STEM教育理念下的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)初探

程然

摘 要：以蘇科版初中信息技術(shù)九年級《初識物聯(lián)網(wǎng)》一課為基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)生日常學(xué)習(xí)生活中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例，初步探討STEM教學(xué)：介紹生活中的物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)，利用實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)，體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；結(jié)合STEM教育理念，讓學(xué)生拓寬視野，走進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的世界，提高對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的探究能力。

關(guān)鍵詞：STEM 物聯(lián)網(wǎng) 教學(xué)設(shè)計(jì)

STEM教育是融合了科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）學(xué)科的一種綜合性教育，強(qiáng)調(diào)在多學(xué)科的融合中，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才。STEM的教學(xué)不能僅僅將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科知識簡單疊加，而要做到將原本分散的學(xué)科內(nèi)容自然組合，把學(xué)生需要學(xué)習(xí)的零碎知識變成互相聯(lián)系的統(tǒng)一整體，讓學(xué)生在多學(xué)科交叉融合的活動中，將知識與生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，解決實(shí)際問題，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力以及解決問題的能力。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是物體與物體通過電子標(biāo)簽、電子傳感器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等設(shè)備，按約定的協(xié)議相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，從而實(shí)現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。

我校自從2017年獲批江蘇省STEM項(xiàng)目試點(diǎn)學(xué)校以來，一直在積極探索符合學(xué)校實(shí)際、具有學(xué)校特色的STEM教學(xué)模式。目前，已經(jīng)形成了以物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、航模、金鑰匙科技競賽等科技教育活動為基礎(chǔ)，以科技活動中心為基地的STEM教育研究與實(shí)踐成果。下面以蘇科版初中信息技術(shù)九

年級《初識物聯(lián)網(wǎng)》一課為基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)生日常學(xué)習(xí)生活中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例，初步探討STEM教學(xué)。

一、教學(xué)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備如下器材：自制創(chuàng)意小機(jī)器人1個、運(yùn)動手環(huán)1個、手機(jī)1個、平板電腦5個、智能LED炫彩燈1個、WiFi電源插座2個、臺燈1個、風(fēng)扇1個、紅外線感應(yīng)1個、溫濕感應(yīng)器1個、無線路由器1個、無線網(wǎng)關(guān)1個、多用插座若干。

將其中的部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材分成5組，見表1。

二、教學(xué)過程

（一）激趣引入

（將學(xué)生分成5個小組，各小組分別推選出組長、記錄員、演示員、解說員各一名。要求演示員演示時解說員同步解說；所有人大聲回答問題；做實(shí)驗(yàn)時緊跟老師的節(jié)奏。）

師 （展示事先利用Arduino自制的創(chuàng)意小機(jī)器人）這是老師今天帶來的機(jī)器人。向它吹一口氣，它就能前進(jìn)；它還能根據(jù)你說話聲音的大小，用燈光的明暗做出回應(yīng)；它也是個膽小的機(jī)器人，因?yàn)樗匆娀鸸鈺ε碌煤笸恕?/p>

（將機(jī)器人傳給各組，讓學(xué)生都親身體驗(yàn)一下機(jī)器人吹氣前進(jìn)、隨音量閃爍燈光、遇火后退等狀態(tài)。）

師 機(jī)器人為什么會知道有人在向它吹氣？它是怎么“聽”到聲音的？又是怎么“看”到火光的呢？問題的答案就在今天要學(xué)習(xí)的這節(jié)課中，一會兒還有更好玩的內(nèi)容等著我們。（播放一段用手環(huán)記錄運(yùn)動數(shù)據(jù)的視頻）同學(xué)們，你們看到了什么呢？

生 手環(huán)。

師 手環(huán)有些什么功能呢？

生 記錄步數(shù)。

生 看時間。

生 計(jì)算公里數(shù)。

師 同學(xué)們對手環(huán)的認(rèn)識都很準(zhǔn)確。今天，老師也帶來了一個手環(huán)。從現(xiàn)在開始，老師會把它戴在手腕上，讓它來記錄本節(jié)課老師的運(yùn)動數(shù)據(jù)。大家可別忘了在下課前提醒老師看一下數(shù)據(jù)哦。

[設(shè)計(jì)意圖：讓小組聚集，近距離體驗(yàn)機(jī)器人的動作反饋，激發(fā)學(xué)生探究的興趣，讓他們帶著疑問和好奇進(jìn)入課堂。以生活中常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用小設(shè)備——手環(huán)，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)世界，讓學(xué)生感知生活中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，消除物聯(lián)網(wǎng)的神秘感，將知識與生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，順勢引入本課教學(xué)。另外，讓學(xué)生關(guān)注數(shù)據(jù)，旨在讓學(xué)生明白數(shù)據(jù)與信息之間的關(guān)系。]

