《物联网基本原理演示》实验教学设计

应筱艳 浙江省杭州市钱江新城实验学校

● 实验内容分析

本课内容选自《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》第四学段（7～9年级）的“物联网实践与探索”模块，通过本模块的学习，学生能初步理解万物互联给人类信息社会带来的影响、机遇和挑战，了解物联网是连接物理世界与数字世界的纽带和媒介，了解物联网协议，以及典型物联网应用的特点，能设计并实现具有简单物联的数字系统。

《物联网基本原理演示》包括通过分析身边应用场景中的物联网应用，认识物联网实现的基本原理。根据学习任务的需求和可用的实验设备，设计、搭建具有数据采集、实时传输和简单控制的物联网系统。通过编写程序，读取采集含有物联网功能的设备中的数据，并进行适当的控制和反馈。

● 学习对象分析

本课授课对象为八年级学生。八年级学生对事物的理解更加深入，能够从多个角度和层面去思考问题，他们的逻辑思维能力也在不断提高，能够进行更复杂的推理和判断。他们的思维更加独立，能够自己解决问题，更加开放，愿意接受新的观点和想法。他们的思维也更加具有批判性，能够对信息进行分析和评价，更加创新，能够提出新的想法和解决方案。他们的合作意识正在逐渐增强，更愿意与他人合作完成任务，在合作中能够学习和借鉴他人的优点，提高自己的能力。他们更加注重学习的深度和广度，愿意主动寻找学习资源，利用各种方式进行学习。在认知结构上，学生已经学习了互联网，了解了互联网是人与人之间的互联；初步了解了物联网的基本含义是“万物互联”，但不了解物联网的特征、原理其相关技术。

● 实验素养目标

1.教学目标

通过分析身边应用场景中的物联网应用，认识物联网实现的四层架构。

通过物联系统的设计和搭建，探索物联网中数据采集处理、反馈控制等基本功能。

通过编写程序，实现读取采集数据，并进行适当的控制和反馈，了解自主可控技术的意义。

2.核心素养指向

信息意识：感受物联网给人们学习、生活和工作带来的改变。

计算思维：能根据需求，设计和搭建简单的物联网原型，体验其中数据处理和应用的方法和过程。

信息社会责任：了解自主可控对国家安全以及物联网发展的重要意义。

数字化学习：在学习过程中，选择适当的数字资源支持学习，改变学习方式，利用微课进行自主学习和合作学习。

● 实验重难点及对策

重点：根据学习任务的需求和可用的实验设备，设计、搭建具有数据采集、实时传输和简单控制功能的物联网系统。解决对策：利用物联网学习套件，通过学习任务单列出可以实现的功能，学生勾选需要使用的模块，明晰搭建需求和设备选择；通过微课可以自学和探究搭建过程。

难点：通过编写程序，读取采集含有物联网功能的设备中的数据，并进行适当的控制和反馈。解决对策：提供实现物联网功能的Python代码，通过代码中引脚参数的修改和分析明晰用程序控制物联网系统运行的机制。

● 实验整体思路

本节课教学通过“走进物联网世界——探究物联网结构——体验物联网搭建——验证物联网猜想”四个环节展开。学生先通过导学单中的图片分析生活中物联网的应用场景，从智慧家居、智慧交通、智慧物流、智慧农业等行业中的应用体会物联网的无处不在。紧接着进入探究物联网架构的环节，通过分析物联网应用背后的科学原理，填写导学案，明晰物联网的四层架构。然后通过认识物联网学习实验板，找实验板中与物联网架构相关的设备，了解感知层和网络层设备的名称和作用。在搭建完简单的物联网系统后，通过将程序烧录到开源硬件中并打开串口查看数据，观察反馈和控制，填写实验记录，理解物联网的自主可控。最后在实验小结中验证在探究环节中关于实现物联网应用的猜想，从实践出发探究科学原理，用科学原理指导科学实践，形成闭环。具体思路如左图所示。

● 实验资源

教师的准备：课件、学生学习资源包（包含物联网应用视频、设备连接视频、功能代码文件）、物联网实验板。

为学生所做的准备：实验导学单。

● 实验教学过程

1.万物互联，走进物联网世界（如表1）

2.观察思考，探究物联网结构（如表2）

3.动手实验，体验物联网搭建（如下页表3）

4.总结反思，验证物联网猜想（如下页表4）

表4

● 实验设计与创新点

1.在实践中探究科学原理，用科学原理指导科学实践

学生们通过关注生活中物联网应用的实际问题和现象，通过观察、实验、分析等方法，提出实现物联网功能的设备和架构的猜想，以物联网四层架构为科学原理指导实验，开展实验验证，在实验小结中验证在探究环节中关于实现物联网应用的猜想。在实践中探究科学原理，用科学原理指导科学实践。这一过程强调了实证主义的原则，即科学研究应该以实际经验为基础，通过实验来检验理论的正确性。

2.灵活设计实验操作，通过物联网功能菜单式选择实现难度分层

在体验物联网搭建和实现部分功能的实验中，存在学生学习能力有差异、实验速度有快慢的问题，如果由教师来指定做一个或几个实验，会让学生的思维受限，不利于以解决问题为导向的计算思维的发展。所以，笔者设计了功能的菜单式选择，学生可以自由地选择一个或多个功能展开探索和实践，在解决真实问题的过程中培养发现问题、分析问题、解决问题的能力，同时也解决了实验速度不一致的问题，让每组学生都能充分地展开实践，并形成为实现更多功能而投入探究的良性竞争。

3.数字化学习创新，提供物联网实验板演示操作视频资源包

给学生提供物联网实验板演示操作视频资源包，有效解决硬件连接实验中可能出现的问题。视频形式可以直观地展示实验操作的过程，让学生更清楚地了解实验的每一个步骤，从而更容易理解和掌握。学生可以根据自己的需求和时间来选择观看视频的时间和进度，还可以多次观看视频，加深对实验操作的理解。

● 教学反思

通过这次实验教学，笔者对物联网有了更深入的了解，也收获了很多宝贵的经验。

第一，实验课前的准备工作很重要。教师需要了解物联网的基本概念、科学原理和架构搭建，这样在实验教学过程中才能更好地理解实验的目的和意义，并将它们融入到教学设计中，使实验教学更有意义，而不是仅仅让学生摸一摸实验器材。

第二，实验操作要严谨。在实验过程中，教师需要引导学生按照实验步骤进行操作，养成良好的实验习惯，如认真记录实验数据、整理实验器材等，以便在实验结束后能够及时总结和分析实验结果。

第三，注重实验结果的分析与总结。在实验结束后，教师需要对实验结果进行分析和总结，找出实验中可能存在的问题，并提出改进措施。此外，还可以通过对比不同实验条件下的数据，进一步探讨物联网的原理和应用。

这次实验课的教学设计和实施过程是笔者教学生涯中一个重要的经历，它连接着过去和未来。在今后的教学中，怎样将已有的教学设计经验和新的教学内容及素养目标、育人目标相结合是未来要思考的问题，笔者将不断提高自己的实践能力和学科素养，为提升学生的数字素养和技能而努力。