STEM教育理念下的物联网教学初探

程然

摘 要：以苏科版初中信息技术九年级《初识物联网》一课为基础，结合学生日常学习生活中的物联网应用案例，初步探讨STEM教学：介绍生活中的物联网的设计，利用实验器材，让学生认识物联网，体验物联网应用；结合STEM教育理念，讓学生拓宽视野，走进物联网的世界，提高对物联网应用的探究能力。

关键词：STEM 物联网 教学设计

STEM教育是融合了科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）学科的一种综合性教育，强调在多学科的融合中，培养具有创新能力的复合型人才。STEM的教学不能仅仅将科学、技术、工程、数学四门学科知识简单叠加，而要做到将原本分散的学科内容自然组合，把学生需要学习的零碎知识变成互相联系的统一整体，让学生在多学科交叉融合的活动中，将知识与生活经验联系起来，解决实际问题，从而培养他们的创新精神、实践能力以及解决问题的能力。

物联网（Internet of Things）是物体与物体通过电子标签、电子传感器、卫星定位系统等设备，按约定的协议相连接，进行信息交换和通讯，从而实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。

我校自从2017年获批江苏省STEM项目试点学校以来，一直在积极探索符合学校实际、具有学校特色的STEM教学模式。目前，已经形成了以物联网、机器人、航模、金钥匙科技竞赛等科技教育活动为基础，以科技活动中心为基地的STEM教育研究与实践成果。下面以苏科版初中信息技术九

年级《初识物联网》一课为基础，结合学生日常学习生活中的物联网应用案例，初步探讨STEM教学。

一、教学准备

准备如下器材：自制创意小机器人1个、运动手环1个、手机1个、平板电脑5个、智能LED炫彩灯1个、WiFi电源插座2个、台灯1个、风扇1个、红外线感应1个、温湿感应器1个、无线路由器1个、无线网关1个、多用插座若干。

将其中的部分学生实验器材分成5组，见表1。

二、教学过程

（一）激趣引入

（将学生分成5个小组，各小组分别推选出组长、记录员、演示员、解说员各一名。要求演示员演示时解说员同步解说；所有人大声回答问题；做实验时紧跟老师的节奏。）

师 （展示事先利用Arduino自制的创意小机器人）这是老师今天带来的机器人。向它吹一口气，它就能前进；它还能根据你说话声音的大小，用灯光的明暗做出回应；它也是个胆小的机器人，因为它看见火光会害怕得后退。

（将机器人传给各组，让学生都亲身体验一下机器人吹气前进、随音量闪烁灯光、遇火后退等状态。）

师 机器人为什么会知道有人在向它吹气？它是怎么“听”到声音的？又是怎么“看”到火光的呢？问题的答案就在今天要学习的这节课中，一会儿还有更好玩的内容等着我们。（播放一段用手环记录运动数据的视频）同学们，你们看到了什么呢？

生 手环。

师 手环有些什么功能呢？

生 记录步数。

生 看时间。

生 计算公里数。

师 同学们对手环的认识都很准确。今天，老师也带来了一个手环。从现在开始，老师会把它戴在手腕上，让它来记录本节课老师的运动数据。大家可别忘了在下课前提醒老师看一下数据哦。

[设计意图：让小组聚集，近距离体验机器人的动作反馈，激发学生探究的兴趣，让他们带着疑问和好奇进入课堂。以生活中常见的物联网应用小设备——手环，带领学生走进物联网世界，让学生感知生活中的物联网应用，消除物联网的神秘感，将知识与生活经验联系起来，顺势引入本课教学。另外，让学生关注数据，旨在让学生明白数据与信息之间的关系。]

（二）探索交流

师 老师有个问题想请同学们思考一下：手环是通过什么感知跑步数据的呢？请小组讨论一下。有答案的小组请举手示意，由小组发言人汇报讨论结果。

（小组讨论。）

生 感应器。

生 传感器。

师 没错，就是传感器。（PPT出示“功能各异的传感器：声音、温度、湿度、气敏、力敏、红外线、图像、运动”）老师课前收集了一些传感器的名称，手环可能使用了哪一种传感器呢？

生 运动。

师 那手环有了数据之后又是怎样传到手机上的呢？

生 蓝牙。

师 除了蓝牙这种无线数据传输方式外，大家还知道哪些方式呢？

生 WiFi。

生 3G、4G、5G……

师 同学们懂的真不少！手机上的这些数据能给我们哪些提醒？

生 跑了多少步。

师 跑了多少步、跑了多少公里，这些就是数据的智能应用。手环里的运动传感器感知人的运动并形成数据，蓝牙在手环和手机之间进行数据传输，手机对数据进行智能分析。手机、手环两个物体在这个过程中进行了互联，这种物与物联通的工作方式，就是近几年来火热的新领域——物联网。

[设计意图：借手环的工作过程帮助学生梳理物联网应用的方式，归纳总结物联网应用的特点，进一步认知物联网，了解概念、掌握原理。此部分知识涉及数学、信息学、物理学、工程学等多个学科，在课堂上无须明确指出学科分类，在讲解物联网工作流程的过程中渗透给学生即可。]

