基于計算思維培養的物聯網教學框架和案例設計

【摘 要】本文針對義務教育信息科技課程中“物聯網實踐與探索”模塊的教學實施困境，經過學理探索找到知識通達素養的培養路徑，參考皮亞杰認知發展階段論，融合新課標的課程設計理念，形成橫向聯系、縱向遞進的教學案例框架，通過課程規劃和教學案例設計，研討框架的實施思路。

【關鍵詞】計算思維；物聯網教學；教學框架

【中圖分類號】G434" "【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）012-061-03

2022年4月，教育部發布《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，義務教育階段的信息科技課程實現了從“技”到“科”的華麗轉身，圍繞數據、算法、網絡、信息處理、信息安全以及人工智能為邏輯主線的階段課程內容，充分體現了信息科技學科的知識體系和循序漸進的知識發展脈絡?！拔锫摼W實踐與探索”模塊（以下簡稱“物聯網模塊”）是8年級開設的課程內容，具有內容復雜、綜合性強、層次跨度大的特點，與4個階段的課程均有關聯。同時，物聯網領域的發展還不成熟，智能設備、協議和服務云平臺種類繁多，都成為教師落地實施的技術鴻溝。

培養學科核心素養是信息科技課程的出發點，計算思維作為學科關鍵能力已成共識。課程實施提倡的基于學科核心概念的項目式學習方式，理解難度大，實施門檻較高，學科教師常常力有不逮，在教與學的維度均存在較為明顯的理念鴻溝。

厘清計算思維的培養路徑

物聯網模塊課程內容以數據流程為核心，使用試驗設備設計并搭建具有數據采集、實時傳輸和簡單控制功能的簡易物聯系統，經歷真實情境的問題解決過程，探索物聯網中數據采集、處理、反饋控制等基本功能，體驗物聯網、大數據及人工智能的關系，理解物聯網實現萬物互聯的基本原理。

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》界定的計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動。從定義可以看出，計算思維是利用計算機科學領域的思想方法解決真實問題的高階思維能力，因此應遵循分階段螺旋式動態發展的規律。計算思維如何在物聯網模塊教學中得以培養？可以借鑒馮友梅等人提出的知識通達素養的教學實施參考框架：實踐過程可以從物聯網核心知識結構的建構開始，在知識與思維的雙重協奏中，素養得以生成[1]。

參考皮亞杰認知發展階段論，結合參考框架，形成在物聯網模塊教學中培養計算思維的設計思路。一是以真實問題解決為主線設計教與學，有利于促進學科知識、思維與價值觀的形成，是計算思維培養的有效途徑。二是以數據為核心結構化組織學習內容，通過在物聯網核心知識間建立有意義的連接，引導學生像計算機科學家那樣整體思考，更好地促進學生理解學科本質，形成學科觀念，通達核心素養。三是要基于知識循序漸進構建的分階段特征，契合課程整體框架提出“場景分析—原理認知—應用遷移”的教學思路。

教學框架構建與分析

首先以兒童思維發展邏輯為基礎，融合課程提出的教學思路，從整體上劃分為“激活前概念—促進深層理解—引導理解性遷移”三個階段。然后聚焦數據核心概念，結構化組織核心內容，依據不同階段的學習特點，通過主題項目和任務群引領，形成橫向聯系、縱向遞進的教學案例框架（圖1）。

1.激活前序知識，整體感知物聯網

8年級的學生應該是帶著與物聯網相關聯的前概念走進課堂的，可能會對數據和互聯網有一定的了解，知道數據與信息編碼的過程，會用簡單的算法與程序設計語言，經常使用互聯網搜集資料和下載數據等。

鑒于學生已有知識和經驗是承接學習目標的底層基礎，但又不是學習的核心內容。需要教師安排更快捷的學習方式，對前概念進行補充和激活，對物聯網有整體性感知了解。

2.促進深層理解，讓學習真正發生

本環節將計算思維作為問題解決的關鍵能力真正融入物聯網學習活動，教師應根據教學需要，結構化組織核心知識，通過真實而又層層遞進的系列主題，引導學生由簡單到復雜地重復經歷問題解決過程，在引導學生進行知識建構和原理探究的進程中，進行深度思考，挖掘技術背后的學習價值；分析推理，從中找到解決問題的方法；總結歸納，找出一般性的規律，隨著一個個問題的解決，學生的計算思維也得到了有效培養。

3．遷移應用，解決新問題

知識來源于生活并應用于生活，更要超越生活。核心素養是在真實情境中解決復雜問題時才表現出來的素養，本環節通過綜合主題項目引導學生能夠把學到的知識和方法應用到真實情境中，以促進學生在實踐中加深對知識的理解，促進結構的合理改進，發展了計算思維，檢驗了學習效果。

課程規劃與主題項目設計

1.聚焦數據核心概念，分階段切分課程內容

數據和網絡在8年級并非正常邏輯起點，數據在2年級就有體驗性涉及，在4年級經歷簡單的數據收集、整理和分析過程，在7年級課程中知道互聯網中數據的組成，理解網絡傳輸數據的工作原理。教師要充分了解學情和課時安排，選擇適合教學的開源硬件和軟件平臺，聚焦物聯網數據的采集、計算、傳輸及反饋，找到思維培養與知識建構的“融合點”，依據教學階段的不同，將課程內容進行合理分解（圖2）。

