雙板協同：人工智能賦能的初中物聯網項目式學習實踐研究

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A論文編號：1674—2117（2025）19—0037-04

新學年、新學期，全國人工智能教育遍地開花。在人工智能通識教育之外，信息科技教師將如何改進其他內容的教學？本期解碼以浙江、山東為例，共同探討人工智能教育會為信息科技教學方式帶來什么變革。

隨著物聯網技術的快速發展，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）將其列為第四學段核心內容，明確要求學生掌握簡易物聯系統設計技能，理解數據采集、傳輸與控制原理。然而，當前初中物聯網教學面臨多重問題：傳統單板實驗模式難以幫助學生建立完整的“感知—傳輸—決策”系統認知；MQTT等通信協議配置復雜，帶來較高技術操作負荷；多設備協同中角色分工不清，影響協作效率；現有評價體系對系統思維與合作有效性關注不足。這些問題共同阻礙了學生物聯系統思維的完整建構。

為系統解決上述問題，筆者融合三種學習理論的核心思想借鑒認知負荷理論以降低操作復雜度、運用分布式認知理論來具象化系統鏈條、依據社會互賴理論強調協作責任綁定，構建了包含硬件層、數據層、任務層和評價層的“雙板協同”模型，并以“蘭花智能澆灌提示系統”為項目載體，通過硬件分離、數據預置、角色綁定、三軌評價等策略，提升物聯網學習的系統性和可操作性。同時，引入基于多模態交互技術的人工智能助教智能體（以下簡稱“AI助教”），將其部署于云端平臺，賦能“雙板協同”模型的實踐過程。

0 “雙板協同”架構的模型 構建

1.硬件載體與命名定義

雙板協同”模型中的“雙板”指本研究為明確功能區分而采用的兩種不同顏色的信息科技實驗板。該實驗板支持Wi-Fi連接與MQTT通信協議，可穩定接人互聯網并實現數據遠程傳輸。其中，紅板作為感知端，主要負責連接土壤水分傳感器等輸入設備，完成環境數據的采集任務；紫板作為決策端，負責從物聯網平臺訂閱數據，依據預設閾值進行邏輯判斷，并控制LED、繼電器等輸出設備執行相應操作。通過紅板與紫板的物理分離與角色化設計，將物聯網中抽象的“感知—傳輸一決策”數據流轉化為可操作、可觀察的實體對象，為后續角色綁定與協作學習提供清晰的硬件基礎。

2.模型核心架構與破解機制

“雙板協同”模型圍繞初中物

表1

聯網教學中的核心困境，構建了一個四層動態閉環架構。其核心架構與破解機制如表1所示。

3.AI助教在模型中的賦能角色

AI助教作為“雙板協同”模型能力增強模塊，深度融入四層架構，通過多模態交互與推理能力實現關鍵策略智能化和個性化執行。其具體賦能方式如表2所示。

表2

4.模型協同作用機制

四層架構與AI助教協同形成教育合力。硬件層通過紅板與紫板的物理分離具象化數據流；數據層借預置模板與簡化的登錄流程降低操作負荷；任務層依托角色綁定與設備共享促進協作效能；評價層借助三軌體系實現全流程素養評估。AI助教貫穿各層，提供連接檢查、操作引導、故障排查和智能評價等支持。

表3

“雙板協同”物聯網教學 實踐

為驗證模型實效，本研究以“蘭花智能澆灌提示系統”為項目載體，要求學生通過紅板采集土壤濕度數據，經物聯數據中臺傳輸，由紫板依據閾值控制LED報警，完整實現“感知—傳輸—決策”閉環。

1.學習流程設計

為清晰呈現“雙板協同”模型破解教學困境的實踐路徑，筆者通過表3系統映射了困境維度、模型層策略、人工智能賦能路徑及學習環節的對應關系。

2.項目學習流程設計

筆者以“問題驅

動—協作建構一遷移評價”為邏輯主線，將其細化為五個教學環節。在整個流程中，AI助教深度融入各環節，為核心實施策略提供支撐，從而有效保障教學目標達成。

環節一：創設情境（硬件層：認知斷層）

核心問題：如何自動監測土壤濕度？

學生活動：

① 提出方案。用傳感器充當蘭花的濕度眼睛。

② 角色綁定。在明確紅板和紫板的功能定位后，進行分組操作。A角：“土壤偵察兵”，負責紅板連接、程序寫入等操作。B角：“澆水指揮官”，負責紫板的操作與觀察。

③ 實體化標簽。為紅板粘貼“土壤偵察兵”標簽，為紫板粘貼‘澆水指揮官”標簽。

④ 硬件操作。A角觀看“傳感器連接指南”微課，按口訣“一插聽咔嗒，二按拔尾巴”連接土壤水分傳感器至紅板；B角測試紫板按鈕觸發LED燈，理解決策端功能。

⑤ AI助教檢查。A角在完成連接并自查后，拍攝接線特寫照片，上傳至AI助教進行檢查。AI助教基于圖像識別技術檢查連接的規范性與準確性，并給出10分制評分與改進建議。學生根據反饋進行調整直至獲得滿分評價。

