《萬物互聯(lián)》教學(xué)設(shè)計(jì)

王建華　李秀梅　宋巍巍　曹恒來

● 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

萬物互聯(lián)（IoE）是指將人、流程、數(shù)據(jù)和事物結(jié)合在一起使得網(wǎng)絡(luò)連接變得更加相關(guān)，更有價(jià)值，這種連接是建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的。為此，確定本課的主要內(nèi)容為物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要用于前端數(shù)據(jù)的獲取，通過局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器，在應(yīng)用層將感知層獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)現(xiàn)具體的應(yīng)用。在理解物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)智慧大棚，讓學(xué)生經(jīng)歷監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)環(huán)境的過程，體會(huì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給生活帶來的變化，以使學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)有更深刻的理解，為以后設(shè)計(jì)富有創(chuàng)意和價(jià)值的物聯(lián)網(wǎng)解決方案打下基礎(chǔ)。

● 學(xué)習(xí)者分析

本節(jié)課的學(xué)習(xí)對(duì)象是七年級(jí)的學(xué)生，與小學(xué)階段相比他們邏輯思維能力有了一定的發(fā)展，好奇心強(qiáng)，喜歡動(dòng)手探究驗(yàn)證自己的想法。他們是在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的環(huán)境中成長(zhǎng)的，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用并不陌生。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的概念和結(jié)構(gòu)雖然陌生，但在生活中對(duì)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都有不同程度的體驗(yàn)，如共享單車、智慧物流、智能家居等。在小學(xué)的信息技術(shù)學(xué)習(xí)中，也已經(jīng)對(duì)Scratch編程、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等知識(shí)有了一定的了解。這些經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)都為學(xué)生設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)做好了準(zhǔn)備。

● 學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1）理解物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，感知物聯(lián)網(wǎng)從信息感知到信息傳輸、智能處理的基本過程。

（2）能夠從日常生活中發(fā)現(xiàn)可以借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決的簡(jiǎn)單問題，分析任務(wù)需求，選擇合適的信息感知和傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作簡(jiǎn)易的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提高學(xué)生利用信息系統(tǒng)解決問題的能力。

（3）能發(fā)現(xiàn)生活中常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，感受萬物互聯(lián)對(duì)人們工作、學(xué)習(xí)、生活的影響。

● 教學(xué)過程

1.現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)，感知物聯(lián)網(wǎng)

同學(xué)們，老師在家里種植了草莓盆栽，想不想看看老師家里草莓的生長(zhǎng)情況呢？

活動(dòng)1：遠(yuǎn)程查看草莓盆栽，感知物聯(lián)網(wǎng)。

（1）利用手機(jī)APP異地查看草莓的實(shí)時(shí)影像。

（2）我們能看到異地的草莓盆栽需要哪些硬件和軟件？

（3）在整個(gè)過程中，攝像頭、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、手機(jī)各起到了什么作用？分析、歸納物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

小結(jié)：攝像頭用于獲取真實(shí)世界的信息，屬于物聯(lián)網(wǎng)的感知層，感知層主要通過各種類型的傳感器，實(shí)時(shí)辯識(shí)和采集物體的屬性、環(huán)境狀態(tài)、行為模式等信息;攝像頭拍攝的視頻通過無線局域網(wǎng)、有線局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等上傳至服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)傳輸感知層獲取的信息，也稱為“傳輸層”;手機(jī)通過APP和服務(wù)器實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，屬于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層，應(yīng)用層面向各類行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)和應(yīng)用平臺(tái)，如智能家居、智能交通、智能農(nóng)業(yè)等。

設(shè)計(jì)意圖：借助遠(yuǎn)程查看家中草莓的真實(shí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的好奇心。引導(dǎo)學(xué)生在分析本應(yīng)用中相關(guān)設(shè)備具體作用的基礎(chǔ)上，感知物聯(lián)網(wǎng)從信息感知到信息傳輸、智能處理的基本過程，并由點(diǎn)到面擴(kuò)展至同類設(shè)備和應(yīng)用，歸納出物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，為后面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)做了較好的鋪墊。

