中小學(xué)物聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計(jì)的兩種思路

謝賢曉 王國(guó)芳

“萬(wàn)物互聯(lián)”的時(shí)代正漸行漸近，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也越來(lái)越受到創(chuàng)客教育、STEAM教育領(lǐng)域的重視。但因?yàn)槿狈?jiǎn)單易用的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和廉價(jià)穩(wěn)定的智能終端，中小學(xué)生很難有機(jī)會(huì)理解物聯(lián)網(wǎng)原理，真正學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并開(kāi)發(fā)各種創(chuàng)意應(yīng)用。在這樣的背景下，“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目誕生了。

● “虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目

“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目的核心是開(kāi)發(fā)的開(kāi)源MQTT服務(wù)器程序——SIoT，它為中小學(xué)STEAM教育提供了教學(xué)專用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，而2018年發(fā)布的開(kāi)源硬件掌控板，則讓物聯(lián)網(wǎng)終端實(shí)現(xiàn)了低成本。兩者的結(jié)合降低了中小學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本以及技術(shù)門(mén)檻，讓學(xué)生不僅能夠真正學(xué)習(xí)到物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，還能通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而探究科學(xué)問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)一直是STEAM教育和創(chuàng)客教育的熱點(diǎn)。為幫助一線教師掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目組為SIoT軟件編寫(xiě)了詳細(xì)而具體的文檔（文檔閱讀地址：https：//siot.readthedocs.io/）。

SIoT文檔中提供了各種客戶端連接服務(wù)器的范例，其中包括專用客戶端，Mind+、mPython、App Inventor2和Python等常見(jiàn)編程語(yǔ)言，以及Arduino、micro：bit、掌控板等開(kāi)源硬件，文檔還介紹了Node-RED、Processing、PowerPoint等不太常見(jiàn)的工具。除此之外，文檔中還收集了一系列典型應(yīng)用案例，如熱輻射實(shí)驗(yàn)探究、智能家居模型、互動(dòng)媒體“劃龍舟”和互動(dòng)游戲“足球?qū)?zhàn)”等。

● 物聯(lián)網(wǎng)課程開(kāi)發(fā)

要普及物聯(lián)網(wǎng)教育，僅僅為教師們提供理論和技術(shù)培訓(xùn)是不夠的，最好能夠提供簡(jiǎn)單易用的課程，作為他們實(shí)施教學(xué)的“腳手架”。我們團(tuán)隊(duì)在“虛谷物聯(lián)”項(xiàng)目組的支持下，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的兩大亮點(diǎn)——遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集，結(jié)合《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》中提出的活動(dòng)方式，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)課程進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，并初步形成了兩種設(shè)計(jì)思路，具體如下：

（1）設(shè)計(jì)制作類。設(shè)計(jì)制作指學(xué)生運(yùn)用各種工具、工藝（包括信息技術(shù)）進(jìn)行設(shè)計(jì)，并動(dòng)手操作，將自己的創(chuàng)意、方案付諸現(xiàn)實(shí)，轉(zhuǎn)化為物品或作品的過(guò)程。教師可以指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并利用這方面的技術(shù)設(shè)計(jì)能夠解決真實(shí)世界問(wèn)題的應(yīng)用，制作出相關(guān)作品。

（2）考察探究類。考察探究是學(xué)生基于自身興趣，在教師的指導(dǎo)下，從自然、社會(huì)和自身生活中選擇和確定研究主題，開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)，在觀察、記錄和思考中，主動(dòng)獲取知識(shí)，分析并解決問(wèn)題的過(guò)程。在考察探究的活動(dòng)中，學(xué)生以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為工具，利用實(shí)時(shí)、無(wú)線的方式采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于數(shù)據(jù)的科學(xué)探究活動(dòng)。

● 設(shè)計(jì)制作類課程的開(kāi)發(fā)

我們將設(shè)計(jì)制作類的課程命名為“趣味物聯(lián)網(wǎng)作品設(shè)計(jì)”，帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用，涉及到的軟硬件分別是“Mind+”（一款基于Scratch3.0開(kāi)發(fā)的青少年圖形化編程軟件）、掌控板（包含其他傳感器、執(zhí)行器的學(xué)習(xí)套件），以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為主要學(xué)習(xí)方式，開(kāi)發(fā)各種創(chuàng)意應(yīng)用。

1.課程目標(biāo)

熟悉開(kāi)源硬件掌控板的編程，理解物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行原理，能夠利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)各種與智能家居、互動(dòng)媒體相關(guān)的創(chuàng)客作品，培養(yǎng)STEAM素養(yǎng)。

2.課程定位

執(zhí)教對(duì)象為非零起點(diǎn)學(xué)生，具有一定的Scratch編程基礎(chǔ);課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)上偏向于網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)與實(shí)際應(yīng)用，以項(xiàng)目化的方式進(jìn)行呈現(xiàn);實(shí)例的選擇從易到難，遵循循序漸進(jìn)原則，最終完成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)作品并進(jìn)行展示。

