《萬物互聯》教學設計

王建華　李秀梅　宋巍巍　曹恒來

● 學習內容分析

萬物互聯（IoE）是指將人、流程、數據和事物結合在一起使得網絡連接變得更加相關，更有價值，這種連接是建立在物聯網技術基礎上的。為此，確定本課的主要內容為物聯網的體系結構，即感知層、網絡層、應用層。感知層主要用于前端數據的獲取，通過局域網、互聯網傳輸到后臺服務器，在應用層將感知層獲取的數據進行處理并實現具體的應用。在理解物聯網體系結構的基礎上，運用物聯網技術設計智慧大棚，讓學生經歷監測和調節植物生長環境的過程，體會物聯網技術給生活帶來的變化，以使學生對物聯網有更深刻的理解，為以后設計富有創意和價值的物聯網解決方案打下基礎。

● 學習者分析

本節課的學習對象是七年級的學生，與小學階段相比他們邏輯思維能力有了一定的發展，好奇心強，喜歡動手探究驗證自己的想法。他們是在互聯網快速發展的環境中成長的，對互聯網的應用并不陌生。物聯網是互聯網的延伸，學生對物聯網的概念和結構雖然陌生，但在生活中對各種物聯網應用都有不同程度的體驗，如共享單車、智慧物流、智能家居等。在小學的信息技術學習中，也已經對Scratch編程、傳感器、物聯網等知識有了一定的了解。這些經驗和學習都為學生設計簡單的物聯網系統做好了準備。

● 學習目標

（1）理解物聯網的體系結構，感知物聯網從信息感知到信息傳輸、智能處理的基本過程。

（2）能夠從日常生活中發現可以借助物聯網技術解決的簡單問題，分析任務需求，選擇合適的信息感知和傳輸技術，設計并制作簡易的物聯網系統，提高學生利用信息系統解決問題的能力。

（3）能發現生活中常見的物聯網應用，感受萬物互聯對人們工作、學習、生活的影響。

● 教學過程

1.現場體驗，感知物聯網

同學們，老師在家里種植了草莓盆栽，想不想看看老師家里草莓的生長情況呢？

活動1：遠程查看草莓盆栽，感知物聯網。

（1）利用手機APP異地查看草莓的實時影像。

（2）我們能看到異地的草莓盆栽需要哪些硬件和軟件？

（3）在整個過程中，攝像頭、網絡、服務器、手機各起到了什么作用？分析、歸納物聯網的體系結構，如圖1所示。

小結：攝像頭用于獲取真實世界的信息，屬于物聯網的感知層，感知層主要通過各種類型的傳感器，實時辯識和采集物體的屬性、環境狀態、行為模式等信息;攝像頭拍攝的視頻通過無線局域網、有線局域網、互聯網等上傳至服務器，網絡層主要負責傳輸感知層獲取的信息，也稱為“傳輸層”;手機通過APP和服務器實現視頻監控，屬于物聯網的應用層，應用層面向各類行業的物聯網管理平臺和應用平臺，如智能家居、智能交通、智能農業等。

設計意圖：借助遠程查看家中草莓的真實物聯網應用，激發學生的好奇心。引導學生在分析本應用中相關設備具體作用的基礎上，感知物聯網從信息感知到信息傳輸、智能處理的基本過程，并由點到面擴展至同類設備和應用，歸納出物聯網的體系結構，為后面設計簡單物聯網系統做了較好的鋪墊。

