巧借人工智能技術工具，引領項目學習走向深處
——以初中開源硬件教學為例

都書文 江蘇省無錫市江南中學

●問題提出與核心概念解讀

當前，中小學普遍關注學生創新意識、高階思維和實踐能力的發展，大力推進工程教育，以培養學生工程思維和解決實際問題能力為核心目標。而物聯網作為工程教育不可或缺的一部分，在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中更是作為三大課程內容模塊之一被提出，要求學生不僅是技術的體驗者，更是技術的理解者、創新者與思辨者。當前，物聯網模塊教學實踐多在創客類課程中以項目式學習的方式開展。以智慧家居項目為例，設定項目目標為圍繞家居生活發現生活中的實際問題，利用物聯網等相關技術創作作品解決問題。但該項目為開放式主題，學生因為缺少生活經驗，難以提出創意想法并解決實際問題。因此，筆者從理解性學習的視角出發，將項目學習定位為對“物聯網實踐與探索”模塊知識內容的深度理解，培養學生理解并能夠運用物聯網知識解決生活中的實際問題。同時，融入人工智能技術，設計并組織項目學習，充分利用生成式人工智能對課堂進行拓展。

●項目分析與實踐

1.項目背景

智慧家居作為物聯網的典型應用之一，是在互聯網影響之下物聯化的體現，也是較為貼近學生生活的物聯系統。項目以智慧家居為主題，引導學生關注真實的生活場景，發現生活中家居存在的問題，并采用物聯網技術等提出解決方案，設計原型系統，完成相關作品的制作。該項目旨在提高學生對日常生活中的問題的關注程度，針對發現的問題，提出科學的解決方案，培養學生綜合利用已有知識與技能解決問題的能力。

2.學情分析

七年級的學生思維活躍、樂于發現，善于在動手實踐中發現問題、思考問題，其具有一定的編程能力、邏輯思維能力，而且在學習上具有主動性，具備獲取信息和加工信息的能力，能夠在教師的引導下主動完成知識的建構。

3.項目目標

結合新課標對“物聯網實踐與探索”模塊的內容要求，確定項目知識內容（如下頁圖）。

（1）學習目標

①通過對物聯網典型應用場景—智能家居進行探討和分析，感受萬物互聯的場景，了解物聯網的特征概念，理解物聯網與互聯網的異同。

②根據功能需求，學會剖析、處理和設計實現需求的可行方法，并體會數據“采集→傳輸→處理→應用”的物聯網實現過程。

③感受物聯網的強大和樂趣，能夠梳理程序邏輯，實現和體驗小型智能家居系統。

④在合作、共享中學習，學會辯證地看待物聯網發展對社會生活的影響。

（2）核心素養目標

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

②在解決項目問題的過程中，了解和熟悉常用的數字化工具與資源，根據需要合理選擇，提升數字化學習與創新能力。

③在搭建小型物聯系統時，經歷分析問題、原型設計、功能實現以及測試與優化等過程，培養計算思維。

④在了解不同物聯網系統的過程中，學會客觀認識物聯網技術發展對社會生活的影響。在小組探究的過程中，能夠與項目組成員進行有效交流，提高合作交流能力，提升信息社會責任素養。

4.項目設計與實踐

依照界定問題、搭建系統原型、讀取數據、應用數據的物聯網技術解決問題思路，本項目分為四個教學環節，并圍繞項目核心問題，細化四個子問題，分別對應四個教學環節。具體項目設計與實踐思路如下表所示。

（1）發布項目主題，聚焦問題場景

核心問題：智慧家居是物聯網嗎？

學習任務：①借助ChatGPT了解智慧家居能夠解決什么問題？②結合自己的生活經驗，明確智慧家居作品的選題方向。③了解物聯網的概念，理解互聯網與物聯網的異同。

教學環節：①頭腦風暴—學生在此環節缺乏生活經驗，需要更多的資料引導學生思考。教師提供ChatGPT，學生借助ChatGPT提問和獲取信息。教師啟發學生創意構思各種居家生活場景，并為學生制訂主題、確定選題提供可參考的思路。②引導思考—教師在此環節提出思考性問題：“智慧家居是物聯網嗎？為什么？”

