都書文 江蘇省無錫市江南中學(xué)

●問題提出與核心概念解讀

當(dāng)前，中小學(xué)普遍關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新意識、高階思維和實(shí)踐能力的發(fā)展，大力推進(jìn)工程教育，以培養(yǎng)學(xué)生工程思維和解決實(shí)際問題能力為核心目標(biāo)。而物聯(lián)網(wǎng)作為工程教育不可或缺的一部分，在《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)”）中更是作為三大課程內(nèi)容模塊之一被提出，要求學(xué)生不僅是技術(shù)的體驗(yàn)者，更是技術(shù)的理解者、創(chuàng)新者與思辨者。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)模塊教學(xué)實(shí)踐多在創(chuàng)客類課程中以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式開展。以智慧家居項(xiàng)目為例，設(shè)定項(xiàng)目目標(biāo)為圍繞家居生活發(fā)現(xiàn)生活中的實(shí)際問題，利用物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)創(chuàng)作作品解決問題。但該項(xiàng)目為開放式主題，學(xué)生因?yàn)槿鄙偕罱?jīng)驗(yàn)，難以提出創(chuàng)意想法并解決實(shí)際問題。因此，筆者從理解性學(xué)習(xí)的視角出發(fā)，將項(xiàng)目學(xué)習(xí)定位為對“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊知識內(nèi)容的深度理解，培養(yǎng)學(xué)生理解并能夠運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)知識解決生活中的實(shí)際問題。同時(shí)，融入人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)并組織項(xiàng)目學(xué)習(xí)，充分利用生成式人工智能對課堂進(jìn)行拓展。

●項(xiàng)目分析與實(shí)踐

1.項(xiàng)目背景

智慧家居作為物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用之一，是在互聯(lián)網(wǎng)影響之下物聯(lián)化的體現(xiàn)，也是較為貼近學(xué)生生活的物聯(lián)系統(tǒng)。項(xiàng)目以智慧家居為主題，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注真實(shí)的生活場景，發(fā)現(xiàn)生活中家居存在的問題，并采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等提出解決方案，設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)，完成相關(guān)作品的制作。該項(xiàng)目旨在提高學(xué)生對日常生活中的問題的關(guān)注程度，針對發(fā)現(xiàn)的問題，提出科學(xué)的解決方案，培養(yǎng)學(xué)生綜合利用已有知識與技能解決問題的能力。

2.學(xué)情分析

七年級的學(xué)生思維活躍、樂于發(fā)現(xiàn)，善于在動手實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，其具有一定的編程能力、邏輯思維能力，而且在學(xué)習(xí)上具有主動性，具備獲取信息和加工信息的能力，能夠在教師的引導(dǎo)下主動完成知識的建構(gòu)。

3.項(xiàng)目目標(biāo)

結(jié)合新課標(biāo)對“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊的內(nèi)容要求，確定項(xiàng)目知識內(nèi)容（如下頁圖）。

（1）學(xué)習(xí)目標(biāo)

①通過對物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場景—智能家居進(jìn)行探討和分析，感受萬物互聯(lián)的場景，了解物聯(lián)網(wǎng)的特征概念，理解物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的異同。

②根據(jù)功能需求，學(xué)會剖析、處理和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)需求的可行方法，并體會數(shù)據(jù)“采集→傳輸→處理→應(yīng)用”的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)過程。

③感受物聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大和樂趣，能夠梳理程序邏輯，實(shí)現(xiàn)和體驗(yàn)小型智能家居系統(tǒng)。

④在合作、共享中學(xué)習(xí)，學(xué)會辯證地看待物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對社會生活的影響。

（2）核心素養(yǎng)目標(biāo)

①通過生成式人工智能提供豐富的知識與學(xué)習(xí)資源，開闊項(xiàng)目選題思路，輔助小組協(xié)作的開展，學(xué)會以信息科技學(xué)科的思維方式去思考和解決生活中的問題。

②在解決項(xiàng)目問題的過程中，了解和熟悉常用的數(shù)字化工具與資源，根據(jù)需要合理選擇，提升數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。

