集并整理通過實驗得出的實驗現象、實驗數據，以及其他與猜想假設有關的所有資料、信息等，為驗證猜想與假設做好充分準備。

物聯網課程的設計除了上面介紹的兩種，還可以做互動媒體、交互游戲等。開發物聯網課程，真正將物聯網技術引入中小學課堂，是我們正在努力的工作。希望有更多的學生因為這類課程的實施，輕松掌握物聯網技術，體驗大數據，設計出各種創新應用。