2.設計“任務群”，激活前序知識

任務群學習是語文首先倡導的一種學習新方式?！叭蝿杖骸笔怯汕榫持黝}統領的，具體任務包含軟硬件的事實性知識和概念性知識，還包含采集數據的方法性知識等，體現真實情境脈絡中的知識學習與運用。

教師巧借任務群設計理念，精心設計基礎知識邏輯結構，創設情境形成系列微主題，可以很好地規避無關認知，引導學生按需選擇，將學習快速聚焦到新知識框架的語境中來。

軟硬件和服務平臺選擇的不同，會帶來對應前序知識的補充。本案例的“任務群”框架基于整體認知的邏輯主線，引導學生在實踐中感知物聯網，了解傳感器收集數據，體驗數據傳輸和數字平臺的作用，為后續物聯網模塊的核心內容學習打下很好的認知基礎，并列的關系讓按需選擇成為可能，具體設計如下。

主題任務1：“尋找生活中物聯網應用”，通過感知生活中的物聯網，從整體上體驗物聯網的普及給生活和學習帶來的影響，認識物聯網實現萬物互聯的基本原理。

主題任務2：“使用按鍵傳感器控制音樂播放”，通過功能實現，引導學生認識實驗設備和編程平臺，嘗試使用AB按鍵采集的數據，交流總結數字傳感器采集數據的思路和常用語句。

主題任務3：“設計實現聲控燈”，引導學生認識實驗設備和編程平臺，探究模擬傳感器能檢測環境變量的不同狀態，知道反饋值是變化且連續的，引導總結模擬傳感器采集數據的思路和常用語句。

主題任務4：“使用攝像頭識別車牌”，安裝攝像頭模塊，了解很多應用是需要加載和進行模式切換的；通過實踐探究，體驗人工智能特色的智能傳感設備在物聯網中的應用場景。

3.設計“小主題群”，引導問題解決和反思梳理

選擇小主題主要考慮信息科技課時教學特點，隨堂性更有利于知識掌握。更重要的是多個小主題可以引導學生通過真實的問題解決，層層遞進地不斷經歷問題解決的過程，更符合知識建構和思維培養的規律。

學生只有在不同的情境脈絡中，反復運用計算機領域的思想和方法進行問題求解，才能深度理解隱形于運用物聯網知識解決問題過程中的計算思維[2]。教師首先要注重知識之間的邏輯聯系，遵循學生的思維習慣，精心設計情境小主題群，在教學中教師可以提供引導學生層進式思考的學習支架，引導學生在問題解決中達成思維發展和提升。具體的主題和核心內容安排描述如下。

主題1：連接互聯網獲取天氣信息。了解設備連接到網絡的方法，嘗試從云服務平臺上讀取網絡數據，編程實現反饋數據在設備上顯示。通過小組研討交流，整理獲取網絡數據的思路和方法。

主題2：在線吃藥提醒器。了解物聯網MQTT協議的工作原理，學會搭建本地MQTT物聯網平臺，分析情境了解需求，探究從服務平臺訂閱消息的方法和原理，系統設計編程實現吃藥提醒功能。小組間展示交流，深度理解物聯網MQTT協議的工作原理。

主題3：模擬實現計步器。分析需求分解項目，選擇傳感器完成系統設計和搭建，探究使用加速度傳感器記步的科學原理，設計實現計步器原型系統。教師組織展示交流，總結形成開源硬件搭建原型系統的實現模型。

4.設計綜合項目和拓展項目，遷移應用深化理解

整合前面3個小主題，可以設計實現老年智能伴侶的原型系統，引導學生經歷綜合項目的完整過程，減少從頭設計的課時困境，而針對學有余力的學生，可以通過拓展作業增加更多功能，或結合社會的物聯網應用領域找到新需求，嘗試沙盤化模擬或改進某個功能等，引導學生從發現到創造，發展計算思維。

結" 語

未來，我們將身處現實空間與數字空間并存的數字化社會，物聯網有可能成為新型信息基礎設施之一，信息科技教學要從數據的視角，引導學生認識并理解生活中的科技，嘗試用智能工具增強學習能力，用計算思維去識別、分析和解決問題，培養未來發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。

注：本文系北京市教育學會課題（課題編號：XXJS2022-004）、北京教育學院課題“基于計算思維培養的物聯網教學案例研究”（課題編號：XYJG2022-58）的研究成果

參考文獻

馮友梅，顏士剛，李藝. 從知識到素養：聚焦知識的整體人培養何以可能[J]. 電化教育研究，2021，42（2）： 5-10+24.

姜強，王利思，趙蔚，等. 認知水平與計算思維間的隱含關系挖掘——基于編程行為表征視角[J]. 現代遠程教育研究，2020，32（2）： 94-103.

作者單位：北京市朝陽區教師發展學院