（二）探索交流

師 老師有個問題想請同學(xué)們思考一下：手環(huán)是通過什么感知跑步數(shù)據(jù)的呢？請小組討論一下。有答案的小組請舉手示意，由小組發(fā)言人匯報討論結(jié)果。

（小組討論。）

生 感應(yīng)器。

生 傳感器。

師 沒錯，就是傳感器。（PPT出示“功能各異的傳感器：聲音、溫度、濕度、氣敏、力敏、紅外線、圖像、運(yùn)動”）老師課前收集了一些傳感器的名稱，手環(huán)可能使用了哪一種傳感器呢？

生 運(yùn)動。

師 那手環(huán)有了數(shù)據(jù)之后又是怎樣傳到手機(jī)上的呢？

生 藍(lán)牙。

師 除了藍(lán)牙這種無線數(shù)據(jù)傳輸方式外，大家還知道哪些方式呢？

生 WiFi。

生 3G、4G、5G……

師 同學(xué)們懂的真不少！手機(jī)上的這些數(shù)據(jù)能給我們哪些提醒？

生 跑了多少步。

師 跑了多少步、跑了多少公里，這些就是數(shù)據(jù)的智能應(yīng)用。手環(huán)里的運(yùn)動傳感器感知人的運(yùn)動并形成數(shù)據(jù)，藍(lán)牙在手環(huán)和手機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，手機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析。手機(jī)、手環(huán)兩個物體在這個過程中進(jìn)行了互聯(lián)，這種物與物聯(lián)通的工作方式，就是近幾年來火熱的新領(lǐng)域——物聯(lián)網(wǎng)。

[設(shè)計(jì)意圖：借手環(huán)的工作過程幫助學(xué)生梳理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的方式，歸納總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特點(diǎn)，進(jìn)一步認(rèn)知物聯(lián)網(wǎng)，了解概念、掌握原理。此部分知識涉及數(shù)學(xué)、信息學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)等多個學(xué)科，在課堂上無須明確指出學(xué)科分類，在講解物聯(lián)網(wǎng)工作流程的過程中滲透給學(xué)生即可。]

（三）體驗(yàn)應(yīng)用

（播放兩段關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的視頻，其文字說明如下。）

1.基于物聯(lián)網(wǎng)科技的農(nóng)作物種植。由傳感器感知溫度、濕度、土壤鹽分等信息，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C(jī)或電腦，對比預(yù)先設(shè)定的農(nóng)作物最佳生長環(huán)境指數(shù)，可自動或手動發(fā)布指令，進(jìn)行調(diào)節(jié)溫度、濕度、土壤鹽分等操作，讓農(nóng)作物在最適宜的環(huán)境中生長，遠(yuǎn)離蟲害、遠(yuǎn)離農(nóng)藥，讓我們吃得更放心。

2.在食物吃得放心的同時我們也需要精神食糧。深圳市將新增20臺自助圖書館，使全市自助圖書館的數(shù)量達(dá)到240臺?！白灾鷪D書館吐出的不是書，而是知識和文明?！眻D書館的每本書里都貼有一個電子標(biāo)簽；標(biāo)簽閱讀器讀出標(biāo)簽中的信息，也就是這本書的信息，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鳈C(jī)電腦；電腦查詢后給出相應(yīng)的借還處理。圖書館還提供“預(yù)借”服務(wù)：市民通過圖書館網(wǎng)站預(yù)訂圖書，圖書館會在48小時內(nèi)通過物流把書送到市民指定的自助機(jī)。

師 除了這兩個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的例子，在我們的衣食住行中還有哪些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用？或者說，還有哪些與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的智能應(yīng)用？請小組內(nèi)討論說說物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用能給我們的生活帶來哪些便利。

（學(xué)生小組討論后交流：智能醫(yī)療、智能家居、智能交通、智能物流……）

師 你們太棒了，個個都是創(chuàng)意家！你們說的有些創(chuàng)意已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，有些還等著你們?nèi)?chuàng)造。（PPT出示圖1）其實(shí)在我們生活的方方面面都有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的功勞。

師 同學(xué)們已經(jīng)知道了很多智能應(yīng)用，想不想自己也動動手，搭建一個簡單的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境？老師今天帶來了一些實(shí)驗(yàn)器材。（展示實(shí)驗(yàn)器材，PPT出示如下實(shí)驗(yàn)原理。）

