基于微實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初中物聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘要：《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》倡導(dǎo)遴選科學(xué)原理與實(shí)踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容，鼓勵(lì)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。本文結(jié)合蘇科版中的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)案例，探討微實(shí)驗(yàn)教學(xué)在初中信息科技物聯(lián)網(wǎng)課程中的實(shí)施路徑，旨在提高學(xué)生信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：微實(shí)驗(yàn)教學(xué)；物聯(lián)網(wǎng)；圖形碼識(shí)別；初中信息科技

中圖分類號(hào)：G434"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"論文編號(hào)：1674-2117（2025）02-0041-04

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國家課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑?！吨行W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本目錄（2023年版）》提出基于真實(shí)情境實(shí)驗(yàn)和跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行教學(xué)，鼓勵(lì)教師創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)形式和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，努力提升學(xué)生解決真實(shí)情境中的復(fù)雜問題、完成真實(shí)任務(wù)的能力。微實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上演化而來的一種以實(shí)驗(yàn)為核心的教學(xué)指導(dǎo)模式。與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，微實(shí)驗(yàn)具有時(shí)長短、內(nèi)容精、針對(duì)性強(qiáng)、靈活度高等特征，能夠在有限的時(shí)間內(nèi)專注于特定的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，且一般所需的實(shí)驗(yàn)資源較少，學(xué)生能夠及時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反饋與總結(jié)。

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）強(qiáng)調(diào)“科”與“技”并重的課程理念。然而在實(shí)踐教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)八年級(jí)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)面臨原理知識(shí)抽象復(fù)雜，學(xué)生難以理解；資源、設(shè)備限制，學(xué)生難以具象描述、聯(lián)想感知等現(xiàn)實(shí)困境。鑒于此，筆者基于新課標(biāo)，嘗試運(yùn)用觀察、實(shí)驗(yàn)、推理、驗(yàn)證、解釋等科學(xué)方法，尋找微實(shí)驗(yàn)活動(dòng)在初中物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中的實(shí)踐路徑，旨在引導(dǎo)學(xué)生用微實(shí)驗(yàn)，“以小見大”探尋科學(xué)原理背后的本質(zhì)與規(guī)律，全面提高學(xué)生信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)，充分發(fā)揮課程的育人功能。

微實(shí)驗(yàn)教學(xué)的流程

微實(shí)驗(yàn)在初中物聯(lián)網(wǎng)課程中應(yīng)用的關(guān)鍵在于將抽象的物聯(lián)網(wǎng)概念和原理轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，幫助學(xué)生更好地理解物聯(lián)網(wǎng)的工作機(jī)制和應(yīng)用場(chǎng)景。微實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要梳理清楚實(shí)驗(yàn)活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系，將抽象的問題形象化、復(fù)雜的問題簡單化，立足真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生提出猜想假設(shè)，通過實(shí)驗(yàn)探究，分析推理得出結(jié)論，探究現(xiàn)象背后的工作原理，最終通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新解決問題，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用遷移，具體流程如下頁圖1所示。

基于微實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初中物聯(lián)網(wǎng)課程實(shí)踐

下面，筆者以“物聯(lián)網(wǎng)的圖形碼識(shí)別技術(shù)”教學(xué)為例，對(duì)微實(shí)驗(yàn)教學(xué)在初中物聯(lián)網(wǎng)課程中的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行具體闡述。《探索2：物聯(lián)網(wǎng)的識(shí)別技術(shù)》一課選自江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社出版的《信息科技》八年級(jí)上冊(cè)第二單元。本課以班級(jí)圖書角存在的真實(shí)問題導(dǎo)入，圍繞“為什么應(yīng)用、采集什么數(shù)據(jù)、如何采集數(shù)據(jù)、如何應(yīng)用”的問題鏈展開教學(xué)，通過“實(shí)驗(yàn)對(duì)比—實(shí)驗(yàn)猜想—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新”的過程，將條形碼和二維碼的特征、生成與識(shí)別原理、應(yīng)用場(chǎng)景等結(jié)構(gòu)知識(shí)融入其中，如圖2所示。通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)作品，模擬班級(jí)圖書掃碼借閱、歸還的過程，實(shí)現(xiàn)利用二維碼識(shí)別技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以期學(xué)生能夠感悟圖形碼技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，并有效運(yùn)用圖形碼識(shí)別技術(shù)解決生活中的實(shí)際問題。具體實(shí)驗(yàn)過程如下。