3.硬件選擇

本課程在實(shí)施過(guò)程中，除了需要掌控板外，還需要一些輸入硬件設(shè)備（DHT11溫濕度傳感器、3D手勢(shì)、電導(dǎo)、鱷魚(yú)夾）和輸出硬件設(shè)備（繼電器、舵機(jī)、電風(fēng)扇），連接掌控板和輸入、輸出設(shè)備的拓展板。在課程開(kāi)設(shè)前，需要將教師機(jī)設(shè)置為數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，定時(shí)采集各種數(shù)據(jù)，供學(xué)生連接使用。

4.課程內(nèi)容

“趣味物聯(lián)網(wǎng)作品設(shè)計(jì)”的核心內(nèi)容是了解、體驗(yàn)、剖析和設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)作品，涵蓋了傳感器、開(kāi)源硬件、編程和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。我們將課程分為掌控板編程基礎(chǔ)、簡(jiǎn)易氣象臺(tái)、電子沙盤(pán)設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)易智能家居四個(gè)單元，每個(gè)主題的學(xué)習(xí)從創(chuàng)設(shè)情境開(kāi)始，通過(guò)“我要學(xué)”→“我要做”→“我要想”→“我要練”→“我要讀”展開(kāi)。課程具體內(nèi)容如表1所示。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，如網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)、MQTT協(xié)議、訂閱消息、發(fā)送消息等，所以“趣味物聯(lián)網(wǎng)作品設(shè)計(jì)”在課程設(shè)計(jì)上涉及網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制、硬件編程等多方面問(wèn)題，“軟硬兼施”，是一門(mén)跨學(xué)科學(xué)習(xí)的課程。通過(guò)系列專題學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展深入探究與實(shí)踐，從而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題，并且能運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生處理問(wèn)題的能力和綜合素養(yǎng)。在教學(xué)過(guò)程中教師不要過(guò)分強(qiáng)調(diào)知識(shí)的深度，而要強(qiáng)調(diào)知識(shí)的廣度，讓學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)多了解物聯(lián)網(wǎng)作品，并嘗試“仿造”，然后“改良”，最終實(shí)現(xiàn)“創(chuàng)新”。

● 考察探究類課程的開(kāi)發(fā)

數(shù)據(jù)分析已經(jīng)深入到科學(xué)、技術(shù)、工程和現(xiàn)代生活的各個(gè)方面，科學(xué)數(shù)據(jù)分析的一般流程為：收集數(shù)據(jù)—整理數(shù)據(jù)—提取數(shù)據(jù)—構(gòu)建模型—推斷并獲取結(jié)論。SIoT服務(wù)器能夠收集并導(dǎo)出物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，因此學(xué)生通過(guò)SIoT能獲得大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析。考察探究類的課程，我們命名為“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的科學(xué)探究”，顧名思義，就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行科學(xué)探究。

1.課程目標(biāo)

借助開(kāi)源硬件和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、分析的方式探究科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的各種變量，親歷基于數(shù)據(jù)的科學(xué)探究過(guò)程，培養(yǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)建模、編程和科學(xué)探究能力。

2.課程定位

執(zhí)教對(duì)象可以是編程零起點(diǎn)學(xué)生，不關(guān)注編程;教師可以是非信息技術(shù)專業(yè)的教師，如科學(xué)教師、綜合實(shí)踐活動(dòng)教師。

3.硬件選擇

本課程除了需要掌控板和拓展板外，還需要實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集數(shù)據(jù)所需的輸入硬件設(shè)備，如DHT11傳感器、土壤濕度傳感器、超聲波傳感器、PM2.5傳感器、可燃?xì)怏w、渾濁傳感器、液位傳感器、紫外線傳感器、防水溫度傳感器、模擬氣體傳感器（MQ9）和LM35溫度傳感器等。

4.課程內(nèi)容

“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的科學(xué)探究”課程的核心內(nèi)容是收集、提取數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)探究。課程分為兩個(gè)單元：第一單元主要是讀取數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，熟悉網(wǎng)絡(luò)平臺(tái);第二單元采用項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方式，一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目由2～3課時(shí)完成（如表2）。

科學(xué)探究是人們?cè)谘芯扛黝惪茖W(xué)特別是自然科學(xué)問(wèn)題時(shí)所采取的方法，包括四個(gè)步驟：①提出問(wèn)題;②猜想假設(shè);③接受檢驗(yàn);④不斷完善。步驟③就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的辦法來(lái)驗(yàn)證假設(shè)和猜想，收集并整理通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及其他與猜想假設(shè)有關(guān)的所有資料、信息等，為驗(yàn)證猜想與假設(shè)做好充分準(zhǔn)備。

物聯(lián)網(wǎng)課程的設(shè)計(jì)除了上面介紹的兩種，還可以做互動(dòng)媒體、交互游戲等。開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)課程，真正將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入中小學(xué)課堂，是我們正在努力的工作。希望有更多的學(xué)生因?yàn)檫@類課程的實(shí)施，輕松掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，體驗(yàn)大數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出各種創(chuàng)新應(yīng)用。