《物聯(lián)網(wǎng)基本原理演示》實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

應(yīng)筱艷 浙江省杭州市錢江新城實(shí)驗(yàn)學(xué)校

● 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分析

本課內(nèi)容選自《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》第四學(xué)段（7～9年級(jí)）的“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊，通過本模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生能初步理解萬物互聯(lián)給人類信息社會(huì)帶來的影響、機(jī)遇和挑戰(zhàn)，了解物聯(lián)網(wǎng)是連接物理世界與數(shù)字世界的紐帶和媒介，了解物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，以及典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特點(diǎn)，能設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有簡(jiǎn)單物聯(lián)的數(shù)字系統(tǒng)。

《物聯(lián)網(wǎng)基本原理演示》包括通過分析身邊應(yīng)用場(chǎng)景中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基本原理。根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)的需求和可用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)、搭建具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸和簡(jiǎn)單控制的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過編寫程序，讀取采集含有物聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)備中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂坪头答仭?/p>

● 學(xué)習(xí)對(duì)象分析

本課授課對(duì)象為八年級(jí)學(xué)生。八年級(jí)學(xué)生對(duì)事物的理解更加深入，能夠從多個(gè)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(jìn)行更復(fù)雜的推理和判斷。他們的思維更加獨(dú)立，能夠自己解決問題，更加開放，愿意接受新的觀點(diǎn)和想法。他們的思維也更加具有批判性，能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，更加創(chuàng)新，能夠提出新的想法和解決方案。他們的合作意識(shí)正在逐漸增強(qiáng)，更愿意與他人合作完成任務(wù)，在合作中能夠?qū)W習(xí)和借鑒他人的優(yōu)點(diǎn)，提高自己的能力。他們更加注重學(xué)習(xí)的深度和廣度，愿意主動(dòng)尋找學(xué)習(xí)資源，利用各種方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。在認(rèn)知結(jié)構(gòu)上，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了互聯(lián)網(wǎng)，了解了互聯(lián)網(wǎng)是人與人之間的互聯(lián)；初步了解了物聯(lián)網(wǎng)的基本含義是“萬物互聯(lián)”，但不了解物聯(lián)網(wǎng)的特征、原理其相關(guān)技術(shù)。

● 實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)目標(biāo)

1.教學(xué)目標(biāo)

通過分析身邊應(yīng)用場(chǎng)景中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的四層架構(gòu)。

通過物聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和搭建，探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集處理、反饋控制等基本功能。

通過編寫程序，實(shí)現(xiàn)讀取采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂坪头答仯私庾灾骺煽丶夹g(shù)的意義。

2.核心素養(yǎng)指向

信息意識(shí)：感受物聯(lián)網(wǎng)給人們學(xué)習(xí)、生活和工作帶來的改變。

計(jì)算思維：能根據(jù)需求，設(shè)計(jì)和搭建簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)原型，體驗(yàn)其中數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的方法和過程。

信息社會(huì)責(zé)任：了解自主可控對(duì)國(guó)家安全以及物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要意義。

數(shù)字化學(xué)習(xí)：在學(xué)習(xí)過程中，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)字資源支持學(xué)習(xí)，改變學(xué)習(xí)方式，利用微課進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)。

● 實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn)及對(duì)策

重點(diǎn)：根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)的需求和可用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)、搭建具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸和簡(jiǎn)單控制功能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。解決對(duì)策：利用物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)套件，通過學(xué)習(xí)任務(wù)單列出可以實(shí)現(xiàn)的功能，學(xué)生勾選需要使用的模塊，明晰搭建需求和設(shè)備選擇；通過微課可以自學(xué)和探究搭建過程。

難點(diǎn)：通過編寫程序，讀取采集含有物聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)備中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂坪头答仭＝鉀Q對(duì)策：提供實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能的Python代碼，通過代碼中引腳參數(shù)的修改和分析明晰用程序控制物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)制。

● 實(shí)驗(yàn)整體思路

本節(jié)課教學(xué)通過“走進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)世界——探究物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)——體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)搭建——驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)猜想”四個(gè)環(huán)節(jié)展開。學(xué)生先通過導(dǎo)學(xué)單中的圖片分析生活中物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，從智慧家居、智慧交通、智慧物流、智慧農(nóng)業(yè)等行業(yè)中的應(yīng)用體會(huì)物聯(lián)網(wǎng)的無處不在。緊接著進(jìn)入探究物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的環(huán)節(jié)，通過分析物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背后的科學(xué)原理，填寫導(dǎo)學(xué)案，明晰物聯(lián)網(wǎng)的四層架構(gòu)。然后通過認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)板，找實(shí)驗(yàn)板中與物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)相關(guān)的設(shè)備，了解感知層和網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備的名稱和作用。在搭建完簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)后，通過將程序燒錄到開源硬件中并打開串口查看數(shù)據(jù)，觀察反饋和控制，填寫實(shí)驗(yàn)記錄，理解物聯(lián)網(wǎng)的自主可控。最后在實(shí)驗(yàn)小結(jié)中驗(yàn)證在探究環(huán)節(jié)中關(guān)于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的猜想，從實(shí)踐出發(fā)探究科學(xué)原理，用科學(xué)原理指導(dǎo)科學(xué)實(shí)踐，形成閉環(huán)。具體思路如左圖所示。

