核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物聯(lián)網(wǎng)課程重構(gòu)與項(xiàng)目實(shí)踐研究

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674—2117（2025）14—0021—05

《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)”）以課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化引領(lǐng)教學(xué)實(shí)踐變革。課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化強(qiáng)調(diào)知識(shí)結(jié)構(gòu)化。學(xué)科知識(shí)具有三個(gè)不可分割的組成部分，即符號(hào)表征、邏輯形式、知識(shí)的意義。只有把握三者內(nèi)在關(guān)聯(lián)，才能從整體上理解和掌握知識(shí)。課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化還強(qiáng)調(diào)在這樣的結(jié)構(gòu)中所隱含著的學(xué)生活動(dòng)內(nèi)容及方式的結(jié)構(gòu)化，主張以主題或任務(wù)群的形成來組織課程內(nèi)容，為學(xué)生的主動(dòng)活動(dòng)提供前提。因此在教學(xué)實(shí)踐中，筆者針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中遇到的問題，在實(shí)驗(yàn)探究、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、價(jià)值追問中，以知識(shí)結(jié)構(gòu)化為指針，探究從基礎(chǔ)知識(shí)、重要概念到學(xué)科大概念認(rèn)知的躍升路徑，并以學(xué)科實(shí)踐性為導(dǎo)引，帶領(lǐng)學(xué)生掌握編程技能、遵循項(xiàng)目做事邏輯、透析技術(shù)的價(jià)值，最終達(dá)成掌握事實(shí)、鍛造結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)遷移的目標(biāo)。

解析實(shí)踐問題：初中物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

1.教師不提代碼、學(xué)生不懂代碼：無法完成物聯(lián)程序編寫

教學(xué)片段1：在第7課《傳感器的應(yīng)用》設(shè)計(jì)觀察試驗(yàn)中，通過運(yùn)行程序，記錄控制板屏幕顯示的相關(guān)數(shù)據(jù)。

教學(xué)片段2：在第14課《物聯(lián)系統(tǒng)原型的程序編寫》教學(xué)中要求完成智能光照程序的編寫。為了降低難度，教師要求學(xué)生填空補(bǔ)全代碼（如下頁圖1）。前期課程中“不讀代碼”，導(dǎo)致學(xué)生面對(duì)大段代碼產(chǎn)生畏難情緒，使開放的問題解決變成了艱難的程序填空。

在教學(xué)片段1中，用一個(gè)程序的“運(yùn)行體驗(yàn)”來觀察某項(xiàng)功能的運(yùn)行情況，是當(dāng)下不少教師過度輕“操作”而盲目重“原理”的“技術(shù)驗(yàn)證”的真實(shí)寫照。只運(yùn)行程序體驗(yàn)，不讀、不改代碼，造成后續(xù)課程中學(xué)生因缺乏相關(guān)編程知識(shí)而無法完成程序編寫的要求。

2.閱讀轉(zhuǎn)化率低、實(shí)驗(yàn)邏輯割裂：難以達(dá)成原理概念理解

教學(xué)片段3：在第9課《物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議》教學(xué)中，閱讀課本內(nèi)容，認(rèn)識(shí)MQTT發(fā)布訂閱模型，已知發(fā)布主題A、B消息，要求填寫訂閱A、B、C主題的推送消息，課堂中有四分之三的學(xué)生無法完成。

教學(xué)片段4：為增進(jìn)MQTT發(fā)布訂閱模型理解，設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（如圖2）。① 發(fā)布主題：控制板發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到平臺(tái)智能通風(fēng)項(xiàng)目“wendu”主題下。② 推送：新建“button\"主題，平臺(tái)控制button值，觀察控制板RGB燈亮滅情況。

topc='fengshan' #訂閱主題名稱（回調(diào)函數(shù)主題名）

代碼段 #增加一個(gè)訂閱光線數(shù)據(jù)的主題topc1=. ①while True：#實(shí)驗(yàn)板屏幕提示信息oled.print（4，1，\"當(dāng)前環(huán)境參數(shù)\"，1）data1=aht20.read_temp#環(huán)境溫度采集

