基于微實驗教學的初中物聯網課程設計與實踐

摘要：《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》倡導遴選科學原理與實踐應用并重的課程內容，鼓勵“做中學”“用中學”“創中學”。本文結合蘇科版中的物聯網教學案例，探討微實驗教學在初中信息科技物聯網課程中的實施路徑，旨在提高學生信息科技學科核心素養。

關鍵詞：微實驗教學；物聯網；圖形碼識別；初中信息科技

中圖分類號：G434"文獻標識碼：A"論文編號：1674-2117（2025）02-0041-04

實驗教學是國家課程方案和課程標準規定的重要教學內容，是培養創新人才的重要途徑。《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》提出基于真實情境實驗和跨學科實驗等方式進行教學，鼓勵教師創新實驗技術、實驗方法、實驗形式和實驗環境，努力提升學生解決真實情境中的復雜問題、完成真實任務的能力。微實驗教學是在實驗教學的基礎上演化而來的一種以實驗為核心的教學指導模式。與實驗教學相比，微實驗具有時長短、內容精、針對性強、靈活度高等特征，能夠在有限的時間內專注于特定的知識點進行實驗操作，且一般所需的實驗資源較少，學生能夠及時對實驗結果進行反饋與總結。

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）強調“科”與“技”并重的課程理念。然而在實踐教學中，筆者發現八年級物聯網教學面臨原理知識抽象復雜，學生難以理解；資源、設備限制，學生難以具象描述、聯想感知等現實困境。鑒于此，筆者基于新課標，嘗試運用觀察、實驗、推理、驗證、解釋等科學方法，尋找微實驗活動在初中物聯網教學中的實踐路徑，旨在引導學生用微實驗，“以小見大”探尋科學原理背后的本質與規律，全面提高學生信息科技學科核心素養，充分發揮課程的育人功能。

微實驗教學的流程

微實驗在初中物聯網課程中應用的關鍵在于將抽象的物聯網概念和原理轉化為具體的實驗現象和結果，幫助學生更好地理解物聯網的工作機制和應用場景。微實驗的設計要梳理清楚實驗活動之間的邏輯關系，將抽象的問題形象化、復雜的問題簡單化，立足真實情境，引導學生提出猜想假設，通過實驗探究，分析推理得出結論，探究現象背后的工作原理，最終通過實驗創新解決問題，實現應用遷移，具體流程如下頁圖1所示。

基于微實驗教學的初中物聯網課程實踐

下面，筆者以“物聯網的圖形碼識別技術”教學為例，對微實驗教學在初中物聯網課程中的教學實踐進行具體闡述。《探索2：物聯網的識別技術》一課選自江蘇鳳凰科學技術出版社出版的《信息科技》八年級上冊第二單元。本課以班級圖書角存在的真實問題導入，圍繞“為什么應用、采集什么數據、如何采集數據、如何應用”的問題鏈展開教學，通過“實驗對比—實驗猜想—實驗驗證—實驗創新”的過程，將條形碼和二維碼的特征、生成與識別原理、應用場景等結構知識融入其中，如圖2所示。通過創新實驗作品，模擬班級圖書掃碼借閱、歸還的過程，實現利用二維碼識別技術進行數據采集，以期學生能夠感悟圖形碼技術的應用價值，并有效運用圖形碼識別技術解決生活中的實際問題。具體實驗過程如下。

1.創設情境，提出問題

創設情境：同學們，班級圖書角資源越來越豐富了，但手工記錄借閱圖書的方式不僅效率低，而且經常會出現記錄丟失或者信息錯誤的情況。

提出問題：如果你是班級的圖書管理員，你有沒有什么好辦法能夠提高數據錄入的效率？教師展示解決方法，引發學生思考：這種方式相比于手工記錄，優勢體現在哪里？

在這一環節，創設真實的問題情境、設問引發學生思考、兩種圖書管理方式的對比讓學生直觀感受到圖形碼識別技術的優勢，引發學生探究的欲望。

2.實驗對比，探析條形碼和二維碼的特征

實驗一：條形碼和二維碼識別對比實驗。

采用簡易掃碼工具掃描條形碼與二維碼，填寫實驗記錄單（如表1）。

實驗結論：掃描條形碼可以采集數字或字母信息；掃描二維碼可以間接表達文本、圖像、音視頻等信息。二維碼可承載的信息存儲容量大于條形碼。

此環節采用探究性實驗，通過真實的掃碼體驗引導學生直觀感受二維碼和條形碼可以承載的內容及信息存儲量，在對比分析中感受條形碼與二維碼的特征，提高學生問題探究與解決能力，同時順勢提出問題：二維碼是如何生成的？

3.實驗驗證，理解圖形碼識別技術工作原理

實驗二：生成圖書二維碼標簽。

提出問題：班級圖書角的書是同學們各自從家里帶來的，如何為自己帶來的圖書定制專屬二維碼標簽？

實驗過程：

①師生討論，共同約定命名規則；

②打開瀏覽器，在草料二維碼平臺輸入這本書的信息，如自己的名字、書名、作者、書籍簡介等內容；

③生成二維碼，下載并保存二維碼，課后打印并張貼在書籍上。

實驗猜想：生成的二維碼識別結果與輸入的內容是否一致？

在這一環節，教師根據實驗一圖形碼識別結果進行逆向推理——二維碼是如何生成的，體驗二維碼的制作過程，進一步理解二維碼編碼的過程，同時提出實驗猜想，激發學生的探究和驗證的欲望。