2.遠程監測，初設物聯網系統

師：今天，老師將“智慧大棚”搬到了課堂上，讓我們運用物聯網技術，搭建一個大棚智能控制系統，對種植草莓的環境數據進行監測和管理。

活動2：設計遠程監測系統，監測草莓生長環境數據。

（1）哪些環境因素會影響草莓的生長？

（2）分析監測系統結構，確定監測所用傳感器、網絡與監測平臺（如圖2）。

①我們準備監測哪些數據？要獲得這些數據，需要哪些傳感器？

②觀察教師提供的器材，找到有“WIFI”字樣的模塊，你知道WIFI有什么作用嗎？

③這套器材如何監測獲得的環境數據？

（3）學生分組，4人一組，明確各人的工作職責（如表1）。

（4）搭建草莓生長環境遠程監測系統。

①對照硬件連接接口表安裝傳感器（如表2）。

②打開監測例程，仿照讀取土壤溫度腳本，添加讀取濕度和光照腳本，對照硬件連接接口表設置對應的讀取接口，并設置WIFI名稱和密碼（如圖3）。

③下載監測程序至主控板。

（5）登錄“中小學物聯創新平臺”，監測草莓生長環境的溫度、濕度與光照，并匯報監測結果（如表3）。

設計意圖：通過分析影響草莓生長的環境因素，得出“智慧大棚”遠程監測系統的任務需求。依據活動1中得出的物聯網體系結構，通過找一找、認一認等活動確定所需的傳感器以及傳輸信息的網絡，并仿照現有例程完善讀取數據的腳本，登錄應用平臺獲取環境數據，學生在搭建簡易物聯網系統的過程中，能對物聯網系統的基本工作原理有更為直觀形象的認識。

3.自動控制，完善物聯網系統

師：遠程監測系統可以實時監測并反饋草莓的生長環境，但管理過程中仍需人工干預，如澆水等，怎樣讓草莓管理不依賴人工，真正實現自動化、智能化呢？讓我們為監測系統增加自動控制功能。

活動3：完善自動控制功能，實現草莓管理自動化。

（1）閱讀資料，了解適宜草莓生長的環境數據。

溫度、濕度、光照等是影響植物生長發育的重要因素，在合適的環境下植物會長得很好。草莓對溫度很敏感，植株生長的適宜溫度為25℃左右;由于草莓根系較淺，植株小，葉片大，蒸騰作用強，對水分的要求較高，一般營養生長期需保持土壤持水量在60%左右;草莓是一種喜陰植物，光照度不高于30Lux。

（2）分析控制方式（如表4）。

（3）連接硬件設備（如表5）。

（4）仿照控制風扇工作狀態的腳本，添加控制水泵工作的腳本。在“中小學物聯網創新平臺”根據監測得到的環境數據，使用開關按鈕控制生長燈、風扇、水泵工作（如下頁圖4）。

（5）根據草莓生長環境要求和確定的控制方法，修改草莓環境管理程序，實現自動控制功能。

①下頁圖5所示例程是自動調節程序，你能分別說出圖中方框處程序的作用嗎？

②根據資料中的草莓生長環境對溫、濕度及光照要求，修改程序中的參數值。

（6）對系統自動控制功能進行測試。

小結：物聯網將采集到的數據從感知層，經網絡層傳輸到應用層，實現數據的顯示;在應用層，可以和感知層內的物進行交互;也可以通過感知層內的物與物相聯，實現環境的自動控制。

設計意圖：監測僅僅是物聯網的一項功能，能根據植物生長習性進行自動調節才是物聯網智能化的體現。在本活動中，引導學生閱讀草莓生長環境資料，在表格支架的幫助下，理清控制邏輯。遠程平臺上的手動調節實現了信息從應用層向感知層的回饋，但仍然不能實現智能化。再給出優化后的半成品程序支架，引導學生理解并完善程序，實現物物相聯的自動調節。

4.拓展思維，暢想萬物互聯

活動4：觀看視頻《萬物互聯改變生活》。

（1）物聯網已廣泛應用于生活中的哪些方面？給生活帶來了怎樣的變化？

（2）從連接對象上看，物聯網與互聯網有何區別？

小結：物聯網將信息網絡連接和服務的對象從人擴展到物，以實現萬物互聯。未來的社會必定是一個物與物相聯、人與物相通、萬物互聯的時代。

設計意圖：通過觀看視頻的活動，讓學生說說視頻中的物聯網應用給生活帶來的變化，在拓寬學生視野的同時，使其體會物聯網給工作、學習和生活帶來的影響。引導學生從連接對象的角度比較互聯網與物聯網，使學生對物聯網有更深刻的認識。