代碼段二： oled.print（1，2，\"溫度：\"+str（data1），1）#參照環(huán)境溫度“采集和顯示的方法，增加光線強(qiáng)度的采集和屏幕提示信息data2= ②oled.print（1，3，\"光照強(qiáng)度：\"+str（③）1）

教學(xué)片段3反映了知識(shí)向認(rèn)知轉(zhuǎn)化的困難，需要引入教學(xué)策略促進(jìn)概念理解。MQTT發(fā)布訂/閱模型涉及三種角色、三類過程。教學(xué)片段4的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只體驗(yàn)發(fā)布、推送兩個(gè)過程，訂閱過程缺失；同一塊控制板既是發(fā)布者又是訂閱者，未對(duì)兩種角色進(jìn)行區(qū)分，易增加初學(xué)者的認(rèn)知負(fù)荷；發(fā)布wendu主題，訂閱推送的卻是button主題，未形成“主題”要素關(guān)聯(lián)，易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)所映射的原理和概念的理解出現(xiàn)偏差。

3.陷于課時(shí)中心、核心任務(wù)紊亂：不能體現(xiàn)項(xiàng)目做事邏輯

教學(xué)片段5：在七下第3單元“校園農(nóng)場(chǎng)”項(xiàng)目中，項(xiàng)目第1課時(shí)通過物聯(lián)數(shù)據(jù)中臺(tái)采集“自動(dòng)通風(fēng)”子系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)主題發(fā)布頻次；第2課時(shí)匯集“自動(dòng)澆灌”子系統(tǒng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，體驗(yàn)反饋場(chǎng)景；第3課時(shí)實(shí)現(xiàn)“智能水位控制\"子系統(tǒng)控制與反饋。

在審視校園農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目的任務(wù)序列時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)存在明顯的邏輯斷層。第1課時(shí)“自動(dòng)通風(fēng)”為什么要采集長時(shí)段溫度數(shù)據(jù)？發(fā)布頻次的設(shè)定依據(jù)何在？第2課時(shí)突然轉(zhuǎn)向“自動(dòng)澆灌”系統(tǒng)，自動(dòng)通風(fēng)子系統(tǒng)功能尚未實(shí)現(xiàn)，為什么換自動(dòng)澆灌？這種跳躍式的學(xué)習(xí)路徑的本質(zhì)是“課時(shí)主義”，即把教學(xué)內(nèi)容碎片化地當(dāng)作知識(shí)點(diǎn)來處置。

4.只學(xué)知識(shí)技術(shù)、不明價(jià)值意義：無力鏈接技術(shù)解決問題

教學(xué)片段6：在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的獲取中，討論自動(dòng)通風(fēng)子系統(tǒng)如何獲取“長時(shí)段”溫度數(shù)據(jù)，以分析溫度范圍。超過一半學(xué)生的答案是“使用傳感器”。

該問題看似是學(xué)生沒有掌握“物聯(lián)數(shù)據(jù)中臺(tái)”獲取數(shù)據(jù)的知識(shí)技術(shù)，其實(shí)是學(xué)生沒有意識(shí)到物聯(lián)網(wǎng)能“匯集突破時(shí)空的全樣本數(shù)據(jù)”。學(xué)生不知道技術(shù)真正的價(jià)值和意義，也就無法將其應(yīng)用于具體的問題解決。

守望編程教學(xué)：讀懂會(huì)改代碼、整體規(guī)劃課程、設(shè)計(jì)認(rèn)知策略

學(xué)科教學(xué)首先要帶來學(xué)科知識(shí)解釋性意義的認(rèn)知結(jié)果，學(xué)生只有掌握了符號(hào)表征，才能進(jìn)一步使用知識(shí)去解決問題。編程為物聯(lián)網(wǎng)提供了最終的自動(dòng)化手段，是原理驗(yàn)證的途徑，是構(gòu)建更深層次理解的基石，不應(yīng)被忽視。

1.轉(zhuǎn)變編程要求：讀懂會(huì)改代碼、立足解決問題

傳統(tǒng)編程教育掣肘于語法細(xì)節(jié)，而弱化了計(jì)算思維培養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)使用“信息科技實(shí)驗(yàn)板編程工具”，采用模塊化思想，將單一功能封裝成函數(shù)。由此帶來編程方式的變革，通過“引用”函數(shù)、“修改”關(guān)鍵代碼和參數(shù)（如下頁圖3），學(xué)生能專注于使用編程解決問題。