設計意圖：引導學生借助ChatGPT為智慧家居的選題提供引導性思路，并理解物聯網的概念，了解物聯網與互聯網的異同，主動發現和判斷身邊的物聯網應用。

（2）拓展功能需求，解構實現過程

核心問題：智慧家居場景中數據經歷了哪些智能化的實現過程？

學習任務：①小組討論，設計集多種功能為一體的小型智能家居物聯系統原型，將想法可視化呈現。②理解物聯系統中數據的實現過程。

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教學環節：①細化功能需求——學生通過搜集資料，細化選題的功能需求，提出智慧家居中溫濕度控制、燈光控制等功能需求，并嘗試將設計的智慧家居系統原型可視化呈現。②引導分析智能控制的實現過程——教師提出核心問題：“溫濕度、燈光是如何實現智能控制的？”以燈光自動控制為例，學生提出當室內光線昏暗時，自動打開家中的燈，當周圍環境光線充足時，自動關閉家中的燈。③理解物聯網系統的工作過程和基本原理——進一步引導思考：智能控制過程是通過什么信息判斷燈光的亮暗？它的實現過程是什么？本環節旨在引導學生從分析真實的物聯網應用出發，建構物聯網相關概念，并在分析的過程中，理解物聯網系統的工作過程和基本原理。對于分析光線數據判斷的過程，學生相對較容易理解，教師可進一步提問：“在這一過程中，數據（光線）經歷了哪些階段？”教師通過該問題引導學生思考數據“采集→傳輸→處理→應用”的物聯網實現過程。

設計意圖：通過對智慧家居物聯系統的設計與搭建，探索物聯網中數據采集、處理、反饋控制等基本功能，理解數據“采集→傳輸→處理→應用”的物聯網實現過程。

（3）梳理程序邏輯，實現功能架構

核心問題：如何搭建智慧家居的硬件系統，實現智能化功能？

學習任務：①根據設計方案，確定作品使用的開源硬件和實現每個功能模塊需要的傳感器及相關組件，體驗簡易物聯系統的基本流程。②將現實的事物轉化為可以用計算機處理的對象，搭建并調試程序。

教學環節：①系統集成——學生已設計出智慧家居作品功能雛形，但欠缺實踐。教師引導學生分析設計作品的程序邏輯，梳理整個控制流程，進行功能需求程序的邏輯分析，并繪制原理圖。學生根據設計的智能家居功能架構，思考可用哪些傳感器實現功能，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，歷經設計、搭建與編程的過程，體驗簡易物聯系統的基本流程。②錯誤調試——在搭建與編程的過程中，學生會遇到不同的問題，如程序沖突、程序錯誤、模塊損壞等，教師鼓勵學生自行討論解決問題。

設計意圖：引導學生學會將現實事物轉化為可以用計算機處理的對象，提高對事物進行抽象和轉化的能力。在編程與調試的過程中，以錯促學，在問題解決中過程提升動手實踐能力，強化計算思維。

（4）延伸拓展項目，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？

學習任務：①設計家居應用的外部結構，并選擇合適的材料。②小組展示作品，交流不同作品的特征，總結概括物聯網應用產品的特征，共同討論物聯網的特征。

教學環節：①設計家居應用的外部結構——學生在實現功能需求的基礎上，著手考慮智慧家居的完整性和美觀性，并繪制結構圖。②選擇合適的材料——學生為外部結構選擇制作材料，如椴木板、亞克力板等，了解榫卯鑲嵌等材料的拼接方法。③小組分享設計及實踐成果——在各小組獨立完成對作品的整體設計與制作后，小組間分享和展示。④小組交流討論，各抒己見——在展示環節后，教師引導學生思考不同物聯網作品的特征，共同討論物聯網全面感知、可靠傳遞、智能處理的特征，以及生活中的物聯網應用為我們的生活提供了哪些便捷，是否存在弊端。

設計意圖：探討分析典型物聯網應用并總結物聯網特征，引導學生敏銳感知物聯網技術對生活的影響，客觀看待物聯網的重要價值，產生探究新技術的興趣。

●總結

“物聯網實踐與探索”模塊的教學從真實情境出發明確項目需求，以工程思維培養為項目目標，利用工程學思想來提升項目質量。而理解性學習理念能夠在項目開展過程中加深學生對核心知識概念的理解，引導學生像工程師一樣思考和解決問題，這也為工程教育實踐落地提供了可行思路。