2.遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，初設(shè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

師：今天，老師將“智慧大棚”搬到了課堂上，讓我們運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建一個(gè)大棚智能控制系統(tǒng)，對(duì)種植草莓的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。

活動(dòng)2：設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)草莓生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)。

（1）哪些環(huán)境因素會(huì)影響草莓的生長(zhǎng)？

（2）分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定監(jiān)測(cè)所用傳感器、網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)平臺(tái)（如圖2）。

①我們準(zhǔn)備監(jiān)測(cè)哪些數(shù)據(jù)？要獲得這些數(shù)據(jù)，需要哪些傳感器？

②觀察教師提供的器材，找到有“WIFI”字樣的模塊，你知道WIFI有什么作用嗎？

③這套器材如何監(jiān)測(cè)獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)？

（3）學(xué)生分組，4人一組，明確各人的工作職責(zé)（如表1）。

（4）搭建草莓生長(zhǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

①對(duì)照硬件連接接口表安裝傳感器（如表2）。

②打開監(jiān)測(cè)例程，仿照讀取土壤溫度腳本，添加讀取濕度和光照腳本，對(duì)照硬件連接接口表設(shè)置對(duì)應(yīng)的讀取接口，并設(shè)置WIFI名稱和密碼（如圖3）。

③下載監(jiān)測(cè)程序至主控板。

（5）登錄“中小學(xué)物聯(lián)創(chuàng)新平臺(tái)”，監(jiān)測(cè)草莓生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度與光照，并匯報(bào)監(jiān)測(cè)結(jié)果（如表3）。

設(shè)計(jì)意圖：通過分析影響草莓生長(zhǎng)的環(huán)境因素，得出“智慧大棚”遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)需求。依據(jù)活動(dòng)1中得出的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，通過找一找、認(rèn)一認(rèn)等活動(dòng)確定所需的傳感器以及傳輸信息的網(wǎng)絡(luò)，并仿照現(xiàn)有例程完善讀取數(shù)據(jù)的腳本，登錄應(yīng)用平臺(tái)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，學(xué)生在搭建簡(jiǎn)易物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的過程中，能對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本工作原理有更為直觀形象的認(rèn)識(shí)。

3.自動(dòng)控制，完善物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

師：遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋草莓的生長(zhǎng)環(huán)境，但管理過程中仍需人工干預(yù)，如澆水等，怎樣讓草莓管理不依賴人工，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化呢？讓我們?yōu)楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)增加自動(dòng)控制功能。

活動(dòng)3：完善自動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)草莓管理自動(dòng)化。

（1）閱讀資料，了解適宜草莓生長(zhǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)。

溫度、濕度、光照等是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，在合適的環(huán)境下植物會(huì)長(zhǎng)得很好。草莓對(duì)溫度很敏感，植株生長(zhǎng)的適宜溫度為25℃左右;由于草莓根系較淺，植株小，葉片大，蒸騰作用強(qiáng)，對(duì)水分的要求較高，一般營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期需保持土壤持水量在60%左右;草莓是一種喜陰植物，光照度不高于30Lux。

（2）分析控制方式（如表4）。

（3）連接硬件設(shè)備（如表5）。

（4）仿照控制風(fēng)扇工作狀態(tài)的腳本，添加控制水泵工作的腳本。在“中小學(xué)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新平臺(tái)”根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的環(huán)境數(shù)據(jù)，使用開關(guān)按鈕控制生長(zhǎng)燈、風(fēng)扇、水泵工作（如下頁(yè)圖4）。

（5）根據(jù)草莓生長(zhǎng)環(huán)境要求和確定的控制方法，修改草莓環(huán)境管理程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。

