基于真實性情境的物聯網大單元教學實踐

【摘 要】本文以“智能溫室農場設計與實現”項目為例，基于真實性情境，從構建單元主題、制訂項目目標、細化活動設計、實施持續性評價四個方面，開展項目式大單元教學探索與實踐，促進學生數字素養和技能的提升。

【關鍵詞】真實性情境；大單元教學；項目式學習；物聯網

【中圖分類號】G434" "【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）04-054-02

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》聚焦真實情境問題解決，由關注技術技能教學轉向注重培養學生解決問題能力。項目式大單元教學以真實問題為驅動，通過項目作品引導學生更好地理解單元知識內容，并將其轉化為問題解決方案。本文以“智能溫室農場設計與實現”項目為例，分析第四學段初中7至9年級“物聯網實踐與探索”模塊里的“物聯網創新應用”大單元教學的探索實踐。

巧設項目情境，構建單元主題

大單元教學活動要將信息科技課程真實性學習的魅力展現出來，應以學生認知為基礎，巧妙設計真實的項目情境。隨著科技的不斷發展和農業現代化水平的提高，傳統的溫室農場大棚運作方式相對簡單，主要依靠人工判斷實施調溫、澆水、通風、收蓋大棚簾子等各項工作。傳統的溫室農場運作方式已經無法滿足現代農業的要求。本文把“物聯網創新應用”單元設計為“智能溫室農場”的探究情境，通過集成應用物聯網技術和智能設備，實現溫室農場運作的自動化，推動農業現代化的發展。智能溫室農場設計與實現是一個集科學、技術、工程于一體的綜合性項目，本文以構建“智能溫室農場設計與實現”項目為大單元主題，通過真實場景設計簡易物聯系統，將工程活動融入實踐，激發學生在解決實際問題時的創新實踐能力。

依據課程標準，制訂項目目標

項目式大單元教學緊緊圍繞項目主題，從單元整體把握課程內容，項目目標貼近真實生活，符合學生認知，顯著提高學生參與度。新課標中“物聯網創新應用”部分學業要求為：①根據學習任務的需要和可用的實驗設備，設計并搭建具有數據采集、實時傳輸和簡單控制功能的簡易物聯系統；②能通過智能終端編寫程序，讀取并處理含有物聯功能設備中的數據，并進行適當反饋或控制。

筆者以學業要求為基準，確立了“智能溫室農場設計與實現”項目的預期成果目標：設計并搭建一個由六個子系統組成的智能溫室農場簡易物聯系統，包括智能溫度控制系統、智能土壤濕度控制系統、智能光照控制系統、通風系統、噴灌系統、光熱模塊系統。智能溫度控制系統實時監測溫室農場內的氣溫變化，通過精確的溫度數據，實現溫室自動化升溫降溫，確保作物處于適宜的溫度環境。智能土壤濕度控制系統對溫室農場內的土壤濕度進行實時監測，通過對土壤濕度的及時掌握，按需進行噴灌澆水，確保植物得到充足且適量的水分供應，提高植物的生長質量和產量。智能光照控制系統根據溫室農場內的光照情況，自動調節光照強度和光照時間，通過適宜的光照管理，促進植物的光合作用，提高植物的生長速度和品質。通風系統根據溫室農場內的溫度和濕度監測數據，調節通風量，保證農場內的空氣流通，保持最佳的溫、濕度，有效防止病蟲害的發生。噴灌系統根據土壤濕度檢測的反饋，進行灌溉澆水作業，通過精準的噴灌控制，節約水資源，提高灌溉效率，同時避免過度澆水對植物造成不良影響。光熱模塊系統根據溫度和光強的變化，按控制系統指令打開燈帶發光發熱進行升溫或調節光照，調整遮陽簾的開合程度，該系統采用無色透明亞克力板搭建智能溫室農場主體結構，編寫程序自動控制溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光強傳感器、風扇、水泵、燈帶、遮陽簾等組件運作，實現農場運作的智能化。

