《物聯網濕度監測系統設計與實現》教學設計

趙丹丹 北京市懷柔區第二中學

●創新整合點

1.加強多學科聯系，開展跨學科主題學習

以生物實驗探究中遇到的真實問題為切入點，打破學科界限，嘗試通過信息科技學科所學知識解決生物實驗數據采集問題，幫助學生建立跨學科知識的聯系，探索利用跨學科知識解決問題的過程與方法。

2.凸顯學生的主體性，提升學生核心素養

以真實問題驅動學生主動思考，有效激發了學生用物聯網技術解決問題的信息意識，提升了學生計算思維、數字化學習與創新能力、問題解決能力。

3.信息技術促進教學，與教學活動有效融合

通過DF創客社區網站、項目學習導學案、自學課件等多媒體學習資源幫助學生突破學習重難點，達成學習目標；課堂上通過歐帝白板、釘釘等技術工具直觀展示學生動手實踐成果；選用智能終端設備與平臺，如掌控板、Mind+編程軟件、Easy IoT物聯網平臺等，實現簡易物聯網系統的開發；借助問卷星開展在線學習評價，有效實現課堂實時評價、及時反饋。

●教學內容分析

本節課內容選自《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）“物聯網實踐與探索”模塊中的“跨學科主題”部分，新課標對本部分的學業要求為: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;能通過智能終端或編寫程序，讀取并處理含有物聯功能的設備中的數據，并進行適當反饋或控制。新課標還倡導真實性學習，鼓勵“做中學”，凸顯學生的主體性。

本節課是“基于物聯網探究植物對空氣濕度的影響”跨學科主題學習的第1課時，引導學生采用基于項目學習的方式，分析、設計、搭建、實現物聯網濕度監測系統，解決生物實驗中遇到的數據采集問題，為第2實驗數據分析及第3課時得出實驗結論奠定基礎。

●學情分析

本節課教學對象為七年級學生，這個年齡段的學生思維活躍、好奇心強，具備了一定的觀察能力、分析能力及合作學習能力，而且他們對項目實踐有較強的動手愿望。

通過前面章節的學習，學生理解了物聯網系統的工作過程和實現原理，認識了簡易物聯網系統中涉及的智能終端設備、物聯網云平臺，能進行硬件搭建和軟件編程，已具備了物聯網系統設計與實現的基本技術知識儲備。

“物聯網實踐與探索”模塊學習內容難度較大，學生的接受掌握能力差異明顯。對物聯網濕度監測系統的設計，需要學生具有一定的抽象和轉化能力。

●教學目標

①能主動提出生物實驗探究中遇到的問題，有利用物聯網技術解決問題的信息意識。

②能根據物聯網的基本原理思考物聯網濕度監測系統的結構和功能，完成系統的設計。

③能選擇合適的硬件和物聯網平臺進行系統搭建，并通過軟件編程實現系統的功能。

④通過親自參與項目實踐活動，形象直觀地認識物聯網系統設計與開發的一般流程。

●教學環境與準備

教學環境：具備有線網絡和無線網絡的計算機教室，計算機均安裝極域電子教室管理軟件、網頁瀏覽器、Mind+編程軟件。

教學準備：裝有希沃白板軟件的教學平板、掌控板、IO擴展板、USB數據線、溫濕度傳感器、杜邦線、教學課件、項目學習導學案。

●教學過程

1.真實情境，問題引入

筆者由七年級上冊生物實驗“探究植物對空氣濕度的影響”引入，引導學生思考在實驗探究過程中遇到了哪些問題，學生思考后回答。

設計意圖：通過創設真實問題情境，激發學生學習興趣，引導學生主動發現問題。

2.分析問題，確定項目

引導學生思考是否能用信息科技課所學知識解決發現的問題，學生思考后回答：應用物聯網傳感器監測的方式，自動、連續獲取空氣濕度數據，通過無線網絡上傳到物聯網平臺進行記錄，就可以在室內遠程監測、分析獲取的空氣濕度數據。

由此引出跨學科主題學習項目：基于物聯網探究植物對空氣濕度的影響。

設計意圖：激發學生用信息技術解決問題的信息意識，培養學生的獨立思考能力。

3.回顧原理，設計系統

（1）復習舊知，關聯過渡

引導學生借助項目學習導學案上的練習題回顧前面學過的“物聯網基本原理與功能”知識，為本節課物聯網濕度監測系統的設計做好知識準備。

（2）合作設計，互幫互助

引導學生通過組內交流討論進行物聯網濕度監測系統結構設計。在這個任務中，教師給學生提供了系統框架圖，降低了系統設計的難度，學生只需補充填寫系統各部分組成元素。這種方式將抽象的物聯網系統設計簡化為學生在最近發展區可解決的問題，學生在互幫互助中高效完成系統結構設計。