①下頁(yè)圖5所示例程是自動(dòng)調(diào)節(jié)程序，你能分別說出圖中方框處程序的作用嗎？

②根據(jù)資料中的草莓生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)溫、濕度及光照要求，修改程序中的參數(shù)值。

（6）對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)控制功能進(jìn)行測(cè)試。

小結(jié)：物聯(lián)網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)從感知層，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)綉?yīng)用層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示;在應(yīng)用層，可以和感知層內(nèi)的物進(jìn)行交互;也可以通過感知層內(nèi)的物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的自動(dòng)控制。

設(shè)計(jì)意圖：監(jiān)測(cè)僅僅是物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)功能，能根據(jù)植物生長(zhǎng)習(xí)性進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)才是物聯(lián)網(wǎng)智能化的體現(xiàn)。在本活動(dòng)中，引導(dǎo)學(xué)生閱讀草莓生長(zhǎng)環(huán)境資料，在表格支架的幫助下，理清控制邏輯。遠(yuǎn)程平臺(tái)上的手動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了信息從應(yīng)用層向感知層的回饋，但仍然不能實(shí)現(xiàn)智能化。再給出優(yōu)化后的半成品程序支架，引導(dǎo)學(xué)生理解并完善程序，實(shí)現(xiàn)物物相聯(lián)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4.拓展思維，暢想萬物互聯(lián)

活動(dòng)4：觀看視頻《萬物互聯(lián)改變生活》。

（1）物聯(lián)網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于生活中的哪些方面？給生活帶來了怎樣的變化？

（2）從連接對(duì)象上看，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)有何區(qū)別？

小結(jié)：物聯(lián)網(wǎng)將信息網(wǎng)絡(luò)連接和服務(wù)的對(duì)象從人擴(kuò)展到物，以實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。未來的社會(huì)必定是一個(gè)物與物相聯(lián)、人與物相通、萬物互聯(lián)的時(shí)代。

設(shè)計(jì)意圖：通過觀看視頻的活動(dòng)，讓學(xué)生說說視頻中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用給生活帶來的變化，在拓寬學(xué)生視野的同時(shí)，使其體會(huì)物聯(lián)網(wǎng)給工作、學(xué)習(xí)和生活帶來的影響。引導(dǎo)學(xué)生從連接對(duì)象的角度比較互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)，使學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)有更深刻的認(rèn)識(shí)。

● 教學(xué)反思

本課選取物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為“萬物互聯(lián)”這一主題的切入點(diǎn)，由具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容向各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用輻射，點(diǎn)明“萬物互聯(lián)”的主題。

在明確了學(xué)習(xí)內(nèi)容之后，本課采用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，選取設(shè)計(jì)“智慧大棚”這一現(xiàn)實(shí)生活中的問題作為項(xiàng)目，該項(xiàng)目涉及信息技術(shù)、生物、物理等學(xué)科的知識(shí)，復(fù)雜程度較高，因此將其分解為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)兩個(gè)遞進(jìn)式的活動(dòng)任務(wù)。每個(gè)活動(dòng)按照項(xiàng)目學(xué)習(xí)的基本流程，從需求分析、確定方案、活動(dòng)探究到成果交流逐步展開，并根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，逐層設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生尋找解決問題的方案，如觀察標(biāo)有“WIFI”字樣的器材，旨在引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有條件確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。在完成活?dòng)任務(wù)的過程中，搭建了表格支架，引導(dǎo)學(xué)生明確組員間的分工;通過半成品程序支架，避免學(xué)生把過多的精力放在具體的腳本編寫與控件設(shè)置上，降低學(xué)生的探究難度。成果交流是項(xiàng)目學(xué)習(xí)不可缺少的環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)，學(xué)生分組匯報(bào)各自的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并模擬環(huán)境的變化測(cè)試自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作狀況，在檢查調(diào)試的過程中讓產(chǎn)品不斷趨于完善。最后，“智慧大棚”只是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一種應(yīng)用，通過視頻暢談物聯(lián)網(wǎng)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，直觀感受其給生活帶來的變化。