對(duì)程序編寫的要求，也從傳統(tǒng)編程“從無到有”地敲代碼，轉(zhuǎn)變?yōu)樵趩栴}解決的語境下，學(xué)生能夠“讀懂、修改”半成品程序或示例程序中的關(guān)鍵代碼和參數(shù)。如圖3所示，將噪音監(jiān)控系統(tǒng)聲音的匯集，改為自動(dòng)通風(fēng)溫度匯集，只需修改傳感器采集、控制板屏幕顯示、發(fā)布主題名和內(nèi)容代碼，即可實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)變和問題解決。

2.進(jìn)行整體規(guī)劃：打通整冊(cè)教材、內(nèi)嵌編程要求

物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容要部署編程要求，需要對(duì)整冊(cè)教材進(jìn)行規(guī)劃。因此，從七下第二單元“探秘物聯(lián)網(wǎng)”開始就要規(guī)劃讀懂、會(huì)改核心代碼和關(guān)鍵參數(shù)的編程學(xué)習(xí)要求（如表1）。七下第三單元“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐”要圍繞項(xiàng)目核心任務(wù)，提供類似功能的示例程序，通過修改關(guān)鍵代碼、關(guān)鍵參數(shù)、閾值判斷、程序結(jié)構(gòu)，進(jìn)行不同子系統(tǒng)功能的遷移和再造。

3.設(shè)計(jì)認(rèn)知策略：模塊類比工具箱、三步驟模塊實(shí)現(xiàn)

按照學(xué)生頭腦中已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)先行組織者，通過先行概念與知識(shí)的聯(lián)系，能幫助學(xué)生將新知識(shí)納入已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中。根據(jù)面向?qū)ο缶幊讨小澳K、對(duì)象、方法、參數(shù)”的特點(diǎn)及關(guān)聯(lián)，設(shè)定先行組織者“工具箱、工具、配件、工具使用”，再一一類比演繹，如方法類似于使用螺絲刀去擰緊螺絲的過程，即對(duì)象通過其方法來執(zhí)行具體的操作或?qū)崿F(xiàn)特定的功能，由此促進(jìn)相關(guān)概念的遷移認(rèn)知。發(fā)掘先行組織者的目的不是記憶概念名詞，而是理解它們?cè)诰幊虒?shí)踐中的含義、作用、關(guān)系。

另外，觀察Wi-Fi連接、MQTT連接的代碼結(jié)構(gòu)，可歸納出三段式步驟，即設(shè)置參數(shù)、執(zhí)行處理、反饋結(jié)果（如表2）。這三步蘊(yùn)含了編程中的模塊化、過程控制、用戶交互等重要思想。通過分析歸納這三個(gè)步驟，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到代碼結(jié)構(gòu)背后的邏輯框架，進(jìn)而遷移應(yīng)用到更復(fù)雜的場(chǎng)景，如MQTT的發(fā)布與訂閱機(jī)制。

促進(jìn)概念理解：遷移生活原型、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)邏輯、形成知識(shí)結(jié)構(gòu)

1.遷移生活原型，促進(jìn)概念的理解

腳手架能為深層學(xué)習(xí)、知識(shí)自主建構(gòu)提供支持。2]“生活原型”腳手架，通過關(guān)聯(lián)和知識(shí)模型間的共通之處，幫助學(xué)生迅速、主動(dòng)、深刻地遷移理解學(xué)科知識(shí)。例如，針對(duì)教學(xué)片段3中概念閱讀理解轉(zhuǎn)化率低的問題，引導(dǎo)學(xué)生回顧短視頻平臺(tái)上的“關(guān)注、發(fā)布、推送”過程，類比MQTT發(fā)布訂/閱模型的“訂閱、發(fā)布、推送”過程來達(dá)成理解遷移。