（三）体验应用

（播放两段关于物联网应用的视频，其文字说明如下。）

1.基于物联网科技的农作物种植。由传感器感知温度、湿度、土壤盐分等信息，经网络传输到手机或电脑，对比预先设定的农作物最佳生长环境指数，可自动或手动发布指令，进行调节温度、湿度、土壤盐分等操作，让农作物在最适宜的环境中生长，远离虫害、远离农药，让我们吃得更放心。

2.在食物吃得放心的同时我们也需要精神食粮。深圳市将新增20台自助图书馆，使全市自助图书馆的数量达到240台。“自助图书馆吐出的不是书，而是知识和文明。”图书馆的每本书里都贴有一个电子标签；标签阅读器读出标签中的信息，也就是这本书的信息，经网络传输到主机电脑；电脑查询后给出相应的借还处理。图书馆还提供“预借”服务：市民通过图书馆网站预订图书，图书馆会在48小时内通过物流把书送到市民指定的自助机。

师 除了这两个物联网应用的例子，在我们的衣食住行中还有哪些物联网应用？或者说，还有哪些与网络有关的智能应用？请小组内讨论说说物联网应用能给我们的生活带来哪些便利。

（学生小组讨论后交流：智能医疗、智能家居、智能交通、智能物流……）

师 你们太棒了，个个都是创意家！你们说的有些创意已经实现了，有些还等着你们去创造。（PPT出示图1）其实在我们生活的方方面面都有物联网应用的功劳。

师 同学们已经知道了很多智能应用，想不想自己也动动手，搭建一个简单的物联网环境？老师今天带来了一些实验器材。（展示实验器材，PPT出示如下实验原理。）

实验原理 本实验以低功耗ZigBee通信技术为支撑，在每台平板电脑（或手机）上安装物联网专用APP，将平板电脑（或手机）通过连接无线路由器接入互联网；将智能LED炫彩灯、WiFi电源插座、红外线感应、温湿感应器等接入智能家居主机——无线网关，将无线网关通过连接无线路由器接入互联网。这样可以通过平板电脑（或手机）等终端控制设备，实现远程控制灯光照明、远程控制家用电器、远程安防、远程环境监测等功能（如图2）。

师 请各小组组长抽签領取实验器材，然后带领组员进行实验。

（学生分组实验，搭建简单物联网应用、模拟物联网应用场景。教师组间指导。小组汇报本组完成情况，讲解，演示。）

师 控制台灯、风扇的开与关实际上是控制远程电源的开与关。同学们想一想，还可以远程控制哪些电器？

生 窗帘开合。

生 水壶烧水。

……

[设计意图：借生活中物联网应用的实际案例，带领学生近距离感知物联网，并且通过小组合作实验亲身体验物联网应用，以帮助学生深度理解和掌握物联网的相关知识，提升协作、分享的能力。]

（四）拓展提高

师 5组实验器材组成的物联网都已经成功搭建，每组器材都有各自独特的功能。本组器材如果跟其他小组的器材组合在一起，能开发出什么新的功能？或者，你还想添加什么设备，以完成你的设想？请以小组为单位讨论并汇报想法。

（学生讨论，规划，推测，演练，汇报。）

师 同学们的思考都有独到之处。你们设计的组合功能可以用在日常生活中的哪些方面？请将自己的想法记录下来。老师也有一个想法，即5组实验器材可以一起组合应用在智能家居上：红外线探测可以让我们知道住所进出情况，保证家庭安全；远程读取温度、湿度可以监测家里的环境是否舒适，如果温度高了，可以打开风扇降温；晚上回家可以先把灯光打开，如果出门前忘记关了，也可以远程关闭；而智能LED炫彩灯则可以用来烘托气氛、切换场景。（稍停）现在同学们已经能够完成实验室物联网搭建了，那么，请同学们思考一个问题：作为物联网的受益者，未来10年、20年，我们需要什么样的物联网为我们服务？

（学生发言，教师小结。）

师 一节课的时间对于物联网的发展来说，太短太短，对于我们认识物联网、了解物联网来说，也太短太短。但老师相信，经过我们这一节课的共同努力，物联网的概念、原理、应用、前景已经在我们脑海中有了印记，而这印记将会成为我们今后继续探索物联网世界的一把钥匙，精彩的物联网世界将会为有准备的我们打开大门。按课始的约定，我们一起来看看上了一节课后的手环数据。（将手环的数据和手机同步）哦，老师本节课运动的步数是549步，消耗的热量是21卡路里，大约只等同于一小包薯条的热量。这个数值有点低，课后让我们一起运动起来吧。下课！

[设计意图：在学生小组合作完成实验室物联网搭建后，再次点燃他们创新思维的火花。或许学生现在只能有想法，但只要在心中埋下梦想的种子，条件成熟后自然会开出绚丽的花朵。]