● 實(shí)驗(yàn)資源

教師的準(zhǔn)備：課件、學(xué)生學(xué)習(xí)資源包（包含物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用視頻、設(shè)備連接視頻、功能代碼文件）、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)板。

為學(xué)生所做的準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)單。

● 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

1.萬物互聯(lián)，走進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)世界（如表1）

2.觀察思考，探究物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)（如表2）

3.動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)搭建（如下頁表3）

4.總結(jié)反思，驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)猜想（如下頁表4）

表4

● 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新點(diǎn)

1.在實(shí)踐中探究科學(xué)原理，用科學(xué)原理指導(dǎo)科學(xué)實(shí)踐

學(xué)生們通過關(guān)注生活中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)際問題和現(xiàn)象，通過觀察、實(shí)驗(yàn)、分析等方法，提出實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)備和架構(gòu)的猜想，以物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)為科學(xué)原理指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)小結(jié)中驗(yàn)證在探究環(huán)節(jié)中關(guān)于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的猜想。在實(shí)踐中探究科學(xué)原理，用科學(xué)原理指導(dǎo)科學(xué)實(shí)踐。這一過程強(qiáng)調(diào)了實(shí)證主義的原則，即科學(xué)研究應(yīng)該以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)理論的正確性。

2.靈活設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作，通過物聯(lián)網(wǎng)功能菜單式選擇實(shí)現(xiàn)難度分層

在體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)搭建和實(shí)現(xiàn)部分功能的實(shí)驗(yàn)中，存在學(xué)生學(xué)習(xí)能力有差異、實(shí)驗(yàn)速度有快慢的問題，如果由教師來指定做一個(gè)或幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，會(huì)讓學(xué)生的思維受限，不利于以解決問題為導(dǎo)向的計(jì)算思維的發(fā)展。所以，筆者設(shè)計(jì)了功能的菜單式選擇，學(xué)生可以自由地選擇一個(gè)或多個(gè)功能展開探索和實(shí)踐，在解決真實(shí)問題的過程中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，同時(shí)也解決了實(shí)驗(yàn)速度不一致的問題，讓每組學(xué)生都能充分地展開實(shí)踐，并形成為實(shí)現(xiàn)更多功能而投入探究的良性競(jìng)爭(zhēng)。

3.數(shù)字化學(xué)習(xí)創(chuàng)新，提供物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)板演示操作視頻資源包

給學(xué)生提供物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)板演示操作視頻資源包，有效解決硬件連接實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題。視頻形式可以直觀地展示實(shí)驗(yàn)操作的過程，讓學(xué)生更清楚地了解實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)步驟，從而更容易理解和掌握。學(xué)生可以根據(jù)自己的需求和時(shí)間來選擇觀看視頻的時(shí)間和進(jìn)度，還可以多次觀看視頻，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的理解。

● 教學(xué)反思

通過這次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，筆者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)有了更深入的了解，也收獲了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

第一，實(shí)驗(yàn)課前的準(zhǔn)備工作很重要。教師需要了解物聯(lián)網(wǎng)的基本概念、科學(xué)原理和架構(gòu)搭建，這樣在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中才能更好地理解實(shí)驗(yàn)的目的和意義，并將它們?nèi)谌氲浇虒W(xué)設(shè)計(jì)中，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有意義，而不是僅僅讓學(xué)生摸一摸實(shí)驗(yàn)器材。

第二，實(shí)驗(yàn)操作要嚴(yán)謹(jǐn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，如認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、整理實(shí)驗(yàn)器材等，以便在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后能夠及時(shí)總結(jié)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

第三，注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與總結(jié)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師需要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，找出實(shí)驗(yàn)中可能存在的問題，并提出改進(jìn)措施。此外，還可以通過對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探討物聯(lián)網(wǎng)的原理和應(yīng)用。

這次實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施過程是筆者教學(xué)生涯中一個(gè)重要的經(jīng)歷，它連接著過去和未來。在今后的教學(xué)中，怎樣將已有的教學(xué)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和新的教學(xué)內(nèi)容及素養(yǎng)目標(biāo)、育人目標(biāo)相結(jié)合是未來要思考的問題，筆者將不斷提高自己的實(shí)踐能力和學(xué)科素養(yǎng)，為提升學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)和技能而努力。