2.設(shè)計(jì)邏輯完整、要素關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要反映學(xué)科內(nèi)容邏輯的完整性、知識(shí)體系要素的關(guān)聯(lián)性，以便于學(xué)生形成概念框架。例如，在驗(yàn)證MQTT發(fā)布訂/閱模型的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中（如圖4），中介服務(wù)器新建wendu主題，控制板A發(fā)布wendu主題，控制板B訂閱、接收wendu主題數(shù)據(jù)，明晰發(fā)布者、中介、訂閱者三類角色；A、B板程序需分別修改發(fā)布、訂閱主題名，形成對(duì)某一主題的訂閱、發(fā)布、推送過程的完整體驗(yàn)，發(fā)展結(jié)構(gòu)完整、時(shí)序正確的概念模型。

3.挖掘知識(shí)關(guān)聯(lián)，凸顯學(xué)科本質(zhì)

研究表明，當(dāng)知識(shí)以一種層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行儲(chǔ)存時(shí)，可以大大提高知識(shí)應(yīng)用時(shí)的檢索效率。根據(jù)“具體概念一學(xué)科核心概念一學(xué)科大概念”的概念層次框架，可構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)模塊概念網(wǎng)絡(luò) （如圖5）。

在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感技術(shù)、Wi-Fi是具體概念，學(xué)生基于對(duì)傳感技術(shù)、識(shí)別技術(shù)、定位技術(shù)的了解，形成了對(duì)感知層概念的認(rèn)識(shí)；MQTT發(fā)布/訂閱模型中的數(shù)據(jù)交互規(guī)則是建立在對(duì)感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層概念理解之上的，而從MQTT發(fā)布/訂閱模型中抽取出來的“低耦合”“雙向連接”“異步”等大概念不只適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，也適用于互聯(lián)網(wǎng)、分布式系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容模塊。通過構(gòu)建基于學(xué)科大概念的知識(shí)體系，可以幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從低層次的知識(shí)掌握到高層次的理解和遷移的轉(zhuǎn)變。

做好項(xiàng)目敘事：在知識(shí)結(jié)構(gòu)框架下使用問題解決邏輯整理任務(wù)鏈

對(duì)專家與新手的研究發(fā)現(xiàn)，專家的知識(shí)是“條件化”的，包括對(duì)有用的情境的具體要求。而“非條件化”的知識(shí)常常指惰性知識(shí)，很難遷移應(yīng)用。所以，培育核心素養(yǎng)的課程，要檳棄傳統(tǒng)的以知識(shí)點(diǎn)為序列的內(nèi)容組織邏輯，要以項(xiàng)自或大主題重構(gòu)課程內(nèi)容，還原信息科技專家使用原理技術(shù)解決問題的情境，讓學(xué)生模仿專家解決問題的過程。

1.明確目標(biāo)層：厘清內(nèi)容框架，發(fā)掘驅(qū)動(dòng)問題

開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的目的是達(dá)成學(xué)科核心知識(shí)的理解，所以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的第一步就是厘清教材內(nèi)容框架。在“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐”單元，使用“輸入—處理—輸出”這一結(jié)構(gòu)模板對(duì)前三課進(jìn)行課程內(nèi)容分析。第1課將數(shù)據(jù)獲取至物聯(lián)平臺(tái)；第2課平臺(tái)數(shù)據(jù)處理方式有兩種，一是形成數(shù)據(jù)匯集，指向數(shù)據(jù)可視化，挖掘蘊(yùn)含規(guī)律，以支持決策和系統(tǒng)改進(jìn)，二是數(shù)據(jù)即時(shí)處理，通過平臺(tái)智慧物聯(lián)實(shí)現(xiàn)控制；第3課按照邊緣計(jì)算“就近處理”的原則，對(duì)終端訂閱平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，形成自動(dòng)控制反饋系統(tǒng)。例如，“校園農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目涵蓋以上核心內(nèi)容，確定項(xiàng)目主題并生成驅(qū)動(dòng)問題 制作校園農(nóng)場(chǎng)物聯(lián)系統(tǒng)，種植優(yōu)質(zhì)瓜果。

