大概念下初中信息科技学科实验教学实践

摘要：本文结合《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》，设计了初中信息科技学科大概念下的实验教学设计基本框架，并以“智能养花系统”实验项目为例进行实验教学案例设计，鼓励学生提出问题、分析问题、解决问题，提升学生的计算思维能力。

关键词：学科大概念；初中信息科技；智能养花系统；实验教学

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）14-0090-04

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）指出，要从信息科技实践应用出发，提升学生对基本概念和基本原理的理解，从而培养学生的核心素养，提升学生的数字素养与技能。因此，信息科技实验教学为新课标下的信息科技课程实施提供了有效方法。同时，学科大概念能够帮助教师建构学科教学的知识框架，而且能够帮助学生进行知识的记忆和迁移，培养学生的学科核心素养。所以，笔者认为促进大概念理解的信息科技实验教学内容最有价值。

大概念下初中信息科技学科实验教学设计基本框架

“智能养花系统”实验所属单元选自新课标中的“物联网实践与探索”模块，单元教学要求是：会使用实验设备搭建简易应用或系统原型，并通过实验平台读取、发送、接收、汇集和使用数据；探索物联网中数据采集、处理、反馈控制等基本功能。实验根据目的和方式不同可以有不同的分类，魏雄鹰老师提出的实验的基本类型主要有验证类、探究类、创新应用类以及虚拟仿真类，“智能养花系统”实验属于利用概念和原理解决问题的创新应用类实验。因此，笔者基于六大学科逻辑主线，梳理了本单元的大概念（如下表）并设计了实验教学设计的基本框架（如下页图）。

“智能养花系统”实验项目教学案例设计

1.实验素养目标

①具有用物联网知识解决问题的意识，理解物联网中数据的获取方式和数据的汇集与使用方法；体验物联网的控制与反馈，体会物联网中控制与反馈的价值和意义，体验物联网系统中数据处理和应用的方法与过程。（信息意识、计算思维）

②能从需求出发，设计和搭建物联系统原型并运行、调试和发布，掌握物联系统原型设计的一般过程和基本方法，提高利用数字设备与平台开展创新实践活动的能力。（数字化学习与创新）

③在物联系统应用中，能够将智能设计应用于国家造林活动，提高环保意识，培养绿色生活方式。（信息社会责任）

2.实验教学过程

课时1：智能养花系统设计

①情境导入，问题抛出。

教师提出问题：放假期间班级盆栽无人照料影响生长，请使用物联网技术制作智能养花系统，实现24小时全方位照料盆栽。

设计意图：通过情境问题，引导学生使用物联网技术解决问题，提高学生的信息意识。

②需求分析，功能设计。

教师引导学生思考影响植物生长的因素有哪些，在上网查询后，小组合作填写实验导学单中的“影响盆栽生长的因素表”（如光照、水分、空气温湿度等）。接着，根据影响植物生长的因素，小组合作设计功能需求（自动浇水、自动补光、自动通风等），并填写实验导学单中的“需求分析表”。

设计意图：采用小组合作的方式，让学生学会使用网络资源获取资料，在实践中探索、获取真知，培养学生的数字化学习与创新能力。

③功能分解，设计搭建。

学生根据需求分析表，分解系统功能，小组合作设计实现不同功能所需的硬件设备及平台，填写实验导学单中的“系统设计表”。

设计意图：进行头脑风暴，将以往所学物联网知识迁移应用到本环节中，完善知识结构。

④交流展示，总结分享。

各小组展示本节课实验导学单，并总结本课所学。教师启发学生思考如何实现功能，为下一节课做准备。

设计意图：在交流展示中巩固新知，强化设计思想。

课时2：智能养花系统功能实现

①复习旧知，导入新课。

教师先提问上节课所学知识。小组汇报系统不同功能及所学元件。接着，四人一组，各小组成员根据特长选择角色。（项目管理师：统筹安排实验活动，并做好实验过程评价记录；硬件设计师：负责指导其他小组成员进行硬件搭建；软件设计师：进行软件设计和编写，其他成员进行调试与完善；数据记录师：做好实验过程中的数据记录）

设计意图：复习旧知；小组合理分工，合作学习。

②功能实现，自动浇水。

硬件设计师指导其他小组成员根据系统设计表进行硬件搭建。软件设计师设计程序，思考通过监测三天盆栽土壤湿度数据获取盆栽缺水时的湿度阈值。同时，教师提前准备好实验盆栽，由数据记录师在实验导学单上记录实验数据。

