中小學(xué)物聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計的兩種思路

謝賢曉 王國芳

“萬物互聯(lián)”的時代正漸行漸近，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也越來越受到創(chuàng)客教育、STEAM教育領(lǐng)域的重視。但因為缺乏簡單易用的物聯(lián)網(wǎng)平臺和廉價穩(wěn)定的智能終端，中小學(xué)生很難有機會理解物聯(lián)網(wǎng)原理，真正學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并開發(fā)各種創(chuàng)意應(yīng)用。在這樣的背景下，“虛谷物聯(lián)”項目誕生了。

● “虛谷物聯(lián)”項目

“虛谷物聯(lián)”項目的核心是開發(fā)的開源MQTT服務(wù)器程序——SIoT，它為中小學(xué)STEAM教育提供了教學(xué)專用物聯(lián)網(wǎng)平臺，而2018年發(fā)布的開源硬件掌控板，則讓物聯(lián)網(wǎng)終端實現(xiàn)了低成本。兩者的結(jié)合降低了中小學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)成本以及技術(shù)門檻，讓學(xué)生不僅能夠真正學(xué)習(xí)到物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，還能通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，進而探究科學(xué)問題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)一直是STEAM教育和創(chuàng)客教育的熱點。為幫助一線教師掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，“虛谷物聯(lián)”項目組為SIoT軟件編寫了詳細而具體的文檔（文檔閱讀地址：https：//siot.readthedocs.io/）。

SIoT文檔中提供了各種客戶端連接服務(wù)器的范例，其中包括專用客戶端，Mind+、mPython、App Inventor2和Python等常見編程語言，以及Arduino、micro：bit、掌控板等開源硬件，文檔還介紹了Node-RED、Processing、PowerPoint等不太常見的工具。除此之外，文檔中還收集了一系列典型應(yīng)用案例，如熱輻射實驗探究、智能家居模型、互動媒體“劃龍舟”和互動游戲“足球?qū)?zhàn)”等。

● 物聯(lián)網(wǎng)課程開發(fā)

要普及物聯(lián)網(wǎng)教育，僅僅為教師們提供理論和技術(shù)培訓(xùn)是不夠的，最好能夠提供簡單易用的課程，作為他們實施教學(xué)的“腳手架”。我們團隊在“虛谷物聯(lián)”項目組的支持下，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的兩大亮點——遠程控制和數(shù)據(jù)采集，結(jié)合《中小學(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》中提出的活動方式，對物聯(lián)網(wǎng)課程進行了開發(fā)，并初步形成了兩種設(shè)計思路，具體如下：

（1）設(shè)計制作類。設(shè)計制作指學(xué)生運用各種工具、工藝（包括信息技術(shù)）進行設(shè)計，并動手操作，將自己的創(chuàng)意、方案付諸現(xiàn)實，轉(zhuǎn)化為物品或作品的過程。教師可以指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并利用這方面的技術(shù)設(shè)計能夠解決真實世界問題的應(yīng)用，制作出相關(guān)作品。

（2）考察探究類?？疾焯骄渴菍W(xué)生基于自身興趣，在教師的指導(dǎo)下，從自然、社會和自身生活中選擇和確定研究主題，開展研究性學(xué)習(xí)，在觀察、記錄和思考中，主動獲取知識，分析并解決問題的過程。在考察探究的活動中，學(xué)生以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為工具，利用實時、無線的方式采集數(shù)據(jù)，進行基于數(shù)據(jù)的科學(xué)探究活動。

● 設(shè)計制作類課程的開發(fā)

我們將設(shè)計制作類的課程命名為“趣味物聯(lián)網(wǎng)作品設(shè)計”，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并設(shè)計相關(guān)應(yīng)用，涉及到的軟硬件分別是“Mind+”（一款基于Scratch3.0開發(fā)的青少年圖形化編程軟件）、掌控板（包含其他傳感器、執(zhí)行器的學(xué)習(xí)套件），以項目式學(xué)習(xí)為主要學(xué)習(xí)方式，開發(fā)各種創(chuàng)意應(yīng)用。

1.課程目標(biāo)

熟悉開源硬件掌控板的編程，理解物聯(lián)網(wǎng)的運行原理，能夠利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計各種與智能家居、互動媒體相關(guān)的創(chuàng)客作品，培養(yǎng)STEAM素養(yǎng)。

2.課程定位

執(zhí)教對象為非零起點學(xué)生，具有一定的Scratch編程基礎(chǔ);課程內(nèi)容的設(shè)計上偏向于網(wǎng)絡(luò)互動與實際應(yīng)用，以項目化的方式進行呈現(xiàn);實例的選擇從易到難，遵循循序漸進原則，最終完成一個完整的物聯(lián)網(wǎng)作品并進行展示。