③在搭建小型物聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)歷分析問題、原型設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)以及測試與優(yōu)化等過程，培養(yǎng)計(jì)算思維。

④在了解不同物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的過程中，學(xué)會客觀認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展對社會生活的影響。在小組探究的過程中，能夠與項(xiàng)目組成員進(jìn)行有效交流，提高合作交流能力，提升信息社會責(zé)任素養(yǎng)。

4.項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐

依照界定問題、搭建系統(tǒng)原型、讀取數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決問題思路，本項(xiàng)目分為四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，并圍繞項(xiàng)目核心問題，細(xì)化四個(gè)子問題，分別對應(yīng)四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐思路如下表所示。

（1）發(fā)布項(xiàng)目主題，聚焦問題場景

核心問題：智慧家居是物聯(lián)網(wǎng)嗎？

學(xué)習(xí)任務(wù)：①借助ChatGPT了解智慧家居能夠解決什么問題？②結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)，明確智慧家居作品的選題方向。③了解物聯(lián)網(wǎng)的概念，理解互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的異同。

教學(xué)環(huán)節(jié)：①頭腦風(fēng)暴—學(xué)生在此環(huán)節(jié)缺乏生活經(jīng)驗(yàn)，需要更多的資料引導(dǎo)學(xué)生思考。教師提供ChatGPT，學(xué)生借助ChatGPT提問和獲取信息。教師啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)意構(gòu)思各種居家生活場景，并為學(xué)生制訂主題、確定選題提供可參考的思路。②引導(dǎo)思考—教師在此環(huán)節(jié)提出思考性問題：“智慧家居是物聯(lián)網(wǎng)嗎？為什么？”

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生借助ChatGPT為智慧家居的選題提供引導(dǎo)性思路，并理解物聯(lián)網(wǎng)的概念，了解物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的異同，主動發(fā)現(xiàn)和判斷身邊的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

（2）拓展功能需求，解構(gòu)實(shí)現(xiàn)過程

核心問題：智慧家居場景中數(shù)據(jù)經(jīng)歷了哪些智能化的實(shí)現(xiàn)過程？

學(xué)習(xí)任務(wù)：①小組討論，設(shè)計(jì)集多種功能為一體的小型智能家居物聯(lián)系統(tǒng)原型，將想法可視化呈現(xiàn)。②理解物聯(lián)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)過程。

?

教學(xué)環(huán)節(jié)：①細(xì)化功能需求——學(xué)生通過搜集資料，細(xì)化選題的功能需求，提出智慧家居中溫濕度控制、燈光控制等功能需求，并嘗試將設(shè)計(jì)的智慧家居系統(tǒng)原型可視化呈現(xiàn)。②引導(dǎo)分析智能控制的實(shí)現(xiàn)過程——教師提出核心問題：“溫濕度、燈光是如何實(shí)現(xiàn)智能控制的？”以燈光自動控制為例，學(xué)生提出當(dāng)室內(nèi)光線昏暗時(shí)，自動打開家中的燈，當(dāng)周圍環(huán)境光線充足時(shí)，自動關(guān)閉家中的燈。③理解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作過程和基本原理——進(jìn)一步引導(dǎo)思考：智能控制過程是通過什么信息判斷燈光的亮暗？它的實(shí)現(xiàn)過程是什么？本環(huán)節(jié)旨在引導(dǎo)學(xué)生從分析真實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用出發(fā)，建構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)概念，并在分析的過程中，理解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作過程和基本原理。對于分析光線數(shù)據(jù)判斷的過程，學(xué)生相對較容易理解，教師可進(jìn)一步提問：“在這一過程中，數(shù)據(jù)（光線）經(jīng)歷了哪些階段？”教師通過該問題引導(dǎo)學(xué)生思考數(shù)據(jù)“采集→傳輸→處理→應(yīng)用”的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)過程。

設(shè)計(jì)意圖：通過對智慧家居物聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建，探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制等基本功能，理解數(shù)據(jù)“采集→傳輸→處理→應(yīng)用”的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)過程。

（3）梳理程序邏輯，實(shí)現(xiàn)功能架構(gòu)