實(shí)驗(yàn)原理 本實(shí)驗(yàn)以低功耗ZigBee通信技術(shù)為支撐，在每臺平板電腦（或手機(jī)）上安裝物聯(lián)網(wǎng)專用APP，將平板電腦（或手機(jī)）通過連接無線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)；將智能LED炫彩燈、WiFi電源插座、紅外線感應(yīng)、溫濕感應(yīng)器等接入智能家居主機(jī)——無線網(wǎng)關(guān)，將無線網(wǎng)關(guān)通過連接無線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)。這樣可以通過平板電腦（或手機(jī)）等終端控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制燈光照明、遠(yuǎn)程控制家用電器、遠(yuǎn)程安防、遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測等功能（如圖2）。

師 請各小組組長抽簽領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)器材，然后帶領(lǐng)組員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，搭建簡單物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、模擬物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。教師組間指導(dǎo)。小組匯報本組完成情況，講解，演示。）

師 控制臺燈、風(fēng)扇的開與關(guān)實(shí)際上是控制遠(yuǎn)程電源的開與關(guān)。同學(xué)們想一想，還可以遠(yuǎn)程控制哪些電器？

生 窗簾開合。

生 水壺?zé)?/p>

……

[設(shè)計(jì)意圖：借生活中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)際案例，帶領(lǐng)學(xué)生近距離感知物聯(lián)網(wǎng)，并且通過小組合作實(shí)驗(yàn)親身體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，以幫助學(xué)生深度理解和掌握物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)知識，提升協(xié)作、分享的能力。]

（四）拓展提高

師 5組實(shí)驗(yàn)器材組成的物聯(lián)網(wǎng)都已經(jīng)成功搭建，每組器材都有各自獨(dú)特的功能。本組器材如果跟其他小組的器材組合在一起，能開發(fā)出什么新的功能？或者，你還想添加什么設(shè)備，以完成你的設(shè)想？請以小組為單位討論并匯報想法。

（學(xué)生討論，規(guī)劃，推測，演練，匯報。）

師 同學(xué)們的思考都有獨(dú)到之處。你們設(shè)計(jì)的組合功能可以用在日常生活中的哪些方面？請將自己的想法記錄下來。老師也有一個想法，即5組實(shí)驗(yàn)器材可以一起組合應(yīng)用在智能家居上：紅外線探測可以讓我們知道住所進(jìn)出情況，保證家庭安全；遠(yuǎn)程讀取溫度、濕度可以監(jiān)測家里的環(huán)境是否舒適，如果溫度高了，可以打開風(fēng)扇降溫；晚上回家可以先把燈光打開，如果出門前忘記關(guān)了，也可以遠(yuǎn)程關(guān)閉；而智能LED炫彩燈則可以用來烘托氣氛、切換場景。（稍停）現(xiàn)在同學(xué)們已經(jīng)能夠完成實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)搭建了，那么，請同學(xué)們思考一個問題：作為物聯(lián)網(wǎng)的受益者，未來10年、20年，我們需要什么樣的物聯(lián)網(wǎng)為我們服務(wù)？

（學(xué)生發(fā)言，教師小結(jié)。）

師 一節(jié)課的時間對于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展來說，太短太短，對于我們認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)、了解物聯(lián)網(wǎng)來說，也太短太短。但老師相信，經(jīng)過我們這一節(jié)課的共同努力，物聯(lián)網(wǎng)的概念、原理、應(yīng)用、前景已經(jīng)在我們腦海中有了印記，而這印記將會成為我們今后繼續(xù)探索物聯(lián)網(wǎng)世界的一把鑰匙，精彩的物聯(lián)網(wǎng)世界將會為有準(zhǔn)備的我們打開大門。按課始的約定，我們一起來看看上了一節(jié)課后的手環(huán)數(shù)據(jù)。（將手環(huán)的數(shù)據(jù)和手機(jī)同步）哦，老師本節(jié)課運(yùn)動的步數(shù)是549步，消耗的熱量是21卡路里，大約只等同于一小包薯?xiàng)l的熱量。這個數(shù)值有點(diǎn)低，課后讓我們一起運(yùn)動起來吧。下課！

[設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)生小組合作完成實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)搭建后，再次點(diǎn)燃他們創(chuàng)新思維的火花?；蛟S學(xué)生現(xiàn)在只能有想法，但只要在心中埋下夢想的種子，條件成熟后自然會開出絢麗的花朵。]