3.硬件選擇

本課程在實施過程中，除了需要掌控板外，還需要一些輸入硬件設(shè)備（DHT11溫濕度傳感器、3D手勢、電導(dǎo)、鱷魚夾）和輸出硬件設(shè)備（繼電器、舵機、電風(fēng)扇），連接掌控板和輸入、輸出設(shè)備的拓展板。在課程開設(shè)前，需要將教師機設(shè)置為數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，定時采集各種數(shù)據(jù)，供學(xué)生連接使用。

4.課程內(nèi)容

“趣味物聯(lián)網(wǎng)作品設(shè)計”的核心內(nèi)容是了解、體驗、剖析和設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)作品，涵蓋了傳感器、開源硬件、編程和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。我們將課程分為掌控板編程基礎(chǔ)、簡易氣象臺、電子沙盤設(shè)計和簡易智能家居四個單元，每個主題的學(xué)習(xí)從創(chuàng)設(shè)情境開始，通過“我要學(xué)”→“我要做”→“我要想”→“我要練”→“我要讀”展開。課程具體內(nèi)容如表1所示。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，涉及的知識點較多，如網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識、MQTT協(xié)議、訂閱消息、發(fā)送消息等，所以“趣味物聯(lián)網(wǎng)作品設(shè)計”在課程設(shè)計上涉及網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制、硬件編程等多方面問題，“軟硬兼施”，是一門跨學(xué)科學(xué)習(xí)的課程。通過系列專題學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生開展深入探究與實踐，從而發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，并且能運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決實際問題，培養(yǎng)學(xué)生處理問題的能力和綜合素養(yǎng)。在教學(xué)過程中教師不要過分強調(diào)知識的深度，而要強調(diào)知識的廣度，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)多了解物聯(lián)網(wǎng)作品，并嘗試“仿造”，然后“改良”，最終實現(xiàn)“創(chuàng)新”。

● 考察探究類課程的開發(fā)

數(shù)據(jù)分析已經(jīng)深入到科學(xué)、技術(shù)、工程和現(xiàn)代生活的各個方面，科學(xué)數(shù)據(jù)分析的一般流程為：收集數(shù)據(jù)—整理數(shù)據(jù)—提取數(shù)據(jù)—構(gòu)建模型—推斷并獲取結(jié)論。SIoT服務(wù)器能夠收集并導(dǎo)出物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，因此學(xué)生通過SIoT能獲得大量的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)進行研究和分析?？疾焯骄款惖恼n程，我們命名為“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的科學(xué)探究”，顧名思義，就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行科學(xué)探究。

1.課程目標(biāo)

借助開源硬件和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集、分析的方式探究科學(xué)實驗中的各種變量，親歷基于數(shù)據(jù)的科學(xué)探究過程，培養(yǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)學(xué)建模、編程和科學(xué)探究能力。

2.課程定位

執(zhí)教對象可以是編程零起點學(xué)生，不關(guān)注編程;教師可以是非信息技術(shù)專業(yè)的教師，如科學(xué)教師、綜合實踐活動教師。

3.硬件選擇

本課程除了需要掌控板和拓展板外，還需要實驗過程中采集數(shù)據(jù)所需的輸入硬件設(shè)備，如DHT11傳感器、土壤濕度傳感器、超聲波傳感器、PM2.5傳感器、可燃氣體、渾濁傳感器、液位傳感器、紫外線傳感器、防水溫度傳感器、模擬氣體傳感器（MQ9）和LM35溫度傳感器等。

4.課程內(nèi)容

“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的科學(xué)探究”課程的核心內(nèi)容是收集、提取數(shù)據(jù)，進行科學(xué)探究。課程分為兩個單元：第一單元主要是讀取數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，熟悉網(wǎng)絡(luò)平臺;第二單元采用項目化學(xué)習(xí)方式，一個實驗就是一個項目，每個項目由2～3課時完成（如表2）。

科學(xué)探究是人們在研究各類科學(xué)特別是自然科學(xué)問題時所采取的方法，包括四個步驟：①提出問題;②猜想假設(shè);③接受檢驗;④不斷完善。步驟③就是通過實驗的辦法來驗證假設(shè)和猜想，收集并整理通過實驗得出的實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)，以及其他與猜想假設(shè)有關(guān)的所有資料、信息等，為驗證猜想與假設(shè)做好充分準備。

物聯(lián)網(wǎng)課程的設(shè)計除了上面介紹的兩種，還可以做互動媒體、交互游戲等。開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)課程，真正將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入中小學(xué)課堂，是我們正在努力的工作。希望有更多的學(xué)生因為這類課程的實施，輕松掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，體驗大數(shù)據(jù)，設(shè)計出各種創(chuàng)新應(yīng)用。