2.生成任務(wù)鏈：匹配做事邏輯，重整知識(shí)結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目的任務(wù)鏈設(shè)計(jì)要圍繞項(xiàng)目的“問題解決邏輯”展開，在合理的任務(wù)鏈之下鋪陳“知識(shí)邏輯”靶向問題解決。例如，在“校園農(nóng)場(chǎng)”項(xiàng)目中提出三個(gè)核心問題： ① 該植物最佳生長環(huán)境是怎樣的？ ② 農(nóng)場(chǎng)環(huán)境要素 （如溫度）是否滿足生長需求？（依賴于自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)的全面獲取與匯集；考慮長時(shí)段數(shù)據(jù)獲取需求與平臺(tái)500條的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)限制，生成改進(jìn)發(fā)布頻次任務(wù)；通過數(shù)據(jù)可視化，判斷當(dāng)前環(huán)境是否具備最佳溫度范圍） ③ 如何調(diào)節(jié)環(huán)境要素使其滿足最佳生長條件？（可使用平臺(tái)“智慧物聯(lián)”進(jìn)行數(shù)據(jù)即時(shí)處理實(shí)現(xiàn)控制，也可使用終端訂閱數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)控制，以達(dá)到最佳的生長溫度范圍）

形成價(jià)值追問：區(qū)分問題解決邊界、明晰技術(shù)應(yīng)用價(jià)值

分析教學(xué)行為的不同側(cè)重，可區(qū)分知識(shí)、能力、素養(yǎng)立意教學(xué)。知識(shí)立意的教學(xué)，注重知識(shí)技能的講授，由于知識(shí)脫離情境，學(xué)生獲得的是非條件化的惰性知識(shí)；能力立意的教學(xué)，追求問題解決和功能實(shí)現(xiàn)，因嵌人真實(shí)情境，學(xué)生獲得條件化知識(shí)；在素養(yǎng)立意的教學(xué)中，學(xué)生明晰知識(shí)的意義、透析技術(shù)的價(jià)值，成為心智靈活的學(xué)習(xí)者、創(chuàng)作者。項(xiàng)目探究屬于能力立意的教學(xué)，讓學(xué)生的惰性知識(shí)條件化。在項(xiàng)目實(shí)施過程中對(duì)技術(shù)價(jià)值、知識(shí)意義的追問，則指向素養(yǎng)立意的教學(xué)。理解技術(shù)的優(yōu)越性，透析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的價(jià)值意義，才能在現(xiàn)實(shí)的世界情境中，激活和使用這些知識(shí)技能。

1.數(shù)據(jù)獲?。和黄茣r(shí)空的全樣本數(shù)據(jù)

不同于傳感器采集瞬時(shí)數(shù)據(jù)，物聯(lián)數(shù)據(jù)中臺(tái)能自動(dòng)化、全樣本地收集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。例如，可以收集一天24小時(shí)包括深夜時(shí)段的溫度數(shù)據(jù)，能采集位于遠(yuǎn)方或者分散在廣闊范圍中的數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)分析：狀態(tài)認(rèn)知、數(shù)據(jù)可視化

平臺(tái)在接收數(shù)據(jù)后，一方面形成監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)認(rèn)知，以便即時(shí)控制處理，另一方面通過匯集數(shù)據(jù)的可視化，為物理世界人類的認(rèn)知決策提供依據(jù)。

3.控制反饋：形成自動(dòng)控制反饋系統(tǒng)

通過比對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型與已知最佳模型，可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況。在模型比對(duì)過程中識(shí)別實(shí)際狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)的偏差，據(jù)此生成控制指令。反饋機(jī)制將控制結(jié)果重新返回傳感器，通過持續(xù)修正模型參數(shù)，最終構(gòu)建出完整的自動(dòng)反饋控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1郭華.落實(shí)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，突顯學(xué)生主體地位——2022年版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)解讀[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2022，49（04）：107—115.

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作者簡介：鄭潔（浙江省教壇新秀、浙派名師培養(yǎng)對(duì)象），樂清市柳市鎮(zhèn)第三中學(xué)教師（兼職：樂清市教育研究培訓(xùn)院）。

本文系2023年度浙江省教師教育規(guī)劃課題“基于大概念的初中信息科技跨學(xué)科學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)實(shí)施研究”（課題編號(hào)：SMZX2023175）成果。