著眼核心素養，細化活動設計

項目式大單元教學將單元整體目標與單元學習活動相結合，建立起知識技能之間的邏輯關聯。課標中物聯網部分學段目標描述為：①信息意識，感受物聯網給人們的學習、生活和工作方式帶來的改變；②計算思維，根據需求設計、搭建簡易的物聯網系統原型，體驗其中的方法與過程；③數字化學習與創新，選擇恰當的數字設備支持學習，具備利用信息科技進行自主學習和合作學習的能力；④信息社會責任，在物聯網應用中了解自主可控對國家安全以及物聯網未來發展的重要意義。基于核心素養目標，筆者將“智能溫室農場設計與實現”項目分解為如下單元學習活動。

1.溫室農場溫度智能控制

主控板編程設定溫度閾值，對溫室氣溫進行精確而高效的調控，實現溫度智能控制。當溫度傳感器檢測到溫度值高于閾值時，表明溫室內氣溫過高，自動開啟通風系統，打開風扇進行排氣通風，降低溫室內的氣溫。當溫度傳感器檢測到溫度值低于閾值時，自動打開光熱模塊系統，通過發光發熱的方式實現升溫。學生編寫程序根據設定的溫度閾值自動調整通風和光熱模塊系統的運行狀態，確保溫室內的氣溫始終處于適宜的范圍內。還可以根據不同的植物需求進行個性化設置，對于某些溫度要求較高的植物，設定較高的溫度閾值實現更少的通風和升溫操作；對于一些溫度要求較低的植物，設定較低的溫度閾值實現較頻繁的通風進行降溫。

2.溫室農場土壤濕度智能控制

土壤濕度傳感器監測土壤濕度的變化情況，將數據傳輸給主控板，根據設定的土壤濕度閾值，學生編程實現智能控制噴灌作業。當土壤濕度值低于濕度閾值時，判斷土壤干燥，噴灌系統自動開啟水泵，對溫室植物進行灌溉澆水。隨著灌溉的進行，土壤濕度逐漸增加，當土壤濕度傳感器再次檢測到土壤濕度達到設定的閾值時，自動停止噴灌系統的運作，避免過度灌溉，節約水資源，保護溫室植物的生長環境。

3.溫室農場光照強度智能控制

對溫室內作物的光照智能控制通過主控板學生的編程設定光強閾值來實現，當光強傳感器檢測到光強低于預設的閾值時，自動觸發打開燈帶，為植物提供充足的光照。當光照過強時，自動打開遮陽簾，減少陽光直射對作物的傷害。還可以根據光照強度的變化實時調整遮陽簾的開合程度，保持適宜的光照環境。智能光照控制系統針對不同作物特點，通過設定光強閾值，結合燈帶和遮陽簾等組件，實現對溫室農場內作物的自動化光照調節，促進作物的健康生長。

注重過程表現，實施持續性評價

項目式大單元教學使學生經歷原理運用過程，并對學生完成項目實施持續性評價，以考察單元學習活動目標是否按要求實現。為更好地對目標達成度進行反饋，筆者設計活動評價量表，評估任務目標達成情況，以“優秀、良好、合格、不合格”四個標準，通過自評、互評、師評對作品成果評分，進行綜合型評價。活動評價量表內容要點：①合理安排溫度傳感器、風扇、燈帶等組件的布局，各組件與主控板能正確連線，通過編程實現主控板對溫室內氣溫的智能控制，能按設定值完成升溫與降溫操作；②合理安排土壤濕度傳感器、水泵、水管、水池等組件的布局，通過編程實現主控板對土壤濕度的智能控制，能根據土壤濕度值進行灌溉作業；③合理安排光強傳感器、遮陽簾、燈帶等組件的布局，通過編程實現主控板對光照的智能控制，自動調節溫室內的光照強度。

結" 語

項目式大單元教學是一種整體化的教學策略，以項目作品的實現為任務驅動，以項目情境下的學習活動為載體，將學生的學習過程置于真實項目情境中。與傳統的教學模式不同，項目式大單元教學立足單元目標，學習過程伴隨項目推進建立知識技能之間的邏輯關聯，學生參與到具體的項目設計和實現過程，不再被動地接受某一概念或技能，而是通過探索有意義的主題和解決實際問題，體驗到參與探索創新活動的樂趣和成就感，實現對學習動力的調動。學生解決項目中遇到的問題，完成項目主題任務，鍛煉了自主學習能力和團隊合作能力，培養了解決問題的能力和創新思維，促進了數字素養和技能的提升。

參考文獻

中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S]. 北京： 北京師范大學出版社，2022.

編" "輯：馮安華