核心問題：如何搭建智慧家居的硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化功能？

學(xué)習(xí)任務(wù)：①根據(jù)設(shè)計(jì)方案，確定作品使用的開源硬件和實(shí)現(xiàn)每個(gè)功能模塊需要的傳感器及相關(guān)組件，體驗(yàn)簡易物聯(lián)系統(tǒng)的基本流程。②將現(xiàn)實(shí)的事物轉(zhuǎn)化為可以用計(jì)算機(jī)處理的對象，搭建并調(diào)試程序。

教學(xué)環(huán)節(jié)：①系統(tǒng)集成——學(xué)生已設(shè)計(jì)出智慧家居作品功能雛形，但欠缺實(shí)踐。教師引導(dǎo)學(xué)生分析設(shè)計(jì)作品的程序邏輯，梳理整個(gè)控制流程，進(jìn)行功能需求程序的邏輯分析，并繪制原理圖。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的智能家居功能架構(gòu)，思考可用哪些傳感器實(shí)現(xiàn)功能，并解決不同傳感器如何利用Mind+編程軟件與Arduino開源硬件連接的問題，歷經(jīng)設(shè)計(jì)、搭建與編程的過程，體驗(yàn)簡易物聯(lián)系統(tǒng)的基本流程。②錯誤調(diào)試——在搭建與編程的過程中，學(xué)生會遇到不同的問題，如程序沖突、程序錯誤、模塊損壞等，教師鼓勵學(xué)生自行討論解決問題。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會將現(xiàn)實(shí)事物轉(zhuǎn)化為可以用計(jì)算機(jī)處理的對象，提高對事物進(jìn)行抽象和轉(zhuǎn)化的能力。在編程與調(diào)試的過程中，以錯促學(xué)，在問題解決中過程提升動手實(shí)踐能力，強(qiáng)化計(jì)算思維。

（4）延伸拓展項(xiàng)目，評估交流分享

核心問題：智慧家居如何完善才能更加便捷和智能？

學(xué)習(xí)任務(wù)：①設(shè)計(jì)家居應(yīng)用的外部結(jié)構(gòu)，并選擇合適的材料。②小組展示作品，交流不同作品的特征，總結(jié)概括物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)品的特征，共同討論物聯(lián)網(wǎng)的特征。

教學(xué)環(huán)節(jié)：①設(shè)計(jì)家居應(yīng)用的外部結(jié)構(gòu)——學(xué)生在實(shí)現(xiàn)功能需求的基礎(chǔ)上，著手考慮智慧家居的完整性和美觀性，并繪制結(jié)構(gòu)圖。②選擇合適的材料——學(xué)生為外部結(jié)構(gòu)選擇制作材料，如椴木板、亞克力板等，了解榫卯鑲嵌等材料的拼接方法。③小組分享設(shè)計(jì)及實(shí)踐成果——在各小組獨(dú)立完成對作品的整體設(shè)計(jì)與制作后，小組間分享和展示。④小組交流討論，各抒己見——在展示環(huán)節(jié)后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考不同物聯(lián)網(wǎng)作品的特征，共同討論物聯(lián)網(wǎng)全面感知、可靠傳遞、智能處理的特征，以及生活中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為我們的生活提供了哪些便捷，是否存在弊端。

設(shè)計(jì)意圖：探討分析典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用并總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)特征，引導(dǎo)學(xué)生敏銳感知物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對生活的影響，客觀看待物聯(lián)網(wǎng)的重要價(jià)值，產(chǎn)生探究新技術(shù)的興趣。

●總結(jié)

“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”模塊的教學(xué)從真實(shí)情境出發(fā)明確項(xiàng)目需求，以工程思維培養(yǎng)為項(xiàng)目目標(biāo)，利用工程學(xué)思想來提升項(xiàng)目質(zhì)量。而理解性學(xué)習(xí)理念能夠在項(xiàng)目開展過程中加深學(xué)生對核心知識概念的理解，引導(dǎo)學(xué)生像工程師一樣思考和解決問題，這也為工程教育實(shí)踐落地提供了可行思路。