巧借人工智能技术工具，引领项目学习走向深处——以初中开源硬件教学为例

都书文 江苏省无锡市江南中学

●问题提出与核心概念解读

当前，中小学普遍关注学生创新意识、高阶思维和实践能力的发展，大力推进工程教育，以培养学生工程思维和解决实际问题能力为核心目标。而物联网作为工程教育不可或缺的一部分，在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中更是作为三大课程内容模块之一被提出，要求学生不仅是技术的体验者，更是技术的理解者、创新者与思辨者。当前，物联网模块教学实践多在创客类课程中以项目式学习的方式开展。以智慧家居项目为例，设定项目目标为围绕家居生活发现生活中的实际问题，利用物联网等相关技术创作作品解决问题。但该项目为开放式主题，学生因为缺少生活经验，难以提出创意想法并解决实际问题。因此，笔者从理解性学习的视角出发，将项目学习定位为对“物联网实践与探索”模块知识内容的深度理解，培养学生理解并能够运用物联网知识解决生活中的实际问题。同时，融入人工智能技术，设计并组织项目学习，充分利用生成式人工智能对课堂进行拓展。

●项目分析与实践

1.项目背景

智慧家居作为物联网的典型应用之一，是在互联网影响之下物联化的体现，也是较为贴近学生生活的物联系统。项目以智慧家居为主题，引导学生关注真实的生活场景，发现生活中家居存在的问题，并采用物联网技术等提出解决方案，设计原型系统，完成相关作品的制作。该项目旨在提高学生对日常生活中的问题的关注程度，针对发现的问题，提出科学的解决方案，培养学生综合利用已有知识与技能解决问题的能力。

2.学情分析

七年级的学生思维活跃、乐于发现，善于在动手实践中发现问题、思考问题，其具有一定的编程能力、逻辑思维能力，而且在学习上具有主动性，具备获取信息和加工信息的能力，能够在教师的引导下主动完成知识的建构。

3.项目目标

结合新课标对“物联网实践与探索”模块的内容要求，确定项目知识内容（如下页图）。

（1）学习目标

①通过对物联网典型应用场景—智能家居进行探讨和分析，感受万物互联的场景，了解物联网的特征概念，理解物联网与互联网的异同。

②根据功能需求，学会剖析、处理和设计实现需求的可行方法，并体会数据“采集→传输→处理→应用”的物联网实现过程。

③感受物联网的强大和乐趣，能够梳理程序逻辑，实现和体验小型智能家居系统。

④在合作、共享中学习，学会辩证地看待物联网发展对社会生活的影响。

（2）核心素养目标

①通过生成式人工智能提供丰富的知识与学习资源，开阔项目选题思路，辅助小组协作的开展，学会以信息科技学科的思维方式去思考和解决生活中的问题。

②在解决项目问题的过程中，了解和熟悉常用的数字化工具与资源，根据需要合理选择，提升数字化学习与创新能力。

③在搭建小型物联系统时，经历分析问题、原型设计、功能实现以及测试与优化等过程，培养计算思维。

④在了解不同物联网系统的过程中，学会客观认识物联网技术发展对社会生活的影响。在小组探究的过程中，能够与项目组成员进行有效交流，提高合作交流能力，提升信息社会责任素养。

4.项目设计与实践

依照界定问题、搭建系统原型、读取数据、应用数据的物联网技术解决问题思路，本项目分为四个教学环节，并围绕项目核心问题，细化四个子问题，分别对应四个教学环节。具体项目设计与实践思路如下表所示。

（1）发布项目主题，聚焦问题场景

核心问题：智慧家居是物联网吗？

学习任务：①借助ChatGPT了解智慧家居能够解决什么问题？②结合自己的生活经验，明确智慧家居作品的选题方向。③了解物联网的概念，理解互联网与物联网的异同。

教学环节：①头脑风暴—学生在此环节缺乏生活经验，需要更多的资料引导学生思考。教师提供ChatGPT，学生借助ChatGPT提问和获取信息。教师启发学生创意构思各种居家生活场景，并为学生制订主题、确定选题提供可参考的思路。②引导思考—教师在此环节提出思考性问题：“智慧家居是物联网吗？为什么？”

