《碳中和：物聯網的新機遇》教學案例

耿秋萍

● 學科核心素養

信息意識：主動關注信息技術工具發展中的新動向和新趨勢，有意識地使用新技術處理信息。

計算思維：針對給定的任務進行需求分析，明確需要解決的關鍵問題。

數字化學習與創新：根據學習任務的復雜程度和個體學習需求的特點，合理運用數字化環境，主動參與協作學習與協同創作。

信息社會責任：認識信息技術發展對社會進步和人們生活帶來的影響。

● 課程標準要求與學業要求

課程標準要求：通過分析物聯網應用實例，知道信息系統與外部世界的連接方式，了解常見的傳感與控制機制。

學業要求：了解信息技術對社會發展、科技進步以及個人生活與學習的影響;了解常見的傳感與控制機制，以及接入方式、寬帶等因素對信息系統的影響;能構建簡單的信息系統，積極利用各種信息系統促進學習與發展;認識信息系統在社會應用中的優勢及局限。

● 教學內容分析

本課來自高中信息技術必修2《信息系統與社會》（教育科學出版社）的第2單元第3節，教學內容通過圍繞物聯網對促進碳中和的實際意義，借助“數字植物園”系統的體驗與改造，引導學生探尋物聯網的基本原理，理解傳感器在物聯網系統中的作用。

● 學情分析

高一學生有一定的信息系統知識基礎，且對生活中的常見傳感器都有所見聞，物聯網技術更是滲透到了學生生活的方方面面，所以學生對物聯網系統的知識接納和吸收并不困難，但是學生對“碳中和”一詞不甚了解，它與物聯網之間能產生什么樣的化學反應是最容易激發學生求知欲的關鍵點。

● 教學目標

①體驗帶有傳感器的信息系統，了解常見的傳感器與控制機制;

②理解物聯網的體系結構，感知物聯網從信息感知到信息傳輸、智能處理的基本過程;

③能夠借助物聯網技術解決簡單問題，分析任務需求，選擇合適的信息感知和傳輸技術，設計并制作簡易的物聯網系統;

④感受物聯網在信息社會中的重要作用。

● 教學重難點

重點：了解傳感器，理解物聯網的體系結構。

難點：利用物聯網系統嘗試解決生活中的實際問題。

● 教學過程

1.“碳中和”話題導入，建構主題情境

教師首先播放視頻，引導學生了解什么是碳中和以及促進碳中和的兩種主要途徑。

學生回答什么是碳中和、促進碳中和的兩種主要方式是什么。

師：中國敢于立下2倍速的flag（在2060年達到碳中和）的底氣之一是什么？

生：植樹造林方面的專業和能力。（視頻中有相應提示）

教師介紹我國在植樹造林方面的技術優勢，如螞蟻森林是一種碳補償機制，計算碳消耗，換取相應的樹種。

設計意圖：碳中和、螞蟻森林話題的引入，為本節課的學習建構了一個主題情境，讓學生感受國人植樹造林的能力和專業，并且建立信息技術與碳中和之間的聯系，引發學生的思考，激發他們繼續探索的興趣，助力其后續學習。

2.體驗數字植物園，引出物聯網結構體系

（1）環節一

教師連線數字植物園馬老師，由她對數字植物園的情況進行簡單介紹，同時引導學生查看“感知生長”網站的實時數據，并讓學生嘗試遠程控制澆灌、風機和生長燈的開關。學生也可以通過視頻連線，向馬老師提問，形成校內校外雙師課堂的形式。

學生討論并回答數字植物園與普通植物園的區別。

教師再根據學生回答，整理關鍵詞——傳感器、網絡和應用控制，由此引出物聯網的概念及物聯網系統的感知層、網絡層和應用層。

（2）環節二

教師展示數字植物園模型，邀請學生體驗其功能，辨識數字植物園各個部分的功能并完成右表。

師：控制條件這一項填寫的結果不統一，原因是什么？

生：對控制條件的填寫都是依據自己的經驗，原因是該系統的控制是手動的，所以控制條件都是人為的估算，不準確，也不及時，從而發現這個系統存在的瑕疵。

師：如果我們能讓該系統變成自動的，在溫度達到一定值的時候，便自動開啟風扇通風降溫，這樣，控制條件統一后，系統反應也會變得及時。那么，如何把手動變為自動呢？（以生長燈為例做示范，引導學生嘗試修改灌溉和風機的自動控制，如圖1所示，邀請完成得比較好的學生分享操作過程和自己的思考過程）

師：在數字植物園采用了物聯網系統后，相比于同等情況下的人力資源管理植物園其碳排放量每天可減少1.1kg，每年可減少400kg左右的碳排放。這么簡單又實用的系統可以幫助碳中和的植樹造林管理，那能否應用到節能減排中去呢？

3.延伸物聯網應用，建立教室節能系統

師：這個系統可以控制生長燈和風扇，那么它是不是也可以拿來控制我們教室的燈和風扇呢？這個系統能不能直接用來控制教室的設備呢？如果不行，需要修改哪些地方呢？

學生修改數字植物園的系統流程圖，使之成為教室節能減排的控制系統。教師邀請2～3位學生陳述想法，并在教師的指導下演示修改程序。

師：我們教室的設備還有很多，如希沃、電子班牌、空調等，接下來，大家可以嘗試把教室節能減排控制系統修改得更完善一些，讓它成為一個更接近真實教室環境的系統。

學生修改系統流程圖，并呈現2～3個典型的學生案例和個人解說。

設計意圖：用設備的關聯建立系統之間的關聯性，讓學生把物聯網系統從數字植物園的思維空間里移到教室的節能減排的思考中去。引導學生對比教室和植物園對系統需求的異同，展開對物聯網系統遷移和改造的思考。這既是對物聯網系統知識的鞏固，也是強化學生對物聯網系統的應用能力，更是希望學生能形成一定的“學以致用”的學習態度和學習習慣。

4.總結

師：大家對傳感器、網絡和控制條件的修改使得這個系統更加完善，也更符合我們的實際需求。這個系統除了應用于植物園和教室，還有其他的用途嗎？

學生圍繞問題暢所欲言，并根據教師的引導，從系統適用的空間廣度和行業跨度去發揮想象。

教師回顧本節課的活動流程和知識重點（如圖2），并提出進一步的學習要求。

設計意圖：用數據肯定學生所學知識的社會價值，讓學生看到本節課的努力在實際應用中對減少碳排放是可觀的。回顧本節課的流程，再次強化重要知識點，實現教學目標，并推動學生的思維往更高更廣的方向延展，也為下節課遠程控制系統的組建埋下伏筆。

● 教學反思

本節課產生的社會原因是當前我國對碳中和勢在必行的嚴肅態度，由于物聯網系統對促進碳中和有著不可小覷的作用，所以教學的每一個環節都緊扣物聯網系統對植樹造林和節能減排的實際效用展開。瀏覽數字植物園系統平臺和遠程連線雙師對話，讓學生了解數字植物園的主要組成部分，進而了解物聯網的體系結構。通過對已有的數字植物園系統的修改和創新，使學生掌握物聯網系統的基本體系和關鍵技術，并能適當地遷移應用，控制教室的節能減排。同時，引導學生運用所學知識，搭建兩者的融合橋梁，關注節能，關注碳排放，建立環保的學習生活理念，以及躬身力行、致力環保的意識。