實驗三：驗證二維碼識別結果。

實驗目的：模擬掃碼借閱圖書的過程，驗證生成的二維碼識別結果與輸入的內容是否一致。

實驗過程：

①連接硬件：首先，將攝像頭接入行空板USB接口。然后，將行空板通過USB線連接到電腦上，等待行空板屏幕亮起，并顯示行空板LOGO，表示連接成功。

②打開程序“按下A鍵識別”，連接遠程終端10.1.2.3，運行程序。注意：按下A鍵，攝像頭打開，拿起攝像頭對準生成的二維碼進行識別。

③觀察識別結果，驗證實驗猜想。實驗現象：生成的二維碼識別結果與輸入的內容一致。

實驗結論：二維碼可以用來標識書籍并存儲數據，掃描設備可識別二維碼的信息，生成與識別二維碼的過程就是編碼與解碼的過程。

此環節采用驗證性實驗，學生在連接行空板和攝像頭的過程中進行硬件的組裝、調試和配置，鍛煉了實踐操作能力和問題解決能力。編寫程序雖然不是本節課的重點，但通過編程實驗來驗證算法設計的合理性與可行性，進而實現二維碼識別結果與輸入內容的驗證，對學生理解二維碼識別工作原理，進一步提高辯證思維能力大有裨益。

4.實驗創新，應用圖形碼識別技術

實驗四：制作圖書借閱、歸還掃碼識別反饋裝置。

實驗目的：編寫圖書借閱、歸還掃碼識別反饋程序，學會利用二維碼識別技術進行數據采集，解決生活中的實際問題。

實驗過程：

設想方案1：添加并修改程序，實現掃碼借閱、歸還圖書的功能，具體算法分析與編程實現如圖3所示。

按下A鍵：如果檢測到二維碼，終端顯示“×××（識別結果）+已借閱”；如果沒有檢測到二維碼，則繼續識別。

按下B鍵：如果檢測到二維碼，終端顯示“×××（識別結果）+已歸還”；如果沒有檢測到二維碼，則繼續識別。

設想方案2：在現有功能基礎上，根據參考資料（如下頁表2），設計“檢測到二維碼”的個性化反饋提示。

實驗結果：圍繞實驗作品的創新點、功能演示與結果展示、實驗過程中發現的問題與解決方法、收獲與反思等方面展開分享與交流。

在這一環節，通過觀察實驗三程序設計，引導學生用自然語言和流程圖的方式描述算法，了解分支結構的應用。學生在讀懂代碼的基礎上，嘗試通過修改并增加代碼，實現圖書借閱、歸還的個性化反饋機制，在創新應用型實驗中培養獨立思考、創新性解決問題的能力。在此環節，學生展示自己的實驗成果和心得體會，通過交流與分享，學生可以互相學習、互相啟發，拓寬自己的視野和思維方式。

5.應用遷移，拓展提升

教師展示完整圖書管理物聯系統的工作過程，引導學生感悟圖形碼識別技術在物聯網架構中的重要作用。思考并討論：在生活中圖形碼識別技術還有哪些應用場景？解決了哪些問題？結合實際案例，教師引導學生關注二維碼安全問題，提高自身的信息安全意識。

最后，師生梳理班級圖書管理物聯系統的工作流程，強調圖形碼識別技術在物聯網體系中的重要作用，并引導學生繼續思考圖形碼在智慧交通、物流、購物等方面的應用，體會圖形碼識別技術在其他領域的應用價值。同時，通過實際案例引發學生思考：是不是萬碼皆可掃？學生通過討論小結二維碼的安全隱患及應對措施，提高自身的信息安全意識，同時借用掃描地鐵乘車碼強調加密技術的重要作用。

思考與總結

本文采用探究性實驗、驗證性實驗、創新應用性實驗等不同的微實驗類型，引導學生從班級圖書角存在的真實問題出發，在對比、觀察、歸納、猜想、驗證中提煉條形碼和二維碼的特征及二維碼生成和識別的工作原理，為實現利用二維碼識別技術進行數據采集，進一步拓展創新奠定理論基礎。從微實驗教學效果來看，學生能夠了解圖形碼識別技術的特征及工作原理，利用二維碼識別技術進行圖書的數據采集，教學目標得以達成。在實驗作品創作過程中，學生能用自然語言描述算法，通過修改程序實現二維碼識別成功的個性提示，同時發現問題，反饋優化，形成一定的科技創新精神，核心素養得以落實。

另外，在實踐教學中，為更好地發揮微實驗教學在初中物聯網課程中的應用效果，筆者提出如下建議：①立足真實情境，科學定位實驗目標。②巧用實驗手冊，明晰實驗步驟。③明確小組分工，提升實驗效率。④注重實驗評價，促進素養發展。

參考文獻：

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