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

創(chuàng)設(shè)情境：同學(xué)們，班級(jí)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(jīng)常會(huì)出現(xiàn)記錄丟失或者信息錯(cuò)誤的情況。

提出問題：如果你是班級(jí)的圖書管理員，你有沒有什么好辦法能夠提高數(shù)據(jù)錄入的效率？教師展示解決方法，引發(fā)學(xué)生思考：這種方式相比于手工記錄，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在哪里？

在這一環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境、設(shè)問引發(fā)學(xué)生思考、兩種圖書管理方式的對(duì)比讓學(xué)生直觀感受到圖形碼識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，引發(fā)學(xué)生探究的欲望。

2.實(shí)驗(yàn)對(duì)比，探析條形碼和二維碼的特征

實(shí)驗(yàn)一：條形碼和二維碼識(shí)別對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

采用簡易掃碼工具掃描條形碼與二維碼，填寫實(shí)驗(yàn)記錄單（如表1）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：掃描條形碼可以采集數(shù)字或字母信息；掃描二維碼可以間接表達(dá)文本、圖像、音視頻等信息。二維碼可承載的信息存儲(chǔ)容量大于條形碼。

此環(huán)節(jié)采用探究性實(shí)驗(yàn)，通過真實(shí)的掃碼體驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生直觀感受二維碼和條形碼可以承載的內(nèi)容及信息存儲(chǔ)量，在對(duì)比分析中感受條形碼與二維碼的特征，提高學(xué)生問題探究與解決能力，同時(shí)順勢(shì)提出問題：二維碼是如何生成的？

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，理解圖形碼識(shí)別技術(shù)工作原理

實(shí)驗(yàn)二：生成圖書二維碼標(biāo)簽。

提出問題：班級(jí)圖書角的書是同學(xué)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(biāo)簽？

實(shí)驗(yàn)過程：

①師生討論，共同約定命名規(guī)則；

②打開瀏覽器，在草料二維碼平臺(tái)輸入這本書的信息，如自己的名字、書名、作者、書籍簡介等內(nèi)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(shí)驗(yàn)猜想：生成的二維碼識(shí)別結(jié)果與輸入的內(nèi)容是否一致？

在這一環(huán)節(jié)，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)一圖形碼識(shí)別結(jié)果進(jìn)行逆向推理——二維碼是如何生成的，體驗(yàn)二維碼的制作過程，進(jìn)一步理解二維碼編碼的過程，同時(shí)提出實(shí)驗(yàn)猜想，激發(fā)學(xué)生的探究和驗(yàn)證的欲望。

實(shí)驗(yàn)三：驗(yàn)證二維碼識(shí)別結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模耗M掃碼借閱圖書的過程，驗(yàn)證生成的二維碼識(shí)別結(jié)果與輸入的內(nèi)容是否一致。

實(shí)驗(yàn)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(shí)別”，連接遠(yuǎn)程終端10.1.2.3，運(yùn)行程序。注意：按下A鍵，攝像頭打開，拿起攝像頭對(duì)準(zhǔn)生成的二維碼進(jìn)行識(shí)別。

③觀察識(shí)別結(jié)果，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：生成的二維碼識(shí)別結(jié)果與輸入的內(nèi)容一致。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：二維碼可以用來標(biāo)識(shí)書籍并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，掃描設(shè)備可識(shí)別二維碼的信息，生成與識(shí)別二維碼的過程就是編碼與解碼的過程。

此環(huán)節(jié)采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在連接行空板和攝像頭的過程中進(jìn)行硬件的組裝、調(diào)試和配置，鍛煉了實(shí)踐操作能力和問題解決能力。編寫程序雖然不是本節(jié)課的重點(diǎn)，但通過編程實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證算法設(shè)計(jì)的合理性與可行性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二維碼識(shí)別結(jié)果與輸入內(nèi)容的驗(yàn)證，對(duì)學(xué)生理解二維碼識(shí)別工作原理，進(jìn)一步提高辯證思維能力大有裨益。

4.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，應(yīng)用圖形碼識(shí)別技術(shù)

實(shí)驗(yàn)四：制作圖書借閱、歸還掃碼識(shí)別反饋裝置。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模壕帉憟D書借閱、歸還掃碼識(shí)別反饋程序，學(xué)會(huì)利用二維碼識(shí)別技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，解決生活中的實(shí)際問題。