设计意图：引导学生借助ChatGPT为智慧家居的选题提供引导性思路，并理解物联网的概念，了解物联网与互联网的异同，主动发现和判断身边的物联网应用。

（2）拓展功能需求，解构实现过程

核心问题：智慧家居场景中数据经历了哪些智能化的实现过程？

学习任务：①小组讨论，设计集多种功能为一体的小型智能家居物联系统原型，将想法可视化呈现。②理解物联系统中数据的实现过程。

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教学环节：①细化功能需求——学生通过搜集资料，细化选题的功能需求，提出智慧家居中温湿度控制、灯光控制等功能需求，并尝试将设计的智慧家居系统原型可视化呈现。②引导分析智能控制的实现过程——教师提出核心问题：“温湿度、灯光是如何实现智能控制的？”以灯光自动控制为例，学生提出当室内光线昏暗时，自动打开家中的灯，当周围环境光线充足时，自动关闭家中的灯。③理解物联网系统的工作过程和基本原理——进一步引导思考：智能控制过程是通过什么信息判断灯光的亮暗？它的实现过程是什么？本环节旨在引导学生从分析真实的物联网应用出发，建构物联网相关概念，并在分析的过程中，理解物联网系统的工作过程和基本原理。对于分析光线数据判断的过程，学生相对较容易理解，教师可进一步提问：“在这一过程中，数据（光线）经历了哪些阶段？”教师通过该问题引导学生思考数据“采集→传输→处理→应用”的物联网实现过程。

设计意图：通过对智慧家居物联系统的设计与搭建，探索物联网中数据采集、处理、反馈控制等基本功能，理解数据“采集→传输→处理→应用”的物联网实现过程。

（3）梳理程序逻辑，实现功能架构

核心问题：如何搭建智慧家居的硬件系统，实现智能化功能？

学习任务：①根据设计方案，确定作品使用的开源硬件和实现每个功能模块需要的传感器及相关组件，体验简易物联系统的基本流程。②将现实的事物转化为可以用计算机处理的对象，搭建并调试程序。

教学环节：①系统集成——学生已设计出智慧家居作品功能雏形，但欠缺实践。教师引导学生分析设计作品的程序逻辑，梳理整个控制流程，进行功能需求程序的逻辑分析，并绘制原理图。学生根据设计的智能家居功能架构，思考可用哪些传感器实现功能，并解决不同传感器如何利用Mind+编程软件与Arduino开源硬件连接的问题，历经设计、搭建与编程的过程，体验简易物联系统的基本流程。②错误调试——在搭建与编程的过程中，学生会遇到不同的问题，如程序冲突、程序错误、模块损坏等，教师鼓励学生自行讨论解决问题。

设计意图：引导学生学会将现实事物转化为可以用计算机处理的对象，提高对事物进行抽象和转化的能力。在编程与调试的过程中，以错促学，在问题解决中过程提升动手实践能力，强化计算思维。

（4）延伸拓展项目，评估交流分享

核心问题：智慧家居如何完善才能更加便捷和智能？

学习任务：①设计家居应用的外部结构，并选择合适的材料。②小组展示作品，交流不同作品的特征，总结概括物联网应用产品的特征，共同讨论物联网的特征。

教学环节：①设计家居应用的外部结构——学生在实现功能需求的基础上，着手考虑智慧家居的完整性和美观性，并绘制结构图。②选择合适的材料——学生为外部结构选择制作材料，如椴木板、亚克力板等，了解榫卯镶嵌等材料的拼接方法。③小组分享设计及实践成果——在各小组独立完成对作品的整体设计与制作后，小组间分享和展示。④小组交流讨论，各抒己见——在展示环节后，教师引导学生思考不同物联网作品的特征，共同讨论物联网全面感知、可靠传递、智能处理的特征，以及生活中的物联网应用为我们的生活提供了哪些便捷，是否存在弊端。

设计意图：探讨分析典型物联网应用并总结物联网特征，引导学生敏锐感知物联网技术对生活的影响，客观看待物联网的重要价值，产生探究新技术的兴趣。

●总结

“物联网实践与探索”模块的教学从真实情境出发明确项目需求，以工程思维培养为项目目标，利用工程学思想来提升项目质量。而理解性学习理念能够在项目开展过程中加深学生对核心知识概念的理解，引导学生像工程师一样思考和解决问题，这也为工程教育实践落地提供了可行思路。