软件设计师使用图形化编程软件Mind+编写程序，通过土壤湿度传感器监测植物是否缺水，通过转动舵机触发浇水装置，当土壤湿度较小时，舵机摇臂向下，使水壶向下浇水，当土壤湿度正常时，舵机转动到其他角度，其他成员指导调试运行。屏幕显示土壤湿度值，当土壤湿度较小时，舵机转动。（教师提供功能代码文件供参考）

项目管理师做好实验过程评价记录。

③功能实现，自动补光。

硬件设计师指导其他小组成员根据系统设计表进行硬件搭建。软件设计师设计程序，思考通过掌控板自带的环境光传感器监测三天内光照强度。同时，教师提前准备好实验盆栽，由数据记录师在实验导学单上记录实验数据。

软件设计师使用图形化编程软件Mind+编写程序，确定盆栽适宜的光照强度最小值，当光线较弱时，点亮RGB灯带进行补光，当光线较强时，熄灭灯带，其他成员指导调试运行。

运行结果：屏幕显示实测光线强度值，当光线较弱时，点亮RGB灯带。（教师提供功能代码文件供参考）

项目管理师做好实验过程评价记录。

④功能实现，自动通风。

硬件设计师指导其他小组成员根据系统设计表进行硬件搭建。

软件设计师设计程序，通过温湿度传感器监测三天内空气温湿度范围，记录实验数据，教师提前准备好实验盆栽，由数据记录师在实验导学单上记录实验数据。

软件设计师使用图形化编程软件Mind+编写程序，确定盆栽适宜的空气温湿度最大值，当温度或湿度较高时，启动电机带动风扇，来降温或降湿。其他成员指导调试运行。

运行结果：屏幕显示实测空气温湿度，当温度或湿度较高时，启动电机。（教师提供功能代码文件供参考）

项目管理师做好实验过程评价记录。

设计意图：通过功能实现学习物联网系统原型设计的一般过程和方法；学习通过设计实验、获取实验数据、分析实验数据、应用实验数据解决问题的一般过程和方法，让学生在做中学、用中学、创中学。

⑤功能实现，数据监测。

教师提出问题：放假期间不在学校，如何远程查看植物各项数据？（学生提出使用物联网平台Easy IoT实现远程查看数据的猜想）

实验验证：小组讨论思考如何使用物联网平台实现远程数据监测。（在Easy IoT中定义4个Topic，分别向Topic发送水分、光照、温度、湿度的数据，这样，在每个Topic中可以对应查看各个数据的折线图和数值）

程序设计师在以上程序的基础上，进行程序设计（设置每隔3秒向Easy IoT平台发送一次各类数据），自动浇水、自动补光、自动通风、屏幕显示函数不变，其他成员调试运行。

运行结果：除了实现自动浇水、补光、通风以外，在Easy IoT中可以远程查看各项数据。（教师提供功能代码文件供参考）

最后，项目管理师做好实验过程评价记录。

设计意图：通过系统功能实现，体会物联网平台层的作用，用实验验证数据在物联网系统中传输的一般过程，通过实验检验理论的正确性。

⑥交流展示，总结评价。

各小组展示作品，并汇报评价结果。

教师启发学生在课下进行外观设计，使用外观材料如空饮料瓶、废纸盒、雪糕棒、吸管、彩纸，使用工具如热熔胶、裁纸刀进行外观制作。

教师提出问题：能否将智能养花系统应用于大棚种植？以此提高学生的环保意识，倡导绿色生活方式。

设计意图：将课堂所学知识用到生活中，课堂学习来源于生活，最终又回到现实生活，形成学习的闭环。

3.实验设计与创新点

借助数字化工具和开源硬件等资源，创新实验教学方式，组织学生开展了大量的实验探究活动。通过动手实践，体验感悟并总结归纳，编程实现创意，将理论学习与实践探究相结合，取得了良好的效果。

结语

通过以上基于学科大概念在信息科技教学中融入实验教学的尝试，笔者收获了很多宝贵经验：一是实验课前准备工作很重要，教师要提前准备好所需实验器材，深度挖掘物联网基本概念、科学原理和架构搭建，将其更好地融入到教学设计中；二是实验操作要严谨，教师要引导学生按照实验步骤进行操作，做好小组成员分工，记录数据、整理器材，以便后续及时综合和分析实验结果；三是注重实验结果分析和总结，找出实验可能存在的问题，提出改进措施。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S]北京：北京师范大学出版社，2022.

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