實(shí)驗(yàn)過程：

設(shè)想方案1：添加并修改程序，實(shí)現(xiàn)掃碼借閱、歸還圖書的功能，具體算法分析與編程實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

按下A鍵：如果檢測(cè)到二維碼，終端顯示“×××（識(shí)別結(jié)果）+已借閱”；如果沒有檢測(cè)到二維碼，則繼續(xù)識(shí)別。

按下B鍵：如果檢測(cè)到二維碼，終端顯示“×××（識(shí)別結(jié)果）+已歸還”；如果沒有檢測(cè)到二維碼，則繼續(xù)識(shí)別。

設(shè)想方案2：在現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上，根據(jù)參考資料（如下頁表2），設(shè)計(jì)“檢測(cè)到二維碼”的個(gè)性化反饋提示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：圍繞實(shí)驗(yàn)作品的創(chuàng)新點(diǎn)、功能演示與結(jié)果展示、實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)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(huán)節(jié)，通過觀察實(shí)驗(yàn)三程序設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生用自然語言和流程圖的方式描述算法，了解分支結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。學(xué)生在讀懂代碼的基礎(chǔ)上，嘗試通過修改并增加代碼，實(shí)現(xiàn)圖書借閱、歸還的個(gè)性化反饋機(jī)制，在創(chuàng)新應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)獨(dú)立思考、創(chuàng)新性解決問題的能力。在此環(huán)節(jié)，學(xué)生展示自己的實(shí)驗(yàn)成果和心得體會(huì)，通過交流與分享，學(xué)生可以互相學(xué)習(xí)、互相啟發(fā)，拓寬自己的視野和思維方式。

5.應(yīng)用遷移，拓展提升

教師展示完整圖書管理物聯(lián)系統(tǒng)的工作過程，引導(dǎo)學(xué)生感悟圖形碼識(shí)別技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的重要作用。思考并討論：在生活中圖形碼識(shí)別技術(shù)還有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？解決了哪些問題？結(jié)合實(shí)際案例，教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注二維碼安全問題，提高自身的信息安全意識(shí)。

最后，師生梳理班級(jí)圖書管理物聯(lián)系統(tǒng)的工作流程，強(qiáng)調(diào)圖形碼識(shí)別技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)體系中的重要作用，并引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考圖形碼在智慧交通、物流、購物等方面的應(yīng)用，體會(huì)圖形碼識(shí)別技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，通過實(shí)際案例引發(fā)學(xué)生思考：是不是萬碼皆可掃？學(xué)生通過討論小結(jié)二維碼的安全隱患及應(yīng)對(duì)措施，提高自身的信息安全意識(shí)，同時(shí)借用掃描地鐵乘車碼強(qiáng)調(diào)加密技術(shù)的重要作用。

思考與總結(jié)

本文采用探究性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)等不同的微實(shí)驗(yàn)類型，引導(dǎo)學(xué)生從班級(jí)圖書角存在的真實(shí)問題出發(fā)，在對(duì)比、觀察、歸納、猜想、驗(yàn)證中提煉條形碼和二維碼的特征及二維碼生成和識(shí)別的工作原理，為實(shí)現(xiàn)利用二維碼識(shí)別技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)一步拓展創(chuàng)新奠定理論基礎(chǔ)。從微實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果來看，學(xué)生能夠了解圖形碼識(shí)別技術(shù)的特征及工作原理，利用二維碼識(shí)別技術(shù)進(jìn)行圖書的數(shù)據(jù)采集，教學(xué)目標(biāo)得以達(dá)成。在實(shí)驗(yàn)作品創(chuàng)作過程中，學(xué)生能用自然語言描述算法，通過修改程序?qū)崿F(xiàn)二維碼識(shí)別成功的個(gè)性提示，同時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，反饋優(yōu)化，形成一定的科技創(chuàng)新精神，核心素養(yǎng)得以落實(shí)。

另外，在實(shí)踐教學(xué)中，為更好地發(fā)揮微實(shí)驗(yàn)教學(xué)在初中物聯(lián)網(wǎng)課程中的應(yīng)用效果，筆者提出如下建議：①立足真實(shí)情境，科學(xué)定位實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。②巧用實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，明晰實(shí)驗(yàn)步驟。③明確小組分工，提升實(shí)驗(yàn)效率。④注重實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，促進(jìn)素養(yǎng)發(fā)展。

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