● 教學反思

本課選取物聯網體系結構和設計簡單物聯網系統作為“萬物互聯”這一主題的切入點，由具體的學習內容向各種物聯網應用輻射，點明“萬物互聯”的主題。

在明確了學習內容之后，本課采用基于項目的學習方式，選取設計“智慧大棚”這一現實生活中的問題作為項目，該項目涉及信息技術、生物、物理等學科的知識，復雜程度較高，因此將其分解為遠程監測系統、自動控制系統兩個遞進式的活動任務。每個活動按照項目學習的基本流程，從需求分析、確定方案、活動探究到成果交流逐步展開，并根據物聯網的結構，逐層設計問題，引導學生尋找解決問題的方案，如觀察標有“WIFI”字樣的器材，旨在引導學生根據現有條件確定數據傳輸的途徑。在完成活動任務的過程中，搭建了表格支架，引導學生明確組員間的分工;通過半成品程序支架，避免學生把過多的精力放在具體的腳本編寫與控件設置上，降低學生的探究難度。成果交流是項目學習不可缺少的環節，在此環節，學生分組匯報各自的監測結果，并模擬環境的變化測試自動控制系統的工作狀況，在檢查調試的過程中讓產品不斷趨于完善。最后，“智慧大棚”只是物聯網系統的一種應用，通過視頻暢談物聯網在更多領域的應用，直觀感受其給生活帶來的變化。

在教學實施過程中，受課時長度的限制，無論是硬件的連接，還是腳本的編制，留給學生自主支配的時間均較少，對目標的達成造成了一定的影響。在日常教學中，如果能夠采用兩節連排的形式安排內容，則能增強學習活動的持續性和完整性，有利于提高學習的品質。

點? 評

本課是參加2021年江蘇省初中信息技術優秀課評比活動的比賽課，賽課主題是“萬物互聯”，而不是教材中具體某一節的內容，該主題選自《江蘇省義務教育信息技術課程綱要（2017年修訂）》中“物聯網技術”模塊。這就要求授課教師能夠從課程建設者和開發者的角度，對授課內容和實施過程等進行全方位的考慮。考慮到學生在小學六年級已對物聯網技術有了初步的了解，因此教師沒有將本課定位為起始課，而是從運用物聯網技術搭建具體的物聯網系統入手，讓學生親歷運用物聯網技術解決問題的過程，感受人與物、物與物的互聯互通，較好地觸及了物聯網的基本含義——萬物互聯。

如果只是采用講授法進行教學，或者僅是利用現有的物聯網系統進行體驗和實踐，學生難以真正理解萬物互聯背后的基本思想。為此，教師通過活動1幫助學生建構起物聯網體系結構的知識之后，設計了兩個技術試驗活動，學生在分析智慧大棚功能需求的基礎上，選擇合適的傳感器和數據傳輸方式，連接設備，調試腳本和參數，搭建了可以實際運行的大棚，較好地理解了從物聯設備中讀取、發送、接收數據的基本途徑，以及使用數據進行控制的基本方式。這種綜合運用所學知識進行的探索性的實踐活動，為信息技術課程帶來一種不同于慣常機房授課的教學方式，有利于提高信息技術學習的效率。

兩個技術試驗活動的具體實施過程則采用項目學習的方式進行。例如，活動3的情境為設計草莓管理的自動控制系統，學生在閱讀適宜草莓生長的環境數據資料的基礎上，確定了各個環境數據的調節條件和對應的控制方法。在學習的過程中，學生面對的是現實生活中的真實問題，需要運用物理、生物等學科的知識來理解和分析，真實而復雜的情境大大提高了學習的挑戰性，有助于激活學生的學習動機。而且，這種有挑戰性的學習任務需要小組成員的相互合作方能完成，為學生提供了更為豐富的學習經歷。

但是，讓學生直接設計功能完備的“智慧大棚”顯然是有難度的，因此教師將問題分解為遠程監測功能、自動控制功能兩個子項目，一方面，降低了學生的學習難度，另一方面，從實現基本功能開始，通過持續優化的方式增加或完善更多的功能，使學生獲得了一種解決疑難問題的重要思路。

（點評人：江蘇省鹽城市教育科學研究院信息技術教研員? 曹恒來）