在教學(xué)實(shí)施過程中，受課時(shí)長(zhǎng)度的限制，無論是硬件的連接，還是腳本的編制，留給學(xué)生自主支配的時(shí)間均較少，對(duì)目標(biāo)的達(dá)成造成了一定的影響。在日常教學(xué)中，如果能夠采用兩節(jié)連排的形式安排內(nèi)容，則能增強(qiáng)學(xué)習(xí)活動(dòng)的持續(xù)性和完整性，有利于提高學(xué)習(xí)的品質(zhì)。

點(diǎn)? 評(píng)

本課是參加2021年江蘇省初中信息技術(shù)優(yōu)秀課評(píng)比活動(dòng)的比賽課，賽課主題是“萬物互聯(lián)”，而不是教材中具體某一節(jié)的內(nèi)容，該主題選自《江蘇省義務(wù)教育信息技術(shù)課程綱要（2017年修訂）》中“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”模塊。這就要求授課教師能夠從課程建設(shè)者和開發(fā)者的角度，對(duì)授課內(nèi)容和實(shí)施過程等進(jìn)行全方位的考慮。考慮到學(xué)生在小學(xué)六年級(jí)已對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有了初步的了解，因此教師沒有將本課定位為起始課，而是從運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)入手，讓學(xué)生親歷運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決問題的過程，感受人與物、物與物的互聯(lián)互通，較好地觸及了物聯(lián)網(wǎng)的基本含義——萬物互聯(lián)。

如果只是采用講授法進(jìn)行教學(xué)，或者僅是利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行體驗(yàn)和實(shí)踐，學(xué)生難以真正理解萬物互聯(lián)背后的基本思想。為此，教師通過活動(dòng)1幫助學(xué)生建構(gòu)起物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的知識(shí)之后，設(shè)計(jì)了兩個(gè)技術(shù)試驗(yàn)活動(dòng)，學(xué)生在分析智慧大棚功能需求的基礎(chǔ)上，選擇合適的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸方式，連接設(shè)備，調(diào)試腳本和參數(shù)，搭建了可以實(shí)際運(yùn)行的大棚，較好地理解了從物聯(lián)設(shè)備中讀取、發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的基本途徑，以及使用數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的基本方式。這種綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行的探索性的實(shí)踐活動(dòng)，為信息技術(shù)課程帶來一種不同于慣常機(jī)房授課的教學(xué)方式，有利于提高信息技術(shù)學(xué)習(xí)的效率。

兩個(gè)技術(shù)試驗(yàn)活動(dòng)的具體實(shí)施過程則采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行。例如，活動(dòng)3的情境為設(shè)計(jì)草莓管理的自動(dòng)控制系統(tǒng)，學(xué)生在閱讀適宜草莓生長(zhǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，確定了各個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)條件和對(duì)應(yīng)的控制方法。在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生面對(duì)的是現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)問題，需要運(yùn)用物理、生物等學(xué)科的知識(shí)來理解和分析，真實(shí)而復(fù)雜的情境大大提高了學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)性，有助于激活學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。而且，這種有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)需要小組成員的相互合作方能完成，為學(xué)生提供了更為豐富的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。

但是，讓學(xué)生直接設(shè)計(jì)功能完備的“智慧大棚”顯然是有難度的，因此教師將問題分解為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能、自動(dòng)控制功能兩個(gè)子項(xiàng)目，一方面，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，另一方面，從實(shí)現(xiàn)基本功能開始，通過持續(xù)優(yōu)化的方式增加或完善更多的功能，使學(xué)生獲得了一種解決疑難問題的重要思路。

（點(diǎn)評(píng)人：江蘇省鹽城市教育科學(xué)研究院信息技術(shù)教研員? 曹恒來）