設計意圖：物聯網濕度監測系統的設計是本節課的重難點，因此，通過知識回顧、合作互助、提供學習支架的方式，引導學生成功完成系統結構設計，突破學習難點，達成學習目標。

4.動手實踐，實現功能

（1）搭接硬件

引導學生組內分工合作，根據系統設計，完成主控板、擴展板和相關傳感器等硬件的搭接，登錄Easy Iot物聯網平臺完成配置。

（2）設計算法

先引導學生組內交流討論，設計算法實現連續采集空氣濕度數據并發送到物聯網平臺，然后組織學生上臺展示算法流程圖。教師對學生的設計給予評價反饋，并給出清晰準確的算法流程圖，讓學生明確算法流程，理解計算機解決問題的步驟。

（3）編寫程序

學生每4人分成一個小組，每組設兩名組長，一對一結對互助，在合作中完成程序編寫。

設計意圖：物聯網濕度監測系統的功能實現是本節課的重難點。通過任務分解、結對互助的方式，幫助學生提高學習效率，突破學習難點，達成學習目標。通過硬件搭接，引導學生與物理電路知識建立聯系，進行多學科知識融合。通過設計算法、編寫程序，幫助學生理解計算機解決問題的方式和步驟，提升學生計算思維、數字化學習與創新能力。

5.測試優化，分享展示

引導學生將編寫的程序上傳到主控板上，測試系統能否正常運行，然后配合物聯網平臺，查看能否按設計的要求獲取空氣濕度數據。

教師給完成較快的小組布置了提高任務：對程序進行優化，實現顯示屏上能實時顯示采集的濕度數值和樣本數量。在測試完成后，教師組織學生分享展示學習成果。

設計意圖：給學生提供展示分享的舞臺，讓學生獲得學習的成就感。通過設置提高任務，進行學習任務的分層，滿足不同學生的學習需求。

6.課堂小結，及時評價

首先，引導學生對本節課所學內容進行回顧梳理，幫助學生建構出物聯網系統項目開發的一般流程。其次，通過問卷星發放學習評價表，引導學生完成自我學習評價。最后，為學生布置課后實踐作業：請教生物教師，選取不同植被，實地部署應用，測量空氣濕度數據，并做好系統工作環境因素分析和系統防護。

設計意圖：課堂小結促進知識內化，幫助學生主動建構物聯網系統項目開發的一般流程。通過問卷星進行在線學習評價，實現實時評價、及時反饋。設計的課后實踐作業，能啟發學生辯證思考技術的優勢和局限性，增強信息社會責任。

●教學反思

1.解決真實問題，達成教學目標

本節課從生物實驗探究中遇到的真實問題出發，讓學生帶著問題與知識建立情境性的聯系，有興趣地開展學習探究。本節課通過引導學生復習回顧，建立新舊知識的關聯過渡，實現了知識的遷移應用，幫助學生完成了對物聯網濕度監測系統的設計。通過動手搭建實現系統功能的實踐活動，真正“把課堂還給學生”，給學生提供了多元化的學習支架，引導學生合作學習，高效完成了物聯網濕度監測系統的硬件搭接、設計算法、編程調試等任務，實現了系統的功能，有效達成了教學目標。

2.關注學生，發展核心素養

信息科技課程要培養的核心素養主要包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任。本節課通過真實問題引發學生主動思考用信息技術解決問題，有效激發了學生的信息意識。在物聯網濕度監測系統設計過程中，將現實的事物轉化為可以用計算機處理的對象，掌握以計算機可處理的方式思考物聯網系統的結構和組成部件是學生的思維障礙點。針對學情，在系統設計環節給學生提供了學習支架，降低系統設計難度，幫助學生發展了對事物進行抽象和轉化的能力。引導學生動手實踐，親身經歷物聯網系統設計與開發的一般流程，建構知識，提升問題解決能力。在設計算法、編寫程序的學習活動中，幫助學生理解掌握計算機解決問題的方式和步驟，提升學生計算思維、數字化學習與創新能力。引導學生課后實地部署應用，并做好系統工作環境因素分析和系統防護，有效啟發學生辯證思考技術的優勢和局限性，增強信息社會責任。

3.把控時間，合理安排

本節課雖然在布置學習任務時給學生限定了活動時長，但因學生動手實踐環節用時較多，導致課堂小結環節時間較少，學生沒有充足的梳理總結時間。因此，在今后開展項目學習實踐活動時，筆者將密切關注學生的反饋和理解情況，以靈活調整教學時間進度。

在成果交流展示環節中，學生表現出了高漲的熱情，小組集體榮譽感、各組之間的競爭性，會激勵學生認真做好協調分工，密切配合以呈現出好的展示效果。因此，在今后的課堂中，要更注重學生的展示交流，讓學生盡情展現自己，增強自信心，收獲成就感。