教師活動：

① 展示校園蘭花枯萎的實物照片，引導學生思考人工檢測的

弊端。

② 在學生提出傳感器方案后，點明紅板為感知端、紫板為決策端。

③ 引導學生分配角色，提供微課等資源指導學生完成相應任務。

④ 在學生完成硬件連接后，引導利用AI助教進行連接自查，強調規范操作重要性。

學習單任務：在硬件連接圖旁標注“感知端/（土壤偵察兵）”“決策端/（澆水指揮官）”，并簡單寫出各自功能。

環節二：配置通信（數據層：技術超載）

核心問題：如何配置雙板通信？

學生活動：

① 平臺設置。全體A角共用班級碼登錄中小學信息科技物聯數據中臺。

② AI助教引導。A角在登錄后與AI助教互動，在其引導下創建“澆水提示系統”項目和“土壤”主題。B角觀看并監督A角操作，使用“檢查清單”核對項目名、主題名等關鍵信息是否填寫正確。

③ 分層配置。基礎組：在教師提供的程序模板中，找到并替換指定的用戶ID和項目ID。進階組：在完成基礎組任務基礎上，嘗試閱讀并理解程序邏輯，獨立調整濕度報警閾值參數。

④ 檢查程序。小組核對程序中的ID是否與平臺一致。

教師活動：

① 演示班級碼一鍵登錄物聯數據中臺，強調紫板僅需訂閱數據，無需連接傳感器。

② 引導學生在AI助教指導下完成項目與主題的創建。

③ 分析程序中的相關代碼，指名學生演示用戶ID和項目ID的替換操作。

學習單任務：記錄程序中需替換的變量名及與其對應的平臺中的名稱，同時記錄報警閾值。

環節三：協作排障（任務層：協作低效）

核心問題：為何報警失效？

學生活動：

① 故障排查。當紫板數據異常時，向AI助教描述故障現象。AI助教向A角和B角分配不同的排查指令，引導小組協同執行系統化排查流程，直至定位問題。

② 閾值修改。A角用干燥土樣測試，B角發現LED未亮，協作排查閾值設置錯誤（干燥濕度 500gt; 國值300）；B角調整閾值至500，A角復測驗證成功。

教師活動：

① 鼓勵學生在遇到困難時優先向AI助教求助，培養自主排查故障的能力。

② 收集各組共性問題，尤其是AI未能覆蓋的復雜邏輯錯誤或網絡深層配置問題，進行集中點撥。

學習單任務：在提供的系統框架圖上，用彩色筆繪制完整數據流

課標探索

轉路徑：土壤濕度一紅色實驗板（土 壤偵察兵）一（標注：MQTT協議）一 物聯數據中臺→紫色實驗板（澆水 指揮官）一LED報警。

環節四：遷移評價（評價層：評價割裂）

核心問題：如何驗證系統遷移能力？

學生活動：

① 遷移改造。A角操作紫板，連接補光燈模擬模塊；B角操作紅板，替換土壤水分傳感器為光敏傳感器。

② 三軌評價。技術軌——小組間檢查傳感器插接是否牢固（A角操作）、平臺數據是否實時更新（B角匯報）；思維軌——小組派代表口述數據流邏輯后，AI助教根據“是否提及傳感器、MQTT協議、平臺、執行器”等對其表述的完整性、術語準確性和邏輯性給出量化評分并生成評語；合作軌——小組互評角色任務完成度與協作貢獻值。

教師活動：

① 提出保留雙板架構，將土壤水分傳感器替換為光敏傳感器，LED報警改為補光燈開關。

② 指導學生完成新系統搭建，并完成新數據流圖；組織學生小組間進行技術軌、思維軌評價，在組內進行合作軌評價；引導學生在完成遷移后與AI助教對話，探討“雙板架構還可應用于哪些校園場景”。

學習單任務：設計新系統數據流圖；為新系統重新命名，并思考其應用價值；標注新傳感器與控制部件；完成三軌評價。

環節五：反思優化（系統思維升華）

核心問題：如何提升系統可靠性？

學生活動：

以小組為單位，開展研討。

① 故障分析與優化建議。討論“系統不穩定的可能原因”，并提出至少一條針對性優化建議。

② 原則提煉。基于項目實踐，共同總結一個物聯網系統最關鍵的設計原則。

③ 人機協同反思。回顧AI助教在硬件檢查、代碼調試、協作排障等環節中的作用，分析其優勢與局限，總結協同使用AI的方法。

④ 學習閉環梳理。繪制小組的“問題一實踐—創新—反思”學習路徑圖，分享協作收獲與體會。

教師活動：

① 組織討論斷網應急方案。

② 對學生總結的物聯網設計原則進行提煉、升華。

③ 適時定位人工智能的角色，深化學生對人機協同認知。

④ 在學生分享收獲后，強化項目價值。

學習成效

首先，AI助教深度融合于雙板協同模型各層，實現精準賦能。在硬件層，依托圖像識別技術實現硬件連接規范自動檢查與實時反饋，首次連接通過率顯著提升；在任務層，通過智能引導小組自主排查常見故障，有效減輕教師重復指導負擔；在評價層，為技術軌、思維軌提供客觀的過程性數據支持，推動“三軌評價”實現精準化與高效化。

其次，學生綜合能力有所提升。 90% 以上的學生能獨立完成硬件連接與平臺配置；在系統思維方面， 76% 的學生可清晰描述完整數據流路徑，體現對物聯網架構的理解；在協作學習方面，所有小組均完成A、B角任務，角色責任意識和合作效率顯著增強；在遷移應用方面， 90% 的小組成功實現傳感器與執行器的替換及功能轉換；在工程規范方面，通過引入標準化命名策略，使主題命名錯誤率大幅下降。

參考文獻：

[1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.

[2]鄭潔.核心素養導向下的物聯網課程重構與項目實踐研究[J.中國信息技術教育，2025（14）.21-25.